KR20230101637A - Cryogenic hall sensor array for diagnosing high temperature superconductor coil - Google Patents

Cryogenic hall sensor array for diagnosing high temperature superconductor coil Download PDF

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KR20230101637A
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cryogenic
hall
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한승용
방제석
박성현
박정환
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서울대학교산학협력단
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Abstract

고온초전도 코일 진단용 극저온 홀센서 어레이가 개시된다.
일례에 따른 고온초전도 코일 진단용 극저온 홀센서 어레이는, 2 이상의 홀센서 어레이 유닛을 포함하고, 상기 홀센서 어레이 유닛의 각각은 등간격으로 배치된 복수의 단일 홀센서를 갖는 홀센서부를 포함하며, 상기 2 이상의 홀센서 어레이 유닛은 인접한 홀센서 어레이 유닛 간에 홀센서부의 길이방향으로 동일한 크기의 오프셋을 갖도록 이격되어 배치된다.
본 발명을 이용하면, 매우 작은 간격의 홀센서 배치와 어레의 사선 배치를 이용해 작은 공간 분해능을 제공하여 고온 초전도 코일에서 발생하는 차폐 전류에 의한 시변하는 자기장 변화를 여러 포인트에서 동시에 측정할 수 있는 고온초전도 코일 진단용 극저온 홀센서 어레이를 구현할 수 있는 효과가 있다.
Disclosed is a cryogenic hall sensor array for diagnosing high-temperature superconducting coils.
A cryogenic hall sensor array for diagnosing high-temperature superconducting coils according to an example includes two or more hall sensor array units, each of the hall sensor array units including a hall sensor unit having a plurality of single hall sensors disposed at equal intervals, Two or more hall sensor array units are spaced apart from each other to have the same offset in the longitudinal direction of the hall sensor unit between adjacent hall sensor array units.
If the present invention is used, it is possible to simultaneously measure the time-varying magnetic field change due to the shielding current generated in the high-temperature superconducting coil at several points by providing a small spatial resolution by using the Hall sensor arrangement with very small intervals and the diagonal arrangement of the array. There is an effect of realizing a cryogenic hall sensor array for diagnosing superconducting coils.

Description

고온초전도 코일 진단용 극저온 홀센서 어레이{CRYOGENIC HALL SENSOR ARRAY FOR DIAGNOSING HIGH TEMPERATURE SUPERCONDUCTOR COIL}Cryogenic hall sensor array for diagnosis of high temperature superconducting coil {CRYOGENIC HALL SENSOR ARRAY FOR DIAGNOSING HIGH TEMPERATURE SUPERCONDUCTOR COIL}

본 발명은 고온초전도 코일 진단용 극저온 홀센서 어레이에 관한 것이다.The present invention relates to a cryogenic Hall sensor array for diagnosing high-temperature superconducting coils.

초전도체는 극저온 환경에서 직류 전기 저항이 0이 되는 물질을 의미하며, 전자석을 제작하기 위한 초전도체는 초전도 상태를 유지하는 1) 임계 자기장, 2) 임계 온도, 3) 임계 전류밀도의 주요 특성 파라미터가 존재한다.A superconductor means a material whose DC electrical resistance becomes zero in a cryogenic environment, and a superconductor for manufacturing an electromagnet has the main characteristic parameters of 1) critical magnetic field, 2) critical temperature, and 3) critical current density that maintain a superconducting state. do.

이 중, 임계 온도가 약 30 K 이상인 초전도체를 고온 초전도체로 분류하며, REBCO(Rare Earth Barium Copper Oxide)계열의 고온 초전도 선재가 주로 고자기장 생성용 자석을 제작하는데 응용된다.Among them, superconductors having a critical temperature of about 30 K or more are classified as high-temperature superconductors, and REBCO (Rare Earth Barium Copper Oxide) series high-temperature superconducting wires are mainly applied to manufacture magnets for generating high magnetic fields.

고온 초전도체는 저온 초전도체에 비해 높은 임계 자기장 크기를 지녔으며, 무절연 권선법을 이용한 고온 초전도 코일은 높은 전류밀도와 함께 운전 안정성을 갖춘다. The high-temperature superconductor has a higher critical magnetic field than the low-temperature superconductor, and the high-temperature superconducting coil using the non-insulated winding method has high current density and operational stability.

