WO2004097986A1 - Compound comprising a material with a spatial charge for selective absorption of an electromagnetic field - Google Patents
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Abstract
The invention relates to a compound for the selective absorption of an electromagnetic field having a given frequency, characterized in that it comprises a spatially charged dielectric material (10) having a dielectric susceptibility e whereby the imaginary part e' thereof is greater by 100 than the spatial charge relaxation frequency and for which the spatial charge relaxation frequency is substantially equal to the frequency of the electromagnetic field.
Description
COMPOSANT COMPRENANT UN MATERIAU A CHARGE D'ESPACE DESTINE A L'ABSORPTION SELECTIVE D'UN CHAMP COMPONENT COMPRISING A SPACE LOADED MATERIAL FOR THE SELECTIVE ABSORPTION OF A FIELD
ELECTROMAGNETIQUEELECTROMAGNETIC
L'invention concerne le domaine des matériaux utilisés comme absorbants de champ électromagnétique.The invention relates to the field of materials used as electromagnetic field absorbers.
On connaît des procédés de contrôle de l'absorption d'un champ électrique par un matériau qui mettent à profit les propriétés dipolaires des molécules constitutives du matériau. Sous l'effet d'un champ électrique, les molécules constitutives du matériau tendent à s'orienter dans la direction du champ. Ces molécules sont alors soumises à deux forces : la force créée par le champ électrique et une force résultant de toutes les interactions avec les molécules voisines.Methods for controlling the absorption of an electric field by a material are known which take advantage of the dipole properties of the constituent molecules of the material. Under the effect of an electric field, the constituent molecules of the material tend to orient themselves in the direction of the field. These molecules are then subjected to two forces: the force created by the electric field and a force resulting from all interactions with neighboring molecules.
Si le champ appliqué est un champ alternatif, les molécules entrent en rotation.If the applied field is an alternating field, the molecules enter into rotation.
Lorsque la fréquence du champ électrique est basse, la rotation des molécules est synchronisée sur les oscillations du champ.When the frequency of the electric field is low, the rotation of the molecules is synchronized with the oscillations of the field.
Lorsque la fréquence du champ électrique est élevée, l'inertie des molécules et les forces de liaisons deviennent prépondérantes et les molécules ne suivent plus les oscillations du champ électrique.When the frequency of the electric field is high, the inertia of the molecules and the bonding forces become preponderant and the molecules no longer follow the oscillations of the electric field.
Entre ces deux gammes de fréquences, il existe une gamme de fréquences intermédiaire, dite « plage de relaxation », dans laquelle il y a un déphasage entre le champ et le mouvement des molécules. Dans cette plage de fréquences, le matériau absorbe l'énergie du champ électrique en produisant de la chaleur.Between these two frequency ranges, there is an intermediate frequency range, known as the “relaxation range”, in which there is a phase shift between the field and the movement of the molecules. In this frequency range, the material absorbs the energy of the electric field by producing heat.
Ce phénomène est utilisé notamment dans les dispositifs de chauffage par absorption diélectrique, dans lesquels un matériau est soumis à un champ électrique de fréquence sensiblement égale à la fréquence de relaxation du matériau. Un inconvénient de ces dispositifs est que la fréquence du champ est fixée par la nature des molécules ou dipôles présents dans le matériau utilisé comme absorbant.
Un autre inconvénient de ces dispositifs est que l'absorption générée est limitée par la capacité d'absorption diélectrique maximale des matériaux standard. La valeur de cette absorption dépend de la densité de dipôles dans le matériau ainsi que du moment dipolaire portée par chaque dipôle. Elle est donc limitée principalement par la taille des dipôles ainsi que par la charge maximale qu'il est possible de stocker sur chacun d'eux.This phenomenon is used in particular in dielectric absorption heating devices, in which a material is subjected to an electric field of frequency substantially equal to the relaxation frequency of the material. A drawback of these devices is that the frequency of the field is fixed by the nature of the molecules or dipoles present in the material used as absorbent. Another disadvantage of these devices is that the absorption generated is limited by the maximum dielectric absorption capacity of standard materials. The value of this absorption depends on the density of dipoles in the material as well as on the dipole moment carried by each dipole. It is therefore mainly limited by the size of the dipoles as well as by the maximum load that can be stored on each of them.
Un but de l'invention est de fournir un composant absorbant plus performant que les matériaux de l'art antérieur.An object of the invention is to provide an absorbent component more efficient than the materials of the prior art.
