KR101081482B1 - 저잡음 냉각장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 저잡음 냉각 장치를 제공한다. 이 냉각 장치는 외부 용기 및 내부 용기를 포함하고, 외부 용기와 내부 용기 사이는 진공 상태의 단열층을 형성하고, 내부 용기는 액체 냉매를 포함하는 듀어, 내부 용기의 내부에 배치되고 액체 냉매에 잠기는 사전 자화 코일, 액체 냉매에 잠기는 픽업 코일, 및 픽업 코일에 전기적으로 연결되고 액체 냉매에 잠기는 SQUID를 포함한다. 사전 자화코일은 초전도체로 형성된다.
초전도체, 사전 자화 코일, SQUID, DEWAR, 열차폐막
Description
본 발명은 핵자기 공명 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 저 자기장/극저 자기장 핵자기 공명 장치에 관한 것이다.
NMR (Nuclear Magnetic Resonance)은 모든 물질을 구성하는 기본 입자인 핵자(nuclear)에 강한 자기장을 인가할 때 핵자의 자기스핀(magnetic spin)이 상기 자기장에 공명하여 세차운동(precession)하는 현상이다. 자기공명영상화 (Magnetic Resonance Imaging: MRI)는 상기 NMR을 이용해 세차운동 시 발생하는 전자기파를 검출하여 대상 물체 내부를 비침습적(non-invasively)으로 영상화하는 기법이다. 상기 MRI는 의학적 검진 도구로써 인체의 내부를 영상화하는데 주로 사용된다.
상기 MRI 영상의 감도(sensitivity)는 원자핵의 자화도(magnetiztion ratio) 및 공명 주파수와 비례 관계에 있다 일반적으로 MRI 영상의 감도를 향상시키기 위해서, 초전도 자석을 이용한 매우 강한 주 자기장(main magnetic field)이 대상 물체에 인가된다. 따라서, 원자핵의 자화도 및 공명 주파수는 증가한다.
한편, NMR 신호의 이완 시간(relaxation time)은 상기 주 자기장의 균일도에 반비례한다. 따라서, 상기 주 자기장의 세기 및 균일도가 중요하다.
수 테슬라(tesla)의 세기이고 균일한 자기장을 생성하는 초전도 자석의 제작 비용이 크다. 또한, 상기 초전도 자석의 동작은 고가의 냉매인 액체 헬륨을 사용한다. 따라서, 초전도 자석을 이용한 MRI 시스템의 유지 비용은 증가한다.
저 자기장 및 극저 자기장 NMR 및 MRI (이하, 저 자기장 MRI로 통칭한다)는 수 ~ 수백 마이크로 테슬라 세기의 자기장에서 동작하는 새로운 개념의 MRI 장치이다. 통상적인 MRI 장치에서는, 영상의 감도를 증가시키기 위하여, 원자핵의 자화도 및 공명 주파수를 증가시켰다. 그러나, 상기 저 자기장 MRI 장치는 종래의 MRI 장치의 주 자석에서 생성되는 주 자기장을 사전 자화 자기장과 검출 자기장으로 분리한다. 상기 검출 자기장의 세기는 수 uT 내지 수십 uT 정도일 수 있다.
본 발명의 해결하고자 일 기술적 과제는 사전자화 코일-SQUID 일체형 자기장 측정장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 일 기술적 과제는 비도전성 보조 열차폐막으로 열잡음을 감소시킨 냉각 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저잡음 냉각장치는 외부 용기 및 내부 용기를 포함하고, 상기 외부 용기와 내부 용기 사이는 진공 상태의 단열층을 형성하고, 상기 내부 용기는 액체 냉매를 포함하는 듀어, 상기 내부 용기의 내부에 배치되고 상기 액체 냉매에 잠기는 사전 자화 코일, 상기 액체 냉매에 잠기는 픽업 코일, 및 상기 픽업 코일에 전기적으로 연결되고 상기 액체 냉매에 잠기는 SQUID를 포함한다. 상기 사전 자화코일은 초전도체로 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저잡음 냉각장치는 외부 용기, 상기 외부 용기 내부에 배치되고, 내부 목부, 내부 몸체부를 포함하는 내부 용기, 상기 내부 목부에 연결되고 상기 내부 몸체부의 적어도 측면을 감싸도록 배치되는 적어도 하나의 도전성 열차폐막, 상기 외부 용기의 하부에 배치된 시료와 인접한 영역에 상기 차폐부와 접촉하여 배치되는 비도전성 보조 열차폐막, 상기 내부 용기의 내부에 배치되고 액체 냉매에 잠기는 사전 자화 코일, 상기 사전 자화 코일의 중심축 상에 배치되고 상기 액체 냉매에 잠기는 픽업 코일, 및 상기 픽업 코일에 전기적으로 연결 되고 상기 액체 냉매에 잠기는 SQUID를 포함한다. 상기 외부 용기와 내부 용기 사이는 진공 상태의 단열층을 형성한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 저잡음 냉각장치는 저 자기장 MRI에 적용될 수 있다. 상기 저잡음 냉각장치는 사전자화코일 및 SQUID를 하나의 듀어에 장착하는 일체형 시스템을 제공한다. 상기 사전 자화코일은 초전도 선재를 이용함으로써 저항 발열의 문제를 해결할 수 있다. 또한, 오목형 듀어 구조는 시료의 자화율 및 신호의 감지도를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 저잡음 냉각장치는 SQUID에 열잡음을 유도하는 현상을 해결하기 위해 비도전성 보조 열차폐막을 사용하여 금속성 열차폐막에 의한 SQUID로의 열잡음 기여를 차단할 수 있다.
저 자기장 MRI는 시료에 사전 자화 자기장(prepolarzation magnetic field, Bp)과 검출 자기장(measurement magnetic field, Bm)을 순차적으로 인가할 수 있다. 상기 사전 자화 자기장(Bp)은 상기 시료를 사전 자화시킨 후에는 꺼질 수 있다. 또한, 상기 사전 자화 자기장(Bp)은 상기 시료를 충분히 자화시키기 위해 검출 자기장(Bm)에 비해 훨씬 큰 세기를 갖는다. 상기 사전 자화 자기장(Bp)이 꺼지면, 자화되었던 양성자의 스핀들은 상기 검출 자기장(Bm)과 공명하여 세차 운동을 한다. 이에 따라, 상기 세차 운동하는 스핀들은 전자기파를 발생시키고, 상기 전자기파 신 호는 측정될 수 있다.
상기 사전 자화 자기장(Bp)과 상기 검출 자기장(Bm)은 각각 서로 독립된 코일을 이용하여 인가된다. 상기 사전 자화 자기장(Bp)은 사전자화 코일에 의하여 생성된다. 또한, 상기 검출 자기장(Bm)은 검출 자기장 코일에 의하여 생성된다. 상기 사전 자화 자기장(Bp)은 자기장의 균일도와 무관하게 상기 시료의 자화를 위한 강한 자기장이면 된다. 또한, 상기 검출 자기장(Bm)은 그 세기가 작아도 균일한 자기장이면 된다. 따라서, 상기 저 자기장 MRI는 초전도 자석을 이용한 종래의 고 자기장 MRI에 비하여 훨씬 구조적으로 단순하면서도 저렴한 비용으로 시스템을 구성할 수 있다.
