KR102580035B1 - 혼합 신호 기반의 단일 여기 코일을 이용한 상자성 물질 검출 방법 및 이를 위한 장치 - Google Patents

혼합 신호 기반의 단일 여기 코일을 이용한 상자성 물질 검출 방법 및 이를 위한 장치 Download PDF

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Abstract

혼합 신호 기반의 단일 여기 코일을 이용한 상자성 물질 검출 방법 및 이를 위한 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 상자성 물질 검출 방법은 주파수가 다른 두 개의 아날로그 신호들을 발생시키는 단계; 콤바이너 및 연산 증폭기(OP-amp)를 이용한 가산 회로 중 어느 하나를 이용하여 상기 두 개의 아날로그 신호들을 더하여 혼합한 혼합 신호를 생성하는 단계; 시료가 삽입될 수 있는 단일 여기(excitation) 솔레노이드 코일에 상기 혼합 신호를 인가하여 자기장을 발생시키는 단계; 및 검출(detection) 솔레노이드 코일을 이용하여 상기 자기장에 의해 상기 시료로부터 검출되는 신호를 분석하여 상기 시료에서 상자성 또는 초상자성 물질을 검출하는 단계를 포함한다.

Description

혼합 신호 기반의 단일 여기 코일을 이용한 상자성 물질 검출 방법 및 이를 위한 장치 {METHOD OF DETECTING PARAMAGNETIC MATERIAL USING SINGLE EXCITATION COIL BASED ON MIXED SIGNAL AND APPARATUS USING THE SAME}
본 발명은 상자성 또는 초상자성 물질을 검출하기 위한 것으로, 특히 하나의 여기 코일만으로도 신호가 혼합된 자기장을 발생시켜 시료 내에 상자성 또는 초상자성 물질이 존재하는 여부를 검출할 수 있는 혼합 신호 기반의 단일 여기 코일을 이용한 상자성 물질 검출 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다.
상자성 및 초상자성 물질은 전자, 재료, 화학 공업 및 의료 진단 등의 분야에서 매우 중요한 위치를 차지하고 있다. 예를 들어, 최근 전자 공업에서 중요하게 취급되고 있는 희토류나 고가의 비철금속들은 물질 자체의 성질이 상자성을 띄고 있으며, 나노 입자화되는 경우에는 대부분 초상자성(Super Paramagnetic Material)로 자성 특징이 바뀌게 되는데 이러한 자성의 변화는 물질 분석에 있어서 매우 중요한 특징이 될 수 있다.
또한, 최근에 MRI를 위해 사용되는 조영제를 비롯하여 다양한 종류의 질병 원인 분석을 위해 사용되는 자성 나노 입자는 대부분 초상자성의 자성 특징을 갖고 있다.
따라서, 이러한 자성 특징에 대한 물질 분석을 위해서 SQUID, Susceptometry, GMR 및 TMR 등의 기술이 사용되었으나, 이러한 기술에 사용되는 장비는 대부분 장치 자체도 고가일 뿐만 아니라 운영도 매우 어려워 널리 사용되지 못하는 실정이다. 예를 들어, SQUID의 경우에는 고가의 액체 헬륨을 사용하여야 하고, GMR이나 TMR에 사용되는 센서도 센서 자체의 단가가 매우 높아 세계적으로 많이 연구되고 있음에도 불구하고 상용화되지 못하고 있다.
이와 같은 비용적 측면의 문제를 해결하기 위해서, 상자성 또는 초상자성 물질의 비선형적 자성 특징을 이용한 혼합 주파수 자성 특성 측정 시스템이 다양한 연구팀에 의해 제안되었으나, 다양한 종류의 코일을 2차원 또는 3차원적으로 배열해야 하는 문제가 발생하였다. 또한, 배열의 문제뿐만 아니라 배열된 코일들 간의 유도 기전력으로 인하여 신호처리가 매우 복잡해지는 문제점도 존재하였다.