A cet effet, l'invention propose un composant destiné à absorber de manière sélective un champ électromagnétique présentant une fréquence donnée, caractérisé en ce qu'il comprend un matériau diélectrique à charges d'espace pour lequel la fréquence de relaxation des charges d'espace est sensiblement égale à la fréquence du champ électromagnétique. Par l'expression « matériau à charge d'espace », on entend un matériau qui présente une charge électrique importante due à la présence de particules libres chargées (ions ou électrons) dans sa structure.To this end, the invention provides a component intended to selectively absorb an electromagnetic field having a given frequency, characterized in that it comprises a dielectric material with space charges for which the relaxation frequency of space charges is substantially equal to the frequency of the electromagnetic field. The expression “material with space charge” means a material which has a high electrical charge due to the presence of free charged particles (ions or electrons) in its structure.
C'est le cas notamment de matériaux composites dans lesquels des charges d'espace sont localisées aux interfaces entre les différents constituants du matériau.This is particularly the case for composite materials in which space charges are located at the interfaces between the various constituents of the material.
L'amplitude de la charge d'espace dépend principalement de la densité de porteurs libres, de leur mobilité et de la valeur de la constante diélectrique du matériau.The amplitude of the space charge depends mainly on the density of free carriers, their mobility and the value of the dielectric constant of the material.
Tout matériau présente une charge d'espace, même minime. Dans le cadre de l'invention, on considère que les matériaux à charge d'espace sont des matériaux présentant une susceptibilité diélectrique ε dont la partie imaginaire ε" est supérieure à 100 à la fréquence de relaxation des charges d'espace.Any material has a space charge, however small. In the context of the invention, it is considered that materials with a space charge are materials having a dielectric susceptibility ε whose imaginary part ε "is greater than 100 at the relaxation frequency of space charges.
Ces matériaux à charge d'espace possèdent des propriétés d'absorption très supérieures aux matériaux standard pourvus qu'ils soient sollicités à des fréquences correspondant à la fréquence de relaxation des charges d'espace.
En particulier, l'absorption du champ électromagnétique à une fréquence de relaxation de charge d'espace est bien supérieure à l'absorption obtenue aux fréquences de relaxation « standard » résultant de la réorientation des molécules. Les matériaux à charge d'espace permettent avantageusement des adaptations à toutes les fréquences d'absorption souhaitées. En effet, la fréquence de relaxation des charges d'espaces dans un matériau est déterminées par plusieurs paramètres parmi lesquels : la structure du matériau (répartition des interfaces), la nature du matériau (constituants utilisés), la température du matériau, ou encore le champ électrique supplémentaire auquel le matériau est soumis. La modification de ces paramètres permet de faire varier à l'infini les fréquences d'absorption que l'on souhaite obtenir.These space-charged materials have absorption properties far superior to standard materials, provided that they are stressed at frequencies corresponding to the relaxation frequency of the space charges. In particular, the absorption of the electromagnetic field at a space charge relaxation frequency is much greater than the absorption obtained at the “standard” relaxation frequencies resulting from the reorientation of the molecules. The space-dependent materials advantageously allow adaptations to all the desired absorption frequencies. Indeed, the frequency of relaxation of space charges in a material is determined by several parameters including: the structure of the material (distribution of interfaces), the nature of the material (constituents used), the temperature of the material, or even the additional electric field to which the material is subjected. The modification of these parameters makes it possible to vary infinitely the absorption frequencies that it is desired to obtain.
Un exemple de matériau pouvant être utilisé dans le cadre de la présente invention est le Titanate de Baryum dopé au Lanthane BaTiO3:La. Un autre exemple de matériau est le Titanate de Baryum dopé au Niobium BaTiO3:Nb. De préférence, le matériau utilisé est du BaTi03:Nb dans lequel les ions Nb5+ sont substitués aux ions Ti4+ dans une gamme de 0,1 à 0,3% atomique. Un autre exemple de matériau à charge d'espace est leAn example of a material that can be used in the context of the present invention is Barium Titanate doped with Lanthanum BaTiO 3 : La. Another example of a material is Barium Titanate doped with Niobium BaTiO 3 : Nb. Preferably, the material used is BaTi0 3 : Nb in which the Nb 5+ ions are substituted for the Ti 4+ ions in a range of 0.1 to 0.3 atomic%. Another example of space-dependent material is the
Lio.05Tio.02Nio.93O, dont les propriétés diélectriques sont décrites dans l'article « Giant dielectric Permittivity Observed in Li and Ti Doped NiO », Junbo Wu et al., Physical Review Letters, vol. 89, n°21 , 18 Novembre 2002.Lio. 05 Ti. 02 Nio. 93 O, whose dielectric properties are described in the article “Giant dielectric Permittivity Observed in Li and Ti Doped NiO”, Junbo Wu et al., Physical Review Letters, vol. 89, n ° 21, November 18, 2002.
