Háromdimenziós mágneses palást dc-től 250 kHz-ig

Jianfei Zhu

1 Állami kulcstechnika a modern optikai műszerekről, Optikai és elektromágneses kutatóközpont, Optikai Tudományok és Mérnöki Főiskola, Zhejiang Egyetem, Hangzhou 310058, Kína

Wei Jiang

1 Állami kulcstechnika a modern optikai műszerekről, Optikai és elektromágneses kutatóközpont, Optikai Tudományok és Mérnöki Főiskola, Zhejiang Egyetem, Hangzhou 310058, Kína

Yichao Liu

1 Állami kulcstechnika a modern optikai műszerekről, Optikai és elektromágneses kutatóközpont, Optikai Tudományok és Mérnöki Főiskola, Zhejiang Egyetem, Hangzhou 310058, Kína

Ge Yin

1 Állami kulcsfontosságú modern optikai műszer, Optikai és elektromágneses kutatóközpont, Optikai Tudományok és Mérnöki Főiskola, Zhejiang University, Hangzhou 310058, Kína

Jun Yuan

1 Állami kulcstechnika a modern optikai műszerekről, Optikai és elektromágneses kutatóközpont, Optikai Tudományok és Mérnöki Főiskola, Zhejiang Egyetem, Hangzhou 310058, Kína

Ő vitorlázik

1 Állami kulcstechnika a modern optikai műszerekről, Optikai és elektromágneses kutatóközpont, Optikai Tudományok és Mérnöki Főiskola, Zhejiang Egyetem, Hangzhou 310058, Kína

2 Elektromágneses mérnöki tanszék, Villamosmérnöki Iskola, Királyi Műszaki Intézet, S-100 44 Stockholm, Svédország

3 ZJU-SCNU Fotonikai Közös Kutatóközpont, Dél-Kínai Fejlett Optoelektronikai Akadémia, Dél-Kínai Normál Egyetem, 510006 Guangzhou, Kína

Yungui Ma

1 Állami kulcstechnika a modern optikai műszerekről, Optikai és elektromágneses kutatóközpont, Optikai Tudományok és Mérnöki Főiskola, Zhejiang Egyetem, Hangzhou 310058, Kína

Társított adatok

Absztrakt

A láthatatlan leplezés a metamateriális kutatások egyik fő eredménye, de a gyakorlati potenciált, különösen a magas frekvenciák (például a mikrohullámú sütőtől a látható fényig) szempontjából, az általuk igényelt összetett anyagtulajdonságok végzetesen megkérdőjelezik. Másrészt előnyös és technológiai szempontból is célszerű álcázóeszközöket tervezni olyan alacsony frekvenciájú alkalmazásokhoz, ahol az elektromágneses alkatrészek kedvezően vannak szétkapcsolva. Ebben a munkában nagymértékben fejlesztjük a kétrétegű megközelítést egy háromdimenziós mágneses palást létrehozására, amely képes mind statikus, mind dinamikus térben dolgozni. A kvázi-statikus közelítéssel tökéletes mágneses leplező eszközt mutatunk be, nagy frekvenciasávval, 0 és 250 kHz között. Készülékünk gyakorlati potenciálját kísérleti úton igazolják egy kereskedelmi forgalomban lévő fémdetektor segítségével, ami oda vezethet, hogy valódi álcázó alkalmazásra van szükségünk, ahol a dinamikus mágneses mező a kívánt módon kezelhető.