한국 공개 특허 제10-2005-0037858호, 2005년 4월 25일 공개(명칭: 의료용 초상자성 나노복합분말의 제조 방법)
본 발명의 목적은 종래의 기술보다 저렴한 비용으로 상자성 또는 초상자성 물질을 검출할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 하나의 여기 코일만 사용하여 시료에 혼합된 자기장을 여기할 수 있는 상자성 또는 초상자성 물질 검출 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 2가지 이상의 여기 코일을 3차원적으로 배열하거나 임피던스가 상이한 2개의 코일을 겹치는 등의 과정을 생략함으로써 시간과 비용을 절약하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 상자성 물질 검출 방법은, 주파수가 다른 두 개의 아날로그 신호들을 발생시키는 단계; 콤바이너 및 연산 증폭기(OP-amp)를 이용한 가산 회로 중 어느 하나를 이용하여 상기 두 개의 아날로그 신호들을 더하여 혼합한 혼합 신호를 생성하는 단계; 시료가 삽입될 수 있는 단일 여기(excitation) 솔레노이드 코일에 상기 혼합 신호를 인가하여 자기장을 발생시키는 단계; 및 검출(detection) 솔레노이드 코일을 이용하여 상기 자기장에 의해 상기 시료로부터 검출되는 신호를 분석하여 상기 시료에서 상자성 또는 초상자성 물질을 검출하는 단계를 포함한다.
이 때, 혼합 신호를 생성하는 단계는 상기 가산 회로를 이용하는 경우에 오프셋(offset)을 위한 별도의 직류 전압을 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
이 때, 혼합 신호를 생성하는 단계는 상기 두 개의 아날로그 신호들 각각에 대한 저항 값과 상기 직류 전압의 저항 값이 동일하도록 조절하여 상기 혼합 신호를 생성할 수 있다.
이 때, 혼합 신호를 생성하는 단계는 상기 두 개의 아날로그 신호들과 상기 직류 전압에 해당하는 각각의 증폭 비율을 조절할 수 있다.
이 때, 단일 여기 솔레노이드 코일은 상기 시료의 크기를 기준으로 기설정된 시료 삽입구 직경에 대응하도록 코일을 감아서 생성될 수 있다.
이 때, 단일 여기 솔레노이드 코일은 시료 삽입구 내의 중심 자속이 10Hz 내지 100Hz의 교류 전류에서 3 테슬라(mT) 이상으로 유지되는 수준으로 생성될 수 있다.
이 때, 검출 솔레노이드 코일은 하나의 코일이 한 방향으로 기설정된 길이만큼 감긴 형태 및 두 개의 코일이 서로 다른 방향으로 감기되 상기 두 개의 코일을 합한 길이가 상기 기설정된 길이와 동일한 형태 중 어느 하나에 형태로 생성될 수 있다.
이 때, 두 개의 아날로그 신호들은 고주파의 아날로그 신호와 저주파의 아날로그 신호에 해당할 수 있다.
이 때, 검출하는 단계는 상기 시료로부터 검출되는 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하되, 나이키스트 표본화 속도(Nyquist sampling rate)를 만족하기 위해서 상기 고주파의 아날로그 신호의 2배에 해당하는 샘플링 레이트(sampling rate)에 상응하게 변환을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 상자성 물질 검출 장치는, 주파수가 다른 두 개의 아날로그 신호들을 발생시키고, 콤바이너 및 연산 증폭기(OP-amp)를 이용한 가산 회로 중 어느 하나를 이용하여 상기 두 개의 아날로그 신호들을 더하여 혼합한 혼합 신호를 생성하는 입력부; 및 시료가 삽입될 수 있는 단일 여기(excitation) 솔레노이드 코일에 상기 혼합 신호를 인가하여 자기장을 발생시키고, 검출(detection) 솔레노이드 코일을 이용하여 상기 자기장에 의해 상기 시료로부터 검출되는 신호를 분석하여 상기 시료에서 상자성 또는 초상자성 물질을 검출하는 제어부를 포함한다.