Un autre exemple de matériau à charge d'espace est le composé organique connu sous l'appellation (TMTTF)2PF6 (tétra-méthyl-tétra-thia- fulvalène), dont les propriétés diélectriques sont décrites dans l'article « Dielectric response of the charge-induced correlated state in the quasi- one-dimensional conductor (TMTTF)2PF6 », F. Nad et al., Physical Review B, vol. 62, n°3, 15 Juillet 2000. L'invention concerne également un procédé d'absorption sélective d'un champ électromagnétique présentant une fréquence donnée, caractérisé en ce qu'il comprend une étape consistant à disposer dans le champ électromagnétique un matériau à charges d'espace pour lequel la
fréquence de relaxation des charges d'espace est sensiblement égale à la fréquence du champ électromagnétique.Another example of a space-dependent material is the organic compound known by the name (TMTTF) 2 PF 6 (tetra-methyl-tetra-thiafulvalene), the dielectric properties of which are described in the article "Dielectric response of the charge-induced correlated state in the quasi- one-dimensional conductor (TMTTF) 2 PF 6 ", F. Nad et al., Physical Review B, vol. 62, n ° 3, July 15, 2000. The invention also relates to a method of selective absorption of an electromagnetic field having a given frequency, characterized in that it comprises a step consisting in placing a material in the electromagnetic field loads of space for which the frequency of relaxation of space charges is substantially equal to the frequency of the electromagnetic field.
D'autres caractéristiques et avantages ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative et doit être lue en regard des figures annexées parmi lesquelles :Other characteristics and advantages will also emerge from the description which follows, which is purely illustrative and not limiting and should be read with reference to the appended figures among which:
- la figure 1 représente schématiquement un exemple de dispositif permettant la mise en oeuvre de l'invention sur un composant formé de BaTi03:Nb,FIG. 1 schematically represents an example of a device allowing the implementation of the invention on a component formed of BaTi0 3 : Nb,
- les figures 2A et 2B représentent respectivement la partie réelle ε' et la partie imaginaire ε" de la susceptibilité diélectrique ε du composant en céramique de BaTiO3:Nb lorsqu'il n'est soumis à aucun champ électromagnétique de couplage,FIGS. 2A and 2B respectively represent the real part ε 'and the imaginary part ε "of the dielectric susceptibility ε of the ceramic component of BaTiO 3 : Nb when it is not subjected to any electromagnetic coupling field,
- les figures 3A, 3B et 3C montrent les résultats des mesures de spectre de susceptibilité diélectrique, ces mesures étant réalisées dans le cadre du dispositif de la figure 1 avec un composant en cristal de BaTi03:Nb,FIGS. 3A, 3B and 3C show the results of the dielectric susceptibility spectrum measurements, these measurements being carried out within the framework of the device of FIG. 1 with a crystal component of BaTi0 3 : Nb,
- les figures 4 et 5 représentent plus en détail les fluctuations temporelles de la partie imaginaire ε" de la susceptibilité enregistrées à des fréquences données avec le composant en cristal de BaTiO3:Nb, - la figure 6 représente schématiquement des exemples de composants pouvant être introduits dans le milieu cellulaire en vue d'applications à l'imagerie ou à la thérapie par hyperthermie,- Figures 4 and 5 show in more detail the temporal fluctuations of the imaginary part ε "of the susceptibility recorded at given frequencies with the crystal component of BaTiO 3 : Nb, - Figure 6 schematically represents examples of components that can be introduced into the cell medium for applications in imaging or hyperthermia therapy,
- la figure 7 représente schématiquement une structure de composant intégré multicouche destiné à des applications d'électronique ou de télécommunications.- Figure 7 schematically shows a multi-layer integrated component structure intended for electronics or telecommunications applications.
Sur la figure 1 , le dispositif représenté comprend une antenne sous la forme d'une bobine métallique 1 (solénoïde) connectée à un générateur de tension 2. Un composant formé d'un matériau massif à charge d'espace 3 est disposé au centre de la bobine 1. Ce composant 3 comprend deux électrodes fixées sur la surface du matériau à charge d'espace et connectées à un analyseur d'impédance 4 par quatre câble coaxiaux 5.
