작동 인덕터 내부의 자화를 위한 중성자 이미징

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9184(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

자기 부품은 발전기, 모터, 전력 전기 장치 및 자기 냉장고와 같은 에너지 변환 시스템의 핵심 부품입니다. 자기 링 코어가 있는 토로이달 인덕터는 매일 사용되는 전기 장치 내부에서 찾을 수 있습니다. 그러한 인덕터의 경우, 자화 벡터 M은 19세기 후반에 전력이 사용됨에 따라 자기 코어 내부에 분포 여부에 관계없이 순환하는 것으로 믿어집니다. 그럼에도 불구하고, 특히 M의 분포가 직접적으로 검증된 적은 없습니다. 여기서 우리는 친숙한 인덕터 장치에 조립된 페라이트 링 코어에 대한 분극 중성자 전송 스펙트럼 맵을 측정했습니다. 그 결과, 코일에 전원이 공급되면 M이 페리자성 스핀 순서로 링 코어 내부를 순환하는 것으로 나타났습니다. 즉, 이 방법을 사용하면 자기 상태의 다중 스케일 오페란도 이미징이 가능해 복잡한 자기 상태를 갖는 자기 구성 요소를 사용하는 고성능 에너지 변환 시스템의 새로운 아키텍처를 평가할 수 있습니다.

자기 부품은 발전기, 모터, 전력 전기 장치 및 자기 냉장고와 같은 에너지 변환 시스템의 핵심 부품입니다. 그러므로 그들은 19세기 후반부터 현대사회의 주춧돌이 되어왔다. 예를 들어 페라이트 코어와 구리 코일이 포함된 토로이달 인덕터(그림 1a)는 일상 생활의 다양한 전기 장치에서 찾아볼 수 있습니다. 앙페르의 회로법칙에 따르면 인덕터1에 전류가 공급되면 인덕터 코일 내부에 원주방향 자기장 H가 발생합니다. Ampère의 회로 법칙은 둘레의 차이로 인해 내부 원주에서 H의 진폭이 외부 원주의 진폭보다 1.5배 더 크다고 예측합니다(그림 1b). 자화 M이 H와 평행한 방향으로 유도되고 그 크기가 H에 비례하면 M도 내부와 외부의 크기가 1.5배 다른 페라이트 코어 내부에서 원주 방향으로 돌게 됩니다. 이러한 단순한 가정이 에너지 변환 시스템에 사용되는 실제 자기 부품에 항상 유효한 것은 아니지만, 그 내부의 M 분포는 직접적으로 검증된 적이 없습니다. 자기 포화로 인해 균질한 큰 H에서는 비선형 자기 응답이 자주 예상됩니다. 더욱이, 모서리에서 생성된 자기장 또는 자기 이방성은 일반 자기 부품에서 M 방향을 H 형태로 기울입니다. 즉, 실제 자기 부품은 잘 알려진 자속 B = μ0(H + M) = μ0(1 + χ)H 관계를 만족하지 않습니다. 여기서 μ0는 진공 투자율이고 χ는 민감도입니다. 따라서 M의 분포는 H 또는 B의 분포와 동일하지 않습니다. 그러나 수세기에 걸쳐 자기 구성 요소는 전체적으로 평균화된 자화 곡선의 정보만 사용하여 설계되었습니다(그림 1c). 시스템을 분해하지 않는 한 측정됩니다.

망간 및 아연 페라이트 링 코어가 포함된 토로이달 인덕터. (a) 측정 전 사진. Ampère의 회로 법칙에 따라 내부 및 외부 주변부 Hin 및 Hout의 진폭 H는 (b)에서 계산됩니다. (c) 평균 자화는 296K에서 평균 자기장의 함수로 표시됩니다. (c)의 사각형 기호는 중성자 전송 스펙트럼을 측정하기 위한 지점을 나타냅니다.

현재, 자기광학 Kerr 현미경 또는 스핀 분극 주사 전자 현미경은 부피가 큰 자기 부품의 노출된 표면에서 M의 미세 분포를 밝히는 데 사용되는 반면, 부품 외부의 H 분포는 플럭스게이트 또는 홀 자기 센서를 사용하여 정확하게 측정할 수 있습니다. 반면, 에너지 변환 시스템에 조립된 부피가 큰 부품 내부의 분포를 비파괴적으로 관찰할 수 있는 수단은 아직 확립되지 않았습니다. 예를 들어 자기 코어 내부의 H는 코어3에 뚫린 구멍 내부에 배치된 검색 코일을 사용하여 측정된 값에 근접했습니다. 결과적으로 우리는 일반적으로 표면 또는 외부 정보를 전자기 시뮬레이션과 비교하여 H와 M의 내부 분포를 추론합니다4,5. 이러한 간접 평가는 기존의 단순 자기 부품을 사용하는 현재 설계에 효과적이었습니다. 그러나 미래의 지속 가능한 사회에서는 M 또는 원래 스핀 방향이 다중 규모에서 H와 평행하지 않고 비례하지 않도록 설계된 매우 정교한 자기 구성 요소를 통해 가능한 더 높은 에너지 변환 효율이 필요합니다. 예를 들어, 현미경으로 볼 때 일부 스핀은 (Nd1−xDyx)2Fe14B6의 영구 자석, (Mn1−xZnx)Fe2O47의 연자성체, ErCo28의 자기열량 물질 및 GdFeCo9의 스핀트로닉 물질에서 H 방향(소위 페리자성)과 역평행합니다. , 여기서 역평행 스핀은 자기 성능에 중요한 역할을 합니다. 연자성 위상의 기울어진 스핀은 중규모에서 교환 스프링 복합 자석의 에너지 곱을 증가시키는 데 기여합니다. 거시적으로, 기능적으로 등급이 매겨진 자성 재료11 및 다중 재료 구성 요소12가 사용되며, 여기서 자기 특성은 단일 구성 요소 단위 내에서 한 위치에서 다른 위치로 다양하도록 설계됩니다. 자기 구성 요소는 다중 규모로 복잡해야 합니다. 표면이나 외부에서 얻은 정보를 사용하여 이러한 첨단 소재의 H와 M(또는 B와 M)의 내부 분포를 평가하는 것은 어렵습니다. 유용한 평가 방법의 부족은 에너지 변환 시스템의 발전에 장애가 됩니다.