Ezekkel a kritikus kérdésekkel kapcsolatban ebben a munkában nagymértékben fejlesztjük a kétrétegű megközelítést egy mágneses palást folytatására, amely 3D kvázi-statikus térben működik, az anyag tulajdonságainak optimalizálásával. Ellentétben a 23,27,28,32 előtt használt fémötvözetekkel, itt ellenálló, kiváló minőségű ferritet alkalmaznak az örvényáram-veszteség megszüntetésére, és ami még fontosabb, hogy viszonylag széles mezőtartományban lineáris mágneses választ kapjon. A mágnesezett mintához a dc-től kezdve egy frekvenciasávban csaknem lapos permeabilitási spektrum érhető el. több száz kilohertzre. Az általunk használt SC komponens gondosan egykristályos itrium-bárium-réz-oxid (YBCO) hengerekből készül, amelyek tömeges és egykristályos tulajdonságai sok lehetséges negatív anyagkérdést kizárhatnak az induktív veszteséggel kapcsolatban. Ilyen kétrétegű szerkezettel itt kísérletileg egy tökéletes 3D mágneses köpenyt mutatunk, amely egyenfeszültségtől működik. maximum 250 kHz-es mérési frekvenciára, amely szinte az összes EMI-készülék működési sávját lefedi. A tárgyak reális elrejtésére szolgáló alkalmazási lehetőségeket kereskedelmi fémdetektor segítségével is megvizsgálják.

Eredmények

Minta tervezése és gyártása

Az 1. ábra a kétrétegű struktúra vázlatát mutatja, amely az SC belső héjából (fekete) és az FM külső héjából (barna) áll, nem mágneses háttérrel. Mindegyik héj két szilárdan összekapcsolt, azonos félből áll, amelyek az xy síkban érintik egymást. Az SC héjat (belső R1 sugár és külső külső sugár R2) megmunkálták és két YBCO egykristályos hengerből maratták. A derékszögű koordinátákban a z tengelyt az YBCO egységcellájának c tengelye mentén határozzuk meg, és az xy sík párhuzamos az ab rácssíkkal. Ily módon a maximálisan alkalmazható mágneses tér különbözik a z tengely mentén, mint az xy sík iránya az anyagi anizotrópia miatt41. Az R3 külső sugárú FM héj NiZn lágy ferritporok és paraffinmátrix összetétele megfelelő tömegaránnyal. A gyártás részletei megtalálhatók a Módszerek részben. Feltételezve, hogy egyenletes statikus külső mező és tökéletes SC héj van (a bőr mélysége vagy a londoni behatolási mélység a szubmikron alatti skálán van41), az ideális 3D mágneses köpenynek megkövetelt FM komponens áteresztőképességének (lásd a 23. hivatkozást és a kiegészítő 1. megjegyzés)

dolgozik

A kétrétegű szerkezet egy belső SC héjból áll (R1≤r A 2a – c. Ábra a statikus mágneses mező modulusprofiljait mutatja az xz síkban a csak SC, csak FM és kétrétegű kompozit (SC + FM) mintákhoz. A mágneses tér normalizált erősségét különböző színek képviselik, a mező irányát pedig a fekete nyílvonalak jelzik. Nyilvánvaló, hogy a minta tetején található mágneses erővonalakat az egyetlen SC héj elűzi (ábra. 2a) és az egyetlen FM-héj koncentrálja (2b. Ábra), miközben ezeket a zavarokat a megfelelő kombinációjuk teljesen megszünteti (2c. Ábra). Ezeket az eredményeket kvantitatívabban szemlélteti az egyenes mentén számított térváltozási görbék egy 5 -mm távolság a minta felett a Kiegészítő 1a. ábrán.

(a-c) A mágneses tér intenzitási profilja a statikus térhez. (d-f) A dinamikus mező mágneses mező intenzitási profilja 25 kHz-en. A minták csak SC anyagból készülnek (a,d), Csak FM anyag (b,e) és a kétrétegű kompozit (c,f), ill. Különböző színek képviselik a legnagyobb mágneses tér abszolút értékét, amelyet a legnagyobb érték normalizál, és a fekete nyíl vonalak mutatják irányukat. Mind a statikus, mind a dinamikus esetekben a kétrétegű minta nem mutat zavarást a külső mágneses mezőben, és így tökéletes 3D leplezés valósul meg kvázi-statikus közelítéssel.

