KR20160031349A - 냉각기 냉각형 초전도양자간섭소자 시스템 및 냉각기 냉각형 초전도양자간섭소자 측정 방법 - Google Patents

냉각기 냉각형 초전도양자간섭소자 시스템 및 냉각기 냉각형 초전도양자간섭소자 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 극저온냉각기 초전도양자간섭소자 시스템을 제공한다. 이 냉각기 냉각형 초전도양자간섭소자 시스템은 콜드 헤드를 포함하는 극저온 냉각기(cryocooler); 상기 콜드 헤드가 배치되는 콜드 헤드 챔버; 상기 극저온 냉각기에 의하여 저온으로 냉각되는 초전도양자간섭소자(SQUID) 센서를 수용하는 센서 챔버; 및 상기 센서 챔버에 배치되고 상기 SQUID 센서의 주위에 배치되어 상기 센서 챔버 내부의 자기 노이즈를 차폐하는 초전도체 재질의 초전도체 차폐부를 포함한다.

Description

냉각기 냉각형 초전도양자간섭소자 시스템 및 냉각기 냉각형 초전도양자간섭소자 측정 방법{Cryocooled SQUID System And Cryocooled SQUID Measuring Method}
본 발명은 냉각기를 이용한 냉각기 냉각형 초전도양자간섭소자 시스템에 관한 것으로, 더 구체적으로 직접 냉각 방식을 이용한 극저온냉각기 초전도양자간섭소자 시스템에 관한 것이다.
뇌, 심장 및 근육 등 인체 활동에 의해 발생하는 수십에서 수백 fT(femto-tesla)의 매우 미세한 자기 신호를 측정하기 위해서 초전도 양자 간섭소자(Superconductive QUantum Interference Device; SQUID)가 사용된다. 특히, 뇌로부터 발생한 자기 신호를 분석하여 뇌기능 매핑, 간질발생 위치의 국지화 등의 질환 진단, 인지기능 진단 등 의학적 활용이 가능하다. 그러나 SQUID 센서의 동작을 위해 섭씨 265도 까지 냉각해야 한다.
현재 상용으로 사용되는 냉각 방법으로는 액화 헬륨을 이용하여 센서를 직접 냉각하고 있다. 하지만 세계적으로 화석 자원 고갈에 따른 헬륨 가스 수급 불안정에 따라 뇌자도 장치의 유지비용이 급격하게 증가하고 있다. 또한 사용자 및 피험자가 섭씨 270 도의 극저온 냉매를 취급함에 있어 매우 위험한 환경에 노출되는 경우가 발생할 수 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 냉각기 냉각 방식의 생체자기 측정용 SQUID 장치의 개발이 활발히 이루어지고 있다.
냉각기는 pulse tube형, Gilfford-Macmahon형, Joule-Thomson형 등 여러 가지 형태의 냉각형태가 있다. 냉각기의 재생기(regenerator)에 사용되는 물질인 Er3Ni, Pb 등은 온도 변화에 따라 상전이를 하여 자성을 띄게 됨으로 높은 압력의 펄스에 따른 주기적인 자기 잡음(cyclic magnetic noise)을 발생시킨다. 발생된 주기적인 자기 잡음은 수백 마이크로 테슬라(micro Tesla)로 측정하고자 하는 생체자기 신호보다 수에서 수십만 배 큰 잡음이다. 이러한 자기 잡음은 신호를 왜곡하여 신호 해석에 크게 영향을 미치게 된다.
또한 간접냉각 방식은 냉각기로부터 SQUID 센서까지 효과적인 열전달을 위해 높은 열전도도를 가지는 금속을 사용한다. 따라서 금속으로부터 발생하는 열잡음(thermal noise)은 SQUID 장치의 동작 안정성 및 감도를 크게 감소시킬 수 있다.
기존에 개발된 냉각기 냉각형 SQUID 장치는 SQUID 센서와 냉각기의 콜드 헤드(cold head)가 일체형으로 제작되어 있다. 콜드 헤드로부터 발생하는 주기적인 자기 잡음은 1차 미분계 혹은 2차 미분계를 이용하여 1차적으로 잡음을 감소시킨 후, 여분의 자기 잡음은 디지털 필터를 이용하여 제거하였다. 이러한 디지털 필터로 처리된 신호는 정보 왜곡이나 손실을 발생할 수 있다. 또한 금속으로부터의 열잡음은 일정한 주기성이 없음으로 디지털 필터를 이용하여 제거 할 수 없어 장치의 감도 및 안정성을 제한하는 단점을 가진다.
또한 액체 헬륨을 사용한 일반적인 SQUID 장치의 경우, 냉매로 냉각된 후 형태 변경이나 위치 변경이 매우 어려운 단점이 있다. 따라서, 피검자의 자세에 따른 인지 기능 측정과 질환 진단을 위한 측정은 하나의 장비로 수행될 수 없다. 이러한 단점을 보완하기 위한 방법으로 냉각기 냉각 방식을 도입함에 있어 구조적 변경이 필요하다.
초고감도 SQUID 센서는 의료, 국방, 자원탐사 및 우주탐사 등의 다양한 분야에 사용되고 있다. 특히 심장 및 뇌로부터 발생하는 미세자기를 측정하여, 질환 진단과 뇌 활동 연구와 같은 의료분야에서 활발히 진행되고 있다. 하지만 저온 SQUID 센서를 동작하기 위해 고가의 액화 헬륨을 사용해야 하고, 뇌자도 신호보다 수백만배 큰 지자장과 환경잡음을 감소시키기 위해 높은 자기 차폐율을 가지는 특수한 자기 차폐실이 필요하다. 이러한 두 가지 문제점은 SQUID 시스템이 의료분야에 사용되는데 큰 제한사항이 된다.
따라서 액체 헬륨의 소모를 줄이기 위해 폐회로 사이클 냉각기(closed cycle cryocooler)를 이용하여, 헬륨 순환(He circulation) 시스템을 개발하거나 저온 냉매 저장용기의 열 차폐부(thermal shield)를 냉각하거나, SQUID 센서를 직접 냉각하는 다양한 방식들이 개발되고 있다.
Dakin사에서는 액체 헬륨을 대신하여 GM type cryocooler를 이용해 SQUID 시스템을 직접 냉각함으로써 심자도 및 뇌자도 신호를 측정하였다. 하지만 냉각기의 cycle 잡음에 의한 높은 자기 잡음의 영향으로 많은 가산평균과 디지털 신호 처리(digital signal process)를 사용해야 함으로 신호 손실 및 왜곡과 같은 단점을 가지고 있다.
이러한 문제점을 동시에 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 재생기(regenerator)가 포함된 콜드 헤드 챔버(cold head chamber)는 SQUID 센서가 장착된 센서 챔버(chamber)로부터 분리된다. 또한, SQUID 센서는 초전도체 차폐부을 이용하여 주기적인 자기 잡음과 열잡음을 제거한다.
또한, 퍼멀로이(permalloy)를 이용하여 강자성(ferromagnetic) 차폐는 상기 콜드 헤드 챔버의 냉각기로부터 발생하는 주기적 자기 잡음이 외부로 방출되는 것을 억제한다.
또한, 분리된 콜드 헤드 챔버는 자기차폐실 외부에 설치하여 SQUID 센서와 자기적 또는 공간적으로 완전히 분리된다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 냉각기를 이용한 SQUID 센서 및 초전도 차폐의 효과적인 냉각 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 냉각기로부터 발생하는 주기적 자기 잡음과 열잡음의 제거하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 SQUID 센서의 위치 변경을 제공할 수 있는 SQUID 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 SQUID 센서 냉각 방식과 냉각기로부터 발생하는 주기적인 자기 잡음 제거를 위한 초전도 차폐를 가진 SQUID 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉각기 냉각형 초전도양자간섭소자 시스템은 콜드 헤드를 포함하는 극저온 냉각기(cryocooler); 상기 콜드 헤드가 배치되는 콜드 헤드 챔버; 상기 극저온 냉각기에 의하여 저온으로 냉각되는 초전도양자간섭소자(SQUID) 센서를 수용하는 센서 챔버; 및 상기 센서 챔버에 배치되고 상기 SQUID 센서의 주위에 배치되어 상기 센서 챔버 내부의 자기 노이즈를 차폐하는 초전도체 재질의 초전도체 차폐부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 초전도체 차폐부는 헬멧 형상이고, 상기 초전도체 차폐부의 내측에 배치되고 상기 SQUID 센서가 장착되는 SQUID 센서 장착 헬멧; 40 K로 냉각되고 상기 SQUID 센서를 감싸도록 배치되고 헬멧 형상으로 성형된 구리 매쉬로 형성된 제1 열 캡; 및 4 K로 냉각되고 상기 제1 열 캡과 상기 SQUID 센서 장착 헬멧 사이에 배치되고 헬멧 형상으로 성형된 구리 매쉬로 형성된 제2 열 캡을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 초전도체 차폐부는 반구형상의 초전도 헬멧 몸체부; 상기 초전도 헬멧 몸체부의 하부면에서 외측으로 연장되는 외측 브림(brim); 및 상기 초전도 헬멧 몸체부의 하부면에서 내측으로 연장된는 내측 브림을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 콜드 헤드(cold head)를 수용한 상기 콜드 헤드 챔버는 상기 SQUID 센서를 수용한 센서 챔버로부터 분리될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 콜드 헤드를 감싸도록 배치된 퍼멀로이(permalloy) 재질의 콜드 헤드 자기 차폐부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 센서 챔버와 상기 콜드 헤드 챔버를 연결하는 연결 블록; 및 상기 콜드 헤드와 상기 센서 챔버에 배치되고 상기 SQUID 센서를 냉각하는 열 엥커(thermal anchor)를 연결하는 열 로드(thermal rod)를 더 포함하고, 상기 열 로드는 상기 연결 블록의 내부에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 피측정자의 자세에 따라 뇌자도 신호를 측정하기 위하여 상기 센서 챔버의 위치 변환을 제공하는 회전 운동 구동부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 저온으로 냉각되는 센서 냉각판; 상기 센서 냉각판의 하부에 배치되는 상기 SQUID 센서가 장착되는 SQUID 센서 장착판; 및 상기 SQUID 센서 장착판을 감싸도록 배치된 열 캡(thermal cap)을 포함할 수 있다. 상기 초전도체 차폐부는 판 형상이고 상기 SQUID 센서 장착판과 상기 센서 냉각판 사이에 배치되고, 상기 열 캡의 하부면은 메쉬 형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 SQUID 센서의 픽업 코일은 자력계(magnetometer)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 콜드 헤드 챔버는 외부 자기장을 차폐하는 자기 차폐실의 외부에 배치되고, 상기 센서 챔버는 상기 자기 차폐실의 내부에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉각기 냉각형 SQUIQ 생체자기신호의 측정 방법은 콜드 헤드를 포함하는 극저온 냉동기 및 상기 극저온 냉동기에 의하여 냉각된 SQUID 센서를 이용한다. 상기 냉각기 냉각형 SQUIQ 생체자기신호의 측정 방법에서, 상기 극저온 냉동기는 상기 SQUID 센서 및 상기 SQUID 센서의 주위에 배치되어 자기 잡음을 차폐하는 초전도체로 형성된 초전도체 차폐부를 냉각한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 극저온 냉동기는 자기 차폐실의 외부에 배치되고, 상기 SQUID 센서를 수용하는 센서 챔버는 상기 자기 차폐실의 내부에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 극저온 냉동기의 주기적인 자기 잡음을 차폐하도록 상기 콜드 헤드 주위를 강자성체를 이용하여 자기 차폐하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 콜드 헤드와 상기 SQUID 센서를 열적으로 연결하는 열 로드(thermal rod)는 봉 형태 또는 파이프 형태일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉각기 냉각형 초전도양자간섭소자 측정 방법은 콜드 헤드를 포함하는 극저온 냉동기를 자기 차폐실의 외부에 배치하고 SQUID 센서를 수용하는 센서 챔버를 상기 자기 차폐실의 내부에 배치하는 단계; 상기 극저온 냉동기를 이용하여 상기 SQUID 센서와 상기 SQUID 센서의 주위에 배치되어 자기 잡음을 차폐하는 초전도체 차폐부를 냉각하는 단계; 및 상기 극저온 냉동기의 주기적인 자기 잡음을 차폐하도록 상기 콜드 헤드 주위를 강자성체를 이용하여 자기 차폐하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시에 따르면, 펄스 타입 냉동기(PT cryocooler)를 이용하여 SQUID를 직접 냉각하였다. 주기적인 자기 잡음을 제거하기 위해 SQUID 센서는 초전도 차폐를 이용하고, 냉동기(Cryocooler)는 강자성체 차폐부(ferromagnetic shield)를 사용하였다. 또한, 냉동기(Cryocooler)에서 발생하는 자기 잡음의 영향을 최소화하기 위해 냉동기(cryocooler)를 위한 콜트 헤드 챔버(cold chamber)와 SQUID 센서를 위한 센서 챔버(sensor chamber)를 분리한다.