본 발명에 따르면, 종래의 기술보다 저렴한 비용으로 상자성 또는 초상자성 물질을 검출할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 하나의 여기 코일만 사용하여 시료에 혼합된 자기장을 여기할 수 있는 상자성 또는 초상자성 물질 검출 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 2가지 이상의 여기 코일을 3차원적으로 배열하거나 임피던스가 상이한 2개의 코일을 겹치는 등의 과정을 생략함으로써 종래의 기술보다 구조적 간단하여 상용화에 용이할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 상자성 물질 검출 장치를 나타낸 블록도이다.
도 2 내지 도 3은 도 1에 도시된 입력부에서 혼합 신호를 생성하는 일 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 단일 여기 솔레노이드 코일의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 5 내지 도 6은 본 발명에 따른 검출 솔레노이드 코일의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 7 내지 도 8은 본 발명에 따른 검출 그래프의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 상자성 물질 검출 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 상자성 물질 검출 장치를 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 상자성 물질 검출 장치는 크게 입력부(110)와 제어부(120)로 구성된다.
입력부(110)는 두 개의 전압원(101, 102)과 신호 혼합모듈(103)로 구성될 수 있다.
이 때, 두 개의 전압원(101, 102)을 통해 주파수가 다른 두 개의 아날로그 신호들을 발생시킬 수 있다. 이 때, 2 Channel function generator나 신호 발생기와 같은 장치를 제1 전압원(101) 및 제2 전압원(102)으로 사용할 수 있다.
이 때, 두 개의 아날로그 신호들은 고주파의 아날로그 신호와 저주파의 아날로그 신호에 해당할 수 있다. 즉, 제1 전압원(101)과 제2 전압원(102) 중 어느 하나는 고주파 신호 발생기이고, 나머지 하나는 저주파 신호 발생기에 해당할 수 있다. 예를 들어, 고주파 신호 발생기는 100KHz를 기준으로 50KHz의 범위로 조절이 가능하다면, 저주파 신호 발생기는 100Hz를 기준으로 50Hz의 범위로 조절이 가능할 수 있다.
또한, 입력부(110)는 두 개의 전압원(101, 102)으로부터 발생된 두 개의 아날로그 신호를 더하여 혼합하는 신호 혼합모듈(103)을 포함할 수 있다.
이 때, 신호 혼합모듈(103)은 두 개의 아날로그 신호를 곱하는 형태가 아닌 더하여 혼합할 수 있는데, 콤바이너나 연산 증폭기(OP-amp)를 이용한 가산 회로가 이에 해당할 수 있다.
이 때, 신호 혼합모듈(103)로 가산 회로를 이용하는 경우에 오프셋(offset)을 위한 별도의 직류 전압을 인가할 수 있다.
이 때, 가산 회로는 두 개의 아날로그 신호들 각각에 대한 저항 값과 직류 전압의 저항 값이 동일하도록 조절하여 혼합 신호를 생성할 수 있다.
또한, 가산 회로는 두 개의 아날로그 신호들과 직류 전압에 해당하는 각각의 증폭 비율을 조절할 수 있다.
이 때, 콤바이너나 가산 회로를 이용하여 두 개의 아날로그 신호들을 혼합하는 과정은 이후 도 2 내지 도 3에서 보다 상세하게 설명하도록 한다.
제어부(120)는 단일 여기 솔레노이드 코일(121), 검출 솔레노이드 코일(122) 및 DAQ(123)로 구성될 수 있다.
이 때, 시료가 삽입될 수 있는 단일 여기 솔레노이드 코일(121)에 신호 혼합모듈(103)을 통해 생성된 혼합 신호를 인가하여 시료에 자기장을 발생시킬 수 있다.
이 때, 단일 여기 솔레노이드 코일(121)은 시료의 크기를 기준으로 기설정된 시료 삽입구 직경에 대응하도록 코일을 감아서 생성될 수 있다. 예를 들어, 시료의 크기가 7~8mm 정도로 작다고 가정한다면, 직경이 10mm 정도에 해당하는 시료 삽입관에 에나멜 코일을 1000번에서 2000번 정도 감아서 단일 여기 솔레노이드 코일(121)을 생성할 수 있다. 이 때, 에나멜 코일은 직경이 0.1mm에서 0.2mm 사이에 해당하는 얇은 코일일 수 있다.
