Tłumienie pól elektromagnetycznych przez ekrany warstwowe hybrydowe ze szkieł metalicznych na osnowie elaza i kobaltu

Transkrypt

1 AMME th Tłumienie pól elektromagnetycznych przez ekrany warstwowe hybrydowe ze szkieł metalicznych na osnowie elaza i kobaltu R. Nowosielski, S. Griner Zakład Materiałów Nanokrystalicznych i Funkcjonalnych oraz Zrównowaonych Technologii Proekologicznych, Instytut Materiałów Inynierskich i Biomedycznych, Politechnika lska ul. Konarskiego 18a, Gliwice, Poland W pracy zbadano własnoci magnetyczne szkieł metalicznych na osnowie elaza oraz kobaltu. Z tam amorficznych o szerokoci 10 mm wykonano płaskie ekrany tkane o splocie prostym. Dla uzyskanych ekranów okrelono zdolno do tłumienia niejonizujcych pól elektromagnetycznych o czstotliwoci do 1000 MHz dla składowej elektrycznej oraz do 1 MHz dla składowej magnetycznej. W celu zwikszenia skutecznoci ekranowania dodawano kolejne warstwy tłumice uzyskujc ekrany składane hybrydowe. Dla takich kombinacji warstw okrelono współczynnik tłumienia b s dla składowej elektrycznej i składowej magnetycznej pola elektromagnetycznego. 1. WPROWADZENIE Zagroenie zdrowia człowieka przez sztuczne pola elektromagnetyczne ( w tym równie niejonizujce) jest przedmiotem bada zarówno nauk medycznych jak równie zainteresowania ze strony nauk fizycznych. Take rosnce wymagania zwizane ze rodowiskiem pracy a take warunki działania coraz bardziej skomplikowanych urzdze elektronicznych wywołuj rosnce zainteresowanie skutkami oddziaływania pól elektromagnetycznych na róne obiekty jak równie skutecznymi i ekonomicznymi metodami zabezpieczania przed wpływem pól elektromagnetycznych [1-6]. Szkła metaliczne ze wzgldu na ich niekonwencjonalny sposób wytwarzania i posta płaskiego produktu metalowego o małej gruboci oraz niekonwencjonalne własnoci mechaniczne oraz magnetyczne wynikajce ze struktury amorficznej znalazły szereg aplikacji. Stały si równie przedmiotem zainteresowania producentów ekranów pól elektromagnetycznych o czstotliwociach radiowych. Std zainteresowania autorów niniejszej pracy wykorzystaniem metalowych materiałów amorficznych na ekrany niejonizujcych pól elektromagnetycznych, szczególnie w zakresie ich wykorzystania na szerokopasmowe ekrany warstwowe o wysokiej skutecznoci ekranowania w duym zakresie czstotliwoci.