한편, 상기 검출 자기장(Bm)에 의한 양성자의 이완신호(relaxation signal)는 수십 ~ 수백 Hz 의 저주파 신호이다. 종래의 고 자기장 MRI에서, 상기 이완 신호를 측정하는 수신 코일(receiver coil)로 파라데이 유도 코일(Faraday induction coil)이 사용된다. 상기 패러데이 유도 코일의 신호대 잡음비(SNR)는 측정되는 이완 신호의 주파수에 비례한다. 따라서, 저주파의 상기 저 자기장 MRI의 상기 이완 신호의 측정에, 상기 패러데이 유도 코일은 적합하지 않다. 따라서, 상기 저 자기장 MRI는 상기 패러데이 유도 코일의 낮은 신호대 잡음비를 향상시키기 위해 초전도 양자 간섭장치(Superconducting QUantum Interference Device: SQUID)를 사용할 수 있다.
저 자기장 MRI는 상기 SQUID를 사용하여 마이크로 테슬라 크기의 자기장에서 동작할 수 있다. 상기 저 자기장 MRI는 검출 자기장(Bm)의 크기에 비례하는 수 ~ 수백 Hz 대역의 공명 신호를 이용하여 물체 내부를 영상화할 수 있다. 상기 저 자기장 MRI는 영상화 대상 내부 또는 주위의 금속에 의한 왜곡을 줄일 수 있다. 따라서, 상기 저 자기장 MRI는 기존의 고 자기장 MRI에서 볼 수가 없던 현상을 볼 수가 있다. 상기 저 자기장 MRI는 금속 보철물이나 심박 조율기 등을 착용하고 있는 사람에게도 무리 없이 사용할 수 있다. 또한, 상기 저 자기장 MRI는 금속 캔 내부의 영상도 비침습적으로 얻을 수 있다. 따라서, 상기 저 자기장 MRI는 보안영상에서 널리 쓰이는 X-ray를 보완하는 기기 등에 적용될 수 있다.
상기 저 저기장 MRI는 시료를 자화시키기 위한 사전자화 코일, 자화된 시료의 양성자 스핀의 이완 특성을 결정하는 검출 자기장 코일, 핵자기 공명 신호를 읽어내는 SQUID, 및 SQUID를 임계 온도 이하로 냉각하기 위한 냉각 시스템을 포함할 수 있다.
상기 사전 자화 코일은 시료의 충분한 자화를 위해 통상적으로 수십에서 수백 밀리 테슬라(tesla) 크기의 자기장을 생성할 수 있다. 상기 사전 자화 코일에는 약 수십 ~ 수백 암페어의 전류가 흐를 수 있다. 그러나, 저항소재인 구리 도선을 이용하여 제작된 상기 사전 자화 코일에 수백 암페어의 전류가 흐를 때, 상기 사전 자화 코일은 약 수 KWatt 이상의 저항 발열을 발생시킬 수 있다. 상기 사전 자화 코일의 저항 발열은 저항이 작은 두꺼운 도선을 사용하면 쉽게 줄여 줄 수 있다. 그러나, 도선이 두꺼워 지는 만큼 코일의 부피가 증가할 수 있다. 따라서, 상기 사전 자화 코일을 냉각하여 비저항을 줄이는 방법이 가장 효과적일 수 있다. 즉, 온 도에 비례하여 감소하는 금속의 비저항 특성에 기인하여, 상기 사전 자화 코일은 가능한 낮은 온도로 냉각되는 것이 유리하다.
저항성 사전 자화 코일의 냉각은 일반적으로 액체 질소나 액체 헬륨 등의 냉매를 이용할 수 있다. 4.2 K 인 액체 헬륨은 77 K인 액체 질소에 비하여 훨씬 낮은 온도를 제공할 수 있다. 따라서, 액체 헬륨을 사용하여 상기 저항성 사전 자화 코일을 냉각할 경우, 상기 저항성 사전 자화 코일의 비저항은 보다 낮출 수 있다. 또한, SQUID와 사전 자화 코일은 하나의 듀아를 이용하여 냉각될 수 있다.
그러나 액체 헬륨의 기화 잠열은 액체 질소에 비하여 100배 이상 크다. 따라서, 액체 헬륨은 액체 질소에 비하여 많은 양을 필요하게 된다. 상기 저항성 사전 자화 코일을 상기 액체 헬륨으로 냉각하는 것은 액체 질소의 가격에 비해 약 100배 가량 비싼 액체 헬륨의 가격을 감안할 때 현실적이지 못하다.
또한, SQUID가 들어있는 액체 헬륨 듀아에 상기 저항성 사전자화 코일이 설치될 수 있다. 이 경우, 액체 헬륨은 상기 저항성 사전 자화 코일의 열을 흡수하는 과정에서 진동을 발생시킬 수 있다. 헬륨 가스에 의해 발생한 진동은 상기 SQUID에 전달되어 상기 SQUID의 동작 특성을 악화시킬 수 있다.
상기 저항성 사전 자화 코일의 냉각을 위해서는 액체 질소를 포함하는 별도의 듀어가 사용될 수 있다. 이 경우, SQUID가 담기는 액체 헬륨 듀아 이외에 상기 사전 자화 코일이 담길 별도의 액체 질소 듀아가 필요하게 된다. 그러나 액체 질소 및 헬륨 듀아들은 냉매의 소모를 최소화해야 하기 때문에 그 제작의 난이도가 높고 비싸다. 즉, 두 종류의 듀아를 사용하는 것은 시스템의 복잡성이나 비용적인 측면 을 고려할 때 바람직하지 않다.
한편, SQUID를 사용하는 저 자기장 MRI는 듀아의 제작 시 사용되는 재질에 의한 SQUID의 특성 저하라는 별도의 문제가 존재한다. 액체 헬륨 듀아는 단 열특성을 향상시키기 위해 듀아 내벽과 외벽 사이에 진공 상태의 단열층을 포함한다. 열차폐막(thermal shield)은 상기 단열층 내부에 배치될 수 있다. 상기 열차폐막은 듀아의 외부로부터 들어오는 복사열이 듀아 내벽의 내부로 전도되는 것을 막는다. 상기 열차폐막은 대부분 금속 재질을 사용한다.
SQUID를 사용하는 저 자기장 MRI 시스템은 시료와 SQUID의 픽업 코일 사이의 거리가 가까울수록 신호의 감소율이 적어 보다 효과적으로 검출할 수 있다. 따라서, 냉각을 위한 듀아의 단열층의 두께는 최대한 얇아야 한다. 이 경우, SQUID의 픽업 코일은 시료 및 열차폐막과 가까워진다. 금속성의 상기 열차폐막이 가지는 고유한 열잡음은 상기 SQUID의 잡음을 증가시킨다.
SQUID의 냉각을 목적으로 하는 듀아는 불가피하게 열차폐막을 사용할 수 있다. 그러나, 최대한 SQUID에 영향을 덜 주기 위해 상기 열차폐막의 사용은 최소한으로 억제된다. 액체 헬륨에 비하여 상대적으로 온도가 높은 액체 질소 듀아는 헬륨 듀아에 비하여 상대적으로 적은 양이 사용되기는 하지만 열차폐막이 없는 구조는 아니다. 따라서, 사전 자화 코일의 냉각을 위해 사용되는 질소 듀아는 SQUID를 기준으로 볼 때 부가적인 잡음의 원인을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저잡음 냉각장치는 초전도 사전 자화 코일-SQUID 일체형 시스템에 최적화된 듀아의 형태를 제시한다. 또한, 시료를 최대한으 로 자화시킬 수 있도록 초전도 사전자화 코일의 배치를 제안한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저잡음 냉각장치는 금속성의 열차폐막에 의한 SQUID의 열잡음을 해결하기 위해 비도전성 보조 열차폐막을 사용한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저잡음 냉각장치를 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 상기 저잡음 냉각장치(100)는 듀어(102, dewar)를 포함한다. 상기 듀어(102)는 외부 용기(120) 및 내부 용기(110)를 포함한다. 상기 외부 용기(120)와 내부 용기(110) 사이는 진공 상태의 단열층을 형성한다. 상기 내부 용기(110)는 액체 냉매(104)를 포함한다.