또한, 단일 여기 솔레노이드 코일(121)은 시료 삽입구 내의 중심 자속이 10Hz 내지 100Hz의 교류 전류에서 3 테슬라(mT) 이상으로 유지되는 수준으로 생성될 수 있다. 이와 같은 중심 자속은 코일 제작에 있어 중요한 파라미터(parameter)에 해당하는 것이므로 코일의 종류와 주변 온도에 따라 실제 전압과 전류의 양이 달라지더라도 항상 일정 수준을 유지할 수 있도록 할 수 있다.
이 후, 검출 솔레노이드 코일(122)을 이용하여 자기장에 의해 시료로부터 검출되는 신호를 DAQ(123)로 분석함으로써 시료에서 상자성 또는 초상자성 물질을 검출할 수 있다.
이 때, 검출 솔레노이드 코일(122)은 하나의 코일이 한 방향으로 기설정된 길이만큼 감긴 형태 및 두 개의 코일이 서로 다른 방향으로 감기되 두 개의 코일을 합한 길이가 기설정된 길이와 동일한 형태 중 어느 하나에 형태로 생성될 수 있다.
이 때, 검출 솔레노이드 코일(122)이 하나의 코일을 한 방향으로 감은 형태에 해당하는 경우에는 신호의 감도가 좋아지지만 노이즈가 상승할 수 있다.
또한, 검출 솔레노이드 코일(122)이 두 개의 코일을 서로 다른 방향으로 감은 형태에 해당하는 경우에는 노이즈가 감소하는 대신에 하나의 코일을 이용하는 형태보다 제작에 어려울 수 있다.
이 때, 단일 여기 솔레노이드 코일(121)과 검출 솔레노이드 코일(122)의 배치는 도 1에 도시된 것과 같이 시료가 지나가는 통로를 기준으로 가장 바깥쪽에 단일 여기 솔레노이드 코일(121)이 위치하고, 그 안쪽으로 검출 솔레노이드 코일(122)이 위치할 수 있다. 즉, 바깥 쪽부터 순서대로 단일 여기 솔레노이드 코일(121), 검출 솔레노이드 코일(122) 및 시료 통로의 순서도 배치될 수 있다.
이 때, DAQ(123)는 시료로부터 검출되는 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하되, 나이키스트 표본화 속도(Nyquist sampling rate)를 만족하기 위해서 고주파의 아날로그 신호의 2배에 해당하는 샘플링 레이트(sampling rate)에 상응하게 변환을 수행할 수 있다.
이 때, 나이키스트 표본화 속도란, 디지털 전송에 있어서 부호간 간섭을 없애기 위해서 입력 신호의 최고 주파수의 2배 이상의 주파수에서 표본화하여 원신호를 충실하게 재현함으로써 디지털 부호 1과 0을 전달하는 속도를 의미할 수 있다.
또한, 도 1에는 도시하지 아니하였으나, 높은 전력을 필요로 하는 경우에는 두 개의 전압원(101, 102)과 신호 혼합모듈(103)의 사이 또는 신호 혼합모듈(103)과 단일 여기 솔레노이드 코일(221)의 사이에 신호를 왜곡하지 않는 수준의 증폭기를 추가로 구비할 수도 있다.
도 2 내지 도 3은 도 1에 도시된 입력부에서 혼합 신호를 생성하는 일 예를 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 3을 참조하면, 도 1에 도시된 입력부(110)는 콤바이너 및 연산 증폭기(OP-amp)를 이용한 가산 회로 중 어느 하나를 신호 혼합모듈(103)로 이용하여 두 개의 전압원(101, 102)으로부터 입력되는 두 개의 아날로그 신호들을 더하여 혼합한다.
먼저, 도 2는 신호 혼합모듈(103)로 콤바이너를 사용한 일 예를 나타낸 도면이다.
