KR101351424B1 - 초전도 가속도계, 가속도 측정 장치, 및 가속도 측정 방법 - Google Patents

초전도 가속도계, 가속도 측정 장치, 및 가속도 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초전도 가속도계, 가속도 측정 장치, 및 가속도 측정 방법을 제공한다. 이 초전도 가속도계는 봉 형상의 몸체부, 몸체부에 연결된 원판 형태의 결합부를 포함하고 초전도체로 형성된 시험 질량체, 몸체부의 일부분을 감싸도록 배치되고 시험 질량체를 자기 부양하고 초전도체로 형성된 솔레노이드 부양 코일, 결합부의 상부 및 하부 중에서 적어도 일측에 배치되는 측정용 초전도체 코일, 및 시험 질량체와 측정용 초전도체 코일 사이의 거리의 변화에 따른 전류를 감지하는 SQUID 센서를 포함한다.

Description

초전도 가속도계, 가속도 측정 장치, 및 가속도 측정 방법{Superconducting Accelerometer, Acceleration Measuring Apparatus, And Acceleration Measuring Methid}
본 발명은 초전도 가속도계에 관한 것으로, 더 구체적으로 솔레노이드 부양 코일을 포함하는 초전도 가속도계에 관한 것이다.
일반적인 가속도계는 스프링에 매달린 시험 질량체(test mass)의 형태로 구성되어 있다. 중력변화나 가속도가 발생하게 되면, 상기 시험 질량체가 움직이고, 이 움직이는 양은 전압신호로 변환하여 출력된다.
초전도체는 전기저항이 영(제로)이며, 내부의 자기장이 영(제로)으로 된다. 후자는 마이스너(Meissner) 효과라고 하는데, 외부의 자기장에 반발하는 반자성의 성질을 가진다. 예를 들어, 초전도체 위에 자석(또는 자석 위에 초전도체)은 이러한 반자성 효과로 인해 공중에 떠 있게 된다.
초전도체 도선으로 만든 코일에 전류를 흘리고, 폐회로(closed loop circuit)를 형성시키면, 상기 코일의 전기저항이 영이므로, 무한시간 동안 영구전류가 흐르게 된다. 이 영구전류 및 이에 따라 발생한 자기장은 극한적으로 안정적이므로, 이 자기장에 의한 초전도체의 자기부상력은 역시 극한적으로 안정적이다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 기계적 스프링 결합을 제거하고 자기 부양 방식 초전도 가속도계를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 가속도계는 봉 형상의 몸체부, 상기 몸체부에 연결된 원판 형태의 결합부를 포함하고 초전도체로 형성된 시험 질량체; 상기 몸체부의 일부분을 감싸도록 배치되고 상기 시험 질량체를 자기 부양하고 초전도체로 형성된 솔레노이드 부양 코일; 상기 결합부의 상부 및 하부 중에서 적어도 일측에 배치되는 측정용 초전도체 코일; 및 상기 시험 질량체와 상기 측정용 초전도체 코일 사이의 거리의 변화에 따른 전류를 감지하는 SQUID 센서를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 시험 질량체는 상기 몸체부와 상기 결합부 사이에 배치되는 목부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 목부의 일부, 상기 몸체부, 및 상기 솔레노이드 부양 코일을 둘러싸서 자기 차폐하는 초전도체 차폐 케이스를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 솔레노이드 부양 코일의 내측면에 배치된 코일 보빈을 더 포함하고, 상기 보빈은 세라믹 재질로 형성되고, 상기 초전도체 차폐 케이스에 고정되고, 상기 솔레노이드 부양 코일은 상기 보빈에 감길 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 측정용 초전도체 코일은 상기 결합부의 상부 및 하부에 배치되고, 상기 측정용 초전도체 코일은 스파이럴 형태의 팬케이크 코일일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 초전도체 차폐 케이스는 상기 몸체부 및 상기 솔레노이드 부양 코일을 수납하는 제1 공간; 상기 결합부를 수납하는 제2 공간; 및 상기 SQQUID 센서를 수납하는 제3 공간을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 시험 질량체, 상기 솔레노이드 부양 코일, 상기 측정용 초전도체 코일, 및 상기 SQUID 센서를 진공 밀봉하는 밀봉 캔을 더 포함하고, 상기 캔의 내부는 진공으로 배기된 후 헬륨 기체로 채워질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 밀봉 캔의 재질은 나이오븀(Nb)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 밀봉 캔 내부에 배치되고 상기 목부의 일부, 상기 몸체부, 및 상기 솔레노이드 부양 코일을 둘러싸서 자기 차폐하는 초전도체 차폐 케이스; 상기 초전도체 차폐 케이스의 상부면에 결합하는 고정판; 상기 밀봉 캔 내부에 배치된 온도조절용 히터; 상기 온도조절용 히터와 상기 고정판을 열적으로 연결하는 유연한 재질의 열 전달체;및 상기 초전도체 차폐 케이스에 결합하는 온도센서를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가속도 측정 장치는 내부에 냉매를 수납하는 듀어; 상기 듀어 내부에 배치되고 진공으로 배기된 후 헬륨 기체로 채워지는 밀봉 캔; 및 상기 밀봉 캔의 내부에 배치되는 가속도 센서를 포함한다. 