상기 저잡음 냉각장치(100)는 상기 내부 용기(110)의 내부에 배치되고 상기 액체 냉매(104)에 잠기는 사전 자화 코일(140), 상기 액체 냉매(104)에 잠기는 픽업 코일(172), 및 상기 픽업 코일에 전기적으로 연결되고 상기 액체 냉매에 잠기는 SQUID(150)를 포함한다. 상기 사전 자화코일(140)은 초전도체로 형성된다.
상기 외부 용기(120)는 외부 몸체부(122) 및 상기 외부 몸체부(122)의 하부 면에 배치되고 시료(160)를 감싸는 외부 오목부(124)를 포함할 수 있다. 상기 외부 몸체부(124)는 실린더 형태일 수 있다. 상기 외부 용기(120)는 외부 상판(121)을 포함할 수 있다. 상기 외부 상판(121)은 상기 외부 몸체부(122)와 고정 결합할 수 있다. 상기 외부 상판(121)은 금속성 재질로 형성될 수 있다. 상기 외부 상판(121)은 진공 포트(123) 및 상기 외부 상판(121)의 중심에 관통홀(미도시)을 포함할 수 있다. 상기 진공 포트(123)는 진공 펌프(미도시)에 연결될 수 있다. 상기 외부 오목부(124)는 실린더 형태를 가지고, 상기 외부 몸체부(122)의 하부면에서 함몰된 구조를 가질 수 있다. 상기 외부 몸체부(122) 및 상기 외부 오목부(124)는 유리섬유 강화 플라스틱(fiber-reinforced plastic:FRP)일 수 있다. 구체적으로, 상기 외부 몸체부(122) 및 상기 외부 오목부(124)는 비금속성의 G10-FRP로 제작될 수 있다.
상기 내부 용기(110)는 상기 외부 상판(121)과 결합하는 내부 목부(116), 상기 내부 목부(116)와 연결되는 내부 몸체부(114), 및 상기 내부 몸체부(114)와 연결되어 상기 외부 오목부(124)를 감싸는 내부 오목부(112)를 포함할 수 있다. 상기 내부 오목부(112)는 상기 외부 오목부(124)의 주위에 배치될 수 있다. 상기 내부 용기(110) 및 상기 외부 용기(120)는 실린더 형태일 수 있다.
상기 내부 몸체부(114)의 직경은 상기 내부 목부(116)의 직경보다 작을 수 있다. 상기 내부 몸체부(114)의 직경은 상기 내부 오목부(112)의 직경보다 클 수 있다. 상기 내부 용기(110)는 상기 관통홀을 통하여 상기 외부 용기(120)와 고정 결합할 수 있다. 구체적으로, 상기 내부 목부(116)의 일단은 상기 관통홀과 결합할 수 있다. 상기 내부 용기(110)와 상기 외부 용기(120) 사이의 공간은 단열층을 형성할 수 있다. 상기 단열층은 상기 진공 포트(123)를 통하여 배기되어 진공을 형성할 수 있다. 상기 내부 용기(110)는 FRP로 제작될 수 있다. 상기 내부 몸체부(114)는 실린더 형태일 수 있다. 상기 내부 오목부(112)는 상기 내부 몸체부(114)의 하부면에서 함몰된 구조를 가질 수 있다. 상기 내부 오목부(114)는 실린더 형태일 수 있다. 상기 내부 몸체부(114)의 일부는 상기 액체 냉매(104)로 채워질 수 있다. 상기 액체 냉매(104)는 액체 헬륨 또는 액체 질소일 수 있다. 상기 액체 냉매(104)는 상기 SQUID(150) 및 상기 사전 자화 코일(140)의 재질에 의하여 변경될 수 있다.
상기 SQUID(Superconducting QUantum Interference Device,150)는 저온 초전도 SQUID일 수 있다. 상기 저온 초전도 SQUID는 Nb/AlOX/Nb 조셉슨 접합(Josephson Junction)을 이용할 수 있다. 상기 저온 초전도 SQUID의 자기장 감도는 1 kHz 대역에서 1~2 fT/vHz 정도이다. 저 자기장 MRI의 타겟 주파수 대역은 수 ~ 수백 Hz 대역일 수 있다. 상기 타켓 주파수 대역에서, 상기 저온 초전도 SQUID의 자기장 감도는 10 fT/vHz 미만일 수 있다. 또한, 상기 저온 초전도 SQUID는 저온상태에서의 장시간 동작, 또는 저온 및 상온 간의 반복적인 열 사이클링(thermal cycling)에서 물리적 및 화학적으로 매우 안정한 특성을 나타낸다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 SQUID(140)는 고온초전도 SQUID일 수 있다. 상기 고온 초전도 SQUID는 세라믹 계열의 YBCO 산화물로 이루어질 수 있다. 상기 고온 초전도 SQUID의 자기장 감도는 수 ~ 수백 Hz 대역에서 20 ~ 100 fT/vHz 내외일 수 있다. 상기 고온 초전도 SQUID는 물리적 화학적 안전성에서 저온 초전도 SQUID에 비하여 떨어질 수 있다.
자속변환장치(Flux Transformer)는 상기 SQUID(140)의 감도를 증가시킬 수 있다. 상기 자속변환장치는 자속을 감지하는 픽업 코일(pick-up coil,172) 및 자속을 증폭시키는 입력 코일(input coil, 미도시)을 포함할 수 있다. 상기 자속 변환 장치는 모두 초전도체로 구성되어 있다. 상기 픽업 코일(172)은 많은 자속을 감지하기 위하여 넓은 면적을 가지는 것이 바람직하다. 또한, 입력코일은 상기 SQUID(140)에 자속을 집속시키기 위하여 상기 SQUID(140)와 비슷한 면적을 가지고, 증폭시키기 위하여 여러 번 감겨져 있을 수 있다. 상기 픽업 코일(172)은 마그네토미터(Magnetometer) 또는 그레디오미터(Gradiometer)를 포함할 수 있다. 상기 마그네토미터는 한 턴의 코일로 구성되어, 감지된 자속(magnetic flux)을 상기 입력 코일의 감은 수만큼 증폭하여 상기 SQUID(140)로 전달한다. 그레디오미터(Gradiometer)는 두 개의 코일이 서로 반대 방향으로 감겨있다. 따라서, 그레디오미터(Gradiometer)는 균일한 자기장에 대해서는 반응하지 않는다. 하지만, 그레디오미터(Gradiometer)는 기울기가 다른 자속에 대하여 두 코일에 걸린 자속의 차이를 감지하고, 상기 입력 코일에 상기 차이를 전달한다. 상기 픽업 코일(172)은 한 쌍의 그레디오미터를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 픽업 코일(172)은 제1 내지 제4 픽업 코일(172a~172d)을 포함할 수 있다. 상기 픽업 코일의 형태는 다양하게 변형될 수 있다.
