KR100523938B1 - 초전도 양자간섭소자용 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초전도 양자간섭소자용 냉각장치에 관한 것으로, 상/하부의 직경이 상대적으로 작으며 바닥에 안치되는 초전도양자간섭소자의 냉각을 위해 액체질소 또는 액체헬륨이 내포되는 내통과, 내통에 대해 진공으로 조성된 일정간격을 갖고 외장 밀폐되는 외통과, 각 통 사이에 개재되는 열반사부 및 상기 열반사부의 외곽으로 배치되는 열차폐부를 포함하며, 상기 열반사부는, 마일라 및 서로 소정간극을 두고 상기 마일라 위에 증착 배열되어 전기적으로 절연 고립되는 구조의 열반사막으로 이루어져 상기 내통의 표면에 다수겹으로 권취되고, 상기 열차폐부는, 박판 형태의 기재 및 서로 밀착되도록 상기 기재 위에 접착 결합되는 와이어로 이루어져 상기 열반사부와 더불어 상기 각 통 사이에 교번 배치되는 것을 특징으로 한다.

Description

초전도 양자간섭소자용 냉각장치{A Cooling Device For Superconducting Quantum Interference Devices}

본 발명은 초전도양자간섭소자(Superconducting Quantum Interference Devices: SQUID, 이하 스퀴드라 칭함)의 냉각장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이중으로 구성된 각 통 사이에 전기적 절연 고립구조의 열반사막 및 와이어 구조의 열차폐부를 교번 배치함으로써 열자기 노이즈의 흐름을 차단하여 스퀴드의 감도를 대폭 향상시킬 수 있는 초전도양자간섭 소자용 냉각장치에 관한 것이다.

일반적으로 스퀴드는 초전도체에서 자속양자화와 조셉슨효과를 이용한 소자로서 양자역학적 측정감도를 갖는 고감도 센서로서 사용된다. 스퀴드를 이용한 자력계는 인간이 개발한 자기센서 중에서 가장 우수한 감도를 가지는 것으로 알려져 있으며 보통 생체자기 센서용으로 뇌, 심장 등에서 발생하는 미약한 자기장의 측정에 사용된다.

그런데 이러한 스퀴드는 초전도 상태에서 동작함으로 저온상태를 유지시켜 주기 위해 냉각장치가 필요하다. 종래 냉각장치의 구조로서 사용한 것이 듀어(dewar) 용기 구조이며, 냉매로서 액체질소나 액체헬륨이 내포되어 있다.

상기 종래 냉각장치는, 내통과 내통의 외주연에 일정간격을 두고 외장된 외통으로 구성된 이중의 통구조 냉각용기 및 상기 냉각용기에 안치되는 다층 열반사막 및 열차폐부재로 구성된다.

상기 냉각용기는 내통 및 외통 구조임으로 내통과 외통 사이에 공간이 형성되는데, 상기 공간은 진공상태로 조성되어 있다.

상기 열반사막은 상기 공간으로 침투하는 열을 차단하기 위한 구조인데, 알루미늄 박막으로 이루어져 있으며 상기 각 통 사이에 개재된다.

그리고 상기 열차폐부재는 상기 다층 열반사막의 온도 상승을 방지하기 위한 것으로, 열전달 특성이 우수한 금속판 또는 띠이며 상기 다층 열반사막이 내통과 외통 사이에 개재되면 그 표면에 외장된다. 보통 상기 열반사막과 열차폐부재는 상기 각 통 사이에 교번하여 적층되는 다층구조를 갖는다.

여기서 상기 알루미늄 박막은 금속이므로 금속 내에서 전자의 열요동에 따라 전류가 생성되어 알루미늄 박막 표면을 따라 흐르게 된다. 이에 따라 루프(loop) 형태의 전류흐름 현상이 발생되며 이것이 보통 열자기 노이즈라 불리는 백색 자기 노이즈이다.