상기 가속도 센서는 봉 형상의 몸체부, 상기 몸체부와 연결된 목부, 및 상기 목부에 연결된 원판 형태의 결합부를 포함하고 초전도체로 형성된 시험 질량체; 상기 몸체부의 일부분을 감싸도록 배치되고 상기 시험 질량체를 자기 부양하고 초전도체로 형성된 솔레노이드 부양 코일; 상기 결합부의 상부 및 하부 중에서 적어도 일측에 배치되는 측정용 초전도체 코일; 및 상기 시험 질량체와 상기 측정용 초전도체 코일 사이의 거리에 따른 전류를 감지하는 SQUID 센서를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 밀봉 캔 내부에 배치되고 상기 목부의 일부, 상기 몸체부, 및 상기 솔레노이드 부양 코일을 둘러싸서 자기 차폐하는 초전도체 차폐 케이스;및 상기 초전도체 차폐 케이스의 상부면에 결합하는 고정판을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 원판 형상의 상기 고정판에 정삼각형의 모서리에 연결된 3 개의 수평 유지 끈들; 및 상기 수평 유지 끈들 각각이 연장되도록 상기 밀봉 캔과 상기 듀어를 연결하는 수평 유지 파이프들 더 포함할 수 있다. 상기 수평 유지 끈들의 길이를 조절하여 상기 고정판의 수평을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 밀봉 캔과 상기 듀어를 연결하는 진공용 파이프를 더 포함하고, 상기 진공용 파이프를 통하여 상기 밀폐 켄 내부를 진공으로 배기할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가속도 측정 방법은 봉 형상의 몸체부, 상기 몸체부와 연결된 목부, 및 상기 목부에 연결된 원판 형태의 결합부를 포함하고 초전도체로 형성된 시험 질량체, 상기 몸체부의 일부를 감싸고 초전도체로 형성된 솔레노이드 부양 코일, 및 측정용 초전도체 코일을 냉각하는 단계; 상기 솔레노이드 부양 코일에 제1 영구 전류를 인가하여 상기 시험 질량체를 부양하는 단계; 상기 결합부의 상부 및 하부 중에서 적어도 일측에 배치되는 상기 측정용 초전도체 코일에 제2 영구 전류를 인가하는 단계; 및 가속도 변화에 따른 상기 제2 영구 전류의 변화를 SQUID 센서로 감지하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 솔레노이드 부양 코일, 상기 시험 질량체, 및 상기 측정용 초전도체 코일을 임계온도 이하의 일정한 온도를 유지하도록 조절하는 하는 단계; 내부에 냉매를 수납하는 듀어 내부에 배치되는 밀봉 캔을 진공으로 배기하고 헬륨 기체로 채우는 단계; 및 상기 솔레노이드 부양 코일, 상기 시험 질양체, 및 상기 측정용 초전도체 코일의 수평을 조절하는 단계 중에서 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 시험 질량체를 부양하는 단계는 상기 솔레노이드 부양 코일의 일부를 임계 온도 이상으로 가열한 후 전류원을 이용하여 전류를 인가하고 상기 전류원을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 측정용 초전도체 코일에 제2 영구 전류를 인가하는 단계는 상기 측정용 초전도체 코일의 일부를 임계 온도 이상으로 가열한 후 전류원을 이용하여 전류를 인가하고 상기 전류원을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 가속도계는 기계적 스프링 결합을 제거하고 자기 부양 방식을 사용한다. 이에 따라, 더욱 정밀한 가속도 측정이 가능하다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 가속도 센서를 나타내는 등가 회로도들이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 가속도계를 설명하는 개념도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 2의 초전도 가속도계의 등가 회로도이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 가속도 측정 장치를 설명하는 평면도이다.
도 4b는 도 4a의 I-I'선을 따라 자른 단면도이다.
모든 가속도센서의 기본 원리는 가속도변화가 생기면 시험 질량체가 움직이게 되고, 이 움직이는 거리(미소변위)를 측정한다.
본 발명은 초전도 현상을 이용하여 시험 질량체(test mass)를 자기 부양한다. 초전도체로 제작된 시험 질량체(test mass)가 움직일 때, 상기 시험 질량체에 근접하여 배치된 측정용 초전도체 코일의 인덕턴스(inductance)가 변한다. 이 인덕턴스의 변화는 저장 에너지를 일정하게 유지하기 위하여, 측정용 초전도체 코일에 흐르는 전류를 변경한다. 이에 따라, 상기 측정용 초전도체 코일에 흐르는 전류는 자기장을 변화시키고, 상기 전류 또는 상기 자기장은 변압기 또는 변류기를 통하여 SQUID 센서에 의하여 전압으로 변환된다.
상기 측정용 초전도체 코일이 팬케이크(pan-cake) 형태의 스파이럴 코일인 경우, 측정 면적이 넓어지고, 상기 시험 질량체의 미소 변위에 따른 인턱턴스 변화를 효율적으로 감지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 가속도계는 고성능 가속도 측정 장치에서 가장 큰 장애 요소인 기계적 스프링 결합을 제거하고, 전자기적 힘으로 상기 시험 질량체를 부양한다. 또한, 상기 시험 질량체는 몸체부, 목부, 및 결합부를 포함하고 있다. 상기 몸체부는 초전도 자기 부양에 적합한 형태를 가지고, 상기 결합부는 측정용 초전도체 코일과 결합하기 적합한 형태를 가진다. 또한, 상기 목부는 누설 자기장을 최소화하도록 설계되었다. 지름이 작은 목부는 초전도 자기 차폐 케이스를 관통하도록 배치하여, 솔레노이드 부양 코일에서 발생된 자기장이 상기 측정용 초전도체 코일 쪽으로의 누설되는 것이 최소화된다. 또한, 상기 몸체부의 일부는 상기 솔레노이드 부양 코일의 내부에 삽입되어, 상기 시험 질량체는 자기 부상되며, 안정적인 자세 유지가 가능하며, 전후 좌우 방향의 간섭을 받지 않도록 한다.