이 때, 도 2에 도시된 콤바이너는 power divider/combiner 중에서, 많이 사용되고 있는 Wilkinson combiner의 기본 회로를 참조한 것이다.
이 때, 도 2와 같은 신호 혼합모듈(103)로 두 개의 아날로그 신호를 혼합할 경우, Vo=V1+V2의 출력을 얻을 수 있다. 이 때, V1은 제1 전압원(101)에 의한 주파수에 해당하고, V2는 제2 전압원(102)에 의한 주파수에 해당할 수 있다.
이 때, 제1 전압원(101)에 의한 아날로그 신호(210)와 제2 전압원(102)에 의한 아날로그 신호(220) 사이에 저항(240)를 둠으로써 제1 전압원(101)의 신호가 제2 전압원(102)으로 넘어가거나 제2 전압원(102)의 신호가 제1 전압원(101)으로 넘어가는 것을 방지할 수 있다.
이 때, 제1 전압원(101)에 의해 발생한 아날로그 신호(210)와 제2 전압원에 의해 발생한 아날로그 신호(220)는 주파수가 다르기 때문에 혼합 신호(230)는 두 종류의 주파수를 갖는 하나의 신호 형태에 상응하게 생성될 수 있다.
이 때, 도 2에 도시된 콤바이너 방식은 V1, V2의 주파수가 다를 경우, wave length 선택의 문제가 발생할 수 있으며, 또한 저주파일 경우 wave length가 길어지므로 구현이 어려울 수 있다. 그럼에도 불구하고, TV 수신기 등에서 사용하는 splitter/combiner의 가격이 경제적이기 때문에 신호의 신호대잡음비(signal to noise ratio, SNR)가 낮은 응용에서 활용할 수 있다.
도 3은 신호 혼합모듈(103)로 연산 증폭기를 이용한 가산 회로를 사용한 일 예를 나타낸 도면이다.
이 때, 연산 증폭기를 이용한 가산 회로에는, 도 3에 도시된 것과 같이 제1 전압원(101), 제2 전압원(102)과 함께 오프셋(offset) 용 직류 전압(300)이 인가될 수 있다.
이 때, 하기의 [수학식 1]에 상응하는 수식을 통해서 저항(310)을 조절하여 Vo=-(V1+V2+V3)에 해당하는 출력을 생성할 수 있다.
[수학식 1]
V0 = -{V1 + V2 + V3}
If, Rf = R1 = R2 = R3,
V0 = -{V1+V2+V3}
이 때, 각 입력의 증폭 비율도 독립적으로 조절이 가능할 수 있다.
이 때, 저항(320)을 통해 잡음을 상쇄시킬 수 있다. 예를 들어, V1+V2+V3에 의한 입력 값이 0일 때 출력으로 발생하는 잡음의 크기에 상응하게 저항(320)의 값을 설정할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 단일 여기 솔레노이드 코일의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 단일 여기 솔레노이드 코일(410)은 시료가 통과하는 시료 삽입구(420)의 직경(430)에 맞추어 코일을 감아서 생성될 수 있다.
예를 들어, 도 4와 같이 시료 삽입구(420)가 13mm에 해당하는 직경(430)이라고 가정할 수 있다. 이 때, 시료 삽입구 직경(430)의 크기를 기준으로 시료가 지나가는 원통형 통로를 에나멜 코일로 감아서 단일 여기 솔레노이드 코일(410)을 생성할 수 있다.
이 때, 도 4에 도시된 것과 같이, 단일 여기 솔레노이드 코일(410)은 하나의 에나멜 코일을 한 방향으로 감아서 생성할 수 있다. 예를 들어, 직경이 0.1mm에서 0.2mm 정도의 에나멜 코일을 약 1000번에서 2000번정도 한 방향으로 감아서 검출환경에 적절한 코일 길이(440)에 해당하는 단일 여기 솔레노이드 코일(410)을 생성할 수 있다.