상기 사전 자화 코일(140)은 상기 내부 오목부(112)를 감싸도록 배치될 수 있다. 또한, 상기 픽업 코일(172)의 일부 또는 전부는 상기 사전 자화 코일(140)과 상기 내부 오목부(112) 사이에 배치될 수 있다. 상기 외부 오목부(124)를 가지는 상기 듀아(102)는 상기 픽업 코일(172)이 상기 시료(160)를 완전히 감싸는 구조를 제공할 수 있다. 또한, 상기 사전 자화 코일(140)은 상기 시료(160)를 사전 자화시킬 수 있도록 충분히 가까운 거리를 제공할 수 있다. 상기 시료(160)의 중심은 상기 사전 자화 코일(140)의 중심과 일치할 수 있다. 한편, 상기 픽업 코일(172)의 중심은 상기 시료(160)의 중심과 일치하지 않을 수 있다.
상기 사전 자화 코일(140)은 초전도체를 포함할 수 있다. 상기 사전 자화 코일(140)은 판재(sheet material) 또는 선재(line material)로 형성될 수 있다. 상기 판재로 상기 사전 자화 코일(140)을 구성하는 경우, 상기 판재는 복층 구조를 가질 수 있다.
초전도체는 일정 임계온도 이하에서 저항이 영(zero)인 특성을 가지는 물질이다. 따라서, 초전도체로 이루어진 도선을 이용하여 상기 사전자화 코일(140)을 제작하고, 상기 사전 자화 코일(140)이 임계 온도(critical temperature) 이하에서 동작될 수 있다. 이 경우, 상기 사전자화 코일(140)에 저항 발열에 의한 냉매 소모의 문제는 제거될 수 있다. 또한, 초전도체는 일반적인 구리 도선에 비하여 그 전류 밀도가 100배 이상 크기 때문에 적은 턴 수로 큰 자기장을 만들어 줄 수 있다. 또한, 구리 도선을 이용할 때보다 사전 자화 코일의 부피는 감소할 수 있다. 초전도체 사전자화 코일(140)은 그 재질이 고온 초전도체나 저온초전도체에 관계없이 액체 헬륨 온도에서 동작시킬 수 있다. 따라서, 초전도체를 이용하여 사전자화 코 일을 구성할 경우, 사전자화 코일-SQUID 일체형 시스템이 가능하다. 즉, 하나의 듀어는 상기 사전자화 코일(140) 및 SQUID(150)를 동작시킬 수 있다.
구리 도선을 사용하여 사전 자화 코일-SQUID 일체형 시스템을 제작하는 경우, 액체 냉매는 상기 사전 자화 코일의 열을 흡수하는 과정에서 진동을 유발할 수 있다. 상기 진동은 SQUID에 전해져서 상기 SQUID의 동작 특성을 저해할 수 있다.
구리 도선을 사용하여 상기 사전 자화 코일을 제작하는 경우, 상기 사전 자화 코일을 냉각하는 별도의 듀어를 가질 수 있다. 그러나, 별도의 듀어를 사용하는 것은 시스템의 복잡성 및 비용을 증가시킨다.
그러나, 상기 사전 자화 코일을 초전도체를 사용하는 경우, 상기 사전 자화 코일의 열을 흡수하는 과정에서 진동은 충분히 감소될 수 있다. 또한, 상기 사전 자화 코일 및 상기 SQUID는 일체형으로 제작되어, 시스템의 복잡성 및 비용이 감소한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 사전자화코일의 구조를 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 사전 자화 코일을 구성하는 초전도체는 전류가 변하는 동안 그 초전도 특성을 잃지 않으면서, 동시에 이때 발생하는 교류 열손실을 최소화할 수 있어야 한다. 이를 위하여, 상기 사전 자화 코일(10)은 미세한 초전도체 필라멘트(12)가 기지재료(matrix,14) 속에 촘촘히 박혀있는 형태일 수 있다.
상기 초전도체 필라멘트(12)의 직경이 작을수록, 자화이력에 의한 교류 열손실은 작아 질 수 있다. 또한, 상기 기지재료(14)는 CuNi, CuMn등의 구리 합금재를 사용할 수 있다. 이 경우, 액체 헬륨의 기화점인 4 K에서 구리 합금재의 비저항은 순수 구리보다 천 배 정도 높다. 따라서, 상기 기지재료(14)는 전류 변화에 의해 생성된 와류를 빠르게 감소시킬 수 있다. 또한, 전류 변화에 의해 생기는 상기 초전도체 필라멘트(12) 사이의 결합 손실은 최소화될 수 있다.
상기 초전도체 필라멘트(12)는 저온 초전도체일 수 있다. 상기 초전도체 필라멘트(12)는 NbTi, Nb3Sn, MgB2 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 금속 외피(16)는 상기 기지 재료(14)를 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 금속 외피(16)의 열전도도 및 전기전도도는 상기 기지 재료의 열전도도 및 전기 전도도보다 좋을 수 있다. 이에 따라, 상기 금속 외피(14)는 초전도 퀘엔칭(quenching) 현상 발생시 이의 확산 방지 및 빠른 초전도성을 회복하는 것을 제공할 수 있다.
예를 들어, 상기 사전자화 코일(10)은 0.14 마이크론 굵기의 NbTi 초전도체 필라멘트를 구리-니켈 합금 기지재료(14) 속에 촘촘히 배치된 형태일 수 있다. 상기 사전 자화 코일(10)의 도선의 굵기가 0.2 mm 이고, 상기 사전 자화 코일(10)의 총 부피가 200 cm^3일 수 있다. 전류의 상승 및 하강시간이 각 5 msec 이며, 최대 1000 A 전류 펄스가 상기 사전 자화 코일(10)에 인가되어 0.5 Tesla의 자기장을 생성할 수 있다. 이 경우, 예상되는 열 손실은 펄스당 최대 40 mJ 일 수 있다. 상기 펄스가 4초에 한번 가해지는 경우, 교류 열 손실 평균치는 최대 10 mW이다.
한편, 0.58 옴의 총 저항을 가지는 저항 도선으로 만든 사전 자화 코일의 열손실은, 액체 질소의 온도에서 40 A의 전류를 흘려 0.2 T를 생성하는 경우, 1 kW일 수 있다. 초전도체 사전자화 코일의 열 손실은 저항성 사전 자화코일의 열 손실에 비하면 십만 분의 일에 불과하다. 따라서, 초전도 사전자화 코일은 액체 헬륨 듀아에서 SQUID에 영향을 미치지 않고, 액체 헬륨의 증발량을 미미하게 유지할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 사전자화코일의 구조를 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 상기 사전 자화코일은 기판재(22) 위에 차례로 적층된 완충재층(23), 초전도체(24), 전도성 보호층(25), 및 이들을 감싸는 구리 안정재층(21)을 포함할 수 있다. 상기 기판재(22)는 주로 높은 내인장도와 기계적인 안정성을 가진 Hastelloy 계열의 니켈 합금재를 약 50 um 두께로 사용할 수 있다. 상기 완층재층(23)은 상기 기판재(22) 위에 각각 10~ 40 nm 두께로 산화물이 적층되어 기계적 완충 역활을 할 수 있다. 상기 산화물은 LaMnO3, MgO, 및 Al2O3 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 초전도체(24)는 상기 완충제층(23) 위에 약 1 um 두께로 적층될 수 있다. 상기 초전도체(24)는 YBCO 계열의 고전 초전도체를 포함할 수 있다. 상기 전도성 보호층(25)은 상기 초전도체(24) 위에 약 2um 두께로 적층될 수 있다. 상기 전도성 보호층(25)은 상기 초전도체(24)와 외부 도선을 전기적으로 연결하는 역할을 수행할 수 있다. 상기 전도성 보호층(25)은 내부식성이 높아야 할 수 있다. 상기 전도서 보호층(25)은 은(Ag) 재질로 구성될 수 있다. 상기 구리 안정재층(21)은 상기 기판, 상기 완충재층, 상기 초전도체, 및 상기 전도성 보호층을 약 20 um 의 두께로 감싸는 형태가 될 수 있다. 상기 구리 안정재층(25)은 상기 초전도체(24)에 흐른 전류가 변화할 때 생기는 와류를 저항 발열을 통해 흡수하여 상기 초전도체(24)의 교류 손실을 줄일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연결부를 설명하는 도면이다.