L'analyseur d'impédance 4 permet de mesurer la susceptibilité diélectrique du composant 3.In FIG. 1, the device shown comprises an antenna in the form of a metal coil 1 (solenoid) connected to a voltage generator 2. A component formed of a solid material with space charge 3 is placed in the center of the coil 1. This component 3 comprises two electrodes fixed on the surface of the space-charged material and connected to an impedance analyzer 4 by four coaxial cables 5. The impedance analyzer 4 makes it possible to measure the dielectric susceptibility of the component 3.
La bobine métallique 1 est apte à générer un champ électromagnétique de couplage avec le composant 3. L'analyseur d'impédance 4 permet de mesurer le spectre de la susceptibilité électrique ε du composant 3.The metal coil 1 is capable of generating an electromagnetic field of coupling with the component 3. The impedance analyzer 4 makes it possible to measure the spectrum of the electrical susceptibility ε of the component 3.
La bobine 1 comprend par exemple 20 spires formées par un fil métallique et présente une résistance électrique total d'environ 20 Ohm. Le générateur de tension 2 permet de fournir une tension alternative dont la fréquence f peut-être réglée dans une plage de 100 Hertz à 10 Mégahertz et présente une amplitude crête à crête comprise entre 0.01 Volt et 10 Volt.The coil 1 comprises for example 20 turns formed by a metal wire and has a total electrical resistance of about 20 Ohm. The voltage generator 2 makes it possible to supply an alternating voltage whose frequency f can be adjusted in a range from 100 Hertz to 10 Megahertz and has a peak-to-peak amplitude between 0.01 Volt and 10 Volt.
Le matériau massif formant le composant 3 est constitué de Titanate deThe solid material forming component 3 consists of Titanate of
Baryum dopé au Niobium BaTiO3:Nb dans lequel les ions Nb5+ sont substitués à 0,2% de Ti4+. Les électrodes sont formées de deux couches d'or disposées de part et d'autres du composant. L'ensemble du dispositif est placé dans une enceinte thermique permettant de réguler la température des éléments qui le constituent dans une gamme de -190 degrés Celsius àBarium doped with Niobium BaTiO 3 : Nb in which the Nb 5+ ions are substituted for 0.2% of Ti 4+ . The electrodes are formed by two layers of gold placed on either side of the component. The entire device is placed in a thermal enclosure allowing the temperature of the elements which constitute it to be regulated within a range of -190 degrees Celsius to
+100 degrés Celsius.+100 degrees Celsius.
Selon un premier mode de mise en œuvre, l'enceinte est à température ambiante (20 degrés Celsius) de manière à ce que la fréquence de relaxation des charges d'espace du BaTiO :Nb se situe aux environs de 100 Kilohertz.According to a first mode of implementation, the enclosure is at ambient temperature (20 degrees Celsius) so that the frequency of relaxation of the space charges of the BaTiO: Nb is around 100 Kilohertz.
Les figures 2A et 2B représentent respectivement les spectres de la partie réelle ε' et la partie imaginaire ε" du composant 3 mesurés par l'analyseur d'impédance 4, en l'absence de tout couplage électromagnétique (c'est à dire que la bobine 1 n'est pas alimentée par le générateur de tension 2).FIGS. 2A and 2B respectively represent the spectra of the real part ε 'and the imaginary part ε "of the component 3 measured by the impedance analyzer 4, in the absence of any electromagnetic coupling (that is to say that the coil 1 is not supplied by the voltage generator 2).
Comme on peut le constater sur la figure 2A, la relaxation de la charge d'espace dans le composant aux environs de 100 Kilohertz donne lieu à une forte diminution de la partie réelle ε' de la susceptibilité diélectrique de celui-ci. Cette diminution de la partie réelle ε' de la
susceptibilité diélectrique coïncide avec un pic pour la partie imaginaire ε" de la susceptibilité diélectrique comme on peut le voir sur la figure 2B.As can be seen in FIG. 2A, the relaxation of the space charge in the component around 100 Kilohertz gives rise to a strong decrease in the real part ε 'of the dielectric susceptibility of the latter. This decrease in the real part ε 'of the dielectric susceptibility coincides with a peak for the imaginary part ε "of the dielectric susceptibility as can be seen in FIG. 2B.
La relaxation des charges d'espaces dans un matériau à charge d'espace peut être décrite par le modèle de Debye suivant l'équation classique ε{ω) - ε'{ω)-jε" (ω)The relaxation of space charges in a space charge material can be described by the Debye model according to the classical equation ε {ω) - ε '{ω) -jε "(ω)
ε{ω) = ε∞ +^ [1] l + jωτ où εm est l'extrapolation vers les hautes fréquences de la partie réelle ε' de la susceptibilité diélectrique et εs est l'extrapolation à fréquence nulle, τ est le temps de relaxation et ω est la pulsation du champ électrique appliqué. ε {ω) = ε∞ + ^ [1] l + jωτ where ε m is the extrapolation towards the high frequencies of the real part ε 'of the dielectric susceptibility and ε s is the extrapolation at zero frequency, τ is the relaxation time and ω is the pulsation of the applied electric field.
