Imagerie neutronique pour la magnétisation à l'intérieur d'un inducteur en fonctionnement

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 9184 (2023) Citer cet article

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Les composants magnétiques sont des éléments clés des systèmes de conversion d'énergie, tels que les générateurs électriques, les moteurs, les appareils électriques de puissance et les réfrigérateurs magnétiques. Des inducteurs toroïdaux avec des noyaux annulaires magnétiques peuvent être trouvés à l’intérieur de ces appareils électriques utilisés quotidiennement. Pour de tels inducteurs, le vecteur de magnétisation M circule avec/sans distribution à l’intérieur des noyaux magnétiques, car l’énergie électrique était utilisée à la fin du XIXe siècle. Néanmoins, notamment, la distribution de M n’a jamais été directement vérifiée. Ici, nous avons mesuré une carte des spectres de transmission de neutrons polarisés pour un noyau annulaire de ferrite assemblé sur un dispositif inducteur familier. Les résultats ont montré que M circule à l’intérieur du noyau annulaire avec un ordre de spin ferrimagnétique lorsque l’énergie est fournie à la bobine. En d’autres termes, cette méthode permet l’imagerie operando multi-échelle des états magnétiques, nous permettant ainsi d’évaluer les nouvelles architectures de systèmes de conversion d’énergie haute performance utilisant des composants magnétiques présentant des états magnétiques complexes.

Les composants magnétiques sont des éléments clés des systèmes de conversion d'énergie, tels que les générateurs électriques, les moteurs, les appareils électriques de puissance et les réfrigérateurs magnétiques. Ils constituent donc un pilier de la société moderne depuis la fin du XIXe siècle1. Par exemple, les inducteurs toroïdaux avec noyaux de ferrite et bobines de cuivre (Fig. 1a) se retrouvent dans divers appareils électriques de la vie quotidienne. Selon la loi des circuits d'Ampère, un champ magnétique circonférentiel H est généré à l'intérieur d'une bobine d'inductance lorsqu'un courant électrique est fourni à l'inductance1. La loi circuit d'Ampère prédit que l'amplitude de H dans la circonférence intérieure est 1,5 fois supérieure à celle de la circonférence extérieure en raison de la différence de périmètres (Fig. 1b). Si la magnétisation M est induite dans une direction parallèle à H et que son amplitude est proportionnelle à H, M circule également circonférentiellement à l'intérieur du noyau de ferrite avec des amplitudes 1,5 fois différentes entre les côtés intérieur et extérieur. Bien que ces hypothèses simples ne soient pas toujours valables pour les composants magnétiques réels utilisés dans les systèmes de conversion d’énergie, la distribution de M à l’intérieur de ceux-ci n’a jamais été directement vérifiée. En raison de la saturation magnétique, des réponses magnétiques non linéaires sont fréquemment attendues dans un grand H homogène. De plus, les champs démagnétisants générés aux coins ou l'anisotropie magnétique inclinent la direction de M de H dans les composants magnétiques généraux. En d’autres termes, les composants magnétiques réels ne satisfont pas à la relation bien connue avec le flux magnétique suivant B = μ0(H + M) = μ0(1 + χ)H, où μ0 est la perméabilité au vide et χ est la susceptibilité. Ainsi, la distribution de M n'est pas la même que la distribution de H ou B. Cependant, au fil des siècles, les composants magnétiques ont été conçus en utilisant uniquement les informations provenant des courbes de magnétisation moyennées dans leur ensemble (Fig. 1c), car la distribution de M ne peut pas être mesuré à moins de démonter le système.

Inducteur toroïdal avec noyau annulaire en ferrite de zinc et manganèse. (a) Photographie avant la mesure. Selon la loi circuit d'Ampère, l'amplitude H aux périphéries interne et externe, Hin et Hout, est calculée en (b). (c) La magnétisation moyenne est représentée en fonction des champs magnétiques moyens à 296 K. Les symboles carrés en (c) désignent les points de mesure des spectres de transmission des neutrons.

Actuellement, la microscopie magnéto-optique Kerr ou la microscopie électronique à balayage polarisée en spin sont utilisées pour élucider la distribution fine de M sur la surface nue de composants magnétiques volumineux, tandis que la distribution de H à l'extérieur du composant peut être mesurée avec précision à l'aide de capteurs magnétiques à fluxgate ou à effet Hall. En revanche, les moyens d'observer de manière non destructive les distributions à l'intérieur de composants volumineux assemblés dans des systèmes de conversion d'énergie n'ont pas encore été mis en place. Par exemple, H à l’intérieur du noyau magnétique a été approché de la valeur mesurée à l’aide d’une bobine de recherche placée à l’intérieur de trous percés dans le noyau3. Par conséquent, nous déduisons généralement les distributions internes de H et M en comparant les informations de surface ou extérieures avec des simulations électromagnétiques4,5. Cette évaluation indirecte a fonctionné pour les conceptions actuelles utilisant des composants magnétiques simples existants. Cependant, les futures sociétés durables nécessiteront une plus grande efficacité de conversion d'énergie rendue possible par des composants magnétiques hautement sophistiqués, où M ou ses orientations de spin d'origine sont conçues pour être non parallèles et non proportionnelles à H à plusieurs échelles. Par exemple, au microscope, certains spins sont antiparallèles aux orientations H (dites ferrimagnétiques) dans un aimant permanent de (Nd1−xDyx)2Fe14B6, un aimant doux de (Mn1−xZnx)Fe2O47, un matériau magnétocalorique d'ErCo28 et un matériau spintronique de GdFeCo9. , où les spins antiparallèles jouent un rôle important dans leurs performances magnétiques. Les spins inclinés dans la phase magnétique douce contribuent à augmenter le produit énergétique dans les aimants composites à ressort d'échange à la méso-échelle . Sur le plan macroscopique, des matériaux magnétiques fonctionnellement classés11 et des composants multimatériaux12 sont utilisés, où les propriétés magnétiques sont conçues pour varier d'un endroit à l'autre à l'intérieur d'une seule unité de composant. Les composantes magnétiques doivent être complexes à plusieurs échelles. Il est difficile d'évaluer les distributions internes de H et M (sinon B et M) dans des matériaux aussi avancés en utilisant les informations obtenues de la surface ou de l'extérieur. L’absence d’une méthode d’évaluation utile constitue un obstacle à l’avancement des systèmes de conversion d’énergie.