도 4 및 도 1a를 참조하면, 연결부(180)는 상기 사전자화 코일(140)과 전원부(미도시)를 전기적으로 연결할 수 있다.
상기 연결부(180)는 액체 냉매(104)에 일부가 잠기고 상기 사전 자화 코일(140)과 전기적으로 연결되는 초전도체로 형성된 제1 배선(186), 상기 제1 배선(186)과 전기적으로 연결되고 상기 내부 용기(110) 내부에 배치되는 제2 배선(182), 상기 제1 배선(186)과 제2 배선(182)을 전기적으로 연결하는 제1 접속부(184), 상기 제2 배선(182)과 전기적으로 연결되고 상기 듀아(102)의 외부에 배치되는 제3 배선(189), 및 상기 제2 배선(182)과 제3 배선(189)을 전기적으로 연결하는 제 2 접속부(188)를 포함할 수 있다. 상기 제2 배선(182) 및 제3 배선(189)은 리츠 와이어일 수 있다. 상기 제2 배선(182)과 상기 제3 배선(189)은 각각 복수의 도선들을 포함하고, 상기 도선들은 상기 제2 접속부(188)를 통하여 개별적으로 연결될 수 있다.
상기 제1 배선(186)은 상기 사전 자화 코일(140)과 연결될 수 있다. 상기 제1 배선(186)의 일단은 상기 액체 냉매(104)에 잠기고, 상기 제1 배선(186)의 타단은 상기 액체 냉매(104)의 외부로 노출될 수 있다. 상기 제1 배선(186)은 고온 초전도체일 수 있다. 상기 제2 배선(182)의 일단은 제1 접속부(184)를 통하여 상기 제1 배선(186)의 타단과 연결될 수 있다. 상기 제2 배선(182)의 타단은 상기 제2 접속부(188)를 통하여 상기 제3 배선(189)에 연결될 수 있다. 상기 제2 배선(182) 및 상기 제3 배선(189)은 리츠 와이어 형태의 저항 도선일 수 있다. 상기 저항 도선은 구리를 포함할 수 있다.
상기 제1 배선(186)은 세락믹 기반의 고온 초전도체로 형성될 수 있다. 상기 제1 배선(186)은 상기 제2 배선(182)을 통해 들어오는 듀아(102) 외부의 열이 듀아(102) 내부의 액체 냉매(104)에 전달되는 것을 최소화하도록 구성될 수 있다. 상기 제2 배선(182)을 단선 또는 연선으로 구성하는 경우, 상기 전원부로부터 상기 사전자화 코일(140)에 공급되는 전류의 양이 빠르게 변화할 때, 도선의 표면 효과에 의하여 실효 교류 저항이 증가할 수 있다. 상기 제2 배선(182)을 단선 또는 연선으로 구성하는 경우, 전류가 흐르는 방향으로의 도선 실효 단면적이 넓어질 수 있다. 이에 따라, 열잡음(존슨 노이즈) 전류가 생기기 쉬어진다. 상기 열잡음 전류로부터 발생하는 자기장은 SQUID(150)에 영향을 주어 측정 잡음으로 작용할 수 있다. 상기 열잡음 전류는 도선이 가늘수록 그리고 도선이 길수록 감소할 수 있다. 상기 실효 교류 저항을 줄이고 상기 열잡음 전류를 최소화하기 위하여, 상기 제2 배선(182)은 복수의 도선이 꼬인 리츠 와이어 형태로 구성될 수 있다. 즉, 상기 제2 배선(182)은 전기저항을 최소화하는 동시에 열전도도는 떨어지게 하여 듀아 외부로부터의 열유입을 최소화할 수 있다. 이 경우, 상기 제2 배선(182)의 도선 수는 최대의 전류가 흐를 때 저항 발열에 의한 도선의 온도를 지나치게 올리지 않도록 충분한 수로 한다.
상기 제2 배선(182) 및 제3 배선(189)은 상기 제2 접속부(188)를 통하여 열 노이즈 발생을 최소화하도록 구성될 수 있다. 상기 제2 접속부(188)는 암 코넥 터(188b)와 숫 코넥터(188a)를 포함할 수 있다. 상기 제2 접속부(188)는 상기 제2 배선(182)을 구성하는 구리 도선들(188d)이 서로 절연된 상태로 각각 독립적인 단자를 가지도록 복수의 접촉핀들(188c)을 포함할 수 있다. 상기 제2 접속부(188)는 상기 듀아 내부의 구리 도선들 사이의 짧은 경로의 도선 루프의 형성을 방지하여 열 노이즈의 크기를 감소시킬 수 있다. 도선 루프의 경로가 길수록 발생하는 열 노이즈의 크기가 감소한다. 리츠와이어의 도선들이 모두 한 단자를 통해 연결되는 경우, 듀아 내부의 리츠와이어 개별도선 사이에 짧은 경로의 도선 루프가 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 배선(182) 및 제3 배선(189)은 0.5 mm 구리도선 200개로 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 제2 배선(182) 및 상기 제3 배선(189)의 총 굵기는 8 mm 정도가 된다. 상기 제3 배선(189)에 100 A의 전류를 흘릴 경우, 상기 제3 배선(189)에서 발생하는 저항 발열은 도선 1 m 당 4.3 Watt 정도이다. 상기 저항 발열은 냉각을 무시할 경우 도선의 온도를 초당 0.3 도 올릴 수 있는 발열량이다. 공기를 통한 상기 제 3 배선(189)의 냉각을 고려하면, 상기 제3 배선(189)의 실제 온도 상승은 미미할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 열차폐막을 설명하는 도면이다.
다시, 도 1 및 도 5를 참조하면, 열차폐막(130)은 상기 내부 목부(116)에 결합하여 상기 내부 몸체부(114)를 감싸는 구조를 가질 수 있다. 상기 열차폐막(130)은 도전성 물질일 수 있다. 상기 열차폐막(130)은 상기 내부 오목부(112)의 측면의 일부까지 연장될 수 있다. 상기 열차폐막(130)은 구리 또는 알루미늄으로 형성될 수 있다. 상기 열차폐막(130)의 일단은 상기 내부 목부(116)에 결합하고, 상기 열차폐막(130)의 타단은 서로 분리되는 슬릿 형태를 가질 수 있다. 상기 열차폐막(130)은 원통 형상일 수 있다.