Álcázásmérés statikus mágneses mezőkben

(a) A kétrétegű mintához (fekete négyzetek) és két referencia SC (piros körök) és FM (kék háromszög) héjakhoz mért z-komponensű mágneses tér relatív változása csak az egyenes mentén z = R3 + 5 mm-re xz sík. A mérés során egyenletes 2,5 mT külső mágneses mezőt alkalmazunk a z tengely mentén. (b) A mágneses tér relatív változása a z tengely mentén alkalmazott külső mágneses tér erősségének függvényében. Az FM héj mintáját csak egyszer mérjük, míg a többi két mintát kétszer úgy mérjük, hogy az YBCO egység cellájának c tengelye párhuzamos a külső mágneses mezővel (c tengely ||H) és merőleges (miután a mintát az x tengely körül 90 ° -kal elforgatta) (c tengely⊥H), ill. Az YBCO monokristályok alacsonyabb kritikus mezőjének anizotrop tulajdonságai a mért síkbeli relatív változás mintegy 2,8 mT-nál történő „hasadásához” vezetnek. Hall-érzékelőnk feszültségfelbontása 0,1 μV. A hiba oszlopok vannak a és b úgy kapjuk, hogy ezt az értéket elosztjuk a mért mintafeszültséggel.

Különböző célú gyakorlati alkalmazásoknál a térerősség-tolerancia nagyon fontos tényező a valódi köpeny képességének és potenciáljának értékelésében. Ebben a vonatkozásban gondosan meg kell vizsgálni az FM komponens lineáris válaszképességét és az SC komponensre vonatkozó maximális kritikus mezőt. Az első kérdést illetően a lágy mágneses anyagok között viszonylag nagy magnetokristályos anizotróp energiájú NiZn spinellferriteket alkalmaztak ebben a munkában, hogy viszonylag nagy térbeli lineáris mágnesezési tulajdonságot nyerjenek. A 2a. Kiegészítő ábra az FM kompozit mágnesezési hiszterézishurkát ábrázolja 1 T maximális térben 77 K hőmérsékleten. A nagyított kisebb hurok betétje azt mutatja, hogy a mágneses kompozit jó lineáris mágnesezési viselkedéssel rendelkezik, legalább 20 mT-ig, amely elég nagy lehet a legtöbb alacsony terepi alkalmazáshoz. Ez a lineáris karakterisztika fontos az áram amplitúdó és a frekvencia-alapú terepi zavarok mérése szempontjából29.

Álcázásmérés dinamikus mágneses mezőkben

A mérést a közeli mező mágneses mező z-komponensének xz síkjában végezzük úgy, hogy a szondát a z = R3 + 5 mm-es vonal mentén pásztázzuk az origón rögzített minta felett (a), vagy a mintát az x = 0 és z = R3 + 5 mm-re rögzített szonda alatt a z = 0 ponton lévő vonal mentén mozgatjuk (b), ill. A második mérés során a minták által tapasztalt mágneses tér relatív erősség-változása körülbelül 4%, a gerjesztő tér térbeli inhomogén eloszlása ​​miatt. A két különböző mérés hasonló eredményeket ad, jelezve mintáink robusztusságát és izotróp mezőválaszát. Bezárható erősítőnk feszültségfelbontása 0,2 μV 25 kHz-nél. A hiba sávok vannak a és b úgy kapjuk meg, hogy ezt az értéket elosztjuk a mért mintafeszültséggel.

Vita

Kísérletileg megerősítettük a kétrétegű köpeny funkcionalitását mind a dc esetén. és a dinamikus mezők a kvázistatikus közelítés alatt. Ez a feltételezés csak akkor érvényes, ha a megvalósított eszköznek tökéletes SC komponense van, a minta nagyságához képest elhanyagolható a tér behatolási mélysége. Egy közönséges fémből készült belső héj, amelynek frekvenciafüggő behatolási mélysége van az érdeklődő frekvenciáinkon, nem képes utánozni egy tökéletes diamágnes viselkedését az elsődleges mező teljes kiszűrésére45. Az 5. kiegészítő ábra azt mutatja, hogy a leplező hatás megszűnik, amikor a belső SC héjat normál vezetővel, például rézzel helyettesítik. Kétrétegű szerkezetünk szempontjából az FM és az SC komponenseket két polarizációval ellentétes dipólusnak tekinthetjük, amelyek kiegyensúlyozzák egymás hatását és mágneses átlátszóságot váltanak ki46. Elvileg több mikron lehet elég vastag az egykristályos SC héjhoz, ha megvalósítása megvalósítható.

A minta gyártása

Mérés