放射線吸収材

材料科学において、放射線吸収材料( RAM ) とは、できるだけ多くの入射方向から入射する RF 放射線 (非電離放射線とも呼ばれる) をできるだけ効率的に吸収するように特別に設計され、形作られた材料です。 RAM が効果的であるほど、反射されるRF 放射線のレベルは低くなります。電磁両立性(EMC) やアンテナ放射パターンの多くの測定では、測定エラーや曖昧さを引き起こすリスクを回避するために、反射を含むテスト設定から生じるスプリアス信号が無視できることが求められます。

最も効果的な RAM のタイプの 1 つは、ピラミッド型のピースの配列で構成され、各ピースは適切な損失材料で作られています。効果的に機能させるには、無響室のすべての内部表面を RAM で完全に覆う必要があります。RAM の一部を一時的に取り外すと、機器を設置できますが、テストを実行する前に元に戻す必要があります。十分な損失を与えるには、RAM は良好な電気導体でも良好な電気絶縁体でもありません。どちらのタイプも実際には電力を吸収しないためです。通常、ピラミッド型 RAM は、炭素と鉄の制御された混合物を含浸させたゴム引き フォーム材料で構成されます。ピラミッド構造の底から先端までの長さは、予想される最低周波数と必要な吸収量に基づいて選択されます。低周波減衰の場合、この距離は 60 cm (24 インチ) であることが多いですが、高周波パネルは 7.5 ～ 10 cm (3 ～ 4 インチ) と短くなります。RAM パネルは通常、先端が試験室の内側を向くようにEMC 試験室の壁に設置されます。ピラミッド型 RAM は、散乱と吸収という 2 つの効果によって信号を減衰させます。散乱は、反射波が同位相であるが受信機から遠ざかる方向に向いているコヒーレント散乱と、波が受信機で拾われるが位相がずれているため信号強度が低いインコヒーレント散乱の両方で発生します。このインコヒーレント散乱はフォーム構造内でも発生し、浮遊する炭素粒子が破壊的干渉を促進します。内部散乱により、最大 10 dB の減衰が生じる可能性があります。一方、ピラミッド形状は、構造内で波が跳ね返る回数が最大になる角度でカットされています。跳ね返るたびに、波はフォーム材料にエネルギーを失い、信号強度が低下して出ていきます。^[1]別の種類の RAM は、チャンバーのすべての内部表面に固定された平らなタイルの形のフェライト材料の平板で構成されています。このタイプは、ピラミッド型 RAM よりも有効周波数範囲が狭く、導電性の良い表面に固定するように設計されています。ピラミッド型 RAM よりも取り付けが簡単で耐久性に優れていますが、高周波数では効果が低くなります。ただし、テストを低周波数に限定すれば、そのパフォーマンスは十分である可能性があります (フェライト プレートには、30 ～ 1000 MHz の間で最も効果を発揮する減衰曲線があります)。ピラミッド型のフェライトであるハイブリッド タイプもあります。両方の技術の利点を備えており、周波数範囲を最大化しながら、ピラミッドを約 10 cm (3.9 インチ) と小さくすることができます。^[2]

物理的に実現可能な放射線吸収材料の場合、厚さと帯域幅の間にはトレードオフがあります。放射線吸収材料の最適な厚さと帯域幅の比はロザノフ限界によって与えられます。^[3]

レーダー吸収材は、ステルス技術で車両や構造物をレーダー探知から隠すために使用されます。レーダー波の特定の周波数における材料の吸収性は、その組成によって異なります。RAM はどの周波数でもレーダーを完全に吸収することはできませんが、特定の組成では他の周波数よりも吸収性が高く、すべてのレーダー周波数の吸収に適した RAM はありません。RAM を使用すると物体がレーダーから見えなくなるという誤解がよくあります。レーダー吸収材は、特定のレーダー周波数で物体のレーダー断面積を大幅に減らすことができますが、どの周波数でも「見えなくなる」わけではありません。^[4]

ステルスコーティングの最も初期の形態は、多摩工業大学の真野少佐と東京工科大学の芝博士が日本陸軍航空隊のために開発したレーダー吸収塗料であった。複数の塗料混合物が酸化鉄と液体ゴム、さらには酸化鉄、アスファルト、航空機ドープでテストされ、最良の結果が得られた。実験室でのテストでは成功したにもかかわらず、塗料は重く、塗布された航空機の性能に大きな影響を与えたため、実用化されることはほとんどなかった。^[5]

