KR20010011961A - 픽업 전류 상쇄를 이용한 초전도 양자간섭소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 픽업 코일을 사용하여 자기감도를 높이는 방법과, 전류를 센서에 직접 결합시켜 피드백 자기장에 의한 신호의 왜곡을 줄이는 방법의 장점을 모두 갖는 픽업 전류 상쇄를 이용한 초전도 양자간섭소자(SQUID)를 제공하기 위한 것으로서, 보상 전류의 입출력 단자를 가지고 자속을 집속하여 상쇄전류를 생성하는 픽업코일과, 상기 픽업코일과 결합하여, 초전도 차폐 전류에 의해 상기 픽업코일에서 발생되는 자기장을 탐지하는 SQUID 루프를 포함하여 구성되며, 이에 따라 시스템의 신호대 잡음비를 크게 할 수 있고, 큰 자기장 하에서 되먹임 전류에 의한 자기장의 발생을 공간적으로 국소화 시켜 SQUID 구동 회로간, SQUID와 대상물체간의 상호 간섭을 줄일 수 있다.

Description

픽업 전류 상쇄를 이용한 초전도 양자간섭소자{Super conduction quantum interference device to use bucking pickup current}

본 발명은 초전도 양자간섭소자(Super conduction QUantum Interference Device : SQUID)에 관한 것으로, 특히 픽업 전류 상쇄를 이용한 다채널 비차폐 환경용 초전도 양자간섭소자(SQUID)에 관한 것이다.

초전도양자간섭소자(SQUID)는 극히 작은 자기장의 변화에 대한 신호를 검출할 수 있는 소자로서, 초전도 루프내에 두 개의 조셉슨(josephson) 접합을 갖는 형태로 이루어지며, 바이어스(bias) 전류가 상기 조셉슨 접합을 통과할 때 양단에 걸리는 전압이 루프내의 자속에 따라 주기적인 값을 보이는 소자이다.

그리고 그 출력의 잡음이 일반적인 다른 센서들보다 매우 작기 때문에 자기장의 공간적인 분포나 자성물체의 공간적 분포를 알아내는 정밀계측에 주로 이용된다.

상기 SQUID의 잡음은 루프를 구성하는 초전도의 물성과, 접합의 성질에 의해 결정되며 소자별로 특정한 값을 갖는다.

또한 상기 출력의 주기는 자기장이 일정할 때에 루프의 면적에 반비례하므로, 정밀한 측정을 위해서는 루프의 면적을 크게 하여 자기장의 변화에 대한 큰 출력의 변화를 사용할 수 있다.

그러나, 실제로 루프가 커지면 자체 인덕턴스도 커져서, 루프내 전류의 변화에 의한 잡음이 커지게 된다.

따라서 접합부분이 없는 초전도체의 루프(pickup loop)를 만들어 SQUID의 한 모서리에 붙이거나 접근시켜 픽업 루프(pickup loop)에서 발생하는 차폐전류를 통해 SQUID에 간접적으로 자기장을 전달하는 방법을 사용하여 잡음을 억제한다.

이와 같이 SQUID의 출력은 주변 자기장의 크기에 대해 주기적인 값이므로 1 차 함수적인 결과를 얻기 위해서, 상기 SQUID에 가해지는 자기장을 상기 픽업 루프 회로의 출력으로 상쇄시켜 상기 SQUID를 널(null) 검파기(detector)로 사용하는 자속고정루프(Flux-Locked Loop : FLL)의 구동방법을 이용한다.

또한, 비차폐 환경에서 존재하는 큰 자기장 하에서 미세한 신호를 검출하기 위해서는 그래디오메터(gradiometer) 형태의 자속계를 써야한다.

종래의 그래디오메터(gradiometer)는 크게 두 가지로 나누는데, 그 중 하나는 두 개 이상의 초전도양자간섭소자(SQUID)를 이용하는 방법이고, 다른 하나는 자장 픽업 코일(pickup coil)을 이용하는 방법이다.

상기 첫 번째 방법인 두 개 이상의 초전도 양자간섭소자(SQUID)를 이용하는 방법은 구현 방법이 간단하지만 각 회로가 S/N비를 충분히 갖추어야 하고, 차동 증폭기의 CMRR(common-mode-rejection-ratio)도 커야한다.

실제로 초전도양자간섭소자(SQUID) 구동회로의 신호대잡음비(S/N비)는 상용 반도체 회로의 CMRR 보다 훨씬 큰 수준인 140dB 이상이므로, 이를 충분히 활용할 수 없고, 실제 환경에서의 응용에서는 이보다 훨씬 높은 수준의 CMRR이 필요하다.