고온 초전도 코일은 생물학, 화학, 그리고 의학에 필수적인 NMR(핵자기공명장치), MRI(자기공명영상장치)에 응용되며, 차세대 에너지 발전을 위한 핵융합 장치의 구현에도 필요하다. High-temperature superconducting coils are applied to NMR (Nuclear Magnetic Resonance Imaging) and MRI (Magnetic Resonance Imaging), which are essential for biology, chemistry, and medicine, and are also necessary for realizing nuclear fusion devices for next-generation energy generation.

초전도 자석 기술을 보유한 기업은 전세계적으로 82 개가 존재하며, 고자기장을 요구하는 분야가 증가함에 따라, 2016년 55억 달러(한화 약 6조 5천억 원)의 규모였던 초전도 시장이 2022년 87억 달러(한화 약 10조 3천억 원)으로 증가할 것으로 예상되며, 연평균 7.5 %의 성장을 예측하고 있다.There are 82 companies with superconducting magnet technology worldwide, and as fields requiring high magnetic fields increase, the superconducting market, which was worth 5.5 billion dollars in 2016 (approximately 6.5 trillion won), will grow to 8.7 billion in 2022. It is expected to increase by USD (approximately 10.3 trillion won), and is expected to grow at an average annual rate of 7.5%.

이러한 고온 초전도 선재를 이용해 제작된 코일은 저온 초전도 코일에 비해 높은 자기장을 생성하지만, Screening Current(차폐 전류)로 인해 설계된 자기장 분포에 반해 불균일하고, 시간에 따라 변하는 자기장을 생성한다.Coils made using these high-temperature superconducting wires generate a higher magnetic field than low-temperature superconducting coils, but due to the screening current (shielding current), they generate a non-uniform magnetic field that varies with time, contrary to the designed magnetic field distribution.

이러한 불균일하고 시변하는 자기장을 보정하기 위해서는 여러 포인트에서 동시에 자기장의 크기를 측정해야 하지만, 일반적인 종래기술 및 시도는 자기장 매핑 장치를 이용하여 위치에 따른 자기장의 크기를 측정하였지만, XYZ축의 모터를 이용하여 움직이면서 측정하기에, 시간에 따라 변하는 차폐 전류에 의한 자기장 분포를 유추하기엔 부족하였다.In order to compensate for such a non-uniform and time-varying magnetic field, it is necessary to measure the magnitude of the magnetic field at several points at the same time. However, in general prior art and attempts, the magnitude of the magnetic field according to the position was measured using a magnetic field mapping device, but by using an XYZ axis motor Since it was measured while moving, it was not enough to infer the distribution of the magnetic field by the time-varying shielding current.

일반적인 홀센서 어레이나 마그네틱 이미지 처리 타일은 극저온 환경에서의 정상 동작을 보장하지 않으며, 급격한 온도 변화에 따른 열적 수축과 팽창에 의한 변형이 발생하거나 센서 표면의 수증기 액화 현상으로 인해 고장이 나는 문제가 있었다.Conventional hall sensor arrays or magnetic image processing tiles do not guarantee normal operation in a cryogenic environment, and there is a problem that deformation due to thermal contraction and expansion due to rapid temperature change occurs or malfunction due to liquefaction of water vapor on the sensor surface. .

본 발명은 이러한 종래기술의 단점들을 보완하고자 제안된 것으로서, 고온초전도 코일의 자기장 특성 평가 및 차폐전류를 시공간에 대해 측정하기 위한 고온초전도 코일 진단용 극저온 홀센서 어레이를 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention has been proposed to compensate for the disadvantages of the prior art, and an object of the present invention is to provide a cryogenic hall sensor array for diagnosing a high-temperature superconducting coil for evaluating the magnetic field characteristics of the high-temperature superconducting coil and measuring the shielding current in space-time.