逆に、日本海軍は対レーダー材料に大きな可能性を見出し、第二海軍技術研究所は塗料ではなくレーダー波を吸収する層状材料の研究を開始した。ゴムとプラスチックを様々な比率の炭素粉末で層状にし、レーダー波を吸収・分散させた。結果は3000メガサイクルの周波数に対しては有望だったが、3cmの波長のレーダーに対しては効果が薄かった。この計画は連合軍の爆撃により中断されたが、戦後もアメリカによって研究が続けられ、ある程度の成果が得られた。^[5]

1944年9月、^[6]ドイツ海軍が第二次世界大戦中に潜水艦のシュノーケル（または潜望鏡）に使用したコーティングであるズンプフとショルンシュタインフェガーと呼ばれる材料が、連合軍が使用した20cmレーダー帯域での反射率を下げるために使用されました。この材料は層状構造をしており、ゴムマトリックスに埋め込まれたグラファイト粒子とその他の半導体材料をベースにしていました。この材料の効率は海水の作用によって部分的に低下しました。^{[7] [8]}

同様の用途がホルテン Ho 229航空機にも計画されていた。機体の合板を接着する接着剤にはグラファイト粒子が染み込ませられており、イギリスのレーダーによる視認性を下げることが意図されていた。^{[9] [10]}

最も一般的に知られている RAM のタイプの 1 つは、鉄球塗料です。これには、カルボニル鉄またはフェライトでコーティングされた小さな球が含まれています。レーダー波は、この塗料の交流磁場から分子振動を誘発し、レーダー エネルギーを熱に変換します。次に、熱は航空機に伝達され、消散します。塗料内の鉄粒子は、ペンタカルボニル鉄の分解によって得られ、微量の炭素、酸素、窒素が含まれている場合があります。^[要出典] F-117A ナイトホークやその他の同様のステルス航空機で使用されている 1 つの手法は、2 成分エポキシ塗料に浮かせた、電気的に絶縁された特定の寸法のカルボニル鉄球を使用することです。これらの微小な球のそれぞれは、独自のプロセスにより、絶縁体として二酸化ケイ素でコーティングされています。次に、パネル製造プロセス中に、塗料がまだ液体である間に、特定のガウス強度と特定の距離で磁場が適用され、液体塗料の強磁性流体内のカルボニル鉄球に磁場パターンが作成されます。その後、磁場によって粒子が磁気パターンに保持され、塗料が硬化する。塗装されたパネルの反対側に反対の南北磁場を適用して、カルボニル鉄粒子を整列させる（逆立ちさせて磁場と三次元的に平行にする）実験がいくつか行われた。カルボニル鉄ボール塗料は、ボールが均等に分散され、電気的に絶縁され、入ってくるレーダー波に対して徐々に密度が高くなる勾配を呈する場合に最も効果的である。^[要出典]関連するタイプの RAM は、ポリマー マトリックスに埋め込まれたフェライト粒子または導電性カーボン ブラック粒子（硬化重量で約 0.30% の結晶性グラファイトを含む）を含むネオプレンポリマーシートで構成される。タイルは F-117A ナイトホークの初期のバージョンで使用されていたが、最近のモデルでは塗装された RAM が使用されている。F-117 の塗装は産業用ロボットによって行われるため、塗料は特定の層の厚さと密度で一貫して塗布される。飛行機は胴体に「接着」されたタイルで覆われ、残りの隙間は鉄球「接着剤」で埋められている。^[要出典]米国空軍は、強磁性流体と強磁性流体の両方から作られたレーダー吸収塗料を導入した。レーダー吸収塗料は、非磁性物質とナノ粒子を混ぜて作られる。電磁波の反射を抑えることで、レーダー吸収塗料を塗った航空機のレーダー視認性を下げる効果がある。イスラエルのナノフライト社もナノ粒子を使ったレーダー吸収塗料を製造している。^[11]中華民国（台湾） 軍もレーダー吸収塗料の開発に成功しており、現在台湾のステルス艦艇や台湾製ステルスジェット戦闘機に使用されている。この戦闘機は、ライバルである中華人民共和国のステルス技術開発に対抗して開発が進められており、中華人民共和国はステルス艦艇と航空機の両方を公表していることが知られている。^{[12] [13]}