상기 측정용 초전도체 코일은 스파이얼 팬케이크 형태로, 상기 원판 형태의 결합부의 양쪽에 배치된다. 이에 따라, 상기 측정용 초전도체 코일에서 각각 발생하는 전류 차이는 합산되어 증폭 효과를 유발한다.
초전도체는 온도의 변화에 따라 자기장의 투과 깊이가 달라지므로, 초전도체 재질의 밀봉 캔은 가속도계 전체를 진공 상태에서 밀봉한다. 상기 밀봉 캔은 나이오븀(Niobium)을 포함할 수 있다. 상기 밀봉 캔은 초전도 차폐특성을 이용하여 외부로부터의 자기장 유입을 차단한다. 상기 밀봉 캔의 내부에 극소량의 헬륨가스가 주입되면, 상기 헬륨 가스는 상기 밀봉 캔 외부의 액체 헬륨과 지속적인 열전달에 의하여 상기 가속도계를 냉각한다. 이 상태에서 상기 가속도계에 부착된 온도 센서는 온도를 측정하고, 소정의 기준 온도 이하로 감소되는 경우, 온도조절용 히터는 플렉시블 열 전달체를 통하여 상기 가속도계에 에너지를 전달하여 소정의 기준 온도를 유지하도록 정밀하게 제어할 수 있다. 즉, 온도변화에 따른 초전도체의 자기장 투과 깊이의 변화가 최소가 되도록 한다.
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 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 가속도 센서를 나타내는 등가 회로도들이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 초전도 가속도계(100)는 봉 형상의 몸체부(120a), 상기 몸체부(120a)에 연결된 원판 형태의 결합부(120c)를 포함하고 초전도체로 형성된 시험 질량체(120), 상기 몸체부(120a)의 일부분을 감싸도록 배치되고 상기 시험 질량체(120)를 자기 부양하고 초전도체로 형성된 솔레노이드 부양 코일(110), 상기 결합부(120c)의 상부 및 하부 중에서 적어도 일측에 배치되는 측정용 초전도체 코일(130), 및 상기 측정용 초전도체 코일(130)에 흐르는 전류를 감지하는 SQUID 센서(144)를 포함한다.
초전도체인 상기 시험 질량체(120)에 근접하여 배치된 측정용 초전도체 코일의 인덕턱스는 다음과 같이 주어진다.
L = μ0×n2×A×d
여기서, μ0는 진공 투자율이고, n은 측정용 초전도체 코일의 길이당 권선수이고, A는 상기 측정용 초전도체 코일(130)의 면적이고, d는 상기 측정용 초전도체 코일(130)과 상기 시험 질량체(120) 사이의 거리이다. 상기 인덕턴스는 상기 시험 질량체(120)와 상기 측정용 초전도체 코일(130) 사이의 거리에 비례한다. 상기 거리의 변화는 인덕턴스를 변경하고, 상기 인덕턴스의 변화는 상기 측정용 초전도체 코일(130)에 흐르는 영구 전류를 변경한다.
상기 측정용 초전도체 코일(130)은 변압기(140) 또는 변류기에 연결되어 있다. 상기 변압기(140)의 일차코일은 상기 측정용 초전도체 코일(130)에 직접 연결된다. 상기 일차 코일은 초전도체이다. 또한, 상기 변압기(140)의 이차 코일은 초전도체로 형성될 수 있다. 상기 이차 코일은 픽업 코일(142)에 연결되고, 상기 픽업 코일(142)은 SQUID 센서(144)와 자기적으로 결합될 수 있다. 상기 SQUID 센서(144)의 출력은 신호 처리부(146)에 연결될 수 있다. 상기 신호 처리부(146)는 냉각되지 않는 외부에 배치될 수 있다. 상기 측정용 초전도체 코일(130)과 상기 변압기(140)의 일차 코일은 서로 연결되어 폐 루프(closed loop)를 형성한다.
제1 열-스위치(heat-switch,132)는 상기 측정용 초전도체 코일(130)의 초전도체 와이어의 일부분 또는 배선에 부착된 히터일 수 있다. 상기 제1 열-스위치(132)는 전류원(미도시)로부터 에너지를 공급받아 발열하면, 상기 초전도체 와이어의 온도는 상기 제1 열-스위치(132)로부터 열을 전달받아 초전도 임계온도 이상 올라간다. 상기 제1 열-스위치(132)를 끈 상태에서는 상기 초전도체 와이어는 초전도 상태로 되어 저항이 영이 되며, 상기 제1 열-스위치(132)를 켜면, 상기 초전도체 와이어의 가열된 부분은 초전도가 깨어져서 저항을 발생시킨다.
상기 제1 열-스위치(132)를 켠 상태에서는 외부 전류원(134)은 소정의 외부 전류를 상기 측정용 초전도체 코일(130)에 인가하고, 상기 외부 전류가 인가된 상태에서, 상기 제1 열-스위치(132)를 끄게 되면, 초전도 전류는 폐 루프를 구성하는 회로 내부로 흐른다. 이 경우, 상기 외부 전류원(134)을 제거하더라도, 상기 폐 루프에는 상기 소정의 전류가 무한히 흐른다. 이렇게 영구히 흐르는 전류는 초전도 영구 전류라고 불린다. 상기 폐회로는 자기 에너지를 저장하며, 상기 자기 에너지는 보존된다.
E = ½ L 0 I 0 2
상기 시험 질량체(120)를 공중에 부양하기 위하여, 상기 솔레노이드 부양 코일(110)이 상기 몸체부(120a)의 하부를 감싸도록 배치된다. 상기 솔레노이드 부양 코일(110)는 폐 루프를 형성한다. 상기 솔레노이드 부양 코일(110)의 일부 또는 연결 도선의 주위에 제2 열-스위치(112)가 배치된다. 상기 제2 열-스위치(112)를 켜면, 전류원(116)은 상기 제2 열-스위치(112)를 가열하고, 상기 제2 열-스위치에 의하여 발생한 열 에너지는 인접한 상기 솔레노이드 부양 코일(110)의 일부분을 임계온도 이상으로 가열한다.