또한, 본 발명은 고온 초전도 코일을 자석 시스템에 부착하기 전에 성능 평가를 할 때 있어서, 시간에 따른 자기장 안정성과 공간에 따른 자기장 안정성을 하나의 PCB를 통해 측정할 수 있으며, 극저온 환경에서도 고장 없이 사용할 수 있는 고온초전도 코일 진단용 극저온 홀센서 어레이를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.In addition, in the performance evaluation before attaching the high-temperature superconducting coil to the magnet system, the present invention can measure the magnetic field stability over time and the magnetic field stability over space through one PCB, and can be used without failure even in a cryogenic environment. Another object is to provide a cryogenic Hall sensor array for diagnosing high-temperature superconducting coils.

일례에 따른 고온초전도 코일 진단용 극저온 홀센서 어레이는, 2 이상의 홀센서 어레이 유닛을 포함하고, 상기 홀센서 어레이 유닛의 각각은 등간격으로 배치된 복수의 단일 홀센서를 갖는 홀센서부를 포함하며, 상기 2 이상의 홀센서 어레이 유닛은 인접한 홀센서 어레이 유닛 간에 홀센서부의 길이방향으로 동일한 크기의 오프셋을 갖도록 이격되어 배치된다. A cryogenic hall sensor array for diagnosing high-temperature superconducting coils according to an example includes two or more hall sensor array units, each of the hall sensor array units including a hall sensor unit having a plurality of single hall sensors disposed at equal intervals, Two or more hall sensor array units are spaced apart from each other to have the same offset in the longitudinal direction of the hall sensor unit between adjacent hall sensor array units.

이때, 홀센서 어레이 유닛의 공간 분해능은, 인접한 두 단일 홀센서의 중앙부 간 거리에 상기 단일 홀센서의 너비를 더한 값인 것이 바람직하다. At this time, the spatial resolution of the Hall sensor array unit is preferably a value obtained by adding the width of the single Hall sensor to the distance between the center portions of two adjacent single Hall sensors.

또한, 상기 홀센서 어레이 유닛의 개수는, 상기 단일 홀센서의 공간 분해능 을 나누어 떨어지게 하는 자연수인 것이 바람직하다. Also, the number of Hall sensor array units is preferably a natural number that divides the spatial resolution of the single Hall sensor.

또한, 상기 홀센서 어레이의 공간 분해능은, 상기 홀센서 어레이 유닛의 상기 단일 홀센서의 공간 분해능을 상기 홀센서 어레이 유닛의 개수로 나눈 값이 되는 것이 바람직하다. Preferably, the spatial resolution of the Hall sensor array is a value obtained by dividing the spatial resolution of the single Hall sensor of the Hall sensor array unit by the number of Hall sensor array units.

또한, 상기 오프셋은, 상기 홀센서 어레이 유닛의 상기 단일 홀센서의 공간 분해능을 상기 홀센서 어레이 유닛의 개수로 나눈 값이 되는 것이 바람직하다. Preferably, the offset is a value obtained by dividing the spatial resolution of the single Hall sensor of the Hall sensor array unit by the number of Hall sensor array units.

본 발명을 이용하면, 매우 작은 간격의 홀센서 배치와 어레의 사선 배치를 이용해 작은 공간 분해능을 제공하여 고온 초전도 코일에서 발생하는 차폐 전류에 의한 시변하는 자기장 변화를 여러 포인트에서 동시에 측정할 수 있는 고온초전도 코일 진단용 극저온 홀센서 어레이를 구현할 수 있는 효과가 있다.Using the present invention, it is possible to simultaneously measure the time-varying magnetic field change due to the shielding current generated in a high-temperature superconducting coil at several points by providing a small spatial resolution by using a Hall sensor arrangement with a very small interval and an oblique arrangement of the array. There is an effect of realizing a cryogenic hall sensor array for diagnosing superconducting coils.