Les pertes diélectriques dans le matériau sont définies par un facteur de pertes diélectriques tan(δ): tanC^ ≈^M [2] ε {ω)The dielectric losses in the material are defined by a dielectric loss factor tan (δ): tanC ^ ≈ ^ M [2 ] ε {ω)
Ce facteur de pertes diélectriques tan(δ) quantifie la faculté d'absorption électromagnétique du matériau à charge d'espace à la pulsation ω. La puissance absorbée P vaut :This dielectric loss factor tan (δ) quantifies the faculty of electromagnetic absorption of the material with space charge at the pulsation ω. The absorbed power P is worth:
P = E2 -ω - (ε"(ω))2 [3] où E est l'amplitude électrique du champ électromagnétique.P = E 2 -ω - (ε "(ω)) 2 [3] where E is the electric amplitude of the electromagnetic field.
Tout matériau dont la susceptibilité diélectrique suit l'équation, de Debye [1] présente un maximum de ce facteur de pertes diélectriques pour la fréquence f de relaxation des charges d'espace (cette fréquence vautAny material whose dielectric susceptibility follows the equation, of Debye [1] presents a maximum of this factor of dielectric losses for the frequency f of relaxation of the space charges (this frequency is worth
/ = — = dans l'équation 1 )./ = - = in equation 1).
2π 2πτ2π 2πτ
Pour les matériaux usuels, la susceptibilité diélectrique à fréquence nulle εs est inférieur à 10000, et ε" n'est jamais supérieur à 100 à toutes les fréquences.For usual materials, the dielectric susceptibility at zero frequency ε s is less than 10000, and ε "is never greater than 100 at all frequencies.
Dans le cas des matériaux à charge d'espace, ces paramètres sont beaucoup plus élevés comme le montrent les figures 2A et 2B. On observe les propriétés suivantes :
- Aux basses fréquences, la partie réelle ε' de la susceptibilité est gigantesque. La susceptibilité diélectrique à fréquence nulle εs vaut 1 ,5 millions. Cette valeur décroît fortement à la fréquence de relaxation de 100 Kilohertz. - En même temps que la décroissance de la partie réelle ε', on observe un maximum de la partie imaginaire ε" de la susceptibilité pour la même fréquence jusqu'à ε"=4.105 au maximum. Ce maximum correspond à un facteur de pertes diélectriques tan(δ) supérieur à 250%.In the case of space-dependent materials, these parameters are much higher as shown in Figures 2A and 2B. The following properties are observed: - At low frequencies, the real part ε 'of the susceptibility is gigantic. The dielectric susceptibility at zero frequency ε s is 1.5 million. This value decreases sharply at the relaxation frequency of 100 Kilohertz. - At the same time as the decrease of the real part ε ', we observe a maximum of the imaginary part ε "of the susceptibility for the same frequency up to ε" = 4.10 5 at most. This maximum corresponds to a dielectric loss factor tan (δ) greater than 250%.
Il en ressort que les propriétés diélectriques constatées sont bien liées à un effet interfacial de charge d'espace et non pas à des dipôles électriques standard.It appears that the dielectric properties observed are indeed linked to an interfacial space charge effect and not to standard electric dipoles.
La conséquence de ces valeurs extrêmes de ε" est visible sur les figures 3A à 3C lorsque la bobine 1 est alimentée de manière à produire une onde électromagnétique. Selon un deuxième mode de mise en œuvre, la température de l'enceinte est fixée à -85 degrés Celsius. La fréquence de relaxation du composant 3 constitué d'un cristal de BaTiO3:Nb est établie à environ 700 kilohertz.The consequence of these extreme values of ε "is visible in FIGS. 3A to 3C when the coil 1 is supplied so as to produce an electromagnetic wave. According to a second mode of implementation, the temperature of the enclosure is fixed at - 85 degrees Celsius The relaxation frequency of component 3 made up of a BaTiO 3 : Nb crystal is established at around 700 kilohertz.
La figure 3A représente les spectres de la partie réelle ε' et le facteur de pertes diélectriques tan(δ) d'un composant 3 lorsque la bobine 1 émet un champ électromagnétique dont la fréquence est sensiblement égale à 100 kilohertz.FIG. 3A represents the spectra of the real part ε 'and the dielectric loss factor tan (δ) of a component 3 when the coil 1 emits an electromagnetic field whose frequency is substantially equal to 100 kilohertz.