또한, 진동 흡수를 위해 주름관 튜브(bellows tube)로 연결함으로써 진동 및 자기잡음을 최소화한다. 또한 콜드 헤드(Cold head)로부터 1.8m 분리된 SQUID 센서의 효과적인 냉각을 위한 최적의 복사열 방지 방법이 제안된다. 제작된 SQUID 시스템의 잡음 특성과 냉각 특성을 평가하고, 심자도 신호 및 뇌자도 신호가 양호하게 측정되었다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온냉각기 초전도양자간섭소자 시스템을 설명하는 사시도이다.
도 2는 도 1에서 연결 블록을 제거한 극저온냉각기 SQUID 시스템을 설명하는 사시도이다.
도 3은 도 2의 극저온냉각기 SQUID 시스템의 단면도이다.
도 4는 도 3의 센서 챔버와 연결 블록의 확대 단면도이다.
도 5는 도 3의 연결 블록과 콜드 헤드 챔버의 확대 단면도이다.
도 6은 도 3의 센서 장착 헬멧의 학대 단면도이다.
도 7는 도 1의 SQUID 헬멧의 사시도이다.
도 8a 및 도 8b는 도 1의 회전 운동 구동부를 나타내는 평면도와 측면도이다.
도 8c는 도 1의 회전 운동 구동부를 나타내는 사시도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각기 냉각형 SQUID 시스템을 설명하는 단면도이다.
도 10는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각기 냉각형 SQUID 시스템을 설명하는 단면도이다.
도 11은 도 10의 SQUID 자력계 주위를 표시하는 확대 단면도이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시에에 따른 SQUID 시스템을 설명하는 도면이다.
도 13은 인가된 자기장하에서 상기 SQUID 센서 어레이를 감싸는 초전도체 차폐부의 구성을 나타낸다.
도 14는 거리의 함수로서 상기 초전도체 차폐부의 차폐 펙터를 나타낸다.
도 15는 픽업 코일의 온도를 나타내는 도면이다.
도 16은 냉각기의 주기적인 자기 잡음을 나타낸다.
도 17은 뮤-메탈의 위치와 온도에 의존하는 콜드 헤드에 의하여 발생한 자기장을 나타낸다.
도 18은 센서 챔버와 콜드 헤드 챔버의 분리와 뮤-메탈 설치의 조건에서, 초전도 차폐의 유무에 따른 시스템 잡음 스펙트럼을 표시한다.
도 19는 SQUID 챔버와 콜드 헤드 챔버 사이의 분리와 뮤-메탈의 효과에 의존하는 자기 잡음 감소를 표시한다.
도 20은 실시간 신호를 표시한다.
초전도 양자 간섭소자(SQUID)를 이용한 초미세 생체 자기 신호를 측정하기 위해 고가의 액체 헬륨이 사용된다. 액체 헬륨의 수요는 반도체 산업과 의료 산업의 급성장으로 매년 큰 폭으로 증가하나 화석 연료인 헬륨 가스는 국제 환경 규제와 자원 고갈 등의 이유로 공급이 불안정하다. 따라서 SQUID 센서가 동작하는 온도까지 냉각하기 위한 방법으로 냉각기를 이용한 냉각 방법이 고려된다.
하지만 생체자기 신호에 비해 수십~수백만 배 큰 주기적인 자기 잡음이 냉각기(cryocooler)의 재생기(regenerator)로부터 발생하여 초미세 생체 신호를 크게 손실 및 왜곡시킨다.
또한 폐회로형 냉각기 냉각 방식 열전도를 기반으로 SQUID 센서를 냉각하기 때문에 열전도도가 높은 금속을 주로 사용하게 된다. 이러한 금속의 표면으로부터 유도되는 열잡음은 SQUID 센서의 변조접압 깊이(V), 자속 전압 변환 계수(dv/dΦ), 임계 전류(Ic)등의 기본특성을 크게 변화시킨다. 따라서, SQUID 장치의 동작 안정성 및 감도를 저해한다. 또한 이러한 주기적인 자기 잡음 및 열잡음에 의한 SQUID 센서의 특성 저하 문제로 인해 SQUID 센서 냉각을 위한 열 로드(thermal rod)의 길이, 직경 및 재료 선정에 있어 제한 사항이 많았다.
일부 연구 그룹은 액체 헬륨을 사용하는 환경에서 생체자기 신호를 측정하기 위하여 초전도체 차폐부를 적용하였다.
한편, 초기의 냉각기 SQUID 시스템에서, 콜드 헤드 챔버는 열전달을 향상시키기 위하여 센서 챔버와 일체형으로 형성된다. 이러한 일체형 냉각기 SQUID 시스템은 많은 주기적인 자기 노이즈를 발생시킨다.
콜드 헤드와 SQUID 센서 사이의 열전도를 위하여 사용되는 열 로드의 크기와 개수는 금속이 발생시키는 열잡음이 증가하기 때문에 증가할 수 없다.
본 발명에서는 냉각기(cryocooler)로부터 SQUID 센서로의 효과적인 열전도를 위해, 열 로드(thermal rod) 및 열 차폐(thermal shield)의 열잡음의 차폐를 위하여 초전도체(Pb, Nb 등)를 이용한 초전도 차폐(superconductive shield)가 이용된다. 상기 초전도 차폐는 SQUID 센서 주위를 차폐함으로써 열 로드(thermal rod)의 길이, 직경 및 재료 등의 제한 사항을 제거할 수 있다. 열 로드에 의한 전달열(U)은 U=kA/L으로 정의된다. 따라서 열 로드(thermal rod)의 길이(L)가 길어짐에 따른 열손실을 열 로드의 면적(A)을 증가시킴으로써 보상할 수 있다. 이에 따라, SQUID 센서로부터 냉각기(cryocooler)의 콜드 헤드(cold head)를 자기 공간적으로 격리할 수 있다. 이러한 자기적 격리는 자기 잡음을 더욱 감소시킬 수 있다.
또한 SQUID 센서로부터 분리된 냉각기(cryocooler)의 콜드 헤드(cold head)는 원통형의 퍼멀로이(permalloy) 재질의 콜드 헤드 자기 차폐부를 콜드 헤드 챔버 주변에 설치하여 재생기(regenerator)로부터 발생하는 주기적인 자기 잡음을 구속하여 억제할 수 있다. 이에 따라, 주기적인 자기 잡음이 자기 차폐실(magnetically shielded room;MSR)에 제공하는 영향을 최소화하였다. 이러한 콜드 헤드와 센서 챔버의 공간적 분리는 기존 장치의 문제점인 주기적인 자기 잡음에 의한 SQUID 장치의 성능 저하를 현저히 개선할 수 있다. 특히, 상기 콜드 헤드 자기 차폐부를 채용한 콜드 헤드가 자기 차폐실의 외부에 배치되는 경우, 자기 잡음은 더욱 감소한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, SQUID 냉각 시스템은 초전도로 차폐된 SQUID 센서를 수용하는 센서 챔버와 강자성체 재질의 콜드 헤드 자기 차폐부를 가진 콜드 헤드(cold head)를 수용하는 콜드 헤드 챔버를 포함한다. 상기 콜드 헤드는 제1 단 콜드 헤드(40 K)와 제2 단 콜드 헤드(4K)를 포함한다.
두 챔버 간 열전달은 제2 단 콜드 헤드(4K)로부터 SQUID 센서 및 초전도체 차폐부까지 열전도율이 높은 금속재 봉을 사용한다. 금속재 봉의 열 로드 사용한 경우에도, 초전도체 차폐부에 의하여 열 잡음은 현저히 감소한다.
한편, 제1 단 콜드 헤드(40 K)로부터 40 K 열 엥커(40 K thermal anchor) 까지는 금속 튜브를 사용한다. 즉, 초전도체 차폐부를 사용함에 따라, 종래의 복수의 와이어를 사용하는 열로드는 봉 형태 또는 튜브 형태로 변경될 수 있다. 이에 따라, 열전달 효율이 향상되고, 콜드 헤드는 자기 차폐실 외부에 배치될 수 있다. 이에 따라, 자기 잡음은 감소될 수 있다. 또한, 상기 콜드 헤드를 감싸도록 배치된 강자성체 콜드 헤드 자기 차폐부는 자기 잡음을 더욱 감소시킬 수 있다.
외부로부터 유입되는 복사열을 최소화하기 위해 다층의 초절연체(superinsulator)가 상기 제1 열 차폐부와 제2 열 차폐부 사이에 설치된다. 각 초절연체(superinsulator)는 polyester net을 이용하여 초절연체(superinsulator) 층간 전도에 의한 열전달을 차단시켰다.
상기 SQUID 센서를 수용한 센서 챔버 내부는 4 K 열 엥커, 40 K 열 엥커(thermal anchor), 및 SQUID 센서가 설치된 SQUID 장착 헬멧가 배치된다. G-10 등의 열전도율이 낮은 재료로 형성된 지지봉은 4 K 열 엥커, 40 K 열 엥커(thermal anchor), 및 SQUID 장착 헬멧을 상기 센서 챔버의 상판(top plate)에 고정한다.
4 K 열 엥커(thermal anchor)에 봉 형상의 열 로드(thermal rod)가 연결되고, 상기 열 로드는 초전도체 차폐부 및 SQUID 센서에 열을 전달한다. 헬멧 내부에 설치된 SQUID 센서 및 SQUID 센서로부터 약 30 mm 이격된 검출코일의 냉각 효과를 증가시키기 위해 헬멧형 열 캡(thermal cap)을 4 K 열 엥커(thermal anchor)에 고정하였다.
또한, 초전도체 차폐부를 사용함에 따라, 종래의 슬릿형 열 차폐부는 원통형 열 차폐부로 변경될 수 있다. 이에 따라, 열 차폐 효율이 증가한다.
금속 재질의 원통형 40 K 열 차폐부(thermal shield)는 40 K 열 엥커(thermal anchor)에 연결된다. SQUID 센서가 부착된 SQUID 장착 헬멧 하부에는 열 캡(thermal cap)이 배치되고, 상기 열 캡은 구리 메쉬(Cu mesh)를 이용하여 헬멧 모양으로 성형되어 40 K 열 차폐부(thermal shield)와 연결된다.