도 1은 본 발명의 일례에 따른 고온초전도 코일 진단용 극저온 홀센서 어레이에 포함되는 홀센서 어레이 유닛을 나타낸 도면,
도 2는 도 1의 홀센서 어레이 유닛을 단순화한 도면,
도 3은 도 1의 홀센서 어레이 유닛이 복수 개 결합하여 이루어진 홀센서 어레이를 예시한 도면,
도 4는 상온 환경에서 영구자석을 불연속적으로 홀센서 어레이 PCB 표면 위에서 이동시켰을 때 측정된 홀센서들의 전압 분포를 나타낸 그래프,
도 5는 극저온 환경에서 영구자석을 연속적으로 홀센서 어레이 PCB 표면 위에서 이동시켰을 때 측정된 홀센서들의 전압 분포를 나타낸 그래프,
도 6은 고온초전도 코일 진단용 극저온 홀센서 어레이 유닛을 권선된 고온 초전도 코일의 표면에 부착한 실시예를 나타낸 도면이다.
1 is a view showing a hall sensor array unit included in a cryogenic hall sensor array for diagnosing a high-temperature superconducting coil according to an example of the present invention;
2 is a simplified view of the hall sensor array unit of FIG. 1;
3 is a diagram illustrating a hall sensor array formed by combining a plurality of hall sensor array units of FIG. 1;
4 is a graph showing voltage distributions of Hall sensors measured when permanent magnets are discontinuously moved on the surface of a Hall sensor array PCB in a room temperature environment;
5 is a graph showing voltage distributions of Hall sensors measured when permanent magnets are continuously moved on the surface of a Hall sensor array PCB in a cryogenic environment;
6 is a view showing an embodiment in which a cryogenic Hall sensor array unit for diagnosing a high-temperature superconducting coil is attached to the surface of a wound high-temperature superconducting coil.

도 1은 본 발명의 일례에 따른 고온초전도 코일 진단용 극저온 홀센서 어레이에 포함되는 홀센서 어레이 유닛을 나타낸 도면이다. 1 is a view showing a hall sensor array unit included in a cryogenic hall sensor array for diagnosing a high-temperature superconducting coil according to an example of the present invention.

고온초전도 코일 진단용 극저온 홀센서 어레이는 일정한 오프셋을 두고 서로 비껴서 배치되는 복수의 홀센서 어레이 유닛을 포함한다. A cryogenic hall sensor array for diagnosing high-temperature superconducting coils includes a plurality of hall sensor array units disposed offset from each other with a predetermined offset.

도 1에서 나타낸 바와 같이, 고온초전도 코일 진단용 극저온 홀센서 어레이에 포함되는 홀센서 어레이 유닛(10)은, 홀센서부(100), 입력 단자부(110), 출력 단자부(120)를 더 포함한다. As shown in FIG. 1 , the hall sensor array unit 10 included in the cryogenic hall sensor array for diagnosing high-temperature superconducting coils further includes a hall sensor unit 100, an input terminal unit 110, and an output terminal unit 120.

홀센서부(100)에는 복수의 단일 홀센서(102)가 등간격으로 배치되어 있다. In the Hall sensor unit 100, a plurality of single Hall sensors 102 are arranged at regular intervals.

입력 단자부(110)에는 복수의 단일 홀센서(102)에 개별적으로 전력을 공급하기 위한 복수의 단일 입력 단자(112)가 배치되어 있다. A plurality of single input terminals 112 for individually supplying power to the plurality of single hall sensors 102 are disposed in the input terminal unit 110 .

출력 단자부(120)에는 복수의 단일 홀센서(102)에 개별적으로 전력을 공급하기 위한 복수의 단일 출력 단자(122)가 배치되어 있다. A plurality of single output terminals 122 for individually supplying power to the plurality of single hall sensors 102 are disposed in the output terminal unit 120 .

일반적으로 홀센서 어레이 유닛(10)은 인쇄회로기판(PCB) 상에 소자가 실장되도록 하여 구현할 수 있다.In general, the hall sensor array unit 10 can be implemented by mounting elements on a printed circuit board (PCB).

도 2는 도 1의 홀센서 어레이 유닛을 단순화한 도면이다. FIG. 2 is a simplified view of the hall sensor array unit of FIG. 1 .

공간 분해능(Spatial Resolution)이란, 측정하고자 하는 자기장의 공간 상에서의 간격으로 정의할 수 있다. 본 명세서에서는 단일 홀센서 간 중앙의 간격으로도 생각할 수 있다. Spatial resolution may be defined as an interval in space of a magnetic field to be measured. In this specification, it can also be considered as a central interval between single Hall sensors.

홀센서 어레이 유닛(10)의 공간 분해능을 R(unit)이라고 할 때, 홀센서 어레이 유닛(10)의 공간 분해능을 계산하는 공식은 아래 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다. When the spatial resolution of the hall sensor array unit 10 is R (unit), a formula for calculating the spatial resolution of the hall sensor array unit 10 can be expressed as Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

R(unit) = d + w R(unit) = d + w

= {l - (w×n)}/n + w = { l - ( w × n )}/ n + w

= l/n. = l/n.