도 5 내지 도 6은 본 발명에 따른 검출 솔레노이드 코일의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 5 내지 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 검출 솔레노이드 코일은 하나의 에나멜 코일이 한 방향으로 기설정된 길이만큼 감긴 도 5와 같은 형태 및 두 개의 코일이 서로 다른 방향으로 감기되 두 개의 코일을 합한 길이가 기설정된 길이와 동일한 도 6과 같은 형태 중 어느 하나로 생성될 수 있다.
이 때, 도 5에 도시된 검출 솔레노이드 코일(520)의 경우에는 신호 검출 시 신호의 감도는 좋아지지만 노이즈가 상승할 수도 있다.
또한, 도 6에 도시된 검출 솔레노이드 코일들(620, 630)의 경우에는 도 5에 도시된 방법보다는 노이즈가 감소하는 대신에 도 5에 도시된 방법보다 제작이 어려울 수 있다.
도 7 내지 도 8은 본 발명에 따른 검출 그래프의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 7 내지 도 8을 참조하면, 검출 대상 시료에 상자성 또는 초상자성 물질이 포함되어 있지 않은 경우에는 도 7에 도시된 검출 그래프와 같이 비선형적 피크(peak)가 발생하지 않는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는, 시료 내에 혼합 자기장에 대해서 비선형적 특성을 갖는 상자성 또는 초상자성 물질이 존재하지 않는다는 것을 의미할 수 있다.
만약, 시료 내에 상자성 또는 초상자성 물질이 존재한다고 가정한다면, 도 8에 도시된 검출 그래프에서와 같이 비선형적 피크(800)가 발생하는 것을 통해서 시료에 상자성 또는 초상자성 물질이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 상자성 물질 검출 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 상자성 물질 검출 방법은 주파수가 다른 두 개의 아날로그 신호들을 발생시킨다(S910).
이 때, 두 개의 아날로그 신호들은 고주파의 아날로그 신호와 저주파의 아날로그 신호에 해당할 수 있다. 즉, 고주파 신호 발생기와 저주파 신호 발생기를 구비하고, 각각의 신호 발생기를 통해서 고주파와 저주파의 신호를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 고주파 신호 발생기는 100KHz를 기준으로 50KHz의 범위로 조절이 가능하다면, 저주파 신호 발생기는 100Hz를 기준으로 50Hz의 범위로 조절이 가능할 수 있다.
또한, 도 9를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 상자성 물질 검출 방법은 콤바이너 및 연산 증폭기(OP-amp)를 이용한 가산 회로 중 어느 하나를 이용하여 두 개의 아날로그 신호들을 더하여 혼합한 혼합 신호를 생성한다(S920).
이 때, 콤바이너나 연산 증폭기를 이용한 가산 회로는 두 개의 아날로그 신호를 곱하는 형태가 아닌 더하여 혼합할 수 있다.
이 때, 가산 회로를 이용하는 경우에 오프셋(offset)을 위한 별도의 직류 전압을 인가할 수 있다.
이 때, 두 개의 아날로그 신호들 각각에 대한 저항 값과 직류 전압의 저항 값이 동일하도록 조절하여 혼합 신호를 생성할 수 있다.
이 때, 두 개의 아날로그 신호들과 직류 전압에 해당하는 각각의 증폭 비율을 조절할 수 있다.
이 때, 콤바이너나 가산 회로를 이용하여 두 개의 아날로그 신호들을 혼합하는 과정은 이미 도 2 내지 도 3에서 상세하게 설명하였으므로 생략하도록 한다.
또한, 도 9를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 상자성 물질 검출 방법은 시료가 삽입될 수 있는 단일 여기(excitation) 솔레노이드 코일에 혼합 신호를 인가하여 자기장을 발생시킨다(S930).
이 때, 단일 여기 솔레노이드 코일은 시료의 크기를 기준으로 기설정된 시료 삽입구 직경에 대응하도록 코일을 감아서 생성될 수 있다. 예를 들어, 시료의 크기가 7~8mm 정도로 작다고 가정한다면, 직경이 10mm 정도에 해당하는 시료 삽입관에 에나멜 코일을 1000번에서 2000번 정도 감아서 단일 여기 솔레노이드 코일(121)을 생성할 수 있다. 이 때, 에나멜 코일은 직경이 0.1mm에서 0.2mm 사이에 해당하는 얇은 코일일 수 있다.