상기 제2 열-스위치(112)를 켠 상태에서는 외부 전류원(114)은 소정의 외부 전류를 상기 솔레노이드 부양 코일(110)에 인가하고, 상기 외부 전류가 인가된 상태에서, 상기 제2 열-스위치(112)를 끄게 되면, 초전도 전류는 폐 루프를 구성하는 회로 내부로 흐른다. 이 경우, 상기 외부 전류원(114)을 제거하더라도, 상기 폐 루프에는 상기 소정의 전류가 무한히 흐른다. 상기 폐 루프는 자기 에너지를 저장하며, 상기 자기 에너지는 보존된다. 이에 따라, 상기 솔레노이드 부양 코일(110)은 영구 자석과 같이 기능한다. 상기 시험 질량체(120)는 초전도체로 형성되어 반자성을 가진다. 따라서, 상기 솔레노이드 부양 코일(110)은 중력(g)에 반하여 상기 시험 질량체(120)에 힘(Fm)을 가하여 공중 부양할 수 있다.
초전도 영구 전류가 흐르는 상태에서 가속도계(100)가 힘을 받게 되면, 가속도 변화가 유발된다. 이에 따라, 상기 시험 질량체(120)가 움직이고, 상기 시험 질량체(120)와 상기 측정용 초전도체 코일(130) 사이의 거리(d)는 d = d0 -Δx로 줄어들 수 있다. 이 경우, 상기 측정용 초전도체 코일(130)의 인덕턴스는 줄어든다. 상기 측정용 초전도체 코일(130)이 저장하는 에너지는 보존되므로, 상기 측정용 초전도체 코일(130)에 흐르는 전류는 I = I0 +ΔI로 증가한다. 이 전류 변화는 전압 또는 전압 변화로 변환될 수 있다. 결국, 상기 가속도계(100)는 가속도 변화를 전압 변화로 변환할 수 있다.
초전도 가속도계(100)가 동작하기 위하여는 우선 시험 질량체(120), 및 솔레노이드 부양 코일(110), 및 상기 측정용 초전도체 코일(130)을 임계 온도 이하로 냉각하여야 한다.
이어서, 상기 솔레노이드 부양 코일(110)에 제1 영구 전류를 인가하여 상기 시험 질량체(120)를 부양한다. 상기 솔레노이드 부양 코일(110)에 상기 제1 영구 전류를 인가하는 위하여, 제2 열-스위치(112)를 이용하여 상기 솔레노이드 부양 코일(110)의 일부분의 주위를 임계 온도 이상으로 가열하고, 상기 솔레노이드 부양 코일(110)에 전류를 인가하는 동안, 상기 제2 열-스위치(112)를 끄면, 상기 솔레노이드 부양 코일(110)에 제1 영구 전류가 흐를 수 있다.
이어서, 상기 결합부(120c)의 상부 및 하부 중에서 적어도 일측에 배치되는 측정용 초전도체 코일(130)에 제2 영구 전류를 인가한다. 상기 측정용 초전도체 코일(130)에 제2 영구 전류를 인가하기 위하여, 제1 열-스위치(132)를 이용한 상기 측정용 초전도체 코일(130)의 일부분의 주위를 임계 온도 이상으로 가열하고, 상기 측정용 초전도체 코일(130)에 전류를 인가하는 동안, 상기 제1 열-스위치(132)를 끄면, 상기 측정용 초전도체 코일(130)에 제2 영구 전류가 흐를 수 있다.
이어서, SQUID 센서(144)는 가속도 변화에 따른 상기 제2 영구 전류의 변화를 감지할 수 있다.
또한, 상기 솔레노이드 부양 코일(110), 상기 시험 질량체(120), 및 상기 측정용 초전도체 코일(130)은 임계온도 이하의 일정한 기준 온도를 유지되도록 조절될 수 있다.
또한, 상기 솔레노이드 부양 코일(110), 상기 시험 질량체(120), 및 상기 측정용 초전도체 코일(130)은 수평을 유지하기 위하여 조절될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 가속도계를 설명하는 개념도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 2의 초전도 가속도계의 등가 회로도이다.
도 2, 도 3a, 및 도 3를 참조하면, 초전도 가속도계(100a)는 봉 형상의 몸체부(120a), 상기 몸체부(120a)에 연결된 원판 형태의 결합부(120c)를 포함하고 초전도체로 형성된 시험 질량체(120), 상기 몸체부(120a)의 일부분을 감싸도록 배치되고 상기 시험 질량체(120)를 자기 부양하고 초전도체로 형성된 솔레노이드 부양 코일(110), 상기 결합부(120c)의 상부 및 하부 중에서 적어도 일측에 배치되는 측정용 초전도체 코일(130), 및 상기 측정용 초전도체 코일에 흐르는 전류를 감지하는 SQUID 센서(144)를 포함한다.