(이때, 홀센서 간격(d), PCB 어레이의 좌우여백을 제외한 너비(l), 홀센서 너비(w)) ( At this time, hall sensor spacing (d), width excluding left and right margins of PCB array (l), hall sensor width (w))

도 3은 도 1의 홀센서 어레이 유닛이 복수 개 결합하여 이루어진 고온초전도 코일 진단용 극저온 홀센서 어레이를 예시한 도면이다. FIG. 3 is a diagram illustrating a cryogenic hall sensor array for diagnosing a high-temperature superconducting coil formed by combining a plurality of hall sensor array units of FIG. 1 .

도 3에서 나타낸 바와 같이, 고온초전도 코일 진단용 극저온 홀센서 어레이는 일정한 오프셋을 두고 서로 비껴서 배치되는 복수의 홀센서 어레이 유닛을 포함한다. As shown in FIG. 3 , the cryogenic hall sensor array for diagnosing high-temperature superconducting coil includes a plurality of hall sensor array units disposed offset from each other with a predetermined offset.

도 3의 실시예에서는 고온초전도 코일 진단용 극저온 홀센서 어레이(1)가 오프셋(t)만큼 비껴서 배치되는 3개의 홀센서 어레이 유닛을 포함하여 이루어지는 경우를 예시하였다. In the embodiment of FIG. 3 , a case in which the cryogenic hall sensor array 1 for diagnosing a high-temperature superconducting coil includes three Hall sensor array units arranged offset by an offset t is illustrated.

한편, 이 실시예에서 홀센서 어레이 유닛의 공간 분해능((R(unit))은 2.7mm인 것으로 한다. Meanwhile, in this embodiment, it is assumed that the spatial resolution ((R(unit)) of the hall sensor array unit is 2.7 mm.

홀센서 어레이 유닛의 개수(N)는 홀센서 어레이 유닛의 공간 분해능 (R(unit))인 2.7mm를 나누어 떨어지게 하는 자연수여야 할 필요가 있으므로, N=3으로 하여도 적당하다. Since the number of hall sensor array units ( N ) needs to be a natural number that divides 2.7 mm, which is the spatial resolution (R (unit)) of the hall sensor array unit, N=3 is appropriate.

이 경우, 수학식 2에서 나타낸 바와 같이, 고온초전도 코일 진단용 극저온 홀센서 어레이(1)의 공간 분해능(R(array))은, 홀센서 어레이 유닛의 공간 분해능(R(unit))을 홀센서 어레이 유닛의 개수(N)로 나눈 값이 된다. 즉, In this case, as shown in Equation 2, the spatial resolution (R(array)) of the cryogenic hall sensor array 1 for diagnosing the high-temperature superconducting coil is the spatial resolution (R(unit)) of the hall sensor array unit. It is a value divided by the number of units ( N ). in other words,

[수학식 2][Equation 2]

R(array) = Resolution(unit) / N R(array) = Resolution(unit) / N

= 2.7(mm) / 3 = 2.7(mm) / 3

= 0.9 (mm). = 0.9 (mm).

또한, 수학식 3에서 나타낸 바와 같이, 고온초전도 코일 진단용 극저온 홀센서 어레이(1)의 홀센서 어레이 유닛 간 오프셋(t)은, 홀센서 어레이 유닛의 공간 분해능(R(unit))을 상기 홀센서 어레이 유닛의 개수(N)로 나눈 값이 된다. 즉, In addition, as shown in Equation 3, the offset ( t ) between the hall sensor array units of the cryogenic hall sensor array 1 for diagnosing the high-temperature superconducting coil is the spatial resolution (R (unit)) of the hall sensor array unit It is a value divided by the number of array units ( N ). in other words,

[수학식 3][Equation 3]

t = (d + w) / N t = ( d + w ) / N

= R(unit) / N.= R(unit) / N.

= 2.7(mm) / 3 = 2.7(mm) / 3

= 0.9 (mm). = 0.9 (mm).

이를 도 3을 참조하여 살펴보면 이해가 쉽다. This can be easily understood by referring to FIG. 3 .