그런데 스퀴드는 상기 냉각용기 내부의 바닥에 안치됨으로 상기 열자기 노이즈에 의해 상기 스퀴드의 감도가 심각한 영향을 받게 된다. 이것은 상기 열반사막이 비교적 큰 면적의 단일 알루미늄 박막으로 이루어진 문제점에서 파생된다.

상기 열자기 노이즈는 상기 알루미늄 박막의 온도 및 면적이 커짐에 따라 발생량이 늘어나는데, 상기 열반사막은 알루미늄 박막을 다수겹 적층하여 이루어진 다층구조이며 각 층간 알루미늄 박막은 서로 절연되어 있지 않음으로 다층구조에 따라 상기 열자기 노이즈의 발생량은 커지게 마련이다.

상기 열차폐부재는 상기 보통 띠의 형태로 이루어진 금속이다. 이런 상기 열차폐부재는 상기 열반사막의 온도상승을 막고자 열반사막이 다층으로 배치된 뒤 그 외표면에 배치된다. 그리고 그 상단이 상기 내통의 상부 외주연에 접속되어 있다. 상기 내통의 상부는 중앙부위에 비해 상대적으로 직경이 작은 목부분을 형성하는데, 이곳에 상기 열차폐부재의 상단이 접속되어 상기 열반사막의 열을 이곳으로 전도하게 된다.

그런데 앞에서 언급한 바와 같이 표면적에 비례하여 열자기 노이즈가 커지게 된다. 이에 관련하여 볼 때 상기 열차폐부재는 띠의 형태로서 비교적 표면적이 넓은 형태를 갖는 문제점이 있다. 이에 따라 상기 열차폐부재는 열반사막에서 발생된 열자기 노이즈를 증폭하는데 기능한다.

이와 같이 발생된 열자기 노이즈는 센싱감도에 큰 영향을 주게 되고 고주파 신호를 왜곡시켜 스퀴드를 이용한 고주파 신호의 측정을 어렵게 한다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 제 1목적은, 열반사막 사이에 슬릿이 형성되도록 고립 구조로 배열하여 서로 절연시킴으로써, 발생된 열자기 노이즈의 흐름을 차단할 수 있는 구조의 초전도양자간섭 소자용 냉각장치를 제공하는 것이다.

그리고 본 발명의 제 2목적은, 와이어 구조로 열차폐부를 구성함으로써 표면적에 비례하여 증폭되는 열자기 노이즈의 형성을 방지할 수 있는 구조의 초전도양자간섭 소자용 냉각장치를 제공하는 것이다.

이와 같은 본 발명의 목적들은, 상/하부의 직경이 중앙에 비해 상대적으로 작으며 바닥에 안치되는 초전도양자간섭소자(2000)의 냉각을 위해 액체질소 또는 액체헬륨이 내포되는 내통(200);

상기 내통(200)에 대해 진공으로 조성된 일정간격을 갖고 외장 밀폐되는 외통(100);

상기 각 통(100,200) 사이에 개재되는 열반사부(300) 및 상기 열반사(300)의 외곽으로 배치되는 열차폐부(400);를 포함하며,

상기 열반사부(300)는, 마일라(320) 및 서로 소정간극을 두고 상기 마일라(320) 위에 증착 배열되어 전기적으로 절연 고립되는 구조의 각 열반사막(310)으로 이루어져 상기 내통(200)의 표면에 다수겹으로 권취되고,

상기 열차폐부(400)는, 박판 형태의 기재(420) 및 상기 기재(420) 위에 접착 배열된 다수의 와이어(410)로 이루어져 상기 열반사부(300)와 더불어 상기 각 통(100,200) 사이에 교번 배치되는 것을 특징으로 하는 초전도양자간섭 소자용 냉각장치에 의하여 달성된다.

여기서 상기 각 열반사막(310)은 상기 마일라(320)의 가로 및 세로방향을 따라 일렬 배치되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 열반사막(310)은 사각의 알루미늄 박막인 것이 바람직하다.

또한 상기 각 통(100,200)은 유리섬유 강화플라스틱으로 이루어지는 것이 바람직하다.

