[論文レビュー] Ferromagnetic Wires Composite Media with Tunable Scattering Spectra at Microwaves

D. P. Makhnovskiy, Л. В. Панина+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2006

Electromagnetic wave absorption materials参考文献 2被引用数 76

ひとこと要約

本論文は、外部磁場または機械的応力を用いて可変なマイクロ波散乱スペクトルを示すフェロ磁性ワイヤ複合材料の実証を示している。CoFeCrSiBガラス被覆アモルファスワイヤの磁気インピーダンス応答を活用することで、わずか1–3 Oeの磁場または0.1 MPaの応力で、1–8 GHzの周波数範囲において理論的予測を実験的に裏付ける形で、最大10 dBの変調が達成された。

ABSTRACT

We demonstrate composite media with ferromagnetic wires that exhibit a frequency region at the microwave regime with scattering spectra strongly dependent on an external magnetic field or stress. These tunable composite materials have recently been proposed theoretically; however, no direct experimental verification has been reported. We used composite materials with predominantly oriented CoFeCrSiB glass-coated amorphous wires having large magnetoimpedance at GHz frequencies. The free space measurements of reflection and transmission coefficients were conducted in the frequency range 1-8 GHz in the presence of an external static magnetic field or stress applied to the whole sample. In general, the transmission spectra show greater changes in the range of 10dB for a relatively small magnetic field of few Oe or stress of 0.1 MPa. The obtained results are quantitatively consistent with the analytical expressions predicted by the effective medium arguments. The incident electromagnetic wave induces an electrical dipole moment in each wire, the aggregate of which forms the effective dipole response of the whole composite structure in the radiative near or far field region. The field and stress dependences of the effective response arise from a field or tensile stress sensitivity of the ac surface impedance of a ferromagnetic wire. In the vicinity of the antenna resonance the variations in the magneto-impedance of the wire inclusions result in large changes of the total effective response. A number of applications of proposed materials is discussed including the field tunable microwave surfaces and the self-sensing media for the remote non-destructive evaluation of structural materials.

研究の動機と目的

• フェロ磁性ワイヤ複合材料における可変マイクロ波散乱の理論的予測の実験的検証。
• 外部磁場および機械的応力がワイヤベース複合材料の電磁応答に与える影響の調査。
• アモルファスワイヤの磁気インピーダンスを用いたマイクロ波透過および反射スペクトルの動的制御の可能性の実証。
• フィールド可変マイクロ波表面および構造材料の非破壊評価への応用可能性の探求。

提案手法

• GHz周波数域で高い磁気インピーダンスを示す主に配向したCoFeCrSiBガラス被覆アモルファスワイヤを用いた複合媒体の作製。
• 静的磁場または一軸応力を印加した状態で、1–8 GHz周波数範囲における反射係数および透過係数の自由空間測定。
• 個々のワイヤインクルージョンが共鳴アンテナとして振る舞う集団的応答に基づき、複合構造の有効なドーナツ応答の分析。
• 有効応答の磁場および応力依存性は、磁気インピーダンス調制によるフェロ磁性ワイヤの交流表面インピーダンスの変化に起因するとされた。
• 有効媒体理論から導出された解析的式を用いて、実験データと定量的に比較。
• 複合系の放射応答を評価するため、近場および遠場領域での測定を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェロ磁性ワイヤ複合材料は、印加磁場または応力の下で外部から可変なマイクロ波散乱スペクトルを示すか。
• RQ2 個々のワイヤの磁気インピーダンスが、マイクロ波周波数域における複合材料の有効電磁応答にどのように影響を与えるか。
• RQ3 小さな磁場または低い機械的応力で、透過および反射スペクトルをどの程度変調できるか。
• RQ4 観察された可変性は、有効媒体理論の予測と定量的に整合しているか。
• RQ5 この可変応答の実用的意義は、マイクロ波デバイス設計および非破壊評価にどのような影響を及えるか。

主な発見

• わずか1–3 Oeの小さな磁場でも、複合媒体は最大10 dBの透過スペクトル変化を示した。
• 0.1 MPaの応力でも散乱スペクトルに顕著な変化が観察され、機械的変形に対する高い感度が示された。
• 観察された可変性は、フェロ磁性ワイヤの交流表面インピーダンスの磁場および応力依存性と強く関連していた。
• 実験結果は、有効媒体理論から導出された解析的式と優れた定量的整合性を示した。
• 複合構造の有効ドーナツ応答は、主にマイクロ波領域で共鳴アンテナとして振る舞うワイヤインクルージョンの集団的挙動によって支配されていた。
• 本研究の結果は、このような複合材料をフィールド可変マイクロ波表面および構造健全性モニタリング用自己センシング材料として用いる可能性を裏付けた。