상기 열차폐막(130)은 제1 열차폐막(132) 및 상기 제1 열차폐막(132)을 감싸는 제2 열차폐막(134)을 포함할 수 있다. 상기 열차폐막(130)은 도전성 물질이므로, 상기 열차폐막(130)의 고유한 열잡음은 상기 SQUID(150) 또는 상기 픽업 코일(172)에 악영향을 줄 수 있다. 상기 열차폐막(130)을 통하여 수집된 복사열(radaiaton heat )은 상기 내부 목부(116)로 전달열(conduction heat)의 형태로 전달될 수 있다. 상기 내부 목부(116)로 전달된 전달열은 증발된 액체 냉매에 의하여 냉각될 수 있다. 상기 열차폐막(130)은 상기 SQUID(150)에 고유한 열잡음을 줄 수 있어 제한적으로 사용될 필요가 있다. 따라서, 상기 시료(160)와 상기 픽업 코일(172) 사이의 상기 도전성 열차폐막(130)의 일부 또는 전부는 제거될 수 있다. 상기 열차폐막(130)과 상기 내부 목부(116)의 열 접촉은 클램프(133,135)에 의하여 향상될 수 있다. 상기 클램프(133,135)는 상기 열차폐막(130)과 결합하여 상기 내부 목부(116)의 접촉 면적을 증가시킬 수 있다.
제1 열차폐막(132)은 판형부(132a)와 스트립부(132b)를 포함할 수 있다. 상기 판형부(132a)는 상기 내부 목부(116)와 결합하여 상기 내부 몸체부(114)를 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 스트립부(132b)는 상기 판형부(132a)와 연속적으로 연결되어 상기 내부 몸체부(114)의 하부에 배치될 수 있다. 상기 판형부(132a)는 원통 형상일 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 판형부(132a)는 상기 내부 몸체부(114)의 하부면까지 연장될 수 있다. 상기 스트립부(132b)는 상기 내부 오목부(112)와 상기 외부 오목부(124) 사이에 배치될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초단열막의 노드(node)를 설명하는 도면이다.
도 1 및 도 6을 참조하면, 상기 초단열막(192)은 세사 섬유(192a,192b) 및 상기 세사 섬유(192a,192b) 상에 비등방성을 가지고 증착된 도전 물질(192c)을 포함할 수 있다. 상기 도전 물질(192c)은 상기 세사 섬유 굴곡에 따라 전도 영역이 단속적으로 형성될 수 있다.
초단열막(Super Thermal Insulation layer,192)은 상기 내부 오목부(112)와 상기 외부 오목부(124)의 사이에 배치될 수 있다. 상기 초단열막(192)은 상기 내부 몸체부(114)를 감싸도록 연장될 수 있다. 상기 초단열막(192)은 상기 단열층 내부에 배치된다. 따라서, 상기 초단열막(192)은 상기 듀어(102) 외부에서 유입된 복사열이 상기 듀아(102) 내부로의 전달되는 것을 억제할 수 있다. 상기 초단열막(192)은 비도전성 단열재일 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 초단열막(192)은 표면이 서로 전기적으로 절연되도록 복수의 격자 형태로 분리될 수 있다. 상기 초단열막(192)은 알루미늄 마일라(aluminm mylar)를 포함할 수 있다. 상기 초단열막(192)은 복수의 적층된 상기 알루미늄 마일라 필름을 포함할 수 있다.
상기 시료(160)와 상기 픽업 코일(172) 사이에 상기 열차폐막(130)은 배치되 지 않고, 상기 초단열막(192)만 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 픽업 코일(172)은 상기 도전성 열차폐막(130)에 기인한 열잡음으로부터 영향을 적게 받을 수 있다.
상기 시료(160)와 상기 사전 자화 코일(140) 사이의 거리 및 이들의 배치 방식에 상기 시료(160)의 자화도가 달라질 수 있다. 또한, 상기 시료(160)와 상기 픽업 코일(172) 사이의 거리에 따라 신호의 크기가 달라질 수 있다. 따라서, 시료-사전자화 코일 및 시료- 픽업코일의 공간적 배치는 저 자기장 MRI 시스템의 성능에 큰 영향을 줄 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치는 초전도 사전자화 코일을 적용한 SQUID-초전도 사전자화 코일 일체형 저 자기장 MRI 시스템에 적용될 수 있다. 이 경우, 상기 사전자화 코일에 의한 마이스너 효과(Meissner effect)는 상기 SQUID에 자기적인 영향을 줄 수 있다. 따라서, 사전자화 코일의 배치 및 듀아의 형태는 시스템의 성능에 중요한 영향을 미칠 수 있다.
SQUID-초전도 사전자화 코일 일체형 저 자기장 MRI 시스템을 종래의 형태의 듀아에 적용할 경우, 시료는 사전자화 코일의 내부 중심에서 벗어난 위치에 배치된다. 따라서, 이러한 구조는 저 자기장 MRI 시스템에 적합하지 않을 수 있다.
SQUID-초전도 사전자화 코일 일체형 저 자기장 MRI 시스템이 최적의 성능으로 동작하기 위하여, 상기 듀아는 최적화될 필요가 있다. 구체적으로, 상기 최적화된 듀어는 내부 오목부 및 외부 오목부를 포함한 오목형 듀아이다. 상기 오목형 듀아는 다음과 같은 장점들을 가질 수 있다.
첫째, 평면형이나 돌출형 듀아의 경우, 시료는 자기장의 크기가 가장 큰 사전자화 코일의 내부 중심에서 벗어난 위치에 배치된다. 따라서, 상기 시료의 자화도가 떨어진다. 한편, 오목형 듀아의 경우, 상기 시료가 상기 오목형 듀아의 오목하게 들어간 실린더 내부에 배치된다. 또한, 상기 사전자화 코일은 상기 실린더 내부를 감싸는 형태로 배치될 수 있다. 따라서, 상기 시료는 상기 사전자화 코일의 내부 중심에 배치될 수 있다. 따라서, 상기 시료의 자화도는 증가할 할 수 있다.
둘째, 시료의 핵자기 공명 신호의 크기는 시료와 픽업 코일간 거리에 비례한다. 돌출형 및 평면형 듀아의 경우, 상기 핵자기 공명 신호의 크기를 증가시키기 위하여, 시료와 인접한 듀아의 단열층이 최대한 얇아야 한다. 돌출형 및 평면형 듀아는 300 K 에 이르는 온도차를 안정적으로 유지하기 위해서는 최소한의 단열층의 두께가 요구된다. 일반적으로, 돌출형 및 평면형 듀아는 내부 용기와 외부 용기에 사용되는 FRP 재질의 두께(8~ 10 mm) 와 열차폐막 및 초단열층이 배치되는 내외부 용기 사이의 진공 단열층의 두께(8~10 mm)을 요구한다. 따라서, 돌출형 및 평면형 듀아의 경우, 상기 시료와 상기 픽업 코일은 상기 단열층의 두께만큼 떨어진다. 그러나 오목형 듀아의 경우, 시료와 픽업 코일은 같은 평면상에 위치할 수 있다. 따라서, 시료와 픽업 코일은 수직방향의 거리차이가 없어, 시료와 픽업 코일 사이의 거리에 따른 신호 감소를 억제할 수 있다. 또한, 상기 시료와 상기 픽업 코일이 인접한 부위의 단열층 두께(d)는 상대적으로 돌출형 듀아 또는 평명형 듀아에 비하여 두꺼울 수 있다. 따라서, 상기 오목형 듀아의 제작의 난이도가 감소할 수 있다. 구체적으로, 상기 내부 오목부의 두께, 상기 외부 오목부의 두께, 및 상기 내부 오목 부와 상기 내부 오목부 사이의 단열층 두께는 감소할 수 있다.
셋째, 오목형 듀아의 경우, 상기 오목부에 입사하는 복사열의 입체각(solid angele)이 적어, 복사열이 적게 유입된다. 시료가 배치되는 오목한 실린더 부분은 액체 헬륨이 채워져 있는 부분으로 둘러 쌓여있는 구조이다. 따라서, 돌출형 또는 평면형 듀아에 비해여, 상기 오목형 듀아의 내부 오목부는 상대적으로 상온과의 노출 부위가 적고, 유입되는 복사열이 적다.