상기 시험 질량체(120)는 상기 몸체부(120a)와 상기 결합부(120c) 사이에 배치되는 목부(120b)를 포함할 수 있다. 상기 시험 질량체(120)는 서로 연속적으로 연결된 몸체부(120a), 목부(120b), 및 결합부(120c)를 포함할 수 있다. 상기 몸체부(120a)는 원기둥 형상이고, 제1 지름을 가진다. 상기 목부(120b)는 원기둥 형상이고, 제2 지름을 가진다. 상기 결합부(120c)는 원판 형상을 가지고 제3 지름을 가진다. 상기 제1 지름은 상기 제 2 지름보다 크고, 상기 제3 지름보다 작다. 상기 시험 질량체(120)의 무게 중심의 중심축 상에서 상기 몸체부(120a) 쪽에 존재한다. 이에 따라, 상기 시험 질량체(120)는 공중 부양시 요동에 대하여 안정성을 가질 수 있다. 상기 몸체부(120a)와 상기 목부(120b)는 일체형으로 형성되고, 상기 목부(120b)의 상단부는 숫나사 구조를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 목부(120b)의 상단부는 상기 결합부(120c)의 중심에 형성된 암사나 구멍에 결합할 수 있다. 상기 몸체부(120a)의 하부 모서리부는 곡면 처리될 수 있다.
초전도체 차폐 케이스(150)는 상기 목부(120b)의 일부, 상기 몸체부(120a), 및 상기 솔레노이드 부양 코일(110)을 둘러싸서 자기 차폐할 수 있다. 상기 초전도체 차폐 케이스(150)는 원통 형상일 수 있다.
상기 솔레노이드 부양 코일(110)은 상기 초전도체 차폐 케이스(150) 내부에서 상기 몸체부(120a)의 하단부를 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 솔레노이드 부양 코일(110)이 생성하는 자기장은 상기 몸체부(120a)를 침투하지 못한다. 상기 자기장은 상기 측정용 초전도체 코일(130)에 도달하지 못하도록, 상기 초전도체 차폐 케이스(150)는 상기 목부(120b)가 지나가는 위치에 관통홀을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 자기장은 상기 몸체부(120a)의 지름이 상기 목부(120b)의 지름보다 더 크기 때문에, 상기 관통홀을 통과하지 못한다.
상기 결합부(120c)의 상부면 및 하부면에 측정용 초전도체 코일(130)이 배치될 수 있다. 측정용 초전도체 코일(130)은 측정용 초전도체 상부 코일(130a) 및 측정용 초전도체 상부 코일(130b)을 포함할 수 있다. 상기 측정용 초전도체 상부 코일(130a)은 상기 측정용 초전도체 하부 코일(130b)과 동일한 구조를 가질 수 있다. 상기 측정용 초전도체 코일(130) 각각은 열-스위치(132a,132b)를 포함할 수 있다. 상기 측정용 초전도체 코일(130)은 스파이럴 형태의 팬-케이크 코일일 수 있다. 상기 측정용 초전도체 상부 코일(130a)과 상기 측정용 초전도체 하부 코일(130b)은 서로 연결되어 제1 폐루프를 형성한다. 제1 열-스위치(132a)는 상기 제1 폐루프의 주위에 배치될 수 있다. 상기 측정용 초전도체 상부 코일(130a)의 일단과 상기 측정용 초전도체 하부 코일(130b)의 일단은 제1 노드(N1)에서 연결된다. 상기 측정용 초전도체 상부 코일(130a)의 타단과 상기 측정용 초전도체 하부 코일(130b)의 타단은 제2 노드(N2)에서 연결된다. 상기 제1 노드(N1)와 상기 제2 노드(N2)를 연결하고 변압기(140)의 1차 코일에 연결된 새로운 제2 루프가 형성될 수 있다. 제2 열-스위치(132b)는 상기 제2 루프의 주위에 배치될 수 있다.
상기 초전도 가속도계(100a)는 초전도체로 제작된 상기 솔레노이드 부양 코일(110)을 이용하여 상기 시험 질량체(120)를 자기 부상시키고 자세를 안정시킨다. 상기 시험 질량체(120)의 가속도변화는 상기 측정용 초전도체 코일(130)과 상기 시험 질량체(120) 사이의 변위 변화를 유도하고, 상기 변위 변화는 극한적으로 안정적인 초전도 영구전류의 변화를 유도하고, 상기 영구 전류의 변화는 초고감도 자기센서인 SQUID 센서(144)를 사용하여 전압으로 변환될 수 있다.
상기 솔레노이드 부양 코일(110)의 중심부에 상기 몸체부(120a)가 삽입되면, 상기 몸체부(120a)는 자기 부상된다. 상기 솔레노이드 부양 코일(110)의 자기장의 세기에 따라 상기 몸체부(120a)는 상하 방향으로 조절될 수 있다. 상기 몸체부(120a)가 한쪽으로 쏠리게 되면, 자기력선이 밀질되어 자기부상 효과와 같이 상기 몸체부를 일어내게된다. 따라서, 상기 몸체부(120a)는 항상 상기 솔레노이드 부양 코일(110)의 중심에 위치한다. 따라서 무게 중심이 아래쪽으로 오도록 설계한 상기 시험 질량체(120)는 상기 솔레노이드 부양 코일(110)에 의해 좌우 요동을 억제하며 안정적으로 지지된다.
상기 솔레노이드 부양 코일(110)에 의해 안정적으로 자기 부상된 상기 시험 질량체(120)는 팬케이크 형태의 측정용 초전도체 코일(130)과 근접하도록 조정된다. 상기 시험 질량체(120)는 가속도 변화에 의해 움직이게 되고, 변위가 발생하고, 전류변화가 발생한다. 이렇게 변화된 전류는 변압기(140) 또는 변류기의 이차 코일로 전달되고, 상기 변압기(140)의 이차 코일에 전달된 전류는 픽업 코일(142) 및 SQUID 센서(144)를 통하여 전압으로 출력된다.