2 370 R. Nowosielski, S. Griner 2. PRZEBIEG BADA Stopy amorficzne dla których przeprowadzono badania posiadaj nastpujce składy chemiczne (w % atomowych): Fe 78 Si 9 B 13, Co 60 Ni 10 Fe 5 Si 11 B 14, Co 68 Fe 4 Mo 1,5 Si 13,5 B 13, Co 69 Mo 2 Fe 4 Si 14 B 11, Co 70,5 Fe 2,5 Mn 2 Mo 1 Si 9 B 15. Badane tamy o strukturze amorficznej zostały wytworzone metod odlewania strugi ciekłego stopu na powierzchni wirujcego walca. Tamy posiadały szeroko ok. 10 mm i gruboci 0,02-0,045 mm. Próbki tam poddano badaniom własnoci magnetycznych a nastepnie okrelono własnoci tłumice ekranów pól elektromagnetycznych wykonanych z badanych tam. Ekrany wykonano na specjalnym kronie, uzyskujc z odlanych tam tkaniny o splocie prostym o wymiarach 500 x 500 mm. Grubo tkanin odpowiadała podwójnej gruboci tam. Badania przeprowadzono dla ekranów pojedynczych oraz warstwowych hybrydowych uzyskanych przez składanie poszczególnych pojedynczych ekranów. Badania własnoci magnetycznych wykonano metod piercieniow na rdzeniach o rednicy wewntrznej 30 mm i zewntrznej 36 mm zwijanych z tam amorficznych. Pomiary tłumiennoci zrealizowano zgodnie z zaleceniami amerykaskiej normy MIL-STD 285 w komorze testowej z układem pomiarowym składajcym si z analizatora sieci HP8752, anteny nadawczej, odbiorczej i wzmacniacza mocy w.cz. W komorze testowej usytuowany jest otwór o rednicy 30 cm, który po skalibrowaniu układu pomiarowego zasłaniany był badanym ekranem w celu okrelenia jego tłumiennoci. Ekran mocowano za pomoc uziemionego piercienia uszczelniajcego. Bardziej szczegółowy opis zastosowanej metodyki przedstawiono w pracy [4]. Tłumienno okrelano za pomoc współczynnika tłumienia b s. [db] 3. WYNIKI BADA I ICH OMÓWIENIE Pomiary własnoci magnetycznych badanych stopów w stanie bezporednio po odlaniu, wskazuj na istotne zrónicowanie własnoci magnetycznej szkieł metalicznych w zalenoci od ich składu chemicznego (tabl. 1,2). Tablica 1 Własnoci szkieł metalicznych otrzymane z pierwotnej krzywej magnesowania i z krzywej przenikalnoci (dla 50 Hz) Lp. Materiał H max B max µ r max µ r pocz. [ A / cm ] [T] 1 Fe 78 Si 9 B 13 0,08 0, Co 60 Ni 10 Fe 5 Si 11 B 14 0,01 0, Co 68 Fe 4 Mo 1,5 Si 13,5 B 13 0,01 0, Co 69 Mo 2 Fe 4 Si 14 B 11 0,01 0, Co 70,5 Fe 2,5 Mn 2 Mo 1 Si 9 B 15 0,04 0, Na podstawie analizy krzywej magnesowania pierwotnego stwierdzono, e ze stopów na osnowie kobaltu zdecydowanie najwiksze wartoci przenikalnoci magnetycznej posiada stop Co 69 Mo 2 Fe 4 Si 14 B 11 dla którego µ r max = i µ r pocz. = 73627, natomiast najnisze ale dobre wartoci przenikalnoci posiada stop Fe 78 Si 9 B 13 dla którego µ r max = oraz µ r pocz.. = Wyznaczone ptle histerezy magnetycznej wykazały, e najwiksze wartoci pozostałoci magnetycznej i pola koercji stwierdzono dla stopu Fe 78 Si 9 B 13 dla którego

3 Tłumienie pól elektromagnetycznych przez ekrany warstwowe hybrydowe 371 B r = 0,74 T i H c = 0,134 A/cm, a najmniejsze dla stopu Co 68 Fe 4 Mo 1,5 Si 13,5 B 13 dla którego H c = 0,016 A/cm, natomiast B r = 0,301 T. Tablica 2 Własnoci szkieł metalicznych wyznaczone z ptli histerezy (50 Hz) Lp. Materiał H max [ A / cm ] B max [T] Br [T] H c [ A / cm ] 1 Fe 78 Si 9 B 13 1,63 0,80 0,740 0,134 2 Co 60 Ni 10 Fe 5 Si 11 B 14 0,51 0,41 0,414 0,045 3 Co 68 Fe 4 Mo 1,5 Si 13,5 B 13 0,82 0,59 0,301 0,016 4 Co 69 Mo 2 Fe 4 Si 14 B 11 0,80 0,62 0,397 0,020 5 Co 70,5 Fe 2,5 Mn 2 Mo 1 Si 9 B 15 0,83 0,79 0,664 0,041 Bardzo dobre własnoci magnetyczne mikkie, a zwłaszcza wysoka przenikalno magnetyczna, która decyduje o bardzo dobrym tłumieniu składowej magnetycznej pól elektromagnetycznych, predysponuje takie materiały do ich wykorzystania na ekrany pól elektromagnetycznych. Wyniki pomiarów tłumiennoci (współczynnika tłumienia b s ), w całym zakresie badanych czstotliwoci, wskazuj na bardzo skuteczne tłumienie składowej elektrycznej przez ekrany wykonane z badanych szkieł metalicznych z tendencj do zmniejszania si wraz ze zwikszaniem si czstotliwoci (tabl. 3, rys. 1). Równoczenie dla wszystkich badanych ekranów wystpuje minimum tłumienia dla redniego zakresu czstotliwoci pola (ok. 20 do 100 MHz). Dla czstotliwoci pola elektromagnetycznego do 10 MHz oraz powyej 250 MHz tłumienie składowej elektrycznej naley uzna za bardzo skuteczne. Tablica 3 Tłumienie składowej elektrycznej pola elektromagnetycznego dla badanych ekranów w [db] Grubo ekranu Czstotliwo [MHz] Materiał [mm] Nr. Pomiar punktowy Pomiar cigły 0, Fe 78 Si 9 B 13 0, Co 60 Ni 10 Fe 5 Si 11 B 14 0, Co 68 Fe 4 Mo 1,5 Si 13,5 B 13 0, Co 69 Mo 2 Fe 4 Si 14 B 11 0, Co 70,5 Fr 2,5 Mn 2 Mo 1 Si 9 B 15 0,