SQUID 센서의 초전도 접합의 효과적인 전도 냉각 및 외부로부터 열유입을 방지하기 위해 SQUID 센서 제어 및 신호 출력 선은 열전도율이 높은 구리선과 열전도율이 낮은 망가닌 선을 혼용하여 사용된다. 4 K 열 엥커(thermal anchor)에 인입선을 연결할 수 있는 PCB가 열적으로 부착된다. SQUID 센서 방향으로는 구리선을 외부 회로로 연결되는 연결 박스(connector box)로는 망가닌 선이 사용된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 폐회로 냉각기 냉각형 SQUID MEG장치는 인지 측정에 유리한 의자형(chair type)과 환자측정에 유리한 침대형(bed type)을 동시에 구현할 수 있다. 두 형태를 동시에 구현하기 위해 자기 차폐실 외부에 설치된 냉각기의 콜드 헤드 챔버에 L 자의 제1 엘보우 블록이 설치된다. 자기 차폐실 내부에 설치된 SQUID 센서 챔버에 L 자의 제2 엘보우 블록이 설치된다. 제1 엘보우 블록과 제2 엘보우 블록은 연결 블록로 연결된다. 상기 연결 블록은 튜브 형태이고, 그 내부는 진공으로 유지된다.
두 엘보우 블록을 연결하는 연결 블록의 내부는 진공으로 유지하면서, 상기 센서 챔버를 여러 각도로 변위할 수 있다. 상기 센서 챔버의 각도 변화를 위한 회전 운동 구동부는 상기 센서 챔버의 상단에 부착된 제2 엘보우 블록에 설치된다. 상기 회전 운동 구동부는 기어, 및 상기 기어를 구동하는 핸들 혹은 모터를 이용하여 조작될 수 있다.
본 발명은 초전도 차폐-폐회로 냉각형 SQUID 장치에 관한 것이다. 이 장치는 SQUID 센서를 초전도체로 차폐하고, 냉각기(cryocooler)의 콜드 헤드(cold head)를 퍼멀로이(permalloy)로 차폐하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 초전도 차폐에 따른 열전달 매체의 열잡음 영향이 제거됨으로써 4 K 열 로드(thermal rod)의 길이, 형태, 재질의 제한이 제거될 수 있다. 열전달 매체의 길이 제한이 없음으로 콜드(cold head)를 수용한 콜드 헤드 챔버를 SQUID 센서를 수용한 센서 챔버로부터 분리할 수 있다. 분리된 콜드 헤드 챔버는 자기 차폐실 외부에 설치되어, 자기 잡음이 더욱 감소할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 자기 차폐실에 대한 영향을 줄이기 위해 콜드 헤드(cold head)를 자기 투자율이 높은 재료를 사용하여 강자성체 차폐(ferromagnetic shielding)가 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 분리된 두 챔버는 두 개의 엘보우 블록을 포함한 연결 블록으로 연결된다. 상기 연결 블록은 SQUID 센서를 수용한 챔버는 위치 변환을 할 수 있는 회전 운동 구동부를 제공할 수 있다.
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 제공 되어지는 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 극저온냉각기 초전도양자간섭소자 시스템을 설명하는 시시도이다.
도 2는 도 1에서 연결 블록을 제거한 극저온냉각기 SQUID 시스템을 설명하는 사시도이다.
도 3은 도 2의 극저온냉각기 SQUID 시스템의 단면도이다.
도 4는 도 3의 센서 챔버와 연결 블록의 확대 단면도이다.
도 5는 도 3의 연결 블록과 콜드 헤드 챔버의 확대 단면도이다.
도 6은 도 3의 센서 장착 헬멧의 학대 단면도이다.
도 7는 도 1의 SQUID 헬멧의 사시도이다.
도 8a 및 도 8b는 도 1의 회전 운동 구동부를 나타내는 평면도와 측면도이다.
도 8c는 도 1의 회전 운동 구동부를 나타내는 사시도이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 냉각기 냉각형 초전도양자간섭소자 시스템(100)은 콜드 헤드(113)를 포함하는 극저온 냉각기(cryocooler,110); 상기 콜드 헤드가 배치되는 콜드 헤드 챔버(120); 상기 극저온 냉각기(110)에 의하여 저온으로 냉각되는 초전도양자간섭소자(SQUID) 센서(30)를 수용하는 센서 챔버(160); 및 상기 센서 챔버(160)에 배치되고 상기 SQUID 센서의 주위에 배치되어 상기 센서 챔버 내부의 자기 노이즈를 차폐하는 초전도체 재질의 초전도체 차폐부(169)를 포함한다.
통상적인 SQUID 장치는 열전달을 위한 열 로드(thermal rod)의 재료 및 면적이 제한되어, 냉각기의 콜드 헤드(cold head)를 센서 챔버와 분리할 수 없었다. 구체적으로, 열전달을 위하여 봉 형태의 열 로드(thermal rod)를 사용하는 경우, 열잡음에 의하여 SQUID 센서는 동작 불능 상태가 된다. 따라서, 열잡음을 억제하기 위하여, 복수의 구리 와이어 또는 카본 재질의 봉이 사용되었다. 이러한, 구리 와이어 또는 카본 재질의 봉은 열전달의 한계를 가진다. 또한 상기 콜드 헤드(cold head)의 기울어진 각도에 따라 냉각기의 냉각 효율이 크게 감소함으로 인해 상기 센서 챔버의 위치 변형이 어려웠다. 이는 주로 앉아서 측정하는 인지 기능 검사와 누워서 측정하는 환자 측정을 동시에 할 수 없는 단점이었다.
상기 콜드 헤드(cold head,113)를 수용한 상기 콜드 헤드 챔버(120)는 상기 SQUID 센서를 수용한 센서 챔버(160)로부터 분리될 수 있다. 이러한 공간적 분리는 SQUID 센서 주위에 배치된 초전도체 차폐부의 열잡음 차폐 또는 콜드 헤드 주위에 배치된 콜드 헤드 자기 차폐부에 기인할 수 있다. 이에 따라, 봉 형태 또는 파이프 형태의 열 로드를 사용함에 따라, 열전달 효율이 상승하여, 두 챔버의 분리가 가능하다.
SQUID 센서 주위에 배치된 초전도체 차폐부는 열잡음 및 자기잡음을 차폐할 수 있다. 한편, 극저온 냉동기는 주기적인 자기 잡음을 발생시키며, 상기 주기적인 자기 잡음이 차폐가 요구된다. 상기 주기적인 자기 잡음의 차폐는 퍼멀로이 강자성체를 사용하여 수행될 수 있다. 이에 따라, 냉각기 냉각형 SQUID 시스템이 가능할 수 있다.
상기 콜드 헤드 챔버(120), 상기 연결블록(50), 및 상기 센서 챔버(160)는 진공으로 유지될 수 있다. 이를 위하여, 상기 연결블록(50)은 진공 포트를 포함하고, 상기 진공 포트는 진동을 억제하기 위한 주름관을 통하여 진공 펌프와 연결될 수 있다. 진공 상태는 전도에 의한 열전달을 억제할 수 있다.
상기 자기 차폐실(190)은 높은 투자율을 가진 뮤-메탈(Mu-metal)과 전기 전도도가 높은 알루미늄으로 구성될 수 있다. 상기 자기 차폐실의 내부에는 센서 챔버(160)가 배치될 수 있다. 상기 극저온 냉각기(110)는 상기 자기 차폐실(190)의 외부에 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 극저온 냉각기에서 발생한 주기적인 자기 잡음의 영향은 상기 센서 챔버에서 감소될 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 콜드 헤드 챔버와 상기 센서 챔버는 자기 차폐실 내부에 배치될 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 콜드 헤드 챔버와 상기 센서 챔버가 일체형으로 형성된 경우에도, SQUID 센서의 초전도 차폐와 상기 뮤-메탈을 이용한 콜드 헤드 차폐가 적용될 수 있다.
극저온 냉각기(110)는 펄스튜브 냉각기(Pulse tube cryocooler)일 수 있다. 상기 펄스 튜브 냉각기는 폐회로 사이클(closed cycle) 냉각 방식을 사용할 수 있다.
상기 극저온 냉각기(110)는 콜드 헤드(113)를 포함할 수 있다. 상기 콜드 헤드(113)는 제1 온도(40K)로 냉각하는 제1 단 콜드 헤드(112) 및 상기 제1 온도보다 낮은 제2 온도(4K)로 냉각하는 제2 단 콜드 헤드(114)를 포함할 수 있다.
상기 콜드 헤드 챔버(120)는 상기 제1 단 콜드 헤드(112) 및 상기 제2 콜드 헤드(114)를 감싸도록 배치된 원통형 진공 챔버일 수 있다. 상기 콜드 해드 챔버(120)는 금속 재질로 형성될 수 있다.
콜드 헤드 자기 차폐부(122)는 상기 콜드 헤드(113)를 감싸도록 배치되고 퍼멀로이(permalloy)로 형성될 수 있다. 상기 콜드 헤드 자기 차폐부(122)는 니켈-철 합금일 수 있다. 상기 콜드 헤드 자기 차폐부(122)는 원통 형상으로 뮤 메탈(78% Ni alloy)를 이용하여 상기 콜드 헤드를 강자성 차폐(ferromagnetic shield)할 수 있다. 상기 콜드 헤드 자기 차폐부(122)는 콜드 헤드의 주기적 자기 잡음(cyclic magnetic noise)을 억제할 수 있다. 상기 콜드 헤드 자기 차폐부(122)의 주기적 자기 잡음 억제는 SQUID 시스템의 냉각 수단으로 극저온 냉각기의 사용을 제공할 수 있다.
상기 연결 블록(50)은 상기 콜드 헤드 챔버(120)와 연결되는 제1 엘보우 블록(elbow, 130), 상기 제1 엘보우 블록(130)과 연결되는 직선 블록(140), 및 상기 직선 블록(140)과 연결되는 제2 엘보우 블록(150)을 포함할 수 있다.
제1 열전달 튜브(132)는 상기 제1 엘보우 블록(130) 및 상기 직선 블록(140)의 내부에 배치되는 엘보우 형상일 수 있다. 제1 열전달 로드(134)는 상기 제1 열전달 튜브(132)의 내부에 배치되고 L 자 형상일 수 있다. 제2 열전달 튜브(152)는 상기 제2 엘보우 블록(150)의 내부에 배치되고 엘보우 형상일 수 있다. 제2 열전달 로드(154)는 상기 제2 열전달 튜브(152) 내부에 배치되고 L 자 형상일 수 있다.
상기 제1 엘보우 블록(130)은 상기 콜드 헤드 챔버(120)의 하부면에 형성된 플랜지와 결합할 수 있다. 상기 제1 엘보우 블록(130)은 금속 재질의 직육면체 챔버일 수 있다. 상기 제1 엘보우 블록(130)의 서로 수직한 양면에는 플랜지가 배치될 수 있다.
직선 블록(140)은 상기 자기 차폐실(190)의 벽을 관통하여 배치될 수 있다. 상기 직선 블록(140)은 금속으로 형성되고 원통 형상일 수 있다. 상기 직선 블록(140)의 양단은 플랜지를 통하여 상기 제1 엘보우 블록(130)과 상기 제2 엘보우 블록(150)에 각각 결합할 수 있다.
상기 제2 엘보우 블록(150)은 상기 센서 챔버(160)와 플랜지를 통하여 연결될 수 있다. 상기 제2 엘보우 블록(150)은 금속 재질의 직육면체 챔버일 수 있다. 상기 제2 엘보우 블록(150)의 서로 수직한 양면에는 플랜지가 배치될 수 있다.
