KR100239492B1 - Apparatus for measuring magnetic field of multi- channel squid and method of the same - Google Patents
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Abstract
초전도 소자의 하나인 초전도 양자 간섭 소자(SQUID)를 어레이로 배열하여 위치에 대한 자장의 세기를 검출하는 다채널 자장 측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 특히 두 개의 초전도 접합과 초전도 루프로 이루어져 외부 자속을 초전도 접합의 양단에 전압으로 변화시키는 SQUID를 다수개 배열하여 어레이를 형성하고, 그중 메인 또는 기준으로 정해진 SQUID에만 자속 고정 루프(FLL)를 사용하여 그 주변 자기장을 읽은 후 그 피드백을 솔레노이드 코일과 같이 균일 자장을 발생시키는 코일을 통해 메인으로 정해진 SQUID와 나머지 SQUID에 인가하여 나머지 SQUID로부터의 신호와 메인이 되는 SQUID와의 전압 차이로 정해진 자기장 차이의 범위에서는 FLL없이 신호를 검출하도록 함으로써, 다 채널에서의 배선을 많이 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 또한 피드백 코일이 하나뿐이므로 멀티 코일 시스템에서 발생하기 쉬운 상호 간섭 문제를 없앨 수 있다.A multi-channel magnetic field measuring device and a method for detecting the intensity of a magnetic field with respect to a position by arranging a superconducting quantum interference device (SQUID), one of the superconducting elements, in particular an external magnetic flux consisting of two superconducting junctions and a superconducting loop Array is formed by arranging a number of SQUIDs that change the voltage to both ends of the superconducting junction, and using the flux-locked loop (FLL) only in the SQUID defined as the main or reference, the surrounding magnetic field is read and the feedback is returned to the solenoid coil. In the multi-channel, the signal is applied to the main SQUID and the remaining SQUID through the coil generating the uniform magnetic field, and the signal is detected without FLL in the range of the magnetic field difference defined by the voltage difference between the signal from the remaining SQUID and the main SQUID. Not only can save a lot of wiring, but also the feedback coil Only one eliminates the problem of mutual interference, which is likely to occur in multi-coil systems.
Description
본 발명은 초전도 소자의 하나인 초전도 양자 간섭 소자(Superconducting Quantum Interference Device ; SQUID)를 어레이로 배열하여 위치에 대한 자장의 세기를 검출하는 다채널 자장 측정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a multi-channel magnetic field measuring device and a method for detecting the intensity of a magnetic field with respect to a position by arranging a superconducting quantum interference device (SQUID), one of the superconducting elements, in an array.
일반적으로 SQUID는 지구 자기장의 약 일억분의 일 정도의 극히 미약한 자기장을 검출할 수 있는 특성을 갖고 있는데, 이러한 특성을 이용하여 자기장 측정뿐만 아니라 미소전류 전압계인 계측기, 심자계, 잠수함 탐지기, 자원 탐사용 기기, 비파괴 검사 등의 다양한 분야 특히, 자기 신호를 이용한 3차원 영상 처리 시스템에서 널리 응용이 되고 있다.In general, SQUID is capable of detecting extremely weak magnetic fields of about one hundred millionth of the earth's magnetic field.It is used not only to measure magnetic fields but also to measure magnetic fields, such as microcurrent voltmeters such as instruments, magnetic fields, submarine detectors, and resources. It is widely applied in various fields such as probe equipment, non-destructive inspection, and especially in 3D image processing system using magnetic signals.
이러한 직류 초전도 양자 간섭 소자(DC SQUID)는 도 1에서와 같이 두 개의 초전도 접합(12-1,12-2)을 포함한 인덕턴스가 적은 초전도 루프(12-3)로 이루어진다. 이러한 SQUID(12)의 전자기 특성은 두 개의 초전도 접합(12-1,12-2)으로 직류 바이어스 전류를 흘렸을 때 초전도 루프(12-3)를 통과하는 자속 Φa에 대해 초전도 접합(12-1,12-2)의 전압이 변화되는 특성을 갖는다.The DC superconducting quantum interference device DC SQUID includes a superconducting loop 12-3 having a low inductance including two superconducting junctions 12-1 and 12-2, as shown in FIG. The electromagnetic characteristics of the SQUID 12 is a superconducting junction 12-1 with respect to the magnetic flux Φ a passing through the superconducting loop 12-3 when a DC bias current flows through the two superconducting junctions 12-1 and 12-2. 12-2) has a characteristic of changing.