이 때, 단일 여기 솔레노이드 코일은 시료 삽입구 내의 중심 자속이 10Hz 내지 100Hz의 교류 전류에서 3 테슬라(mT) 이상으로 유지되는 수준으로 생성될 수 있다. 이와 같은 중심 자속은 코일 제작에 있어 중요한 파라미터(parameter)에 해당하는 것이므로 코일의 종류와 주변 온도에 따라 실제 전압과 전류의 양이 달라지더라도 항상 일정 수준을 유지할 수 있도록 할 수 있다.
또한, 도 9를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 상자성 물질 검출 방법은 검출(detection) 솔레노이드 코일을 이용하여 자기장에 의해 시료로부터 검출되는 신호를 분석하여 시료에서 상자성 또는 초상자성 물질을 검출한다(S940).
이 때, 검출 솔레노이드 코일은 하나의 코일이 한 방향으로 기설정된 길이만큼 감긴 형태 및 두 개의 코일이 서로 다른 방향으로 감기되 두 개의 코일을 합한 길이가 기설정된 길이와 동일한 형태 중 어느 하나에 형태로 생성될 수 있다.
이 때, 검출 솔레노이드 코일이 하나의 코일을 한 방향으로 감은 형태에 해당하는 경우에는 신호의 감도가 좋아지지만 노이즈가 상승할 수 있다.
또한, 검출 솔레노이드 코일이 두 개의 코일을 서로 다른 방향으로 감은 형태에 해당하는 경우에는 노이즈가 감소하는 대신에 하나의 코일을 이용하는 형태보다 제작에 어려울 수 있다.
이 때, 단일 여기 솔레노이드 코일과 검출 솔레노이드 코일의 배치는 시료가 지나가는 통로를 기준으로 가장 바깥쪽에 단일 여기 솔레노이드 코일이 위치하고, 그 안쪽으로 검출 솔레노이드 코일이 위치할 수 있다. 즉, 바깥 쪽부터 순서대로 단일 여기 솔레노이드 코일, 검출 솔레노이드 코일 및 시료 통로의 순서도 배치될 수 있다.
이 때, 시료로부터 검출되는 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하되, 나이키스트 표본화 속도(Nyquist sampling rate)를 만족하기 위해서 고주파의 아날로그 신호의 2배에 해당하는 샘플링 레이트(sampling rate)에 상응하게 변환을 수행할 수 있다.
이 때, 나이키스트 표본화 속도란, 디지털 전송에 있어서 부호간 간섭을 없애기 위해서 입력 신호의 최고 주파수의 2배 이상의 주파수에서 표본화하여 원신호를 충실하게 재현함으로써 디지털 부호 1과 0을 전달하는 속도를 의미할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 혼합 신호 기반의 단일 여기 코일을 이용한 상자성 물질 검출 방법은 두 개의 전압원과 신호 혼합모듈의 사이 또는 신호 혼합모듈과 단일 여기 솔레노이드 코일의 사이에 신호를 왜곡하지 않는 수준의 증폭기를 추가로 구비하여 높은 전력을 필요로 하는 경우에는 신호를 증폭시켜 전달할 수도 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 혼합 신호 기반의 단일 여기 코일을 이용한 상자성 물질 검출 방법 및 이를 위한 장치는 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
101: 제1 전압원 102: 제2 전압원
103: 신호 혼합모듈 110: 입력부
120: 제어부 121, 410: 단일 여기 솔레노이드 코일
122, 520, 620, 630: 검출 솔레노이드 코일
123: DAQ 210, 211, 220, 221: 아날로그 신호
230: 혼합 신호
300: offset용 직류 전압 240, 310, 320: 저항
420, 510, 610: 시료 삽입구 430: 시료 삽입구 직경
440: 코일 길이 800: 피크

Claims (10)

  1. 주파수가 다른 두 개의 아날로그 신호들을 발생시키는 단계;
    콤바이너 및 연산 증폭기(OP-amp)를 이용한 가산 회로 중 어느 하나를 이용하여 상기 두 개의 아날로그 신호들을 더하여 혼합한 혼합 신호를 생성하는 단계;
    시료가 삽입될 수 있는 단일 여기(excitation) 솔레노이드 코일에 상기 혼합 신호를 인가하여 자기장을 발생시키는 단계; 및