4 372 R. Nowosielski, S. Griner współczynnik tłumienia w db stop Nr 1 stop Nr 2 stop Nr 3 stop Nr 4 stop Nr 5 0 0, Czstotliwo w MHz Rys. 1. Tłumienie składowej elektrycznej pola elektromagnetycznego w funkcji czstotliwoci dla badanych ekranów ( oznaczenie próbek wg numeracji w tabelach 1-3) Mniejsze tłumienie wystpuje dla składowej magnetycznej pola elektromagnetycznego, które dla stopów kobaltowych zwiksza si wraz ze wzrostem czstotliwoci (tabl. 4). Najlepsz skuteczno tłumienia stwierdzono dla ekranu wykonanego ze stopu Co 69 Mo 2 Fe 4 Si 14 B 11, co potwierdza uzyskane dla tego stopu wyniki najwikszej przenikalnoci magnetycznej. Najmniejsz skuteczno ekranowania wykazuje stop na osnowie elaza Fe 78 Si 9 B 13 co zwizane jest z jego najnisz przenikalnoci magnetyczn sporód badanych stopów. Z uwagi na zrónicowanie gruboci ekranów, która dla stopów kobaltowych jest wynikiem stosowanej laboratoryjnej technologii odlewania, naley przyj, e uzyskane rezultaty bada odnosz si do konkretnych ekranów o okrelonym splocie uzyskanych z tam o okrelonej szerokoci i gruboci. Tablica 4 Tłumienie składowej magnetycznej pola elektromagnetycznego dla badanych ekranów w [db] Grubo ekranu Materiał [mm] Czstotliwo [khz] Nr. 0, Fe 78 Si 9 B 13 0,056 4,0 3,6 3,4 3,4 3,4 3,4 3,6 2 Co 60 Ni 10 Fe 5 Si 11 B 14 0,088 10,5 11,0 11,0 14,0 16,7 20,0 22,3 3 Co 68 Fe 4 Mo 1,5 Si 13,5 B 13 0,058 10,4 11,3 11,7 13,2 13,3 13,6 14,0 4 Co 69 Mo 2 Fe 4 Si 14 B 11 0,062 14,0 14,2 14,7 18,4 19,2 20,0 20,0 5 Co 70,5 Fr 2,5 Mn 2 Mo 1 Si 9 B 15 0,088 7,8 8,0 8,2 10,2 12,3 14,6 14,6

5 Tłumienie pól elektromagnetycznych przez ekrany warstwowe hybrydowe 373 W celu zwikszenia skutecznoci tłumienia składowej magnetycznej pola elektromagnetycznego analizowano moliwoci jakie wynikaj z zastosowania ekranów warstwowych mieszanych, w szczególnoci rozpoczynajc od dodania do ekranu najbardziej skutecznego dodatkowego ekranu z taniego stopu na osnowie elaza. Uzyskane wyniki bada skutecznoci ekranowania dla składowej elektrycznej pola przy dokładaniu kolejnych warstw ekranów przedstawiono w tabeli 5. Stwierdzono znaczcy wzrost skutecznoci ekranowania w przypadku zastosowania dodatkowej warstwy tłumicej (przykład dla ekranów Co 69 Mo 2 Fe 4 Si 14 B 11 + Fe 78 Si 9 B 13 ). W tym przypadku, jedynie dla rednich czstotliwoci pola istnieje niewielkie minimum wartoci współczynnika tłumienia b s do poziomu pomidzy db. Wprowadzenie dodatkowej trzeciej warstwy ekranujcej powoduje uzyskanie tak znaczcego osłabienia składowej elektrycznej pola za ekranem ( przekraczajce 10 7 razy ), e przekracza to moliwoci pomiarowe stosowanego układu. W tej sytuacji nie prowadzono dalszych bada przy dodawaniu kolejnych warstw ekranujcych. Tablica 5 Tłumienie składowej elektrycznej pola elektro magnetycznego zakres: MHz przez składane ekrany hybrydowe; b s [db] Czstotliwo [ MHz ] Co 69 Mo 2 Fe 4 Si 14 B , 6 53, 5 48,3 48,5 51,5 52,3 55,4 60, Co 69 Mo 2 Fe 4 Si 14 B 11 + >71 62, Fe 78 Si 9 B 13 Co 69 Mo 2 Fe 4 Si 14 B 11 + Fe 78 Si 9 B 13 + Co 60 Ni 10 Fe 5 Si 11 B 14 >71 5 tłumienie przekraczajce zakres moliwoci pomiarowych >75 db Tłumienie składowej magnetycznej pola elektromagnetycznego dla przypadku zastosowania składanych ekranów hybrydowych przedstawiono w tablicy 6 oraz na rys 2. Tablica 6 Tłumienie składowej magnetycznej pola elektro magnetycznego zakres: 0, khz przez składane ekrany hybrydowe; b s [db] Nr zestaw u Czstotliwo [khz] 0, I Co 69 Mo 2 Fe 4 Si 14 B 11 + Fe 78 Si 9 B 13 15,8 16,3 16,7 21,5 22,9 25,1 27,5 II Co 69 Mo 2 Fe 4 Si 14 B 11 + Fe 78 Si 9 B 13 +Co 60 Ni 10 Fe 5 Si 11 B 14 20,7 21,4 23,0 37,8 43,9 49,3 52,5 Co 69 Mo 2 Fe 4 Si 14 B 11 + Fe 78 Si 9 B 13 III +Co 60 Ni 10 Fe 5 Si 11 B ,3 23,4 26, ,6 > 58 > Co 70,5 Fr 2,5 Mn 2 Mo 1 Si 9 B 15 IV Co 69 Mo 2 Fe 4 Si 14 B 11 + Fe 78 Si 9 B 13 +Co 60 Ni 10 Fe 5 Si 11 B 14 + Co 70,5 Fe 2,5 Mn 2 Mo 1 Si 9 B 15 + Co 68 Fe 4 Mo 1,5 Si 13,5 B 13 27,8 28, > 64 > >