한편, 돌출형 또는 평면형 듀아는 시료와 상기 픽업 코일이 마주보는 영역은 도전성 열차폐막이 제거될 수 있다. 따라서, 시료와 상기 픽업 코일이 마주보는 영역은 다른 영역에 비하여 유입되는 복사열이 많다. 그러나 오목형 듀아의 경우, 시료와 상기 픽업 코일이 마주보는 영역은 충분한 단열층을 확보할 수 있어, 상기 복사열의 유입을 최소화할 수 있다.
도 7a 및 도 7d은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 자기장 측정장치를 설명하는 도면들이다. 도 1에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.
도 7a를 참조하면, 상기 사전 자화 코일(240)은 헬름 홀쯔 형태이고, 상기 사전 자화 코일(240)에 의하여 형성된 사전 자화 자기장(Bp)은 상기 내부 오목부(112)의 중심축 방향일 수 있다. 상기 사전 자화 코일(240)은 제1 사전 자화 코일(240a) 및 제2 사전 자화 코일(240b)을 포함할 수 있다. 상기 제1 사전 자화 코일(240a)과 상기 제2 사전 자화 코일(240b)은 동일한 형태이고 서로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 제1 사전 자화 코일(240a) 및 제2 사전 자화 코일(240b)은 직렬 또는 병렬연결될 수 있다. 상기 제1 사전 자화 코일(240a) 및 제2 사전 자화 코 일(240b)은 상기 내부 오목부(112)를 감싸도록 배치될 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 사전자화 코일(240)은 헬름홀츠 형태에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 상기 사전 자화 코일(240)은 하나 또는 그 이상의 코일을 직렬 및/또는 병렬 연결될 수 있다.
도 7b를 참조하면, 사전 자화 코일(340)은 헬름 홀쯔 형태이고, 상기 사전 자화 코일(340)에 의하여 형성된 사전 자화 자기장(Bp)은 상기 내부 오목부(112)의 중심축에 수직한 방향일 수 있다. 상기 사전 자화 코일(340)은 제1 사전 자화 코일(340a) 및 제2 사전 자화 코일(340b)을 포함할 수 있다. 상기 제1 사전 자화 코일(340a)과 상기 제2 사전 자화 코일(340b)은 상기 내부 오목부(112)를 중심으로 서로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 제1 사전 자화 코일(340a) 및 제2 사전 자화 코일(340b)은 직렬 또는 병렬연결될 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 사전자화 코일(340)은 헬름홀츠 형태에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 상기 사전 자화 코일(340)은 하나 또는 그 이상의 코일을 직렬 및/또는 병렬 연결될 수 있다.
도 7c를 참조하면, 상기 초단열막(192,194)은 상기 열차폐막들(132,134) 사이에 배치될 수 있다.
도 7d를 참조하면, 보조 열차폐막(197)은 상기 열차폐막(130)과 결합하고, 상기 내부 오목부(112)와 상기 외부 오목부(124) 사이에 배치되는 비도전성 물질 일 수 있다. 상기 보조 열차폐막(197)은 비도전성이고 금속 산화막을 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 보조 열차폐막은 알루미늄 산화막(알루미나), 질화알류미늄, 및 질화붕소 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
듀아는 구조적으로 열잡음이 최소가 되도록 열차폐막를 사용한다. 통상적으로, 시료와 픽업 코일이 인접한 영역에는 열차폐막을 사용하지 않는다. 대신, 초단열막이 복사열을 차단하도록 사용되나, 충분한 단열 효과를 얻기 힘들다. 따라서, 듀아 내부로 유입되는 복사열을 차단하는 비금속성의 보조 열차폐막이 필요하다. 상기 보조 열차폐막은 높은 열전도도를 가지면서도, SQUID에 열 잡음 및 자기 잡음을 전도하지 않는 비금속성 물질일 수 있다.
그러나 비 금속성의 물질들은 대개 열 전도도가 낮아서 열차폐막으로서의 기능이 떨어질 수 있다. 산화알루미늄(일루미나)의 경우, 세라믹 계열의 비금속 물질이면서도 그 열전도도가 300 K 에서 약 30 W/mK, 5 K 에서 약 1.7 W/mK로 높은 편에 속하는 물질이다. 따라서 상기 픽업 코일과 상기 시료의 거리가 많이 떨어진 곳에는 기존의 금속성 열차폐막이 사용될 수 있다. 한편, 상기 픽업 코일과 상기 시료가 가까운 영역에는 상기 보조 열차폐막이 배치될 수 있다. 상기 보조 열차폐막과 상기 열차폐막은 신뢰성 있게 접촉될 수 있다. 이에 따라, 외부로부터 유입되는 복사열은 차단하면서도 금속성 열차폐막에 의한 열 잡음의 유입은 억제할 수 있다. 특히, 상기 보조 열차폐막은 액체 헬륨을 사용하는 듀아에 적용될 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시시예에 따른 냉각 장치를 설명하는 도면이다.
도 8을 참조하면, 상기 냉각 장치(400)는 외부 용기(420) 및 내부 용기(410)를 포함할 수 있다. 상기 내부 용기(410)는 상기 외부 용기(420) 내부에 배치되고, 내부 목부(416) 및 내부 몸체부(414)를 포함할 수 있다. 도전성 열차폐막(430)는 상기 내부 목부(416)에 연결되고 상기 내부 몸체부(414)의 적어도 측면을 감싸도록 배치될 수 있다. 보조 열차폐막(479)는 상기 외부 용기(420)의 하부에 배치된 시료(460)와 인접한 영역에 상기 열차폐막(430)와 접촉하여 배치되고, 알루미늄 산화물로 형성될 수 있다. 상기 외부 용기(420)와 내부 용기(410) 사이는 진공 상태의 단열층을 형성하고, 상기 내부 용기(410)는 액체 냉매(404)를 포함할 수 있다.
상기 외부 용기(420)와 내부 용기(410)의 하부면은 평면일 수 있다. 초전도체로 형성된 사전 자화 코일(440), SQUID(450), 및 픽업 코일(470)은 상기 액체 냉매 내부에 배치될 수 있다. 초단열막(492)은 상기 내부 몸체부(414)를 감싸도록 배치될 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시시예에 따른 냉각 장치를 설명하는 도면이다.
도 9을 참조하면, 상기 냉각 장치(500)는 외부 용기(520) 및 내부 용기(510)를 포함할 수 있다. 상기 내부 용기(510)는 상기 외부 용기(520) 내부에 배치되고, 내부 목부(516) 및 내부 몸체부(514)를 포함할 수 있다. 도전성 열차폐막(530)는 상기 내부 목부(516)에 연결되고 상기 내부 몸체부(514)의 적어도 측면을 감싸도록 배치될 수 있다. 보조 열차폐막(579)는 상기 외부 용기(520)의 하부에 배치된 시료(560)와 인접한 영역에 상기 열차폐막(530)와 접촉하여 배치되고, 알루미늄 산화물로 형성될 수 있다. 상기 외부 용기(520)와 내부 용기(510) 사이는 진공 상태의 단열층을 형성하고, 상기 내부 용기(510)는 액체 냉매(504)를 포함할 수 있다.