두 개의 동일한 규격의 상기 측정용 초전도체 코일(130)을 병렬 연결한 상태에서, 측정용 초전도체 코일(130)과 상기 시험 질량체(120) 사이의 거리가 동일하면, 초전도 영구전류는 상기 측정용 초전도체 코일(130)로 구성된 제1 폐루프 내에서만 흐르게 된다.
이 상태에서 가속도 변화의 의해 상기 시험 질량체(120)가 한쪽으로 쏠리게 되면, 상기 측정용 초전도체 코일(130b)과 상기 시험 질량체(120) 사이의 거리가 감소한 코일의 인덕턴스는 감소하여, 그 코일의 전류는 ΔI 만큼 증가한다.
한편, 상기 측정용 초전도체 코일(130a)과 상기 시험 질량체(120) 사이의 거리가 증가한 코일의 인덕턴스는 증가하여, 그 코일의 전류는 ΔI 만큼 감소한다.
이 전류의 차이(2ΔI)는 변류기(144)가 있는 제2 루프로 흐르게 된다. 결국 SQUID(144)는 2 배의 전류 변화를 감지할 수 있게 된다. 따라서 시험 질량체(120)의 양쪽에 측정용 초전도체 코일(130)을 설치함으로써 측정 감도는 두 배로 향상하게 된다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 가속도 측정 장치를 설명하는 평면도이다.
도 4b는 도 4a의 I-I'선을 따라 자른 단면도이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 가속도 측정 장치(200)는 내부에 냉매를 수납하는 듀어(180), 상기 듀어(180) 내부에 배치되고 진공으로 배기된 후 헬륨 기체로 채워지는 밀봉 캔(170), 및 상기 밀봉 캔(170)의 내부에 배치되는 가속도 센서(100a)를 포함한다.
상기 가속도 센서(100a)는 봉 형상의 몸체부(120a), 상기 몸체부(120a)와 연결된 목부(120b), 및 상기 목부(120b)에 연결된 원판 형태의 결합부(120c)를 포함하고 초전도체로 형성된 시험 질량체(120), 상기 몸체부(120a)의 일부분을 감싸도록 배치되고 상기 시험 질량체(120)를 자기 부양하고 초전도체로 형성된 솔레노이드 부양 코일(110), 상기 결합부(120c)의 상부 및 하부 중에서 적어도 일측에 배치되는 측정용 초전도체 코일(130), 및 상기 측정용 초전도체 코일에 흐르는 전류를 감지하는 SQUID 센서(144)를 포함한다.
상기 듀어(180)는 내부에 액체 냉매를 수납하는 냉각 장치이다. 상기 듀어(180)는 진공층 및 열차폐층을 포함할 수 있다. 상기 듀어(180)는 원통 형상이고, 뚜껑(181)을 포함할 수 있다. 상기 듀어(180)의 뚜껑(181)에는 상기 밀봉 캔(170)에서 연장된 파이프들을 고정할 수 있는 포트(183,185,187)가 배치될 수 있다.
상기 밀봉 캔(170)은 나이오븀 재질로 형성되고, 내부에 상기 가속도 센서(100a)를 수납할 수 있다. 상기 밀봉 캔(170)은 원통 형상일 수 있다. 상기 밀봉 캔(170)의 내부는 진공으로 배기된 후 헬륨 기체로 체워질 수 있다. 이에 따라, 상기 밀봉 캔(170)의 내부 압력은 일정할 수 있다.
상기 밀봉 캔(170)은 원통 형상의 몸체부와 상판(172)을 포함할 수 있다. 상기 몸체부와 상판(172)은 인듐(171)으로 실링될 수 있다. 진공용 파이프(175)는 상기 상판(172)의 중심에 형성된 관통홀 상에 배치되고, 수직으로 연장되어 상기 듀어(180)의 뚜껑(181)에 배치된 포트(185)에 연결될 수 있다.
상기 밀봉 캔(170)의 상판(172)에는 상기 상판(172)의 중심과 일치하는 정삼각형의 모서리에서 수직으로 연장되는 수평 유지용 파이프(173)가 배치될 수 있다. 상기 수평 유지용 파이프(173)는 상기 상판(172)에 형성된 관통홀 상에 배치되고, 상기 수평 유지용 파이프(173)는 상기 듀어(180)의 뚜껑(181)에 배치된 포트(183)에 연결될 수 있다. 상기 밀본 캔(170)의 상판(172)에는 전기적 연결용 커넥터 포트(177)가 배치될 수 있다.
상기 밀봉 캔(170)의 내부에는 원판 형상의 고정판(160)이 수평하게 배치될 수 있다. 상기 고정판(160)은 스테인레스 스틸 또는 초전도체일 수 있다. 초전도체 차폐 케이스(150)는 상기 고정판(160)의 하부에 장착될 수 있다. 상기 고정판(160)에는 상기 고정판(160)의 중심과 일치하는 정삼각형의 모서리에서 수직으로 연장되는 3 개의 수평 유지 끈(167)이 상기 수평 유지용 파이프(173) 내부를 관통하여 연장될 수 있다. 상기 수평 유지 끈(167)의 길이는 각각 상기 듀어(180)의 상판(181)에 설치된 조절부(184)를 통하여 조절될 수 있다. 이에 따라, 상기 고정판(160) 및 상기 초전도체 차례 케이스(150)의 수평을 조절할 수 있다.
상기 초전도체 차폐 케이스(150)는 상기 밀봉 캔(170) 내부에 배치되고 상기 목부(120b)의 일부, 상기 몸체부(120a), 및 상기 솔레노이드 부양 코일(110)을 둘러싸서 자기 차폐할 수 있다.