아울러 상기 각 와이어(410)는 서로 절연되도록 에나멜 피복재(410a)가 코팅된 구리선인 것이 바람직하다.

그리고 상기 열차폐부(400)는 상기 내통(200)의 상부 표면에 접속되어 있는 것이 바람직하다.

이 때 상기 기재(420)는 천 또는 유리섬유 강화플라스틱으로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

이하에서는 본 발명에 따른 초전도 양자간섭소자용 냉각장치에 관하여 첨부되어진 도면과 더불어 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 냉각장치의 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A선에 따른 단면도이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 냉각장치(1000)는 열의 유입을 방지하기 위하여, 내통(200) 및 외통(100) 사이의 진공의 공간 내에 교번 개재된 열반사부(300) 및 열차폐부(400)를 포함한 구조이다.

이 때 상기 열반사부(300)는 절연을 위한 슬릿(c)으로 분리 고립화된 다수의 열반사막(310) 배열구조를 가지며, 상기 열차폐부(400)는 다수의 와이어(410) 배열구조로 구성되어 표면적을 줄인 구조를 갖는다.

이러한 상기 냉각장치(1000)는, 외통(100)과, 상기 외통(100) 내에 포함된 내통(200)과, 상기 외통(100) 및 내통(200) 사이에 교번하여 개재된 열반사부(300) 및 열차폐부(400)를 포함하여 구성된다.

상기 외통(100)은 하부의 직경이 상대적으로 작은 원통용기 구조이다. 그리고 상기 내통(200)은 상부 및 하부의 직경이 상대적으로 작고 중앙은 큰 원통용기 구조이다.

이러한 외통(100) 내에 상기 내통(200)이 일정간격을 두고 내포되며 특히 내통(200)의 하부는 작은 직경의 외통(100) 하부 내에 형상적으로 대응하여 배치된다. 이 때 각 통(100,200)은 단열을 위해 유리섬유 강화플라스틱으로 이루어져 있다.

그리고 상기 각 통(100,200) 사이로 존재하는 공간은 대류로 유입되는 열을 차단하고자 밀폐되어 진공상태로 조성되어 있다. 결국 내/외장되는 각 통(100,200)으로 구성된 진공의 이중벽구조를 이루게 된다.

상기 내통(200) 내에는 액체 질소 또는 액체 헬륨이 냉매로서 채워져 있으며, 바닥에는 스퀴드(2000)가 센서로서 안치된다.

그리고 상기 각 통(100,200) 사이로 위치한 것 중 내통(200)에 근접하여 위치한 것이 열반사부(300)이다. 그 외곽으로는 열차폐부(400)가 위치하며 다시 외곽으로는 열반사부(300)가 위치하는 등의 교번 배치구조가 채용되어 있다.

상기 열반사부(300)는 다수의 열반사막(310)과 상기 열반사막(310)이 표면에 규칙적으로 증착 배열된 마일라(mylar)(320)로 구성되어 있다.

그리고 상기 열차폐부(400)는 박판 형태의 절연성 기재(420) 및 상기 기재(420) 위에 촘촘히 접착 배열된 다수의 와이어(410)로 이루어진다.

상기 각 와이어(410)는 구리선으로 표면에 에나멜 피복재(410a)가 코팅되어 있어 서로 절연된다.

이러한 열반사부(300) 및 열차폐부(400)의 배치관계에서, 우선 열반사부(300)는 상기 내통(200)의 표면에 약 20겹 정도로 권취되고, 그 외곽 표면에 상기 열차폐부(400)가 외장 배치된다. 그리고 상기 열차폐부(400)의 외곽 표면에 열반사부(300)가 약 20겹 정도 권취되고 다시 외곽 표면에 열차폐부(400)가 외장 배치된다.

따라서 상기 냉각장치(1000)는 열반사부(300) 및 열차폐부(400)가 교번하며 상기 각 통(100,200) 사이의 진공 공간에 개재 배치되는 구조를 갖는다.