그리고 두 번째 방법인 자장 픽업 코일(pickup coil)을 이용하는 방법은 다시 두 가지로 나눌 수 있다.

첫째는 공간적으로 떨어진 피드백(feedback) 코일(coil)에 되먹임 전류를 공급하는 방법이고,

둘째로 초전도 양자간섭소자(SQUID)는 자체 루프(loop)내의 자속 함수로 출력하므로 초전도 양자간섭소자(SQUID) 자체의 한 모서리에 피드백 전류를 가하여 SQUID 루프내의 평균 자속을 상쇄하는 방법이다.

상기 첫 번째 방법인 상기 피드백 코일에 되먹임 전류를 공급하는 방법은 가장 일반적으로 사용되는 방법으로, 상기 피드백 코일은 코어(core)에 손으로 전선을 감은 형태나, 인쇄 배선 회로 기판(printed circuit board)에 만든 나선형의 금속 패턴을 사용하기 때문에 SQUID 가까이에 설치하는데 한계가 있다.

따라서 상기 코일에서 발생된 자기장이 공간적으로 분포가 되어 다채널의 SQUID를 공간적으로 집적하려고 할 때에 채널간의 간섭 문제가 생긴다.

특히, 상기 채널간의 간섭 문제는 비차폐환경과 같은 큰 가변 자기장 하에서 SQUID를 사용할 때와 같이 큰 되먹임 자기장이 필요한 경우에 더욱 심각해진다.

상기 두 번째 방법인 초전도 양자간섭소자(SQUID) 자체의 한 모서리에 피드백 전류를 가하여 SQUID 루프 내의 평균 자속을 상쇄하는 방법은 상기 첫 번째 방법과 같은 다채널이나 SQUID 현미경의 경우처럼 SQUID를 대상물체에 근접하여 사용할 때에 피드백(feedback) 자기장이 대상물체나 다른 SQUID 센서에 영향을 주는 문제를 줄일 수 있으나 자체의 자기장이 작아서 자기감도가 낮은 문제점을 가지고 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 픽업 코일을 사용하여 자기감도를 높이는 방법과 전류를 센서에 직접 결합시켜 피드백 자기장에 의한 신호의 왜곡을 줄이는 방법의 장점을 모두 갖는 픽업 전류 상쇄를 이용한 초전도 양자간섭소자(SQUID)를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 픽업 코일과 상쇄 전류의 입력단자를 갖는 직접 결합 SQUID의 구성도

(a)는 본 발명에 따른 피드백 전류의 입력을 SQUID에서 멀리 형성한 경우의 구성도

(b)는 본 발명에 따른 피드백 전류의 입력을 SQUID에서 가까이 형성한 경우의 구성도

도 2 는 도 1에서 각 부분별로 자기장의 방향과 전류의 방향을 나타낸 구성도

도 3 은 도 2 에 상쇄 전류를 흘리지 않았을 때 D~D'를 중심으로 본 자기장의 크기와 방향의 구성도

도 4 는 도 2 에 상쇄 전류를 흘렸을 때 D~D'를 중심으로 본 자기장의 크기와 방향의 구성도

도 5 는 도 2 에 상쇄 전류를 흘렸을 때 완전한 상쇄가 이루어 졌을 때 D~D'를 중심으로 본 자기장의 크기와 방향의 구성도

도 6 은 본 발명에 따른 일부 선폭을 변화시킨 픽업 코일과 상쇄 전류의 입출력단자를 갖는 직접 결합 SQUID의 구성도

(a)는 본 발명에 따른 피드백 전류의 입력을 SQUID에서 멀리 형성한 경우의 구성도

(b)는 본 발명에 따른 피드백 전류의 입력을 SQUID에서 가까이 형성한 경우의 구성도

도 7 은 도 6 에 상쇄 전류를 흘렸을 때 D~D'를 중심으로 본 자기장의 크기와 방향의 구성도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : SQUID 루프 11 : 조셉슨 접합

20 : 외부 코일 21 : 외부 자기장

30 : 픽업 코일

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 픽업 전류 상쇄를 이용한 초전도 양자간섭소자(SQUID)의 특징은, 보상 전류의 입출력 단자를 가지고 자속을 집속하여 상쇄전류를 생성하는 픽업코일과, 상기 픽업코일과 결합하여, 초전도 차폐 전류에 의해 상기 픽업코일에서 발생되는 자기장을 탐지하는 SQUID 루프를 포함하여 구성되는데 있다.