온도 조절용 히터(164)는 상기 밀봉 캔(170) 내부에 배치될 수 있다. 상기 온도 조절용 히터(164)는 상기 밀봉 캔(170)의 상판(172)의 하부면에 장착될 수 있다. 상기 온도 조절용 히터(164)의 열에너지는 유연한 재질의 열 전달체(162)를 통하여 상기 고정판(160)에 전달될 수 있다. 상기 열 전달체(160)는 상기 고정판(160) 및 상기 초전도체 차폐 케이스(150)를 가열할 수 있다. 상기 초전도체 차폐 케이스(150)의 외부 측면에는 온도 센서(166)가 장착될 수 있다. 상기 온도센서(166)는 상기 초전도체 차폐 케이스(150)의 온도를 감지하고, 상기 초전도체 차폐 케이스(150)의 온도가 소정의 기준 온도 이하로 떨어지면, 상기 온도 조절용 히터(164)가 동작하여 상기 초전도체 차폐 케이스(150)를 기준 온도로 유지할 수 있다.
상기 초전도체 차폐 케이스(150)는 원통 형상일 수 있다. 상기 초전도체 차폐케이스(150)는 상기 시험 질량체(120)의 몸체부(120a) 및 상기 솔레노이드 부양 코일(110)을 수납하는 제1 공간(151), 상기 시험 질량체(120)의 결합부(120c)를 수납하는 제2 공간(153), 및 상기 SQQUID 센서(144)를 수납하는 제3 공간(155)을 포함할 수 있다. 상기 제2 공간(153)에는 측정용 초전도체 코일(130)이 배치될 수 있다. 상기 제1 공간(151)에는 상기 솔레노이드 부양 코일(110)이 감기는 코일 보빈(111)이 배치될 수 있다. 상기 코일 보빈(111)은 원통 형상이고, 세라믹 재질일 수 있다.
상기 초전도체 차폐 케이스(150)는 차례로 적층된 제1 부품 내지 제4 부품(150a~150d)을 포함할 수 있다. 상기 제1 부품 내지 제4 부품(150a~150d)은 서로 정렬되어 결합할 수 있다. 제1 부품(150a)은 일단이 막히고 타단이 개방된 원통 형상일 수 있다. 상기 제1 부품(150a) 내부에는 코일 보빈에 감긴 솔레이드 부양 코일(110)이 배치될 수 있다.
제2 부품(150b)은 중심에 관통홀을 가지고, 일단은 개방되고, 타단은 막힌 원통 구조일 수 있다. 상기 제2 부품은 개방된 면이 상부를 향하도록 상기 제1 부품의 타단 상에 적층될 수 있다. 상기 목부(120b)는 상기 관통홀을 삽입되고, 상기 몸체부(120b)는 상기 제1 부품(150a)의 내부에 배치된다.
제3 부품(150c)은 일단이 개방되고, 타단이 막힌 원통 형상일 수 있다. 상기 제3 부품(150c)은 막힌 면이 위로 가도록 배치될 수 있다. 상기 제3 부품(150c)은 내부에 상기 결합부(120c)가 배치될 수 있다.
상기 결합부(120c)의 상부면 및 하부면에 측정용 초전도체 코일(130)이 배치될 수 있다. 상기 측정용 초전도체 코일(130)은 스파이럴 형태의 팬케이크 코일일 수 있다. 상기 측정용 초전도체 코일(130)은 측정용 초전도체 상부 코일(130a) 및 측정용 초전도체 하부 코일(130b)을 포함할 수 있다. 상기 측정용 초전도체 코일(130)은 세라믹 베이스(131a,131b)에 고정될 수 있다.
제4 부품(150d)은 일단이 개방되고 타단이 막힌 원통 형상일 수 있다. 상기 제4 부품(150d)은 막힌 면이 위로 가도록 배치될 수 있다. 상기 제4 부품(150d)의 내부에 SQUID 센서가 배치될 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술s분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
100: 초전도 가속도계 120: 시험 질량체
120a: 몸체부 120b: 목부
120c: 결합부 110: 솔레노이드 부양 코일
130: 측정용 초전도체 코일 144: SQUID 센서

Claims (17)

  1. 봉 형상의 몸체부, 상기 몸체부에 연결된 원판 형태의 결합부를 포함하고 초전도체로 형성된 시험 질량체;
    상기 몸체부의 일부분을 감싸도록 배치되고 상기 시험 질량체를 자기 부양하고 초전도체로 형성된 솔레노이드 부양 코일;
    상기 결합부의 상부 및 하부 중에서 적어도 일측에 배치되는 측정용 초전도체 코일; 및
    상기 시험 질량체와 상기 측정용 초전도체 코일 사이의 거리의 변화에 따른 전류를 감지하는 SQUID 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 가속도계.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 시험 질량체는 상기 몸체부와 상기 결합부 사이에 배치되는 목부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 가속도계.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 목부의 일부, 상기 몸체부, 및 상기 솔레노이드 부양 코일을 둘러싸서 자기 차폐하는 초전도체 차폐 케이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 가속도계.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 솔레노이드 부양 코일의 내측면에 배치된 코일 보빈을 더 포함하고,
    상기 보빈은 세라믹 재질로 형성되고, 상기 초전도체 차폐 케이스에 고정되고,
    상기 솔레노이드 부양 코일은 상기 보빈에 감기는 것을 특징으로 하는 초전도 가속도계.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 측정용 초전도체 코일은 상기 결합부의 상부 및 하부에 배치되고,
    상기 측정용 초전도체 코일은 스파이럴 형태의 팬케이크 코일인 것을 특징으로 하는 초전도 가속도계.
  6. 제3 항에 있어서,
    상기 초전도체 차폐 케이스는:
    상기 몸체부 및 상기 솔레노이드 부양 코일을 수납하는 제1 공간;
    상기 결합부를 수납하는 제2 공간; 및
    상기 SQUID 센서를 수납하는 제3 공간을 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 가속도계.