이 때 스퀴드(2000)는 내통(200)의 바닥에 안치됨으로 열의 유입을 차단하고자 상기 열반사부(300)는 직경이 큰 내통(200)의 중앙부위와 직경이 작은 하부를 위주로 배치된다.

그리고 상기 열차폐부(400)는 만일 열이 상기 열반사부(300)에 유입될 경우 열반사부(300)의 온도가 상승하는 것을 방지하고자 직경이 상대적으로 작은 상기 내통(200)의 상부에 접속되어 있다. 이에 따라 유입된 열이 상기 내통(200)의 상부로 전도되어 외부로 흘러나가도록 하는 구조가 마련된다.

도 3은 도 2에 도시된 열반사부의 평면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 열반사부(300)는 내통(200)의 표면에 수십 겹 정도로 권취가 가능한 넓이의 사각 마일라(320) 위에 다수장의 열반사막(310)이 증착되어 구성된다.

이 때 상기 각 열반사막(310)은 가로/세로 공히 약 10mm 정도의 정사각형으로 절단된 약 25nm 정도 두께의 알루미늄 박막이다. 상기 각 열반사막(310)은 상기 마일라(320)의 가로 및 세로방향을 따라 약 0.3mm 정도의 간극을 두고 일렬 배치된다. 이러한 열반사막(310)의 배치에 따라 각 열반사막(310)의 사이로 형성되는 간극이 절연을 위한 슬릿(c)이다.

상기 마일라(320)가 보통 절연성 물질인 폴리에스테르로 이루어짐에 따라 상기 슬릿(c)의 형성으로 노출되는 것이 절연성 물질이다. 따라서 상기 슬릿(c)의 형성으로 각 열반사막(310)이 전기적으로 서로 절연된다. 이에 따라 열반사부(300)는 전기적 절연 고립구조의 열반사막(310)으로 구성된 구조를 갖는다.

이러한 상기 열반사부(300)는 내통(200)의 표면에 약 20겹 정도 권취되면서 다층의 열반사 구조를 형성하게 된다.

만일 외부에서 열이 유입될 경우 열반사막(310)을 이루는 전자의 열요동이 발생될 수 있다. 그리고 이러한 열요동에 의해 열자기 노이즈가 발생할 경우 열자기 노이즈는 각 열반사막(310) 사이의 슬릿(c)에 의해 각 열반사막(310)을 따라 흐르는 것이 차단될 수 있다.

도 4는 도 2에 도시된 열차폐부의 평면도이고, 도 5는 도 4에 도시된 와이어의 배치관계를 보여주기 위한 확대단면도이다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 열차폐부(400)는, 표면적에 비례하여 증폭됨이 있는 열자기 노이즈의 특성을 고려하여 표면적이 작은 와이어(410)를 열차폐부(400)로 구성한 것이다.

이러한 상기 열차폐부(400)는 기재(420) 및 기재(420) 위에 접착되어 촘촘하게 배열된 외경 약 0.15mm 정도의 구리 와이어(410)로 구성된다.

기재(420)는 천 또는 유리강화섬유로 이루어져 있는 박판이다. 상기 열차폐부(400)의 제작은 원통 형상을 갖는 기재(420)를 대응하는 외경의 원통 회전부 표면에 씌우고, 표면에 접착제를 도포한 뒤 회전시키면서 와이어(410)를 반복 권취하여 완성된다.

완성된 열차폐부(400)는 회전부에서 벗겨내고 원통의 길이방향으로 잘라내어 직사각 형상으로 가공된다. 이 때 인접한 각 와이어(410) 사이가 절연되도록 와이어(410)는 그 표면에 에나멜 피복재(410a)가 코팅된 것을 사용된다.

상기 직사각의 열차폐부(400)는 열반사부(300)와 더불어 교번하여 각 통(100,200) 사이의 공간에 개재된다. 이 때 상기 열차폐부(400)는 직경이 작은 내통(200)의 상부에 접속되도록 배치된다. 이에 따라 만일 열반사부(300)에 열이 유입되어 온도가 상승될 경우 열반사부(300)의 열을 받아 상기 내통(200)의 상부로 전도시킨다.