La figure 3B représente les variations de la partie réelle ε' et la partie imaginaire ε" de la susceptibilité diélectrique du composant 3 lorsque la bobine 1 émet un champ électromagnétique dont la fréquence est sensiblement égale à 2 mégahertz.FIG. 3B represents the variations of the real part ε 'and the imaginary part ε "of the dielectric susceptibility of the component 3 when the coil 1 emits an electromagnetic field whose frequency is substantially equal to 2 megahertz.
La figure 3C représente les variations de la partie réelle ε' et la partie imaginaire ε" de la susceptibilité diélectrique du composant 3 lorsque la bobine 1 émet un champ électromagnétique dont la fréquence est sensiblement égale à 600 kilohertz.
On observe sur les enregistrements des perturbations de la partie imaginaire ε" de la susceptibilité diélectrique. Ces fluctuations résultent du couplage du composant 3 avec le champ électrique généré par la bobine 1.FIG. 3C represents the variations of the real part ε 'and the imaginary part ε "of the dielectric susceptibility of the component 3 when the coil 1 emits an electromagnetic field whose frequency is substantially equal to 600 kilohertz. On the recordings, disturbances of the imaginary part ε "of the dielectric susceptibility are observed. These fluctuations result from the coupling of component 3 with the electric field generated by the coil 1.
Les pics représentés sur ces figures traduisent l'existence de pertes diélectriques dans le composant 3.The peaks represented in these figures reflect the existence of dielectric losses in component 3.
Les figures 4 et 5 représentent plus en détail les fluctuations temporelles du facteur de pertes diélectriques tan(δ) enregistrées aux fréquences 666 kilohertz et 300 kilohertz.Figures 4 and 5 show in more detail the temporal fluctuations of the dielectric loss factor tan (δ) recorded at frequencies 666 kilohertz and 300 kilohertz.
L'amplitude et la fréquence de la relaxation dépendent de plusieurs paramètres et notamment dans le cas du dispositif de la figure 1 , du type d'électrodes, de la microstructure du BaTiO3:Nb (céramique ou monocristal) et de la température dans l'enceinte.The amplitude and the frequency of the relaxation depend on several parameters and in particular in the case of the device of figure 1, the type of electrodes, the microstructure of BaTiO 3 : Nb (ceramic or single crystal) and the temperature in l 'pregnant.
D'autres paramètres peuvent être modifiés pour obtenir des fréquences de relaxation différentes, notamment : - de la structure du matériau à charge d'espace,Other parameters can be modified to obtain different relaxation frequencies, in particular: - of the structure of the space-laden material,
- de la nature du matériau à charge d'espace,- the nature of the space-laden material,
- de la température de ce matériau,- the temperature of this material,
- d'un champ électrique supplémentaire appliqué en sus du champ électromagnétique d'excitation du composant.- an additional electric field applied in addition to the electromagnetic excitation field of the component.
APPLICATIONSAPPLICATIONS
Biologie et médecineBiology and medicine
Des composants comprenant un matériau à charge d'espace présentant des dimensions inférieures à 100 nanometres peuvent être utilisés en vue de leur pénétration dans le milieu cellulaire. Ces composants, soumis à un rayonnement électromagnétique produit par une antenne émettrice, induisent un couplage important et sélectif. L'injection ciblée de ces composants dans le corps humain permettrait de les utiliser simultanément à des fins d'imagerie ou de thérapie par hyperthermie le même appareillage.
La figure 6 représente schématiquement des exemples (a), (b), (c), (d) de composants pouvant être introduits dans le milieu cellulaire. Ces composants sont des grains de dimensions inférieure à 100 nanometres et présentant une forme générale sphérique. Ils comprennent plusieurs couches formées d'un matériau à charge d'espace 10 (par exemple du BaTiO3:Nb), d'un diélectrique standard 20 et d'un métal 30. Dans ces composants, la charge d'espace est localisée aux interfaces entre les différentes couches et à l'interface entre le grain et le milieu extérieur.Components comprising a space-dependent material having dimensions of less than 100 nanometers can be used for their penetration into the cellular medium. These components, subjected to electromagnetic radiation produced by a transmitting antenna, induce an important and selective coupling. Targeted injection of these components into the human body would allow them to be used simultaneously for imaging or hyperthermia therapy on the same device. FIG. 6 schematically represents examples (a), (b), (c), (d) of components which can be introduced into the cellular medium. These components are grains of dimensions less than 100 nanometers and having a generally spherical shape. They comprise several layers formed of a space-charged material 10 (for example BaTiO 3 : Nb), a standard dielectric 20 and a metal 30. In these components, the space charge is localized at interfaces between the different layers and at the interface between the grain and the external environment.