  7. 제2 항에 있어서,
    상기 시험 질량체, 상기 솔레노이드 부양 코일, 상기 측정용 초전도체 코일, 및 상기 SQUID 센서를 진공 밀봉하는 밀봉 캔을 더 포함하고,
    상기 밀봉 캔의 내부는 진공으로 배기된 후 헬륨 기체로 채워지는 것을 특징으로 하는 초전도 가속도계.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 밀봉 캔 내부에 배치되고 상기 목부의 일부, 상기 몸체부, 및 상기 솔레노이드 부양 코일을 둘러싸서 자기 차폐하는 초전도체 차폐 케이스;
    상기 초전도체 차폐 케이스의 상부면에 결합하는 고정판;
    상기 밀봉 캔 내부에 배치된 온도조절용 히터;
    상기 온도조절용 히터와 상기 고정판을 열적으로 연결하는 유연한 재질의 열 전달체;및
    상기 초전도체 차폐 케이스에 결합하는 온도센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 가속도계.
  9. 봉 형상의 몸체부, 상기 몸체부에 연결된 원판 형태의 결합부를 포함하고 초전도체로 형성된 시험 질량체;
    상기 몸체부의 일부분을 감싸도록 배치되고 상기 시험 질량체를 자기 부양하고 초전도체로 형성된 솔레노이드 부양 코일;
    상기 결합부의 상부 및 하부 중에서 적어도 일측에 배치되는 측정용 초전도체 코일; 및
    상기 시험 질량체와 상기 측정용 초전도체 코일 사이의 거리의 변화에 따른 전류를 감지하는 SQUID 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 변위 측정 장치.
  10. 내부에 냉매를 수납하는 듀어;
    상기 듀어 내부에 배치되고 진공으로 배기된 후 헬륨 기체로 채워지는 밀봉 캔; 및
    상기 밀봉 캔의 내부에 배치되는 가속도 센서를 포함하고,
    상기 가속도 센서는:
    봉 형상의 몸체부, 상기 몸체부와 연결된 목부, 및 상기 목부에 연결된 원판 형태의 결합부를 포함하고 초전도체로 형성된 시험 질량체;
    상기 몸체부의 일부분을 감싸도록 배치되고 상기 시험 질량체를 자기 부양하고 초전도체로 형성된 솔레노이드 부양 코일;
    상기 결합부의 상부 및 하부 중에서 적어도 일측에 배치되는 측정용 초전도체 코일; 및
    상기 시험 질량체와 상기 측정용 초전도체 코일 사이의 거리에 따른 전류를 감지하는 SQUID 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 가속도 측정 장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 밀봉 캔 내부에 배치되고 상기 목부의 일부, 상기 몸체부, 및 상기 솔레노이드 부양 코일을 둘러싸서 자기 차폐하는 초전도체 차폐 케이스;및
    상기 초전도체 차폐 케이스의 상부면에 결합하는 고정판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가속도 측정 장치.
  12. 제10 항에 있어서,
    원판 형상의 고정판에 정삼각형의 모서리에 연결된 3 개의 수평 유지 끈들; 및
    상기 수평 유지 끈들 각각이 연장되도록 상기 밀봉 캔과 상기 듀어를 연결하는 수평 유지 파이프들 더 포함하고,
    상기 수평 유지 끈들의 길이를 조절하여 상기 고정판의 수평을 조절하는 것을 특징으로 하는 가속도 측정 장치.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 밀봉 캔과 상기 듀어를 연결하는 진공용 파이프를 더 포함하고,
    상기 진공용 파이프를 통하여 상기 밀봉 캔 내부를 진공으로 배기하는 것을 특징으로 하는 가속도 측정 장치.
  14. 봉 형상의 몸체부, 상기 몸체부와 연결된 목부, 및 상기 목부에 연결된 원판 형태의 결합부를 포함하고 초전도체로 형성된 시험 질량체, 상기 몸체부의 일부를 감싸고 초전도체로 형성된 솔레노이드 부양 코일, 및 측정용 초전도체 코일을 냉각하는 단계;
    상기 솔레노이드 부양 코일에 제1 영구 전류를 인가하여 상기 시험 질량체를 부양하는 단계;
    상기 결합부의 상부 및 하부 중에서 적어도 일측에 배치되는 상기 측정용 초전도체 코일에 제2 영구 전류를 인가하는 단계; 및
    가속도 변화에 따른 상기 제2 영구 전류의 변화를 SQUID 센서로 감지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가속도 측정 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 솔레노이드 부양 코일, 상기 시험 질량체, 및 상기 측정용 초전도체 코일을 임계온도 이하의 일정한 온도를 유지하도록 조절하는 하는 단계;
    내부에 냉매를 수납하는 듀어 내부에 배치되는 밀봉 캔을 진공으로 배기하고 헬륨 기체로 채우는 단계; 및
    상기 솔레노이드 부양 코일, 상기 시험 질양체, 및 상기 측정용 초전도체 코일의 수평을 조절하는 단계 중에서 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가속도 측정 방법.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 시험 질량체를 부양하는 단계는 상기 솔레노이드 부양 코일의 일부를 임계 온도 이상으로 가열한 후 전류원을 이용하여 전류를 인가하고 상기 전류원을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가속도 측정 방법.
  17. 제 14항에 있어서,
    상기 측정용 초전도체 코일에 제2 영구 전류를 인가하는 단계는 상기 측정용 초전도체 코일의 일부를 임계 온도 이상으로 가열한 후 전류원을 이용하여 전류를 인가하고 상기 전류원을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가속도 측정 방법.
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