열전달 튜브(132,152)는 튜브 형상이고, 상기 연결 블록(50) 내부에 배치되고 상기 제1 단 콜드 헤드(112)와 상기 센서 챔버에 배치된 제1 열 엥커(162)를 연결할 수 있다. 열전달 튜브(132,152)는 제1 열전달 튜브(132)와 제2 열전달 튜브(142)를 포함할 수 있다. 튜브 형상의 상기 열전달 튜브(132,152)가 열전달 능력을 향상시킴에 따라, 상기 센서 챔버(160)와 상기 콜드 헤드 챔버(120) 사이의 거리는 1미터 이상으로 유지될 수 있다. 또한, 봉 형상의 상기 열전달 로드(134,154)가 열전달 능력을 향상시킴에 따라, 상기 센서 챔버(160)와 상기 콜드 헤드 챔버(120) 사이의 거리는 1미터 이상으로 유지될 수 있다. 상기 열전달 튜브(132,152) 및 제1 열 엥커(162)는 40 K(켈빈)로 유지될 수 있다.
열전달 로드(134,154)는 상기 열전달 튜브(132,152)의 내부에 배치되고 상기 제2 단 콜드 헤드(114)와 상기 센서 챔버(160)에 배치된 제2 열 엥커(164)를 연결할 수 있다. 열전달 로드(134,154)는 제1 열전달 로드(134)와 제2 열전달 로드(154)를 포함할 수 있다. 상기 열전달 로드 및 제2 열 엥커는 4K로 유지될 수 있다.
제1 열전달 튜브(132)는 L 자 형상의 원통일 수 있다. 상기 제1 열전달 튜브(132)의 일단은 상기 제1 단 콜드 헤드(112)와 열적으로 연결될 수 있다. 상기 제1 열전달 튜브(132)는 상기 제1 엘보우 블록(130) 및 상기 직선 블록(140) 내부에 배치될 수 있다. 상기 제1 열전달 튜브(132)의 재질은 구리일 수 있다.
제1 열전달 로드(134)는 L 자 형상의 기둥일 수 있다. 상기 제1 열전달 로드(134)는 상기 제2 단 콜드 헤드(114)와 열적으로 연결될 수 있다. 상기 제1 열전달 로드(134)는 제1 열전달 튜브(132)의 내부에 배치될 수 있다. 상기 제1 열전달 로드(134)의 재질은 구리일 수 있다.
제2 열전달 튜브(152)는 L 자 형상의 원통일 수 있다. 상기 제2 열전달 튜브(152)의 일단은 상기 제1 열 엥커(162)와 열적으로 연결될 수 있다. 상기 제2 열전달 튜브(152)는 상기 제2 엘보우 블록의 내부에 배치될 수 있다. 상기 제2열전달 튜브(152)의 재질은 구리일 수 있다.
제2열전달 로드(154)는 L 자 형상의 기둥일 수 있다. 제2열전달 로드(154)는 상기 제2 열 엥커(164)와 열적으로 연결될 수 있다. 상기 제2 열전달 로드(154)는 제2 열전달 튜브(152)의 내부에 배치될 수 있다. 상기 제2 열전달 로드(154)의 재질은 구리일 수 있다.
상기 제1 열전달 튜브(132)와 상기 제2 열전달 튜브(152)는 구리 편조선(170)에 의하여 연결될 수 있다. 상기 제1 열전달 로드(134)와 상기 제2 열전달 로드(154)는 구리 편조선(172)에 의하여 연결될 수 있다. 상기 센서 챔버(160)를 회전시키는 경우, 상기 구리 편조선(170,172)은 가요성을 가지므로 회전에 따라 꼬일 수 있다. 상기 구리 편조선(170,172)은 냉각기의 고압 펄스(~2Hz)에 의한 진동 전달을 줄일 수 있다.
회전 플렌지(136)는 상기 제1 열전달 튜브(132)와 상기 제2 열전달 튜브(152)가 연결되는 부위에 배치되고, 상기 제2 엘보우 블록(150) 및 상기 센서 챔버(160)에 회전운동을 제공할 수 있다. 구체적으로, 상기 회전 플렌지(136)의 일단은 상기 직선 블록(140)의 내측에 삽입되는 테이퍼진 튜브 형상일 수 있다. 상기 테이퍼진 튜브 형상의 표면에는 진공을 유지하기 위한 그루브(136a)가 형성될 수 있다. 상기 그루브(136a)에 삽입된 오링(O-Ring)은 진공을 유지할 수 있다. 상기 회전 플렌지(136)는 상기 제2 엘보우 블록(150)에 연결될 수 있다. 상기 제2 엘보우 블록(150)이 회전함에 따라, 상기 회전 플렌지(136)는 같이 회전할 수 있다. 한편, 상기 회전 플렌지(136)에 연결된 상기 직선 블록(140)은 회전하지 않고 고정될 수 있다.
내측 단열층(144)은 복사열을 감소시키기 위하여 상기 열전달 로드(132)와 상기 열전달 튜브(134) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 외측 단열층(142)은 상기 열전달 튜브(134)와 상기 직선 블록(140) 사이에 배치될 수 있다. 상기 내측 단열층 및 상기 외측 단열층은 외부로부터 유입되는 복사열을 최소화하기 위해 다층의 초절연체(superinsulator)를 포함할 수 있다. 상기 초절연체는 폴리에스테르 넷(polyester net)을 이용하여 층간 전도에 의한 열전달을 차단시킬 수 있다.
공간 유지부(146,148)는 단열 재질로 형성되고 상기 열전달 로드(132)와 상기 열전달 튜브(134) 사이에 배치되어 일정한 거리를 유지할 수 있다. 구체적으로, 상기 공간 유지부(146,148)는 직선 블록(140) 내부에 배치되어 상기 제1 열전달 로드(134)와 상기 제1 열전달 튜브(132) 사이에 배치될 수 있다. 상기 공간 유지부(146,148)는 유리섬유강화 플라스틱(glass-fiber-reinforced plastic;GFRP) 재질일 수 있다.
상기 공간 유지부(146,148)는 상기 열전달 로드의 직선 부위의 양단에 끼워지는 한 쌍의 별 형상의 스페이서(148), 및 한 쌍의 스페이서를 서로 연결하는 복수의 직선 봉 형상의 스페이서 지지부(146)를 포함할 수 있다. 상기 스페이서(148)는 상기 열전달 로드와의 접촉 면적을 최소화하기 위하여 별 모양을 가질 수 있다. 또한, 상기 스페이서(148)는 상기 열전달 튜브와의 접촉 면적을 최소화하기 위하여 별 모양을 가질 수 있다. 상기 스페이서 지지부(146)는 봉 형상으로 사로 이격된 스페이서들(148) 사이에 끼워져 일정한 간격을 유지할 수 있다.
상기 센서 챔버 몸체부의 하부면에서는 함몰부위를 포한할 수 있다. 상기 함몰 부위에 피측정자의 머리가 삽입된 상태에서, 뇌자도 신호가 측정될 수 있다. 피측정자가 않은 상태에서, 뇌자도 신호를 측정하기 위하여, 상기 센서 챔버(160)는 지면에서 거의 수직하게 정렬될 수 있다. 또는, 상기 피측정자가 누운 상태에서, 뇌자도 신호를 측정하기 위하여, 상기 센서 챔버(160)는 지면과 평행하게 정렬될 수 있다. 상기 센서 챔버(160)의 회전을 위하여, 회전 운동 구동부(180)가 제공될 수 있다.
상기 회전 운동 구동부(180)는 피측정자의 자세에 따라 뇌자도 신호를 측정하기 위하여 상기 센서 챔버(160)의 위치 변환을 제공할 수 있다. 상기 회전 운동 구동부(180)는 상기 센서 챔버(160)의 중심축을 지면과 수평 방향과 연직 방향 사이에서 각도로 회전시킬 수 있다.
상기 회전 운동 구동부(180)는 상기 제2 엘보우 블록(150)에 회전운동을 제공할 수 있다. 상기 제2 엘보우 블록(150)은 상기 센서 챔버(160)와 고정 결합하고 있으므로, 상기 제2 엘보우 블록(150)이 회전함에 따라, 상기 센서 챔버(160)가 회전할 수 있다.
상기 회전 운동 구동부(180)는 상기 제2 엘보우 블록(150)에 연결되고 지면에 수평한 웜기어 회전축(182a), 상기 웜기어 회전축(182a)에 배치된 웜기어(182), 상기 웜기어(182)와 기어 결합하는 웜(184), 상기 웜(184)이 형성되는 웜 회전축(185), 상기 웜 회전축(185)에 배치된 제1 베벨기어(186), 상기 제1 베벨기어(186)와 기어 결합하는 제2 베벨 기어(187), 및 상기 제2 베벨기어(187)와 결합하는 베벨 기어 회전축(187a)을 포함할 수 있다. 상기 베벨 기어 회전축(197a)은 핸들(188) 또는 모터에 연결될 수 있다.
상기 베벨 기어 회전축(187a)이 회전함에 따라, 상기 제1 베벨 기어와 제2 베벨기어는 회전할 수 있다. 상기 제1 베벨 기어가 회전함에 따라, 상기 웜 회전축 및 웜이 회전할 수 있다. 상기 웜이 회전함에 따라, 웜기어가 회전하고, 상기 웜기어 회전축이 회전함에 따라, 상기 센서 챔버가 회전할 수 있다.
상기 제2 엘보우 블록(150)의 플랜지는 상기 센서 챔버(160)의 상판(160)의 중심에 형성된 관통홀 주위에 결합할 수 있다.
상기 센서 챔버(160)는 상판(161) 및 내부에 빈 공간을 가지는 센서 챔버 몸체부(160a)를 포함할 수 있다. 상기 센서 챔버(160) 내부에는 제1 열 엥커(162), 제2 열 엥커(164), 제1 열 차폐부(165), 및 제2 열 차폐부(167)를 포함할 수 있다.
제1 열 엥커(162)는 상기 센서 챔버(160)에 배치되고 상기 열전달 튜브(154)와 연결된 와셔 형상일 수 있다. 상기 제1 열 엥커(162)의 재질은 구리일 수 있다. 상기 제1 열 엥커는 40K로 냉각될 수 있다.
제2 열 엥커(164)는 상기 센서 챔버(160)에 상기 제1 열 엥커의 하부에 배치되고 상기 열전달 로드(152)에 연결된 와셔 형상일 수 있다. 상기 제2 열 엥커(164)의 재질은 구리일 수 있다. 상기 제2 열 엥커는 4K로 냉각될 수 있다.
제1 열 차폐부(165)는 제1 열 엥커(162)에 연결되고 상기 센서 챔버(160)의 중심축 방향으로 연장되는 원통 형상일 수 있다. 상기 제1 열 차폐부(165)는 구리 또는 알루미늄 재질일 수 있다. 상기 제1 열차폐부(165)는 40K로 유지될 수 있다.
제2 열 차폐부(thermal shield, 167)는 상기 제1 열 차폐부(165)의 내부에 배치되고 제2 열 엥커(164)에 연결되고, 상기 센서 챔버(160)의 중심축 방향으로 연장되는 원통 형상일 수 있다. 상기 제2 열 차폐부(167)는 구리 또는 알루미늄 재질일 수 있다. 상기 제2 열 차폐부(167)는 4K로 유지될 수 있다.
보조 열 엥커(163)는 상기 제1 열 엥커(162)와 상기 제2 열 엥커(164) 사이에 배치될 수 있다. 보조 열 엥커(163)는 한 쌍의 와셔 형상일 수 있다. 상기 한 쌍의 와셔는 서로 접촉하도록 결합할 수 있다. 보조 열전달부(163a)는 상기 보조 열 엥커(163) 사이에 끼워져 상기 센서 챔버(160)의 중심축 방향으로 연장되고 구리 매쉬로 형성될 수 있다. 상기 보조 열 엥커(163)는 제2 열 엥커(164)와 센서 챔버 열전달 로드(168)를 통하여 냉각될 수 있다. 이에 따라, 상기 보조 열 엥커(163) 및 상기 보조 열전달부(163a)는 4K로 냉각될 수 있다.