이때, 상기 SQUID(12)에서 전압 신호는 일정한 자속 주기에 대해 사인(sine) 함수적인 형태로 발생되며, 자속 주기 내에서의 신호는 증폭부(13)를 통해 쉽게 얻을 수 있으나 자속 주기보다 큰 자속의 경우에는 자속 고정 루프(Flux Locked Loop ; FLL)의 방법을 사용하여야 한다.At this time, the voltage signal in the SQUID (12) is generated in the form of a sine (sine) function for a constant magnetic flux period, the signal in the magnetic flux period can be easily obtained through the
도 1은 적분부(14)와 코일(11)로 된 일반적인 FLL를 도시한 것으로서, 이 FLL 방법에서는 자속의 변화에 따른 전압 신호의 변화가 누적되지 않게 적분부(14)를 통해 차이를 증폭시키고 이를 피드백 코일(11)에 네가티브 되먹임을 주어 SQUID(12)에 주어지는 자기장의 변화가 상쇄되도록 함으로써, SQUID(12) 내의 자속이 계속적으로 자속 주기내에 있도록 한다. 이때, 피드백 코일(11)에 가해지는 자속의 양은 외부 자기장의 변화량과 같으므로 이를 이용해 SQUID(12)에 주어진 외부 자기장을 알아낼 수 있는 것이다.FIG. 1 illustrates a general FLL including an
종래의 다채널 자장 측정 시스템은 상기된 도 1의 회로 배선을 모든 SQUID에 반복 적용하고 있다. 이때, 단채널 시스템과 다른 점들은 SQUID에서의 작은 신호 전압을 크게 하기 위해 이득이 큰 DC 증폭기를 쓰고, 피드백 코일에 작은 AC 신호를 주어 전치 증폭기(Pre-amp), 믹서를 통해 신호를 증폭하는 경우를 들 수 있으며, 가끔 SQUID의 바이어스 전류 라인과 신호 라인을 공유하여 쓰기도 한다.The conventional multi-channel magnetic field measurement system repeatedly applies the circuit wiring of FIG. 1 described above to all SQUIDs. The difference from the short channel system is that a large gain DC amplifier is used to increase the small signal voltage in SQUID, and a small AC signal is applied to the feedback coil to amplify the signal through a pre-amp and a mixer. This can be the case, sometimes sharing the signal line with the bias current line of the SQUID.
그러나, 종래의 다채널 자장 측정 시스템은 각 SQUID에 대해 FLL 회로를 구성하기 때문에 SQUID에 연결되는 전류 공급 라인과 신호 라인 외에 피드백 자기장을 위해 2개의 라인이 더 필요하므로 채널 수가 증가함에 따라 연결해야 할 배선이 너무 많아지는 문제점이 있다. 특히, SQUID 어레이를 집적하여 한 기판에 올려 놓았을 때에 피드백 코일을 집적하는 방법의 문제뿐 아니라 코일간의 간섭으로 인해 복잡한 문제가 발생한다.However, the conventional multi-channel magnetic field measurement system configures the FLL circuit for each SQUID, so in addition to the current supply line and the signal line connected to the SQUID, two more lines are required for the feedback magnetic field, so they must be connected as the number of channels increases. There is a problem that there is too much wiring. In particular, when the SQUID array is integrated and placed on a substrate, a complicated problem occurs due to the interference between the coils as well as the method of integrating the feedback coil.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 다채널 SQUID에서 발생하는 복잡한 배선과 코일간의 간섭을 줄이도록 하는 다채널 자장 측정 장치 및 방법을 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a multi-channel magnetic field measuring apparatus and method for reducing the interference between the complicated wiring and the coil generated in the multi-channel SQUID.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다채널 자장 측정 장치는, 외부 자속을 초전도 접합의 양단에 전압으로 변화시키는 SQUID가 다수개 배열되는 초전도 양자 간섭소자 배열부와, 상기 SQUID의 초전도 접합의 양단에 전압 차이를 증폭하는 증폭기가 다수개의 SQUID에 각각 연결되고, 메인(또는 기준)으로 지정된 SQUID에만 증폭기를 통해 자속 고정 루프(FLL)가 형성됨을 특징으로 한다.The multi-channel magnetic field measuring device according to the present invention for achieving the above object is a superconducting quantum interference element array unit is arranged a plurality of SQUID for changing the external magnetic flux to a voltage at both ends of the superconducting junction, and the superconducting junction of the SQUID An amplifier that amplifies the voltage difference across is connected to a plurality of SQUIDs, and a magnetic flux locked loop (FLL) is formed through the amplifier only in the SQUID designated as the main (or reference).