따라서 스퀴드(2000)가 안치된 내통(200)의 바닥부분에는 열의 유입이 방지되는 단열구조를 이루게 된다.

이상에서와 같은 본 발명에 따른 초전도양자간섭 소자용 냉각장치(1000)에서, 열반사막(310)의 형상은 예시된 정사각형 이외에, 직사각형, 오각형, 육각형 등과 같이 일정간격으로 슬릿(c)이 형성될 수 있는 다각형상 중에서 택일하여 사용할 수 있다.

그리고 예시된 각 열반사막(310)의 크기 및 두께, 슬릿(c)의 크기 등은, 상기 내통(200)의 크기에 따라 달리하여 사용할 수 있음은 물론이다.

아울러 상기 열반사막(310)의 배치관계에서 가로 및 세로방향을 따라 일렬로 배치되는 것 이외에, 가로방향으로 배치된 열반사막(310)의 열이 세로방항에 인접한 열반사막(310)의 열에 대해 대각되는 위치가 되도록 배치되는 구조도 본 발명에 포함될 수 있다.

이상에서와 같은 본 발명에 따른 초전도 양자간섭소자용 냉각장치에 의하면, 열자기 노이즈를 대폭 줄임으로써, 스퀴드 센서의 자장측정 감도를 향상시키고 고주파의 자기신호 측정을 가능하게 함으로써, 특히 3차원 좌표측정 과정에서의 좌표오차를 줄일 수 있는 특징이 있다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 초전도 양자간섭소자용 냉각장치의 사시도,

도 2는 도 1의 A-A선에 따른 단면도,

도 3은 도 2에 도시된 열반사부의 평면도,

도 4는 도 2에 도시된 열차폐부의 평면도,

도 5는 도 4에 도시된 와이어의 배치관계를 보여주기 위한 확대단면도이다.

< 도면의 주요부분에 관한 부호의 설명 >

100: 외통 200: 내통

300: 열반사부 310: 열반사막

320: 마일라 c: 슬릿

400: 열차폐부 410: 와이어

410a: 에나멜 피복재 420: 기재

1000: 냉각장치 2000: 스퀴드,초전도양자간섭소자

Claims (7)

1. 바닥에 안치되는 초전도양자간섭소자(2000)의 냉각을 위해 액체질소 또는 액체헬륨이 내포되는 내통(200);

   상기 내통(200)에 대해 진공으로 조성된 일정간격을 갖고 외장 밀폐되는 외통(100);

   상기 각 통(100,200) 사이에 개재되는 열반사부(300) 및 상기 열반사부(300)의 외곽으로 배치되는 열차폐부(400);를 포함하며,

   상기 열반사부(300)는, 마일라(320) 및 서로 소정간극을 두고 상기 마일라(320) 위에 증착 배열되어 전기적으로 절연 고립되는 구조의 각 열반사막(310)으로 이루어져 상기 내통(200)의 표면에 다수겹으로 권취되고,

   상기 열차폐부(400)는, 박판 형태의 기재(420) 및 상기 기재(420) 위에 접착배열되는 다수의 와이어(410)로 이루어져 상기 열반사부(300)와 더불어 상기 각 통(100,200) 사이에 교번 배치되는 것을 특징으로 하는 초전도 양자간섭소자용 냉각장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 각열반사막(310)은 사각형 형태의 알루미늄 박막으로구성되며, 상기 마일라(320) 기판의 가로 및 세로방향을 따라 일렬 배치되는 것을 특징으로 하는 초전도 양자간섭소자용 냉각장치.
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5. 제 1 항에 있어서, 상기 와이어(410)는 서로 절연되도록 에나멜 피복재(410a)가 코팅된 구리선인 것을 특징으로 하는 초전도 양자간섭소자용 냉각장치.
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