상기 챔버 열전달 로드(168)는 상기 제2 열 엥커, 상기 보조 열 엥커, 및 초전도체 차폐부와 열 접촉할 수 있다. 상기 챔버 열전달 로드(168)는 기둥 형상으로 구리 재질일 수 있다. 상기 챔버 열전달 로드(168)의 일단은 상기 제2 엥커에 고정되고, 상기 챔버 열전달 로드의 타단은 센서 장착 헬멧(262)에 고정될 수 있다.
제1 지지 기둥(161a)은 상기 상판(161)과 상기 제1 열 엥커(162)를 고정하고, 제2지지 기둥(162a)은 상기 제1 열 엥커(162)와 상기 제2 열 엥커(164)를 서로 고정할 수 있다. 상기 제1지지 기둥(161a) 및 제2지지 기둥(162a)은 열전도도가 낮은 G-10 에폭시 봉일 수 있다.
상기 제2 열 엥커의 하부면에는 인쇄회로기판 블록(PCB block)이 배치될 수 있다. 인쇄회로기판 블록(31)은 SQUID 센서의 신호를 제공받고 상기 SQUID 센서(30)에 신호를 제공할 수 있다.
초전도체 차폐부(169)는 외부 노이즈를 제거하도록 상기 SQUID 센서의 주위에 배치되어 초전도체로 형성될 수 있다. 초전도체는 납(Pb) 또는 나이오븀(Nb)일 수 있다. 상기 초전도체 차폐부(169)는 4K로 냉각될 수 있다. 이를 위하여, 상기 제2 열전달 로드(154)의 일단에는 복수의 홈이 형성될 수 있다. 상기 제2 열전달 로드(154)의 홈과 상기 초전도체 차폐부(169)는 복수의 구리 편조선에 의하여 연결될 수 있다. 상기 초전도체 차폐부(169)는 헬멧 형상을 가질 수 있다. 상기 초전도체 차폐부(169)는 반구형상의 초전도 헬멧 몸체부(169a), 상기 초전도 헬멧 몸체부(169a)의 하부면에서 외측으로 연장되는 외측 브림(169b), 및 상기 초전도 헬멧 몸체부(169a)의 하부면에서 내측으로 연장되는 내측 브림(169c)을 포함할 수 있다. 상기 내측 브림(169c)은 귀 주변의 뇌자도 신호를 증가시킬 수 있다.
SQUID 센서 장착 헬멧(262)은 상기 센서 챔버의 하부의 함몰부 상에 배치될 수 있다. 상기 SQUID 센서 장착 헬멧은 진공 상태로 유지된 상기 센서 챔버(160)의 내부에 배치될 수 있다. 상기 SQUID 센서 장착 헬멧(262)에는 복수의 SQUID 센서가 배치될 수 있다. SQUID 센서 장착 헬멧(262)은 상기 초전도체 차폐부(169)의 내부에 배치될 수 있다. SQUID 센서 장착 헬멧(262)은 G10 에폭시 재질로 형성될 수 있다.
상기 SQUID 센서(30)는 자력계(magnetometer) 또는 미분계(gradiometer)일 수 있다. 상기 SQUID 센서는 SQUID와 픽업 코일을 포함할 수 있다. 상기 픽업 코일은 자력계 또는 미분계일 수 있다. 상기 SQUID는 이중완화 진동 SQUID( double-relaxation oscillation SQUID; DROS)일 수 있다.
제1 열 캡(165a)은 40 K로 냉각되고 상기 SQUID 센서를 감싸도록 배치되고 헬멧 형상으로 성형되고 구리 매쉬로 형성될 수 있다. 제1 열 캡은 상기 제1 열 차폐부(165)의 하부면에서 열적으로 접촉할 수 있다.
제2 열 캡(167a)은 4 K로 냉각되고 상기 제1 열 캡(165a)과 상기 SQUID 센서 장착 헬멧 사이에 배치되고, 헬멧 형상으로 성형되고, 구리 매쉬로 형성될 수 있다. 상기 제2 열 캡(167a)은 상기 제2 열 차폐부(167)의 하부면에 열적으로 접촉할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉각기 냉각형 초전도양자간섭소자 측정 방법은 SQUID 센서의 초전도체 차폐, 콜드 헤드의 자기 차폐, 및 센서 챔버와 콜드 헤드 챔버의 공간적 분리를 통하여 가능할 수 있다. 냉각기 냉각형 초전도양자간섭소자 측정 방법은 콜드 헤드를 포함하는 극저온 냉동기를 자기 차폐실의 외부에 배치하고 SQUID 센서를 수용하는 센서 챔버를 상기 자기 차폐실의 내부에 배치하는 단계; 상기 극저온 냉동기를 이용하여 상기 SQUID 센서와 상기 SQUID 센서의 주위에 배치되어 자기 잡음을 차폐하는 초전도체 차폐부를 냉각하는 단계; 및 상기 극저온 냉동기의 주기적인 자기 잡음을 차폐하도록 상기 콜드 헤드 주위를 강자성체를 이용하여 자기 차폐하는 단계를 포함할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각기 냉각형 SQUID 시스템을 설명하는 단면도이다. 도 1 내지 도 8에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.
도 9를 참조하면, SQUID 시스템(100a)은 콜드 헤드를 포함하는 극저온 냉각기(cryocooler,110), 상기 콜드 헤드(113)가 배치되는 콜드 헤드 챔버(120), 및 상기 극저온 냉각기에 의하여 저온으로 냉각되는 초전도양자간섭소자(SQUID) 센서(30)를 포함하는 센서 챔버(160)를 포함한다. 상기 콜드 헤드(cold head)를 수용한 상기 콜드 헤드 챔버(120)는 상기 SQUID 센서(30)를 수용한 센서 챔버(160)로부터 분리된다. 상기 콜드 헤드 챔버(120) 및 상기 센서 챔버(160)는 자기 차폐실(190) 내부에 배치될 수 있다.
상기 콜드 헤드 자기 차폐부(122)는 상기 콜드 헤드를 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 콜드 헤드 자기 차폐부(122)는 퍼멀로이(permalloy)일 수 있다. 상기 콜드 헤드 자기 차폐부(122)는 니켈-철 합금의 뮤-메탈일 수 있다.
초전도체 차폐부(169)는 외부 노이즈를 제거하도록 상기 SQUID 센서(30)의 주위에 배치되고 초전도체로 형성될 수 있다.
도 10는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각기 냉각형 SQUID 시스템을 설명하는 단면도이다.
도 11은 도 10의 SQUID 자력계 주위를 표시하는 확대 단면도이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 극저온냉각기 SQUID 시스템(300)은 콜드 헤드를 포함하는 냉각기(cryocooler,110), 상기 콜드 헤드(113)가 배치되는 콜드 헤드 챔버(320), 상기 냉각기(110)에 의하여 저온으로 냉각되는 초전도양자간섭소자(SQUID) 센서(30)를 포함하는 센서 챔버(360), 및 상기 센서 챔버(360)의 상기 SQUID 센서(30)를 냉각하도록 상기 콜드 헤드(113)와 상기 센서 챔버(360)에 배치된 열 엥커(thermal anchor)를 연결하는 연결 블록(350)을 포함한다. 상기 콜드 헤드 챔버(320) 및 상기 센서 챔버(360)는 자기 차폐실(190) 내부에 배치된다.
상기 극저온 냉각기(110)는 콜드 헤드(113)를 포함할 수 있다. 상기 콜드 헤드(113)는 제1 온도(40K)로 냉각하는 제1 단 콜드 헤드(112) 및 상기 제1 온도보다 낮은 제2 온도(4K)로 냉각하는 제2 단 콜드 헤드(114)를 포함할 수 있다.
상기 콜드 헤드 챔버(320)는 상기 제1 단 콜드 헤드(112) 및 상기 제2 콜드 헤드(114)를 감싸도록 배치된 원통형 진공 챔버일 수 있다. 상기 콜드 해드 챔버(320)는 금속 재질로 형성될 수 있다.
콜드 헤드 자기 차폐부(122)는 상기 콜드 헤드(113)를 감싸도록 배치되고 퍼멀로이(permalloy)로 형성될 수 있다. 상기 콜드 헤드 자기 차폐부(122)는 니켈-철 합금일 수 있다. 상기 콜드 헤드 자기 차폐부(122)는 원통 형상으로 뮤 메탈(78% Ni alloy)를 이용하여 상기 콜드 헤드를 강자성 차폐(ferromagnetic shield)할 수 있다. 상기 콜드 헤드 자기 차폐부(122)는 콜드 헤드의 주기적 자기 잡음(cyclic magnetic noise)을 억제할 수 있다. 상기 콜드 헤드 자기 차폐부(122)의 주기적 자기 잡음 억제는 SQUID 시스템의 냉각 수단으로 극저온 냉각기의 사용을 제공할 수 있다.
상기 연결 블록(350)은 진동을 감소시키기 위한 주름관일 수 있다.
열전달부(332,334)는 상기 콜드 헤드(113)와 상기 열 엥커(362,364)를 열적으로 접촉시킬 수 있다. 상기 열전달부는 가요성 구리 편조선(flexible braided copper wires)일 수 있다. 상기 가요성 구리 편조선의 길이는 1m 내외일 수 있다. 구체적으로, 상기 가요성 구리 편조선의 길이는 500mm 내지 2000mm일 수 있다. 상기 열 전달부(332,334)는 제1 열 전달부(332)와 제2 열 전달부(334)를 포함할 수 있다. 상기 제1 열 전달부(332) 및 제2 열전달부(334)는 가요성 구리 편조선으로 형성될 수 있다.
상기 제1 단 콜드 헤드(112)는 제1 열 전달부(332)에 의하여 40 K의 제1 열 엥커(362)에 연결되고, 상기 제2 단 콜드 헤드(114)는 제2 열 전달부(334)에 의하여 4K의 제2 열 엥커(364)에 연결될 수 있다.
상기 센서 챔버(360)는 상판(361) 및 내부에 빈 공간을 가지는 센서 챔버 몸체부를 포함할 수 있다. 상기 센서 챔버(360) 내부에는 제1 열 엥커(362), 제2 열 엥커(364), 제1 열 차폐부(365), 및 제2 열 차폐부(367)를 포함할 수 있다.
제1 열 엥커(362)는 상기 센서 챔버(360)에 배치되고 상기 제1 열전달부(332)와 연결되고 와셔 형상일 수 있다. 상기 제1 열 엥커(362)의 재질은 구리일 수 있다. 상기 제1 열 엥커는 40K로 냉각될 수 있다.
제2 열 엥커(364)는 상기 센서 챔버(360)에 상기 제1 열 엥커의 하부에 배치되고 상기 제2 열 전달부(334)에 연결되고 와셔 형상일 수 있다. 상기 제2 열 엥커(33)의 재질은 구리일 수 있다. 상기 제2 열 엥커는 4K로 냉각될 수 있다.
제1 열 차폐부(365)는 제1 열 엥커(362)에 연결되고 상기 센서 챔버(360)의 중심축 방향으로 연장되는 원통 형상일 수 있다. 상기 제1 열 차폐부(365)는 구리 또는 알루미늄 재질일 수 있다. 상기 제1 열차폐부(365)는 40K로 유지될 수 있다.
제2 열 차폐부(thermal shield, 367)는 상기 제1 열 차폐부(365)의 내부에 배치되고 제2 열 엥커(364)에 연결되고, 상기 센서 챔버(360)의 중심축 방향으로 연장되는 원통 형상일 수 있다. 상기 제2 열 차폐부(367)는 구리 또는 알루미늄 재질일 수 있다. 상기 제2 열 차폐부(367)는 4K로 유지될 수 있다.