フォーム吸収体は、電磁放射測定用の無響室のライニングとして使用されます。 ^[要出典]この材料は通常、耐火性ウレタンフォームに導電性カーボンブラック [カルボニル鉄球状粒子、および/または結晶性グラファイト粒子] を 0.05% ～ 0.1% (完成品の重量) の混合物で充填したもので、対象波長に固有の寸法に設定された四角錐に切断されます。導電性粒子を密度勾配で層状にすると、ピラミッドの先端の粒子の割合が最も少なくなり、底部の粒子の密度が最も高くなるため、さらに改善できます。これにより、入射するレーダー波に対するインピーダンスの変化が「ソフト」になり、反射 (エコー) がさらに減少します。広帯域吸収体が求められる場合、底部から先端までの長さとピラミッド構造の底部の幅は、予想される最低周波数に基づいて選択されます。軍事用途の低周波減衰の場合、この距離は 60 cm (24 インチ) であることが多いのに対し、高周波パネルは 7.5 ～ 10 cm (3 ～ 4 インチ) と短い。高周波用途の一例として警察レーダー (速度測定レーダー K および Ka バンド) があり、ピラミッドの寸法は約 10 cm (4 インチ) の長さで、ベースは 5 cm × 5 cm (2 インチ × 2 インチ) である。このピラミッドは、高さ 2.5 cm (1 インチ) の 5 cm × 5 cm の立方体ベースに設置される (ピラミッドとベースの合計の高さは約 12.5 cm または 5 インチ)。ピラミッドの ​​4 つのエッジは緩やかに弧を描いており、ピラミッドがわずかに「膨らんだ」ように見える。この弧によって散乱がさらに加わり、鋭いエッジがコヒーレントな反射を生じないようにする。^[要出典] RAM パネルは、ピラミッドの先端がレーダー ソースの方を向くように設置される。これらのピラミッドは、空気力学が必要とされる場所では、レーダーをほぼ透過する外側のシェルの後ろに隠されている可能性もあります。^{[引用が必要]}ピラミッド型 RAM は、散乱と吸収によって信号を減衰させます。散乱は、反射波が同位相であるが受信機から離れる方向に向いているコヒーレント散乱と、波が受信機に反射されて戻ってくるが位相がずれているため信号強度が低い非コヒーレント散乱の両方で発生します。コヒーレント反射の良い例は、レーダー ソースに対して角度を呈する F-117A ステルス機のファセット形状で、コヒーレント波が発生点 (通常は検出ソース) から離れる方向に反射されます。非コヒーレント散乱はフォーム構造内でも発生し、浮遊する導電性粒子が破壊的干渉を促進します。内部散乱により、10 dB もの減衰が生じる可能性があります。一方、ピラミッド形状は、構造内で波が跳ね返る回数が最大になる角度でカットされています。跳ね返るたびに、波はフォーム材料に対してエネルギーを失い、信号強度が低下して出ていきます。^[14]他のフォーム吸収材は平らなシート状で提供されており、層ごとに炭素含有量の勾配が増大しています。フォーム材料内での吸収は、レーダーエネルギーが導電性粒子内で熱に変換されるときに発生します。そのため、高レーダーエネルギーが関係する用途では、発生した熱を排出するために冷却ファンが使用されます。^[要出典]

ジャウマン吸収体またはジャウマン層は、レーダー吸収物質である。^[要出典] 1943年に初めて導入されたとき、ジャウマン層は2つの等間隔の反射面と導電性のグランドプレーンで構成されていました。原理は似ているため、一般化された多層ソールズベリースクリーンと考えることができます。共鳴吸収体（つまり、波の干渉を使用して反射波をキャンセルする）であるジャウマン層は、最初の反射面とグランドプレーンの間、および2つの反射面間のλ/4間隔（合計λ/4 + λ/4）に依存します。波は2つの周波数で共鳴できるため、ジャウマン層は波長帯域にわたって2つの吸収極大値を生成します（2層構成を使用する場合）。これらの吸収体では、すべての層が互いに平行で、それらが隠すグランドプレーンと平行である必要があります。より複雑なジャウマン吸収体では、導電性シートを分離する一連の誘電体表面が使用されます。これらのシートの導電性は、グランドプレーンに近づくにつれて高くなります。