6 374 R. Nowosielski, S. Griner Stwierdzono moliwo znacznego poprawienia skutecznoci ekranowania składowej magnetycznej w miar dokładania kolejnych warstw tkanin ze szkieł metalicznych. W zakresie czstotliwoci do 10 khz tłumienno ekranów zalena od badanego zestawu posiada niewiele zrónicowane wartoci wzrastajce w miar dodawania kolejnych warstw. Wysok skuteczno ekranowania składowej magnetycznej pola uzyskano dla czstotliwoci wyszych od 10 khz przy zastosowaniu ekranu co najmniej dwuwarstwowego ( zestaw II; rys.2 ). W tym przypadku skuteczno ekranowania powyej 20 db naley uzna za dobr, co odpowiada ponad 100 krotnemu osłabieniu składowej elektrycznej pola za ekranem. Zwikszanie liczby warstw ekranów szczególnie dla wyszych czstotliwoci powoduje dalsze znaczce osłabienie pola za ekranem, co przy zestawie cztero i piciowarstwowym przekracza poziom 50 i 60 db. współczynnik tłumienia w db zestaw I zestaw II zestaw III zestaw IV 0, Czstotliwo w khz Rys. 2. Tłumienie składowej magnetycznej pola elektromagnetycznego przez ekrany kładane hybrydowe (zestaw ekranów I IV wg tablicy 6) LITERATURA 1. Indulski I.A.(red): Kryteria zdrowotne rodowiska. Fale radiowe i mikrofale. t.16 PZWL, Warszawa Griner S., Nowosielski R.: Wytwarzanie szkieł metalicznych w postaci tam i włókien metodami cigłego odlewania Mat. Konf. Nowoczesne osignicia metaloznawstwa, PAN, Pol.l, Griner S.,Nowosielski R.: Techniczne aplikacje szkieł metalicznych, Mat. Konf. Nowoczesne osignicia metaloznawstwa, PAN, Pol.l, Nowosielski R., Griner S.: Tłumienie pól elektromagnetycznych przez ekrany na osnowie Fe i Co, Inynieria Materiałowa 1, (96), 1997, s Nowosielski R., Griner S.: "Tłumienie pól elektromagnetycznych przez ekrany jedno- i wielowarstwowe ze szkła metalicznego Co 69 Mo 2 Fe 4 Si 14 B 11 ", Mater. Konfer, 6th Intern. Scientific Conf. AMME 97, Gliwice - Wisła, 1997, s Griner S., Nowosielski R.: Tłumienie pól elektromagnetycznych przez ekrany ze szkła metalicznego Co 70,5 Fr 2,5 Mn 2 Mo 1 Si 9 B 15, Mater. Konf. 10th Intern. Scientific Conf. AMME 2001, Gliwice Kraków - Zakopane, 2001, s. 383