보조 열 엥커(미도시)는 상기 제1 열 엥커(362)와 상기 제2 열 엥커(364) 사이에 배치될 수 있다. 상기 보조 열 엥커는 한 쌍의 와셔 형상일 수 있다. 상기 한 쌍의 와셔는 서로 접촉하도록 결합할 수 있다. 보조 열전달부는 상기 보조 열 엥커 사이에 끼워져 상기 센서 챔버(360)의 중심축 방향으로 연장되고 구리 매쉬로 형성될 수 있다. 상기 보조 열 엥커는 제2 열 엥커와 센서 챔버 열전달 로드를 통하여 냉각될 수 있다. 이에 따라, 상기 보조 열 엥커 및 상기 보조 열전달부는 4K로 냉각될 수 있다.
상기 챔버 열전달 로드(368)는 센서 냉각판(461)과 열접촉할 수 있다. 상기 챔버 열전달 로드(368)는 기둥 형상으로 구리 재질일 수 있다. 상기 챔버 열전달 로드(368)의 일단은 상기 제2 열 엥커(364)에 고정되고, 상기 챔버 열전달 로드의 타단은 상기 센서 냉각판(461)에 고정될 수 있다.
제1 지지 기둥(361a)은 상기 상판(361)과 상기 제1 열 엥커(362)를 고정하고, 제2지지 기둥(362a)은 상기 제1 열 엥커(362)와 상기 제2 열 엥커(364)를 서로 고정할 수 있다. 상기 제1지지 기둥(361a) 및 제2지지 기둥(362a)은 열전도도가 낮은 G-10 에폭시 봉일 수 있다.
상기 제2 열 엥커의 하부면에는 인쇄회로기판 블록(PCB block)이 배치될 수 있다. 인쇄회로기판 블록은 SQUID 센서의 신호를 제공받고 상기 SQUID 센서에 신호를 제공할 수 있다.
센서 냉각판(461)은 상기 챔버 열전달 로드(368)에 의하여 4K로 냉각될 수 있다. 상기 센서 냉각판(461)은 구리 또는 알루미늄 판일 수 있다.
열 캡(thermal cap, 367)은 상기 센서 냉각판(461)의 하부에 배치될 수 있다. 상기 열 캡(367)은 SQUID 센서 장착판을 하부면 및 상부면을 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 열 캡(367)의 상부면은 판 형태이고, 상기 열 캡(367)의 하부면은 구리 매쉬로 형성될 수 있다.
초전도체 차폐부(369)는 외부 노이즈를 제거하도록 상기 SQUID 센서(30)의 주위에 배치되어 초전도체로 형성될 수 있다. 상기 초전도체 차폐부(369)는 원판형상일 수 있다. 초전도체는 납(Pb) 또는 나이오븀(Nb)일 수 있다. 상기 초전도체 차폐부(369)는 상기 열 캡과 접촉하고, 상기 센서 냉각판과 열접촉에 의하여 4K로 냉각될 수 있다.
상기 SQUID 센서 장착판(462)은 상기 센서 챔버의 하부면에 인접하여 배치될 수 있다. 상기 SQUID 센서 장착판(462)은 진공 상태로 유지된 상기 센서 챔버(360)의 내부에 배치될 수 있다. 상기 SQUID 센서 장착판(462)에는 복수의 SQUID 센서가 배치될 수 있다. SQUID 센서 장착판은 상기 초전도체 차폐부(369)의 하부면에 배치될 수 있다. 상기 SQUID 센서 장착판(462)은 G10 에폭시 재질로 형성될 수 있다.
상기 SQUID 센서(30)는 자력계(magnetometer) 또는 미분계(gradiometer)일 수 있다. 상기 SQUID 센서는 SQUID와 픽업 코일을 포함할 수 있다. 상기 픽업 코일은 자력계 또는 미분계일 수 있다. 상기 SQUID는 이중완화 진동 SQUID( double-relaxation oscillation SQUID; DROS)일 수 있다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 SQUID 시스템을 설명하는 도면이다. 도 1 내지 도 11에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.
도 12를 참조하면, 저온냉각기 SQUID 시스템(300a)은 콜드 헤드(113)를 포함하는 냉각기(cryocooler,110), 상기 콜드 헤드(113)가 배치되는 콜드 헤드 챔버(113), 상기 냉각기(110)에 의하여 저온으로 냉각되는 초전도양자간섭소자(SQUID) 센서(30)를 포함하는 센서 챔버(360), 및 상기 센서 챔버(360)의 상기 SQUID 센서(30)를 냉각하도록 상기 콜드 헤드(113)와 상기 센서 챔버에 배치된 열 엥커(thermal anchor)를 연결하는 연결 블록(350)을 포함한다. 상기 연결 블록(350)은 주름관 튜브일 수 있다.
상기 콜드 헤드 챔버(320)는 자기 차폐실(190) 외부에 배치되고, 상기 센서 챔버(360)는 상기 자기 차폐실(190) 내부에 배치된다.
다시, 도 10을 참조하면, 우리는 MCG와 MEG를 측정할 수 있는 냉각기 냉각 SQUID 시스템(300)을 제안하였다. 냉각기의 콜드 헤드의 재생기로부터 기인하는 주기적인 자기 잡음을 감소시키기 위하여, 초전도체 차폐부(superconductive shield)는 SQUID 센서(30)를 보호하기 위하여 사용되고, 강자성체 콜드 헤드 차폐부(ferromagnetic cold head shield,122)는 상기 콜드 헤드(113)를 스크린하기 위하여 사용된다.
또한, 센서 챔버(360)는 콜드 헤드 챔버로부터 1.8 미터의 거리에 배치된다. 상기 콜드 헤드 챔버(360)는 자기 차폐실(Magnetically shielded room;MSR)의 내부에 배치될 수 있다. 증가된 거리에 기인하여, 냉각 파워의 손실은 열로드(thermal rods)의 개수를 증가시켜 보상한다. 이에 따라, 상기 SQUID 센서(30)와 초전도체 차폐부(369)는 각각 4.8 K 및 5 K로 냉각될 수 있다. 상기 초전도체 차폐부(369)는 열전달을 증가시키기 위하여 사용되는 금속 블록으로부터 방출되는 열잡음(thermal noise)를 제거할 수 있다. 상기 SQUID 시스템의 잡음은 3 fT/Hz1/2이고, 주기적인 자기 잡음은 1.7 pT 정도로 감소되었다. 이에 따라, 전체 냉동 시스템이 동작하는 동안, 깨끗한 MCG 신호가 특별한 신호 처리없이 얻을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 우리는 생체 자기 신호를 측정하기 위하여 초전도체 차폐부와 강자성체 차폐부를 가진 폐회로 사이클 냉각기 냉각 SQUID 시스템(closed-cycle cryocooled SQUID system)을 제안한다.
우리는 SQUID 센서를 위하여 초전도체 차폐를 사용하고, 열잡음 및 주기적인 자기 잡음을 감소시키기 위하여 냉각기의 재생기 (Er3Ni) 을 위한 강자성체 차폐부(ferromagnetic shield)를 사용한다.
다시, 도 10을 참조하면, 상기 냉각기(110)는 상기 SQUID 센서(30) 및 초전도체 차폐부(369)를 냉각하기 위하여 사용된다. 상기 초전도체 차폐부(369)는 전체 주파수 도메인에서, 열잡음을 모두 제거할 수 있다. 따라서, 우리는 고형의 무거운 열로드를 상기 SQUID 시스템을 냉각하기 위하여 사용할 수 있다. 또한, 우리는 콜드 헤드 챔버(320)와 센서 챔버(360)를 분리할 수 있다. 또한, 상기 콜드 헤드 챔버(320)는 자기 차폐실(MSR)의 외부 또는 외부에 설치될 수 있다. 자기 차폐실(MSR)의 외부에 설치된 냉각기에서 발생한 자기 잡음은 더욱 감소할 수 있다.
우리는 열 로드(thermal rod)의 길이에 대한 냉각 특성의 의존성을 조사하였다. 우리는 백색 잡음 및 주기적인 자기 잡음을 차폐가 있고 없음에 따라 측정하였다. 냉각기 냉각형 SQUID 시스템(cryocooled SQUID system)을 평가하기 위하여, 우리는 두 종류의 SQUID 시스템을 사용하여 MCG 신호를 측정하였다.
[초전도체 차폐부]
상기 SQUID 센서(30)와 상기 초전도체 차폐부(369) 사이의 거리를 결정하기 위하여, 우리는 거리의 함수로서 초전도체 차폐부(369)의 2 개의 다른 형상에 대하여 차폐 펙터(shielding factor )를 측정하였다.
도 13은 인가된 자기장하에서 상기 SQUID 센서 어레이를 감싸는 초전도체 차폐부의 구성을 나타낸다.
도 13을 참조하면, 우리는 픽업 코일과 상기 초전도체 차폐부 사이의 거리에 의존하는 차폐 펙터를 측정하기 위하여 지름 20 mm의 픽업 코일을 가진 4 SQUID 자력계(magnetometers)를 설치하였다.
지름 120 마이크로미터의 NbTi 와이어가 픽업 코일을 위한 보빈(bobbin )에 감긴다. 상기 픽업 코일과 상기 초전도체 차폐부 사이의 거리는 5, 15, 25, 35, 및 45 mm로 유지된다. 45 mm에서 자기장을 측정하기 위하여, 픽업 코일이 감긴 보빈은 10mm 들어졌다. 상기 초전도체 차폐부는 액체 헬륨에 의하여 냉각되었다. 지름 600mm의 활성화 코일(activated coil)이 상기 냉각 시스템 하부면으로 부터 50 mm 떨어져 위치한다. 상기 차폐 펙터(shielding factor)는 상기 픽업 코일과 상기 초전도체 차폐부의 표면 사이의 거리가 증가함에 따라 지수함수적으로 감소한다.
도 14는 거리의 함수로서 상기 초전도체 차폐부의 차폐 펙터를 나타낸다.
도 14를 참조하면, 평판 초전도체 차폐부의 경우, 5 mm, 25 mm, 및 45 mm에서 자기장은 1/100, 1/11, 및 1/3 배로 각각 감소한다.
헬멧-형태 초전도체 차폐부(helmet-shaped superconductive shield)의 경우, 평판 차폐 펙터보다 8 배 높은 높은 차폐 펙터를 가진다.
전류원에 의하여 발생한 자기장의 변동은 마이스너 전류(Meissner current )를 유도한다. 상기 마이스너 전류는 초전도체 경계 수직한 자기장 성분의 반대 사인(opposite sign)을 가진 영상 전류원(image current source)의 결과로 고려될 수 있다. 따라서, 상기 SQUID 자력계(SQUID magnetometer)에서 자기장의 중첩(superposition)은 하나의 루프는 상기 자력계에 위치하고 다른 하나의 루프는 영상면(image plane)에 위치하는 미분계 코일(gradiometer coil)과 동일할 수 있다. 상기 미분계 코일의 거리는 초전도체 경계와 상기 자력계 사이의 거리의 2 배일 수 있다. 상기 픽업 코일의 베이스라인은 생체자기신호원(biomagnetic signal source)의 깊이에 의하여 결정되므로, 우리는 상기 픽업 코일과 상기 초전도체 표면 사이의 25 mm의 거리를 채택했다. 따라서, 초전도체 영상 베이스라인(superconductive imaging baseline)은 50 mm이다.