본 발명에 따른 다른 특징은 SQUID 루프와 접하는 픽업 코일의 선폭보다 상기 SQUID 루프와 멀리 떨어진 지점의 상기 픽업 코일의 선폭이 더 굵게 구성되는데 있다.

본 발명의 특징에 따른 작용은 픽업 코일을 사용하여 자기 감도를 높이고, 피드백(feedback) 전류를 SQUID 루프에 직접 결합시켜 피드백 자기장에 의한 신호 왜곡을 줄이는 장점을 모두 취하기 위한 것으로서, 픽업 루프의 외부 자기장에 가장 접한 지점의 선폭을 두껍게 하여 이 지점에 흐르는 전류 밀도를 감소시켜 픽업 루프가 효과적으로 작동하도록 하는데 있다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 픽업 전류 상쇄를 이용한 초전도 양자간섭소자(SQUID)의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명에 따른 픽업 코일과 상쇄 전류의 입력단자를 갖는 직접 결합 SQUID의 구성도로서, 도 1 (a)는 피드백 전류의 입력을 SQUID에서 멀리 형성한 경우의 구성도이고, 도 1 (b)는 피드백 전류의 입력을 SQUID에서 가까이 형성한 경우의 구성도이다.

도 1 (a)(b)를 보면 직접 결합 SQUID는 보상(상쇄) 전류를 입력할 수 있는 입출력 단자를 가지고, 자속을 집속하는 픽업 코일(pickup coil)(30)과, 상기 픽업 코일(30)에서 초전도 차폐(shield) 전류에 의해 발생되는 자기장을 상기 픽업 코일(30) 가까이에서 탐지하는 SQUID 루프(10)로 구성되어 있다.

그리고 상기 SQUID 루프(10)로 읽어 들인 자기장의 양을 FLL(Flux-Locked Loop) 회로로 읽어 같은 양만큼을 반대방향으로 발생시키는 코일을 SQUID 근처에 두어 SQUID 루프(10) 또는 SQUID의 픽업 코일(30)에 생성되는 자기장의 세기를 상쇄시키는 대신에, 외부 코일에 의한 자기장의 상쇄 전류를 보상 전류 입력단에 인가하여 픽업 코일(30)에서 발생하는 차폐 전류(shield current)를 이용하여 SQUID의 자기장의 크기를 감쇄시킨다.

도 2 는 도 1에서 각 부분별로 자기장의 방향과 전류의 방향을 나타낸 구성도로서, 도 2를 보면 SQUID 루프(10)와 결합된 부분(B)인 픽업 코일(30)의 루프선에서 발생되는 전류는 접선 D~D'를 중심으로 전류의 방향이 서로 반대 방향으로 흐르고, 상기 SQUID 루프(10)와 멀리 떨어진 부분(A)인 픽업 코일(30)의 루프선에서 발생되는 전류는 접선 D~D'를 중심으로 전류의 방향이 서로 동일한 방향으로 흐르고 있다.

이와 같은 전류의 방향과 자기장의 변화를 도면을 통해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3 은 도 2 에 상쇄 전류를 흘리지 않았을 때 D~D'를 중심으로 본 자기장의 크기와 방향의 구성도로서, 도 3을 보면 상기 A 지점과 B 지점에 동일한 크기의 자기장을 형성하고 있으며 C 지점에 아주 큰 자기장을 형성하고 있다.

이어 도 4 는 도 2 에 상쇄 전류를 흘렸을 때 D~D'를 중심으로 본 자기장의 크기와 방향의 구성도로서, 도 4를 보면 상기 A 지점으로 흐르는 전류의 양이 증가하고, 그에 따라 상기 B, C에 가해지는 자기장이 전체적으로 작아지는 효과가 생기는 것을 나타내고 있다.

그리고 도 5 는 도 2 에 상쇄 전류를 흘렸을 때 완전한 상쇄가 이루어 졌을 때 D~D'를 중심으로 본 자기장의 크기와 방향의 구성도로서, 이때 SQUID 루프(10)에 흐르는 전류가 0 이 되는 때를 완전 상쇄로 보았다.

도 5를 보면 상기 A 지점에서의 전류는 상쇄 전류에 의해 크게 증가되고, 그에 따라 B, C에 가해지는 자기장이 더욱 작아진 것을 볼 수 있다.