상기 FLL은 상기 메인으로 정해진 SQUID의 초전도 접합의 양단의 전압 차이에 대해 적분을 하는 적분부와, 상기 적분부에서 피드백되는 전류를 상기 다수개의 SQUID에 네가티브 되먹임하는 코일로 구성됨을 특징으로 한다.The FLL includes an integrator that integrates the voltage difference between the two ends of the superconducting junction of the SQUID defined as the main, and a coil that negatively feedbacks the current fed back from the integrator to the plurality of SQUIDs.
상기 코일은 솔레노이드 코일과 같이 균일한 자장을 발생시키는 코일로서, 각각의 SQUID에 똑같은 자속을 공급하는 구조로 형성됨을 특징으로 한다.The coil is a coil that generates a uniform magnetic field, such as a solenoid coil, and is characterized in that it is formed in a structure that supplies the same magnetic flux to each SQUID.
본 발명에 따른 다채널 자장 측정 방법은 SQUID를 다수개 배열하여 어레이를 형성하고, 그중 메인으로 정해진 SQUID에만 FLL를 사용하여 그 주변 자기장을 읽은 후 그 피드백 전류를 균일 자장을 발생시키는 코일을 통해 메인으로 정해진 SQUID와 나머지 SQUID에 인가하여 나머지 SQUID로부터의 신호와 메인이 되는 SQUID와의 전압 차이로 정해진 자기장 차이의 범위에서는 FLL없이 신호를 검출함을 특징으로 한다.In the multi-channel magnetic field measuring method according to the present invention, a plurality of SQUIDs are arranged to form an array, and the FLL is used only for the SQUID determined as the main to read the surrounding magnetic field, and then the feedback current is generated through the coil to generate a uniform magnetic field. It is characterized by detecting the signal without FLL in the range of the magnetic field difference determined by the voltage difference between the signal from the remaining SQUID and the main SQUID by applying to the SQUID and the remaining SQUID.
도 1은 일반적인 단 채널 SQUID와 자속 고정 루프(FLL)의 회로 구성을 나타낸 블록도1 is a block diagram showing a circuit configuration of a typical short channel SQUID and a flux locked loop (FLL).
도 2는 본 발명에 따른 다 채널 자장 측정 장치의 구성 블록도2 is a block diagram of a multi-channel magnetic field measuring apparatus according to the present invention
도 3은 메인 SQUID의 자속 주기를 다른 SQUID보다 N배 짧게 하여 FLL을 구성하였때의 자기장과 SQUID 전압과의 관계를 나타낸 그래프3 is a graph showing the relationship between the magnetic field and the SQUID voltage when the FLL is configured by making the magnetic flux cycle of the main SQUID N times shorter than other SQUID.
도 4는 위치에 따라 다른 특정한 자기장이 가해졌을 때 자속 피드백을 가하지 않은 상태에서의 각 SQUID의 출력을 나타낸 그래프4 is a graph showing the output of each SQUID without applying magnetic flux feedback when a specific magnetic field is applied depending on the position.