[시스템 구성]
다시, 도 10을 참조하면, SQUID 시스템은 13-채널 SQUID 센서(30), 상기 SQUID 센서를 제어하고 데이터를 컴퓨터에 전달하기 위한 광-베이스 전자기기(optical-based electronics), 초전도체 차폐부(369), 콜드 헤드 차폐부(122), 및 냉각 시스템을 포함한다. 생체 자기 신호를 측정하기 위하여, 우리는 이중완화 진동 SQUID( double-relaxation oscillation SQUID; DROS)를 사용한다.
상기 픽업 코일은 초전도체 차폐부로부터 25mm 떨어져 위치한다. 플럭스-고정 루프(Flux-Locked Loop; FLL) 회로는 데이터 획득 컴퓨터와 전기적으로 고립(isolate)되어있다. 획득된 아날로그 신호는 아날로그-디지털 변환기에 의하여 디지털신호로 변환된다.
통상적인 냉각기 냉각 SQUID 시스템과 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각기 냉각 SQUID 시스템을 비교하기 위하여, 우리는 평판 초전도체 차폐부를 가진 2 종류의 폐회로 사이클(closed-cycle) SQUID 시스템을 구성하였다.
통상적인 냉각기 냉각 SQUID 시스템에서, 콜드 헤드는 SQUID 센서와 함께 GFRP 재질의 챔버 내부에 배치된다. SQUID 센서는 2개의 종류가 사용되었다. 하나는 50 mm의 베이스라인을 가진 1차 미분계이고, 다른 하나는 자력계이다. 상기 SQUID 센서는 초전도체 차폐부에 의하여 둘러싸이지 않는다. 상기 일체형 SQUID 시스템은 0.1 Hz에서 40 dB의 차폐 펙터를 가진 자기차폐실 내부에 설치된다.
다시 도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 분리형 냉각기 냉각형 SQUID 시스템에서, 13개의 SQUID 센서(30)가 G10 판에 설치된다. 상기 G10 판은 초전도 차폐 및 강자성 차폐의 특성을 확인하기 위하여 평판형의 초전도체 차폐부(369)에 둘러싸인다. 상기 SQUID 센서(30)는 백색 잡음 및 주기적인 자기 잡음을 관측하기 위하여 초전도체 차폐부(369)의 중심, 중간, 및 가장 자리에 배치된다. 또한, SQUID 센서(30)가 배치되는 센서 챔버(360)는 냉각기가 배치되는 콜드 헤드 챔버(320)와 분리된다. SQUID 센서(30)는 30mm의 브림을 가진 초전도 차폐판에 의하여 차폐된 자력계(magnetometer)이다. 상기 콜드 헤드 챔버(320)는 3 겹의 0.1 mm 두께의 뮤 메탈에 의하여 차폐되었다. 상기 콜드 헤드 챔버(320)는 상기 센서 챔버(360)에 진동을 감소시키기 위하여 주름관 튜브로 구성된 연결 블록(350)을 통하여 연결될 수 있다. 상기 콜드 헤드 챔버(320)와 상기 센서 챔버(360)는 자기 차폐실(190) 내부에 설치될 수 있다. 상기 분리형 SQUID 시스템은 0.1 Hz에서 40 dB의 차폐 펙터를 가진 자기차폐실 내부에 설치된다.
다시, 도 10을 참조하면, 상기 분리형 냉각기 냉각 SQUID 시스템에서, 상기 콜드 헤드(113)와 상기 SQUID 센서(30)를 열적으로 연결하기 위하여 열전달부로 구리 편조선이 사용된다. 상기 콜드 헤드(113)는 제 1단 콜드 헤드(112)와 제2 단 콜드 헤드(114)를 포함한다. 상기 제1 단 콜드 헤드(112)는 40 K의 열 엥커에 구리 편조선으로 연결되고, 상기 제2 단 콜드 헤드(114)는 4K의 열 엥커에 구리 편조선으로 연결된다. 상기 40 K의 열 엥커는 알루미늄 재질의 실린더 형태의 제1 열 차폐부(365)에 연결될 수 있다. 4K의 열 엥커는 구리 재질의 실린더형태의 제2 열 차폐부(367)에 연결될 수 있다. 4K의 열 엥커는 상기 센서 챔버(360)의 중심에 배치될 수 있다.
상기 구리 편조선의 길이는 일체형의 경우, 450 mm로 고정되고, 분리형의 경우 450 mm 내지 18000mm로 변경될 수 있다.
열전도(thermal conductance)는 열 로드의 길이에 따라 변경될 수 있다. 따라서, 우리는 상기 열로드(thermal rod)의 길이가 450mm에서 1800mm으로 증가함에 따라, 구리 편조선의 개수를 8에서 32로 증가시켰다.
상기 열 로드의 길이에 따라 증가하는 복사 열 손실을 감소시키기 위하여, 4K 열 로드와 상기 40K 열 로드 사이 및 제1 열 차폐부(365)와 센서 챔버(360)의 벽 사이에 2층의 초절연체와 폴리에스테르 넷을 설치하였다. 각 층은 층 사이에 5mm의 진공 공간을 가지고 초절연체와 폴리에스테르 넷의 15 세트를 가진다.
상기 픽업 코일은 G10 에폭시 보빈에 감긴다. 센서 냉각판(461)으로부터 25 mm 떨어진 상기 픽업 코일은 6K 이하로 냉각되지 않았다. 우리는 상기 SQUID 센서(30)를 감싸도록 제2단 콜드 헤드(114)와 연결된 4K 열 캡(367)을 설치하였다.
백색 잡음과 주기적인 자기 잡음은 초전도체 차폐부(369)에 의하여 감싸진 SQUID 센서에 대하여 측정되었다. 백색 잡음과 주기적인 자기 잡음은 초전도체 차폐부(369)가 없는 시스템에 대한 노이즈 레벨과 비교되었다. 콜드 헤드(113)에 대한 원통 형태의 강자성체 차폐를 평가하기 위하여, 상기 콜드 헤드 차폐부(122)의 지름 및 온도에 의존하는 차폐 펙터를 측정하였다.
[냉각 특성]
450 mm의 4K 열 로드를 가지는 분리형 냉각기 냉각 SQUID 시스템에서, 상기 SQUID 센서의 픽업 코일의 온도는 5.3 K으로 냉각되었다. 그러나, 상기 SQUID 센서를 감싸는 초전도체 차폐부(369)는 7K 이하로 냉가되기 어렵다. 우리는 열전달을 향상시키기 위하여 에나멜 코팅된 구리 메쉬를 상기 초전도체 차폐부(369)의 표면에 부착했다. 상기 부착된 구리 메쉬(mesh)는 4K 열 엥커에 연결된다. 이에 따라, 상기 SQUID 센서(30)와 상기 초전도체 차폐부(369)의 온도는 하루 안에 5.3 K에 도달했다.
4K 열 로드의 길이가 450mm에서 1800mm으로 증가함에 따라, 온도는 5.3K에서 24 K으로 선형적으로 증가한다. 열전달(thermal conductance)은 U=kA/L, 같이 정의된다. 여기서, k는 열전도도이다. A는 단면적이고, L은 길이이다. 4K 및 40K 열로드를 위한 편조선 구리 와이어의 개수를 증가시켰다.
도 15는 픽업 코일의 온도를 나타내는 도면이다.
도 15를 참조하면, 모든 경우에, SQUID 센서와 초전도체 차폐부의 온도는 10K 까지는 급격히 감소하나, 10K이하로는 천천히 감소한다.
열 로드 똔느 열 전달부의 길이가 증가함에 따라, 픽업 코일의 온도는 증가한다. 그러나, 상기 열 로드를 형성하는 편조선의 총 지름을 증가시킨 경우, 픽업 코일의 온도는 열 로드의 길이가 증가해도 일정하게 유지된다.
[시스템 노이즈]
응축기(compressor)로부터 발생된 주기적 자기 잡음은 상기 응축기로부터 15 cm 떨어진 거리에서 220nT이다. 상기 자기 잡음은 거리 증가에 따라 지수함수적으로 감소한다. 또한, 모터 벨브(motor valve)는 20 nT의 자기 잡음을 생성한다.
자기 차폐실의 차폐 펙터는 주어진다. 자기 차폐실의 상기 차폐 펙터는 2Hz에서 72 dB보다 클 수 있다. 상기 SQUID 센서에 의하여 측정된 자기 잡음은 상기 초전도체 차폐부의 형상에 의존하고 500 fT 및 100 fT 보다 작아야한다. 상기 응축기와 상기 모터 벨브는 자기 차폐실 외부에 배치된다.
도 16은 냉각기의 주기적인 자기 잡음을 나타낸다.
도 16을 참조하면, 상기 자기 차폐실(190) 내부에 설치된 콜드 헤드(113)는 20 마이크로-테슬라의 주기적 자기 잡음을 생성한다. 배경 잡음(background noise)은 50 Hz 이하에 챔버 진동에 의하여 급격히 증가한다. 또한, 상기 주기적 자기 잡음과 진동은 1Hz 하모닉 잡음(harmonic noise)을 발생시킨다.
우리는 상기 주기적 자기 잡음을 감소시키기 위하여 상기 콜드 헤드 챔버(320)의 외측에 3 겹의 원통형상의 뮤-메탈을 설치했다. 뮤-메탈 원통은 콜드 헤드 차폐부(122)이다. 재생기의 중심에서 140 mm 떨어진 위치에서 측정된 축방향 자기장은 250nT이다. 실린더 형상의 뮤-메탈을 상기 콜드 헤드 챔버(320)의 외측에 설치한 후, 자기장은 900 pT로 감소되었다.
상기 콜드 헤드 챔버(320)의 내부에 170mm 지름의 뮤-메탈 실린더를 설치한 경우, 차폐 펙터는 온도에 의존하여 변한다.
도 17은 뮤-메탈의 위치와 온도에 의존하는 콜드 헤드에 의하여 발생한 자기장을 나타낸다.
도 17을 참조하면, 자기장의 분포의 수치 해석이 170mm와 280mm를 가진 실린더 형태의 뮤-메탈의 차폐 펙터를 얻기 위하여 수행되었다. 수치 해석 결과에 따르면, 170 mm의 지름을 가지고 내부에 설치된 차폐 펙터는 280mm의 지름을 가지고 외부에 설치된 경우에 비하여 100 배 크다.
그러나, 실험 결과에 따르면, 내부에 설치된 경우는 외부에 설치된 경우에 비하여 낮은 차폐 펙터를 가진다. 170 mm의 지름을 가진 뮤-메탈은 40K 열 차폐부와 상기 콜드 헤드 챔버 사이에 설치된다. 진공 공간과 15 세트의 초절연층은 열복사를 억제하기 위하여 상기 뮤-메탈과 상기 40K 열 차폐부 사이에 설치된다. 이 경우, 상기 뮤-메탈의 온도는 100K이다. 상기 170mm의 뮤-메탈을 설치한 후, 축자기장은 상기 SQUID 센서의 주위에서 200 pT에서 70 pT로 감소되었다.
우리는 열전도를 위하여 열 차폐부, 열 엥커, 및 열 로드로 사용하는 금속으로부터 발생하는 열잡음은 상기 초전도 차폐부에 의하여 완전히 소멸되는 것으로 예측하였다. 또한, 4K 열 캡을 위한 구리 메쉬는 80 마이크로 미터의 지름을 가진 와이어로 형성된다. 상기 와이어는 절연을 위하여 에나멜로 코팅된다. 상기 초전도체 차폐부에 의하여 보호되지 않는 측면에서 상기 열 캡으로부터 방출되는 열 잡음은 SQUID 시스템에 영향을 주지 않는다. 상기 초전도체 차폐부를 가진 SQUID 시스템의 백색 잡음은 100 Hz에서 3fT/Hz1/2이다. 상기 잡음 레벨은 액체 헬륨에 의하여 냉각되는 MEG 시스템과 유사하다.