그러나 이와 같은 외부 코일(20)에 의한 자기장의 상쇄에서는 자기장이 공간에 대해 이상적으로 균일하면, 상기 픽업 코일(30)과 SQUID 루프(10) 자체에 가해지는 자기장이 완전히 없어지지만, 상기 픽업 코일(30)은 자기장이 있는 공간에 있게 되므로, 차폐 전류는 없어지지 않게 된다.

특히, 상기 SQUID 루프(10)와 픽업 코일(30)이 결합되는 직선 구간(B)에서는 전류가 상쇄되도록 할 수 있지만, 그 외의 구간(A)에서는 픽업 전류와 상쇄전류가 더해지기 때문에 전류밀도가 보통의 구동시 보다 증가하게 된다.

따라서 A 구간에서의 전류밀도를 낮추기 위해서 A 구간의 단면적을 크게 하였다.

도 6 은 본 발명에 따른 일부 선폭을 변화시킨 픽업 코일과 상쇄 전류의 입출력단자를 갖는 직접 결합 SQUID의 구성도로서, 도 6 (a)는 피드백 전류의 입력을 SQUID에서 멀리 형성한 경우의 구성도이고, 도 6 (b)는 피드백 전류의 입력을 SQUID에서 가까이 형성한 경우의 구성도이다.

도 6 (a)(b)를 보면 A 구간에서의 전류밀도를 낮추기 위해서 상쇄전류의 입력 거리를 SQUID 루프(10)와 가까이 한 경우와 멀리한 경우에 따라 픽업 루프(30)의 선폭이 달라지는 것을 볼 수 있다.

도 7 은 도 6 에 상쇄 전류를 흘렸을 때 D~D'를 중심으로 본 자기장의 크기와 방향의 구성도로서, 도 7에서 나타낸 것과 같이 A 지점의 선폭을 d 만큼 두껍게 하므로서 상기 A 지점에서의 전류 밀도가 줄어들게 된다.

그리고 상기 픽업 루프(30)내에서의 총 자속에서 차지하는 비율 중, 차폐 전류의 자기장에 의한 자속의 비율이 높아짐에 따라서 필요한 차폐 전류의 양이 줄어들게 된다.

이때 상기 차폐전류의 자기장은 상기 외부 자기장과 반대 방향으로 흐른다.

따라서 상기 A 지점의 선폭을 두껍게 함으로써, A 지점에 흐르는 전류밀도를 더욱 감소시켜 픽업 루프(30)가 효과적으로 작동하는데 도움을 준다.

그리고 본 발명에 따른 초전도 양자간섭소자를 다수개 형성하여 상기 픽업코일에 보상전류의 출력단자와 다른 보상전류의 입력단자를 연결하여 상기 픽업 코일에서 발생된 상쇄전류를 또 다른 SQUID 루프의 픽업 코일에 인가할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 픽업 전류 상쇄를 이용한 초전도 양자간섭소자(SQUID)는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 감도가 좋은 SQUID 센서를 비교적 큰 자기장 하에서도 사용할 수 있어 시스템의 신호대 잡음비를 크게 할 수 있다.

둘째, 큰 자기장 하에서 되먹임 전류에 의한 자기장의 발생을 공간적으로 국소화 시켜 SQUID 구동 회로간, SQUID와 대상물체간의 상호 간섭을 줄일 수 있다.

셋째, 단층 초전도 박막으로 실현 가능하므로 제작 공정이 단순하고 비용을 절감할 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시 예에 기제된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (3)

1. 보상 전류의 입출력 단자를 가지고 자속을 집속하여 상쇄전류를 생성하는 픽업코일과,

   상기 픽업코일과 결합하여, 초전도 차폐 전류에 의해 상기 픽업코일에서 발생되는 자기장을 탐지하는 SQUID 루프를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 픽업 전류 상쇄를 이용한 초전도 양자간섭소자(SQUID).
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 픽업 코일은 상기 SQUID 루프와 접하는 상기 픽업 코일의 선폭보다 상기 SQUID 루프와 멀리 떨어진 지점의 상기 픽업 코일의 선폭이 더 굵게 구성되는 것을 특징으로 하는 픽업 전류 상쇄를 이용한 초전도 양자간섭소자(SQUID).
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 픽업 코일에서 발생된 상쇄전류를 또 다른 SQUID 루프의 픽업 코일에 인가하는 것을 특징으로 하는 픽업 전류 상쇄를 이용한 초전도 양자간섭소자(SQUID).