도 5는 위치에 따라 다른 특정한 자기장이 가해졌을 때 자속 피드백을 가한 상태에서의 각 SQUID의 출력을 나타낸 그래프5 is a graph showing the output of each SQUID in the state of applying magnetic flux feedback when a specific magnetic field is applied according to the position
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for main parts of the drawings
SQ1∼SQ5 : 초전도 양자 간섭소자 21 : 적분부SQ1 to SQ5: Superconducting quantum interference element 21: Integrating part
22 : 코일 23 : 데이터 처리부22: coil 23: data processing unit
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 따른 다채널 자장 측정 장치를 구성 블록도이다.2 is a block diagram of a multi-channel magnetic field measuring apparatus according to the present invention.
도 2는 실시예로 5개의 SQUID를 이용하는 다채널 자장 측정 장치를 도시한 것으로서, 중앙의 SQUID(SQ3)를 메인(또는 기준) SQUID로 정하고, 상기 SQUID(SQ3)에만 적분기(21)와 코일(22)로 형성되는 FLL을 사용한다.FIG. 2 illustrates a multi-channel magnetic field measuring device using five SQUIDs as an example. The central SQUID (SQ3) is set as the main (or reference) SQUID, and the
즉, 다수개 예컨대, 5개의 SQUID(SQ1∼SQ5)가 적절한 구조로 배치되어 있고,두 개의 초전도 접합과 초전도 루프로 이루어지는 각 SQUID는 일측 초전도 접합에 바이어스 전류를 공급하는 전류원이 연결되고 타측 초전도 접합은 접지되며, SQUID의 루프 속으로 외부 자속이 통과하면 SQUID 양단에 발생하는 전압을 증폭하는 증폭기가 두 개의 초전도 접합 사이에 연결된다. 그리고, 상기 다수개 SQUID(SQ1∼SQ5)의 각 증폭기에는 데이터 처리부(23)가 연결되어 증폭된 전압을 읽어 외부 자속 값을 검출하고 필요에 따라 수치, 그래픽, 영상등으로 표시한다.That is, a plurality of, for example, five SQUIDs (SQ1 to SQ5) are arranged in an appropriate structure, and each SQUID including two superconducting junctions and a superconducting loop has a current source for supplying a bias current to one superconducting junction and the other superconducting junction. Is grounded, and when external magnetic flux passes through the loop of the SQUID, an amplifier that amplifies the voltage across the SQUID is connected between the two superconducting junctions. The
이때, 상기 메인 SQUID로 정해진 중앙의 SQUID(SQ3)의 증폭기의 출력단에만 FLL이 사용되는데, FLL의 적분부(21)에서 적분된 전압이 상기 데이터 처리부(23)로 출력됨과 동시에 피드백 코일(22)로 네가티브 되먹임된다.At this time, the FLL is used only at the output terminal of the amplifier of the center SQUID (SQ3), which is defined as the main SQUID. The voltage integrated at the integrating
상기 피드백 코일(22)은 솔레노이드 코일과 같이 균일한 자장을 발생시키는 코일로서, 메인 SQUID(SQ3)와 나머지 4개의 SQUID(SQ1,SQ2,SQ4,SQ5)에 똑같은 자속을 공급하는 구조로 형성된다. 즉 상기 적분부(21)를 통해 되먹임 전류가 코일(22)에 흐르면 상기 코일(22)은 메인 SQUID(SQ3)와 나머지 4개의 SQUID(SQ1,SQ2,SQ4,SQ5)의 루프에 자속을 네가티브로 되먹임한다. 따라서, 상기 코일(22)은 메인 SQUID(SQ3)와 나머지 4개의 SQUID(SQ1,SQ2,SQ4,SQ5)의 루프를 통과하는 총 자속량이 일정하도록 자속 고정을 한다.The
이와 같이 본 발명은 중앙의 메인 SQUID(SQ3)에 대해 FLL을 사용하여 그 주변 자기장을 읽고 그 피드백을 솔레노이드 코일과 같이 균일한 자장을 발생시키는 코일(21)을 통해 메인 SQUID(SQ3)와 나머지 4개의 SQUID(SQ1,SQ2,SQ4,SQ5)의 루프에 가하면 이 SQUID 어레이의 주변 자기장을 대략 상쇄시키게 된다.As described above, the present invention uses the FLL for the central main SQUID (SQ3) and reads the surrounding magnetic field and feeds the feedback through the
나머지 4개의 SQUID(SQ1,SQ2,SQ4,SQ5)로부터의 신호는 중앙의 자기장과의 차이에 해당되는 전압으로 얻어진다.The signals from the remaining four SQUIDs (SQ1, SQ2, SQ4, and SQ5) are obtained at voltages corresponding to the difference from the central magnetic field.