Ces composants peuvent présenter des structures variées en fonction de là fréquence d'absorption diélectrique souhaitée. Ils sont construits de manière à présenter une absorption diélectrique à une fréquence donnée.These components can have various structures depending on the desired dielectric absorption frequency. They are constructed so as to have a dielectric absorption at a given frequency.
Lorsqu'ils sont introduits dans le milieu cellulaire, cette propriété d'absorption peut être transmise sélectivement à des cellules vivantes ciblées. Sous l'effet de cette même fréquence émise par une antenne, l'absorption diélectrique induit une variation détectable du flux électromagnétique réfléchi. La détection de ce flux permet de réaliser des images de la structure interne du corps humain.When introduced into the cell environment, this absorption property can be selectively transmitted to targeted living cells. Under the effect of this same frequency emitted by an antenna, the dielectric absorption induces a detectable variation in the reflected electromagnetic flux. The detection of this flow makes it possible to produce images of the internal structure of the human body.
En outre, si on augmente la puissance électromagnétique émise, l'absorption diélectrique importante des composants entraîne un réchauffement irréversible des cellules hôtes pouvant aller jusqu'à leur destruction.In addition, if the electromagnetic power emitted is increased, the significant dielectric absorption of the components leads to an irreversible heating of the host cells which can go as far as their destruction.
On notera que cette technique nécessite l'utilisation d'antennes émettant une puissance électromagnétique de quelques centaines de Watts, qui sont couramment utilisées dans les services d'orthopédie dans les hôpitaux.Note that this technique requires the use of antennas emitting an electromagnetic power of a few hundred Watts, which are commonly used in orthopedic services in hospitals.
Electronique et télécommunicationsElectronics and telecommunications
Il est possible de réaliser des composants intégrés comprenant des multicouches dans lesquelles sont localisées des charges d'espace.It is possible to produce integrated components comprising multilayers in which space charges are located.
La figure 7 représente schématiquement un exemple d'une tel composant intégré. Le composant comprend un substrat 40 sur lequel sont disposées un ensemble de couches formées alternativement d'un matériau
à charge d'espace 10 (par exemple du BaTiO3:Nb) et d'un matériau diélectrique standard 20. Dans une telle structure, la charge d'espace est localisée à l'interface entre les différentes couches.FIG. 7 schematically represents an example of such an integrated component. The component comprises a substrate 40 on which are arranged a set of layers formed alternately of a material with space charge 10 (for example BaTiO 3 : Nb) and with a standard dielectric material 20. In such a structure, the space charge is located at the interface between the different layers.
Une telle structure permet d'étendre la gamme des constantes diélectriques disponibles avec en outre une importante flexibilité en fréquence de couplage et une sensibilité à un champ électrique statique.Such a structure makes it possible to extend the range of dielectric constants available with, in addition, considerable flexibility in coupling frequency and sensitivity to a static electric field.
De tels composants peuvent être intégrés à titre de condensateurs ou d'éléments passifs accordables dans des filtres ou des lignes de propagation hautes fréquences pour obtenir des systèmes agiles.Such components can be integrated as capacitors or tunable passive elements in filters or high frequency propagation lines to obtain agile systems.
Micro-ondes et radarsMicrowaves and radars
L'absorption diélectrique sélective des composants à charge d'espace peut être mise à profit dans le domaine des hautes fréquences (fréquences supérieures à 1 Gigahertz). La variation simultanée de la partie réelle ε' de la susceptibilité diélectrique et de l'absorption tan(δ) du composant conduit à l'annulation de la réflexion d'une onde électromagnétique incidente sur ce composant.The selective dielectric absorption of space-charged components can be used in the high frequency domain (frequencies above 1 Gigahertz). The simultaneous variation of the real part ε 'of the dielectric susceptibility and of the absorption tan (δ) of the component leads to the cancellation of the reflection of an electromagnetic wave incident on this component.
Cette suppression de la réflectivité peut être mise à profit pour réaliser un écrantage micro-onde ou pour des applications à la furtivité. Pour cette dernière utilisation, des composants à charge d'espace peuvent être dispersés dans un liant tel qu'une matrice polymère rigide où dans une suspension (peinture, laque). Le liant ou la suspension contenant les composants peut être appliqué sur une surface à protéger, cette surface pouvant présenter des formes variées.