상기 외부 용기(520)는 외부 돌출부(524) 및 외부 몸체부(522)를 포함할 수 있다. 상기 내부 용기(510)는 내부 돌출부(512)를 포함할 수 있다. 상기 내부 돌출 부(512)는 상기 외부 돌출부(524)의 내부에 배치될 수 있다. 상기 보조 열차폐막(579)은 상기 내부 돌출부(512)의 하부면과 상기 외부 돌출부(524)의 하부면 사이에 배치될 수 있다. 초전도체로 형성된 사전 자화 코일(540), 및 픽업 코일(570)은 상기 내부 돌출부(512)의 내부에 배치될 수 있다. SQUID(450)는 상기 액체 냉매(504)에 잠길 수 있다. 초단열막(미도시)은 상기 내부 몸체부(514)를 감싸도록 배치될 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저잡음 냉각장치를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 사전자화코일의 구조를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 사전자화코일의 구조를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연결부를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 열차폐막을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초단열막을 설명하는 도면이다.
도 7a 및 도 7d은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 자기장 측정장치를 설명하는 도면들이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시시예에 따른 냉각 장치를 설명하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시시예에 따른 냉각 장치를 설명하는 도면이다.
Claims (17)
- 외부 용기 및 액체 냉매를 포함하는 내부 용기를 포함하는 듀어;상기 내부 용기의 내부에 배치되고 상기 액체 냉매에 잠기는 사전 자화 코일;상기 액체 냉매에 잠기는 픽업 코일; 및상기 픽업 코일에 전기적으로 연결되고 상기 액체 냉매에 잠기는 SQUID를 포함하고,상기 사전 자화코일은 초전도체로 형성되고,상기 외부 용기와 내부 용기 사이는 진공 상태의 단열층을 형성하고,시료는 상기 사전 자화 코일에 의해 자화되고, 상기 픽업 코일의 측정 대상이 되고,상기 듀어는 상기 듀어의 안쪽으로 함몰된 오목한 형태를 포함하고, 상기 시료는 상기 오목한 형태의 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 저잡음 냉각장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 외부 용기는:외부 몸체부; 및상기 사전 자화 코일이 배치되는 영역의 중심부에 상기 시료가 배치되도록 상기 시료를 감싸는 외부 오목부를 포함하고,상기 내부 용기는:상기 외부 용기와 결합하는 내부 목부;상기 내부 목부와 연결되는 내부 몸체부; 및상기 내부 몸체부와 연결되어 상기 외부 오목부를 감싸는 내부 오목부를 포함하고,상기 내부 오목부는 상기 외부 오목부의 주위에 배치되는 것을 특징으로 하는 저잡음 냉각장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 내부 목부에 결합하여 상기 내부 몸체부를 감싸는 적어도 하나의 도전성 열차폐막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저잡음 냉각장치.
- 제 3 항에 있어서,상기 도전성 열차폐막은 판형부와 스트립부를 포함하고,상기 판형부는 상기 내부 목부와 결합하여 상기 내부 몸체부를 감싸도록 배치되고,상기 스트립부는 상기 판형부와 열적으로 접촉되어 있고, 상기 내부 몸체부의 하부에 배치되는 것을 특징으로 하는 저잡음 냉각장치.
- 제 3 항에 있어서,상기 내부 오목부와 상기 외부 오목부의 사이에 배치되고 상기 외부 오목부를 감싸는 적어도 하나의 초단열막(Super Thermal Insulation layer)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저잡음 냉각장치.
- 제 5 항에 있어서,상기 초단열막은:세사 섬유; 및상기 세사 섬유 상에 비등방성을 가지고 증착된 도전 물질을 포함하고,상기 도전 물질은 상기 세사 섬유 굴곡에 따라 전도 영역이 단속적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 저잡음 냉각장치.
- 제 3 항에 있어서,상기 열차폐막과 결합하고, 상기 내부 오목부와 상기 외부 오목부 사이에 배치되는 적어도 하나의 비도전성 보조 열차폐막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저잡음 냉각장치.
- 제 7 항에 있어서,상기 비도전성 보조 열차폐막은 알루미나, 질화알류미늄, 및 질화붕소 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 저잡음 냉각장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 사전 자화 코일은 상기 내부 오목부를 감싸도록 배치되고,상기 픽업 코일의 일부 또는 전부는 상기 사전 자화 코일과 상기 내부 오목부 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 저잡음 냉각장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 사전 자화 코일은 적어도 하나의 코일이 직렬 또는 병렬로 연결된 형태이고, 상기 사전 자화 코일에 의하여 형성된 사전 자화 자기장은 상기 내부 오목부의 중심축에 수직한 방향인 것을 특징으로 하는 저잡음 냉각장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 사전 자화 코일은 적어도 하나의 코일이 직렬 또는 병렬로 연결된 형태이고, 상기 사전 자화 코일에 의하여 형성된 사전 자화 자기장은 상기 내부 오목부의 중심축 방향인 것을 특징으로 하는 저잡음 냉각장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 사전자화 코일은:합금재 기지재료; 및상기 기지재료 속에 배치된 복수의 미세한 초전도체 필라멘트를 포함하는 것을 특징으로 하는 저잡음 냉각장치.
- 제 12 항에 있어서,상기 초전도 필라멘트는 NbTi, Nb3Sn, MgB2 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 저잡음 냉각장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 사전자화 코일과 전원부를 전기적으로 연결하는 연결부를 더 포함하고,상기 연결부는:상기 액체 냉매에 일부가 잠기고 상기 사전 자화 코일과 전기적으로 연결되는 초전도체로 형성된 제1 배선; 및상기 액체 냉매로부터 노출된 상기 제1 배선의 일단과 전기적으로 연결되고 배치되고 상기 액체 냉매로부터 노출된 제2 배선을 포함하고,상기 제2 배선은 단선, 연선, 또는 리츠 와이어 형태의 저항 도선인 것을 특징으로 하는 저잡음 냉각장치.
- 외부 용기;상기 외부 용기 내부에 배치되고, 내부 목부, 내부 몸체부를 포함하는 내부 용기;상기 내부 목부에 연결되고 상기 내부 몸체부의 적어도 측면을 감싸도록 배치되는 적어도 하나의 도전성 열차폐막;상기 외부 용기의 하부에 배치된 시료와 인접한 영역에 상기 도전성 열차폐막과 접촉하여 배치되는 비도전성 보조 열차폐막;상기 내부 용기의 내부에 배치되고 액체 냉매에 잠기는 사전 자화 코일;상기 액체 냉매에 잠기고 상기 사전 자화 코일의 중심축과 동일한 중심축을 가지는 픽업 코일; 및상기 픽업 코일에 전기적으로 연결되고 상기 액체 냉매에 잠기는 SQUID를 포함하고,상기 외부 용기와 내부 용기 사이는 진공 상태의 단열층을 형성하는 것을 특징으로 하는 저잡음 냉각장치.
- 제 15 항에 있어서,상기 외부 용기는 외부 돌출부를 더 포함하고,상기 내부 용기는 내부 돌출부를 더 포함하고,상기 내부 돌출부는 상기 외부 돌출부의 내부에 배치되고,상기 보조 열차폐막는 상기 내부 돌출부의 하부면과 상기 외부 돌출부의 하부면 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 저잡음 냉각장치.
- 제 15 항에 있어서,상기 외부 용기는 외부 오목부를 더 포함하고,상기 내부 용기는 내부 오목부를 더 포함하고,상기 외부 오목부는 상기 내부 오목부의 내부에 배치되고,상기 보조 열차폐막은 상기 외부 오목부와 상기 내부 오목부 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 저잡음 냉각장치.
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