이들 4개의 SQUID(SQ1,SQ2,SQ4,SQ5)에 대해서는 국부적인 피드백 자기장이 가해지지 않으므로 Φ0을 주기로 하는 전압이 발생된다. 그런데 SQUID의 Φ0은 SQUID 루프의 면적(S)과 반비례하므로 면적을 어느 정도 작게 하면 정해진 자기장 차이의 범위에서는 FLL 없이 의미있는 신호를 얻을 수 있다.For these four SQUIDs (SQ1, SQ2, SQ4, and SQ5), no local feedback magnetic field is applied, resulting in a voltage of Φ 0 . However, Φ 0 of SQUID is inversely proportional to the area (S) of the SQUID loop, so if the area is reduced to some extent, a meaningful signal can be obtained without a FLL in a range of a fixed magnetic field difference.
또한, 도 3과 같이 중앙의 SQUID(SQ3)의 자속 주기(ΦC)를 다른 SQUID(SQ1,SQ2,SQ4,SQ5)보다 N배 짧게 하여 FLL을 구성하면(예에서는 10배),
도 4와 도 5는 상기된 5 채널 SQUID 시스템의 결과의 예로서, 도 4는 위치에 따라 다른 특정한 자기장이 가해졌을 때 자속(Flux) 피드백을 가하지 않은 상태에서의 각 SQUID의 출력을 보이고 있는데, 루프를 통과하는 자속량이 일정하지 않아 외부 자기장을 알 수 없게 된다. 도 5는 위치에 따라 다른 특정한 자기장이 가해졌을 때 자속 피드백을 가한 상태에서의 각 SQUID의 출력을 보이고 있는데, 각 SQUID의 출력 전압값 즉, 루프를 통과하는 자속량이 항상 일정함을 알 수 있다. 따라서, 각 SQUID의 출력 전압을 읽어 외부 자기장을 알 수 있게 된다.4 and 5 are examples of the results of the five-channel SQUID system described above, and FIG. 4 shows the output of each SQUID in the absence of flux feedback when a specific magnetic field is applied depending on the position. The magnetic flux through the loop is not constant and the external magnetic field is unknown. 5 shows the output of each SQUID in a state in which magnetic feedback is applied when a specific magnetic field is applied depending on the position. It can be seen that the output voltage value of each SQUID, that is, the amount of magnetic flux passing through the loop is always constant. Therefore, the external magnetic field can be known by reading the output voltage of each SQUID.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 다채널 자장 측정 장치 및 그 방법에 의하면, 다수개의 채널을 갖는 SQUID에서 기준 SQUID에만 FLL을 사용하여 그 주변 자기장을 읽고 그 피드백을 솔레노이드 코일과 같이 균일 자장을 발생시키는 코일을 통해 기준 SQUID와 나머지 SQUID에 가하여 나머지 SQUID로부터의 신호와 기준 SQUID와의 전압 차이로 정해진 자기장 차이의 범위에서는 FLL 없이 신호 검출을 함으로써, 다 채널에서의 배선을 많이 줄일 수 있다. 또한, 피드백 코일이 하나뿐이므로 멀티 코일 시스템에서 발생하기 쉬운 상호 간섭 문제를 없앨 수 있다.As described above, according to the multi-channel magnetic field measuring apparatus and method according to the present invention, the FLL is used only in the reference SQUID in the SQUID having a plurality of channels to read the surrounding magnetic field and generate the feedback as a solenoid coil. By applying the coil to the reference SQUID and the rest of the SQUID and detecting the signal without the FLL in the range of the magnetic field difference determined by the voltage difference between the signal from the remaining SQUID and the reference SQUID, the wiring in the multi-channel can be greatly reduced. In addition, there is only one feedback coil, which eliminates the mutual interference problem that is likely to occur in a multi-coil system.
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