This suppression of reflectivity can be used to achieve microwave shielding or for stealth applications. For the latter use, space-dependent components can be dispersed in a binder such as a rigid polymer matrix or in a suspension (paint, lacquer). The binder or suspension containing the components can be applied to a surface to be protected, this surface being able to have various shapes.
Claims
1. Composant (3) destiné à absorber de manière sélective un champ électromagnétique présentant une fréquence donnée, caractérisé en ce qu'il comprend un matériau diélectrique à charges d'espace (10) présentant une susceptibilité diélectrique ε dont la partie imaginaire ε" est supérieure à 100 à la fréquence de relaxation des charges d'espace, et pour lequel la fréquence de relaxation des charges d'espace est sensiblement égale à la fréquence du champ électromagnétique. 1. Component (3) intended to selectively absorb an electromagnetic field having a given frequency, characterized in that it comprises a dielectric material with space charges (10) having a dielectric susceptibility ε of which the imaginary part ε "is greater than 100 at the space charge relaxation frequency, and for which the space charge relaxation frequency is substantially equal to the frequency of the electromagnetic field.
2. Composant selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comprend du BaTiO3:La.2. Component according to claim 1, characterized in that it comprises BaTiO 3 : La.
3. Composant selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend du BaTiO3:Nb.3. Component according to one of claims 1 or 2, characterized in that it comprises BaTiO 3 : Nb.
4. Composant selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend du BaTiO3:Nb dans lequel les ions Nb5+ sont substitués aux ions4. Component according to claim 3, characterized in that it comprises BaTiO 3 : Nb in which the Nb 5+ ions are substituted for the ions
Ti4+ dans une gamme de 0,1 à 0,3% atomique.Ti 4+ in a range of 0.1 to 0.3 atomic%.
5. Ensemble d'absorption, caractérisé en ce qu'il comprend une antenne génératrice d'un champ électromagnétique (1 ) et un composant (3) selon l'une des revendications 1 à 4 pour lequel la fréquence de relaxation des charges d'espace est sensiblement égale à la fréquence du champ électromagnétique.5. Absorption assembly, characterized in that it comprises an antenna generating an electromagnetic field (1) and a component (3) according to one of claims 1 to 4 for which the frequency of relaxation of the charges of space is substantially equal to the frequency of the electromagnetic field.
6. Procédé d'absorption sélective d'un champ électromagnétique présentant une fréquence donnée, caractérisé en ce qu'il comprend une étape consistant à disposer dans le champ électromagnétique un composant (3) comprenant un matériau à charges d'espace (10) pour lequel la fréquence de relaxation des charges d'espace est sensiblement égale à la fréquence du champ électromagnétique.6. A method of selective absorption of an electromagnetic field having a given frequency, characterized in that it comprises a step consisting in placing in the electromagnetic field a component (3) comprising a material with space charges (10) for which the frequency of relaxation of space charges is substantially equal to the frequency of the electromagnetic field.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le composant comprend du BaTiO3:Nb. 7. Method according to claim 6, characterized in that the component comprises BaTiO 3 : Nb.
8. Utilisation d'un composant (3) comprenant un matériau diélectrique à charges d'espace présentant une susceptibilité diélectrique dont la partie imaginaire est supérieure à 100 à la fréquence de relaxation des charges d'espace, pour l'absorption d'un champ électromagnétique dont la fréquence est sensiblement égale à la fréquence de relaxation des charges d'espace du matériau (10). 8. Use of a component (3) comprising a dielectric material with space charges having a dielectric susceptibility the imaginary part of which is greater than 100 at the relaxation frequency of space charges, for the absorption of a field electromagnetic the frequency of which is substantially equal to the frequency of relaxation of the space charges of the material (10).
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| FR0305163A FR2854280B1 (en) | 2003-04-28 | 2003-04-28 | COMPONENT COMPRISING A SPACE-LOADED MATERIAL FOR SELECTIVE ABSORPTION OF AN ELECTROMAGNETIC FIELD |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN104257382A (en) * | 2014-09-11 | 2015-01-07 | 东北大学 | Electromagnetic wave propagation speed based biological tissue electromagnetic parameter imaging device and method |
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| EP0331578A1 (en) * | 1988-03-02 | 1989-09-06 | Commissariat A L'energie Atomique | Dielectric ceramic composition for use at high frequencies and hyperfrequencies, and process for its manufacture |
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- 2003-04-28 FR FR0305163A patent/FR2854280B1/en not_active Expired - Fee Related
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2004
- 2004-04-26 WO PCT/FR2004/001007 patent/WO2004097986A1/en active Application Filing
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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