그러나, 상기 초전도체 차폐부없이 SQUID 자력계(magnetometers) 및 미분계(gradiometers)를 이용하여 측정된 백색 잡음은 금속 열 차폐부 및 열 엥커에 의하여 각각 10 fT/Hz1/2 and 15 fT/Hz1/2 수준이다.
냉각기의 주기적인 자기 잡음의 간섭없이 시스템 잡음을 분석하기 위하여, 우리는 상기 냉각기를 턴-오프한 상태에서 잡음을 측정하였다. 100 Hz에서 백색 잡음은 동작 상태의 잡음과 유사한다. 1 Hz 내지 100 Hz의 배경 잡음은 5 fT/Hz1/2 보다 낮다.
상기 냉각기를 멈춘 후 10분에, 상기 잡음 레벨은 10 fT/Hz1/2로 점프했고, 상기 SQUID 센서의 동작은 불안정하다. 동시에 상기 초전도체 차폐부의 온도는 8K로 증가한다. 상기 냉각기를 멈춘 후 15분에, 상기 SQUID 센서는 동작하지 않았다.
도 18은 센서 챔버와 콜드 헤드 챔버의 분리와 뮤-메탈 설치의 조건에서, 초전도 차폐의 유무에 따른 시스템 잡음 스펙트럼을 표시한다.
도 18을 참조하면, (a)는 초전도체 차폐없이 미분계의 측정 결과이고, (b)는 초전도체 차폐없는 자력계의 측정 결과이고, (C)는 초전도체 차폐를 가진 자력계의 결과이고, (d)는 냉각기가 턴-오프된 경우, 초전도체 차폐를 가진 경우의 자력계에 의하여 측정된 신호의 스펙트럼이다.
초전도체 차폐없이 SQUID 자력계 및 미분계를 사용하여 측정한 주기적인 자기 잡음은 각각 80 pT 및 10 pT이다. 그러나, 초전도체 차폐를 가진 경우, 상기 자기 잡음은 중심에서 1.7 pT/Hz1/2, 중간에서 3 pT/Hz1/2, 가장자리에서 8 pT/Hz1/2이다. 또한, 50 mm 초전도체 이미징 베이스라인을 가진 자력계에 의하여 측정된 자기 잡음은 50 mm 베이스 라인을 가진 미분계의 자기잡음보다 작았다. 기하학적 구조를 가지는 미분계는 균일 자기장에 해아여 양호한 균형 펙터(balance factor)를 가진다. 그러나, 상기 냉각기에 의하여 방출되는 자기 잡음은 비균일(non-uniform)한다. 상기 SQUID 미분계는 상기 냉각기에 의하여 방출되는 자기 잡음을 효과적으로 감소시키지 못한다. 그러나, 40 Hz 이하 배경 잡음은 상기 SQUID 미분계에 의하여 효과적으로 차폐된다.
도 19는 SQUID 챔버와 콜드 헤드 챔버 사이의 분리와 뮤-메탈의 효과에 의존하는 자기 잡음 감소를 표시한다.
도 19를 참조하면, 우리는 초전도 차폐한 상태에서 챔버 분리와 뮤-메탈의 효과를 평가하기 위하여 자기 잡음의 감소를 비교하였다. 상기 자기 잡음은 콜드 헤드 챔버가 센서 챔버와 1800mm 떨어진 경우, 8 배 감소하였다. 또한, 상기 센서 챔버로부터 상기 콜드 헤드 챔버가 분리된 후 상기 콜드 헤드의 외측에 뮤-메탈을 설치하면, 자기 잡음은 3 배 감소한다.
[MCG 신호]
MCG 신호는 초전도 차폐와 강자성체 차폐를 가진 냉동기 냉각 SQUID 자력계(cryocooled SQUID magnetometer)에 의하여 측정되었다. 또한, 우리는 초전도 차폐없는 자력계(magnetometer) 및 1차 미분계(1st order gradiometer) SQUID 시스템을 가지고 동일한 대상에 대하여 MCG 신호를 측정하였다. 상기 SQUID 시스템은 0.1-100 Hz 의 밴드패스 필터를 가진 아날로그 신호 처리부를 가진다.
도 20은 실시간 신호를 표시한다.
도 20을 참조하면, 3 타입의 SQUID 시스템에 의하여 측정된 자기 잡음은 2.5 pTp-p, 15 pTp-p 및 60 pTp-p. 초전도 차폐없는 1차 미분계(1st order gradiometer) 및 자력계(magnetometer)에 의하여 측정된 주기적인 자기 잡음은 30 회의 평균 후에 심하게 왜곡되었다.
그러나, 우리는 초전도 차폐를 사용하여 MCG 신호의 패턴을 얻을 수 있다. 센서 장착판의 중심에서 놓인 SQUID 센서에 의하여 측정된 상기 MCG 신호의 세기는 주 심근 전류(main myocardial current) 바로 위에 있어 약하다.
또한, 초전도체 차폐부의 가장자리 둘레에 배치된 MCG 신호는 마이스너 효과(Meissner effect)에 의하여 생성된 기생 자기장(stray magnetic field)에 기인하여 왜곡된 신호를 보인다. 우리는 초전도체 차폐 및 SQUID 시스템의 온도 지속 시간(temperature holding time)을 확인하여 위하여 냉동기를 턴오프시킨 후에 MCG 신호를 측정하였다. 우리는 상기 냉동기를 턴오프시킨 후 10분 동안 깨끗한 MCG 신호를 얻을 수 있었다.
우리는 폐-사이클 냉각기 냉각 SQUID 시스템(closed-cycle cryocooled SQUID system)에서 초저도 차폐와 강자성체 차폐는 효율적으로 동작하는 것을 보였다. 상기 냉동기가 방출하는 열잡음과 주기적인 자기 잡음은 두 개의 차폐부를 사용하여 생체자기신호(biomagnetic signals)를 측정할 수 있도록 감소되었다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
110: 냉각기
120: 콜드 헤드 챔버
130: 제1 엘보우 블록
140: 직선 블록
150: 제2 엘보우 블록
160: 센서 챔버

Claims (15)

  1. 콜드 헤드를 포함하는 극저온 냉각기(cryocooler);
    상기 콜드 헤드가 배치되는 콜드 헤드 챔버;
    상기 극저온 냉각기에 의하여 저온으로 냉각되는 초전도양자간섭소자(SQUID) 센서를 수용하는 센서 챔버; 및
    상기 센서 챔버에 배치되고 상기 SQUID 센서의 주위에 배치되어 상기 센서 챔버 내부의 자기 노이즈를 차폐하는 초전도체 재질의 초전도체 차폐부를 포함하는 것을 특징으로 냉각기 냉각형 초전도양자간섭소자 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 초전도체 차폐부는 헬멧 형상이고,
    상기 초전도체 차폐부의 내측에 배치되고 상기 SQUID 센서가 장착되는 SQUID 센서 장착 헬멧;
    40 K로 냉각되고 상기 SQUID 센서를 감싸도록 배치되고 헬멧 형상으로 성형된 구리 매쉬로 형성된 제1 열 캡; 및
    4 K로 냉각되고 상기 제1 열 캡과 상기 SQUID 센서 장착 헬멧 사이에 배치되고 헬멧 형상으로 성형된 구리 매쉬로 형성된 제2 열 캡을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각기 냉각형 초전도양자간섭소자 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 초전도체 차폐부는:
    반구형상의 초전도 헬멧 몸체부;
    상기 초전도 헬멧 몸체부의 하부면에서 외측으로 연장되는 외측 브림; 및
    상기 초전도 헬멧 몸체부의 하부면에서 내측으로 연장된는 내측 브림을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각기 냉각형 초전도양자간섭소자 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 콜드 헤드(cold head)를 수용한 상기 콜드 헤드 챔버는 상기 SQUID 센서를 수용한 상기 센서 챔버로부터 분리되는 것을 특징으로 하는냉각기 냉각형 초전도양자간섭소자 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 콜드 헤드를 감싸도록 배치된 퍼멀로이(permalloy) 재질의 콜드 헤드 자기 차폐부를 더 포함하는 것을 특징으로 냉각기 냉각형 초전도양자간섭소자 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 센서 챔버와 상기 콜드 헤드 챔버를 연결하는 연결 블록; 및
    상기 콜드 헤드와 상기 센서 챔버에 배치되고 상기 SQUID 센서를 냉각하는 열 엥커(thermal anchor)를 연결하는 열 로드(thermal rod)를 더 포함하고,
    상기 열 로드는 상기 연결 블록의 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 냉각기 냉각형 초전도양자간섭소자 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    피측정자의 자세에 따라 뇌자도 신호를 측정하기 위하여 상기 센서 챔버의 위치 변환을 제공하는 회전 운동 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각기 냉각형 초전도양자간섭소자 시스템.
  8. 제1 항에 있어서,
    저온으로 냉각되는 센서 냉각판;
    상기 센서 냉각판의 하부에 배치되는 상기 SQUID 센서가 장착되는 SQUID 센서 장착판; 및
    상기 SQUID 센서 장착판을 감싸도록 배치된 열 캡(thermal cap)을 포함하고,
    상기 초전도체 차폐부는 판 형상이고 상기 SQUID 센서 장착판과 상기 센서 냉각판 사이에 배치되고,
    상기 열 캡의 하부면은 메쉬 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 냉각기 냉각형 초전도양자간섭소자 시스템.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 SQUID 센서의 픽업 코일은 자력계(magnetometer)인 것을 특징으로 하는 냉각기 냉각형 초전도양자간섭소자 시스템.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 콜드 헤드 챔버는 외부 자기장을 차폐하는 자기 차폐실의 외부에 배치되고,
    상기 센서 챔버는 상기 자기 차폐실의 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 냉각기 냉각형 초전도양자간섭소자 시스템.
  11. 콜드 헤드를 포함하는 극저온 냉동기 및 상기 극저온 냉동기에 의하여 냉각된 SQUID 센서를 이용한 냉각기 냉각형 SQUIQ 생체자기신호의 측정 방법에 있어서,
    상기 극저온 냉동기는 상기 SQUID 센서 및 상기 SQUID 센서의 주위에 배치되어 자기 잡음을 차폐하는 초전도체로 형성된 초전도체 차폐부를 냉각하는 것을 특징으로 하는 냉각기 냉각형 SQUID 생체자기신호의 측정 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 극저온 냉동기는 자기 차폐실의 외부에 배치되고,
    상기 SQUID 센서를 수용하는 센서 챔버는 상기 자기 차폐실의 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 냉각기 냉각형 SQUID 생체자기신호의 측정 방법.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 극저온 냉동기의 주기적인 자기 잡음을 차폐하도록 상기 콜드 헤드 주위를 강자성체를 이용하여 자기 차폐하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각기 냉각형 초전도양자간섭소자 측정 방법.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 콜드 헤드와 상기 SQUID 센서를 열적으로 연결하는 열 로드(thermal rod)는 봉 형태 또는 파이프 형태를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각기 냉각형 초전도양자간섭소자 측정 방법.
  15. 콜드 헤드를 포함하는 극저온 냉동기를 자기 차폐실의 외부에 배치하고 SQUID 센서를 수용하는 센서 챔버를 상기 자기 차폐실의 내부에 배치하는 단계;
    상기 극저온 냉동기를 이용하여 상기 SQUID 센서와 상기 SQUID 센서의 주위에 배치되어 자기 잡음을 차폐하는 초전도체 차폐부를 냉각하는 단계; 및
    상기 극저온 냉동기의 주기적인 자기 잡음을 차폐하도록 상기 콜드 헤드 주위를 강자성체를 이용하여 자기 차폐하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각기 냉각형 초전도양자간섭소자 측정 방법.

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