さまざまなテスト構成のスプリット リング共振器 (SRR) は、レーダー吸収装置として非常に効果的であることがわかっています。SRR テクノロジは、上記のテクノロジと組み合わせて使用​​することで、累積吸収効果を得ることができます。SRR テクノロジは、レーダー ソースに直接反射しない完全に平らな表面を持つファセット形状 (F-117A など) に使用すると特に効果的です。このテクノロジでは、写真プロセスを使用して、調整された共振器アレイにエッチングされた誘電体バッキング (薄い回路基板材料) 上の薄い (約 0.18 mm または 0.007 インチ) 銅箔にレジスト層を作成します。個々の共振器は「C」字型 (または正方形などの他の形状) です。各 SRR は電気的に分離されており、すべての寸法は特定のレーダー波長での吸収を最適化するように慎重に指定されています。閉ループ「O」ではないため、「C」の開口部は特定の寸法のギャップとなり、コンデンサとして機能します。35 GHz では、「C」の直径は約 5 mm (0.20 インチ) です。共振器は特定の波長に調整でき、複数の SRR を特定の厚さの絶縁層を挟んで積み重ねることで、レーダー エネルギーの広帯域吸収を実現できます。積み重ねると、範囲内の小さい SRR (高周波) が最初にレーダー ソースに面します (レーダー ソースから離れるにつれて徐々に大きくなるドーナツの積み重ねのように)。3 つの積み重ねは、広帯域減衰を提供するのに効果的であることがわかっています。SRR テクノロジは、反射防止コーティングが光波長で動作するのとほぼ同じように機能します^{[疑わしい–議論]}。SRR テクノロジは、これまでに知られているテクノロジの中で最も効果的なレーダー減衰を提供し、完全な不可視性 (完全なステルス、"クローキング") の実現に一歩近づきます。可視波長だけでなく、赤外線波長 (LIDAR 吸収材料) の研究も進んでいます。^{[引用が必要]}

レーダーはマイクロ波の周波数範囲で動作し、これは多層ナノチューブ (MWNT) によって吸収される。MWNT を航空機に適用すると、レーダーが吸収され、レーダー断面積が小さくなると思われる。そのような用途の 1 つは、ナノチューブを航空機に塗装することである。最近、ミシガン大学で、航空機のステルス技術としてのカーボンナノチューブの有用性に関する研究が行われた。レーダー吸収特性に加えて、ナノチューブは可視光を反射も散乱もしないことが判明しており、夜間は基本的に見えなくなる。これは、現在のステルス航空機を黒く塗装するのとよく似ているが、はるかに効果的である。しかし、現在の製造上の制限により、ナノチューブでコーティングされた航空機の現在の生産は不可能である。これらの現在の制限を克服する 1 つの理論は、小さな粒子をナノチューブで覆い、ナノチューブで覆われた粒子を塗料などの媒体に浮かべ、ステルス航空機などの表面に塗布できるようにすることである。^[15]

• ライダー
• レーダー断面積（RCS）
• ステルス技術
• レーダー妨害と欺瞞

• Schornsteinfeger プロジェクト、CIOS レポート XXVI-24。

• Silva, MWB; Kretly, LC (2011 年 10 月)。「RAM 放射線吸収材の新しい概念: 波形表面を適用して反射率を向上させる」。2011 SBMO/IEEE MTT-S国際マイクロ波およびオプトエレクトロニクス会議 (IMOC 2011)。pp. 556–560。doi :10.1109/ IMOC.2011.6169338。ISBN 978-1-4577-1664-5. S2CID  31245210。
• Kim, Dong-Young; Yoon, Young-Ho; Jo, Kwan-Jun; Jung, Gil-Bong; An, Chong-Chul (2016). 「放射線吸収材料としてのLi0.375Ni0.375Zn0.25フェライト複合材料のシート厚による電磁波吸収特性への影響」。Journal of Electromagnetic Engineering and Science。16 ( 3): 150–158。doi : 10.5515 /JKIEES.2016.16.3.150。
• レーダー吸収材サプライヤー