    검출(detection) 솔레노이드 코일을 이용하여 상기 자기장에 의해 상기 시료로부터 검출되는 신호를 분석하여 상기 시료에서 상자성 또는 초상자성 물질을 검출하는 단계
    를 포함하고,
    상기 혼합 신호를 생성하는 단계는
    상기 가산 회로를 이용하는 경우에 오프셋(OFFSET)을 위한 별도의 직류 전압을 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상자성 및 초상자성 물질 검출 방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼합 신호를 생성하는 단계는
    상기 두 개의 아날로그 신호들 각각에 대한 저항 값과 상기 직류 전압의 저항 값이 동일하도록 조절하여 상기 혼합 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 상자성 및 초상자성 물질 검출 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼합 신호를 생성하는 단계는
    상기 두 개의 아날로그 신호들과 상기 직류 전압에 해당하는 각각의 증폭 비율을 조절하는 것을 특징으로 하는 상자성 및 초상자성 물질 검출 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 단일 여기 솔레노이드 코일은
    상기 시료의 크기를 기준으로 기설정된 시료 삽입구 직경에 대응하도록 코일을 감아서 생성되는 것을 특징으로 하는 상자성 및 초상자성 물질 검출 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 단일 여기 솔레노이드 코일은
    시료 삽입구 내의 1KHz 미만의 저주파와 100KHz 미만의 고주파를 이용한 교류 전류에서 3 밀리테슬라(mT) 이상으로 유지되도록 생성되는 것을 특징으로 하는 상자성 및 초상자성 물질 검출 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 검출 솔레노이드 코일은
    하나의 코일이 한 방향으로 기설정된 길이만큼 감긴 형태 및 두 개의 코일이 서로 다른 방향으로 감기되 상기 두 개의 코일을 합한 길이가 상기 기설정된 길이와 동일한 형태 중 어느 하나에 상응하는 것을 특징으로 하는 상자성 및 초상자성 물질 검출 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 두 개의 아날로그 신호들은
    고주파의 아날로그 신호와 저주파의 아날로그 신호에 상응하는 것을 특징으로 하는 상자성 및 초상자성 물질 검출 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 검출하는 단계는
    상기 시료로부터 검출되는 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하되, 나이키스트 표본화 속도(NYQUIST SAMPLING RATE)를 만족하기 위해서 상기 고주파의 아날로그 신호의 2배 이상에 해당하는 샘플링 레이트(SAMPLING RATE) 에 상응하게 변환을 수행하는 것을 특징으로 하는 상자성 및 초상자성 물질 검출 방법.
  10. 주파수가 다른 두 개의 아날로그 신호들을 발생시키고, 콤바이너 및 연산 증폭기(OP-amp)를 이용한 가산 회로 중 어느 하나를 이용하여 상기 두 개의 아날로그 신호들을 더하여 혼합한 혼합 신호를 생성하는 입력부; 및
    시료가 삽입될 수 있는 단일 여기(excitation) 솔레노이드 코일에 상기 혼합 신호를 인가하여 자기장을 발생시키고, 검출(detection) 솔레노이드 코일을 이용하여 상기 자기장에 의해 상기 시료로부터 검출되는 신호를 분석하여 상기 시료에서 상자성 또는 초상자성 물질을 검출하는 제어부
    를 포함하고,
    상기 입력부는
    상기 가산 회로를 이용하는 경우에 오프셋(OFFSET)을 위한 별도의 직류 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 상자성 및 초상자성 물질 검출 장치.
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