즉, 홀센서 어레이 유닛(10A, 10B, 10C)들이 각각 같은 오프셋을 갖도록 비껴서 배치가 된다면, 홀센서 어레이(1)는, 각각의 홀센서 어레이 유닛(10A, 10B, 10C) 내에서 등간격으로 배치된 단일 홀센서들 사이의 거리(d+w)가 1/N로 줄어들도록 더욱 촘촘하게 배치된 홀센서부를 갖는 새로운 홀센서 어레이 유닛과 실질적으로 동일한 효과를 얻을 수 있게 되는 것이다. That is, if the hall sensor array units 10A, 10B, and 10C are arranged offset to have the same offset, the hall sensor array 1 is equally spaced within each hall sensor array unit 10A, 10B, and 10C. It is possible to obtain substantially the same effect as a new Hall sensor array unit having more densely arranged Hall sensor units so that the distance ( d+w ) between the single Hall sensors arranged as 1/N is reduced.

도 4는 상온 환경에서 영구자석을 불연속적으로 홀센서 어레이 PCB 표면 위에서 이동시켰을 때 측정된 홀센서들의 전압 분포를 나타낸 그래프이다. 4 is a graph showing voltage distributions of Hall sensors measured when permanent magnets are discontinuously moved on the surface of a Hall sensor array PCB in a room temperature environment.

홀센서 어레이를 상온 환경(296 K)과 극저온 환경(77 K)에서 시간에 따라 자기장의 크기가 변하지 않는 영구자석을 이용하여 자기장의 크기에 따른 선형성과 극저온 환경에서의 안정도를 시험하였다. The hall sensor array was tested for linearity according to the magnitude of the magnetic field and stability in the cryogenic environment by using a permanent magnet in which the magnitude of the magnetic field does not change with time in a room temperature environment (296 K) and a cryogenic environment (77 K).

자기장의 세기가 다른 두 가지의 영구자석을 이용하여 자기장의 크기에 따른 선형성을 보았으며, 상온->극저온->상온 환경에서 측정을 통해 극저온 환경에서의 센서의 안정성을 시험하였다. The linearity according to the size of the magnetic field was observed using two permanent magnets with different magnetic field strengths, and the stability of the sensor in the cryogenic environment was tested through measurements in the room temperature -> cryogenic temperature -> room temperature environment.

상온 환경(296 K)에서 영구자석을 불연속적으로 홀센서 어레이 PCB 표면 위에서 이동시켰을 때 측정된 홀센서들(1번: 최좌측, 10번: 최우측)의 전압 분포를 나타낸다. 홀센서 어레이에 가해진 직류 전류는 1 mA이며, 온도 및 자기장에 대해 보정된 정밀 홀센서 센서를 사용하여 측정한 영구자석의 자기장 크기는 2.08 mV였다.The voltage distribution of Hall sensors (No. 1: leftmost, No. 10: rightmost) measured when a permanent magnet is discontinuously moved on the surface of a Hall sensor array PCB in a room temperature environment (296 K) is shown. The DC current applied to the Hall sensor array was 1 mA, and the magnitude of the magnetic field of the permanent magnet measured using a precision Hall sensor sensor calibrated for temperature and magnetic field was 2.08 mV.

도 5는 극저온 환경에서 영구자석을 연속적으로 홀센서 어레이 PCB 표면 위에서 이동시켰을 때 측정된 홀센서들의 전압 분포를 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing voltage distributions of Hall sensors measured when a permanent magnet is continuously moved on the surface of a Hall sensor array PCB in a cryogenic environment.

극저온 환경(77 K)에서 영구자석을 연속적으로 홀센서 어레이 PCB 표면 위에서 이동시켰을 때 측정된 홀센서들(1번: 최좌측, 10번: 최우측)의 전압 분포. 홀센서 어레이에 가해진 직류 전류는 1 mA이며, 온도 및 자기장에 대해 보정된 정밀 홀센서 센서를 사용하여 측정한 영구자석의 자기장 크기는 3.41 mV였다.Voltage distribution of Hall sensors (No. 1: leftmost, No. 10: rightmost) measured when a permanent magnet was continuously moved on the surface of a Hall sensor array PCB in a cryogenic environment (77 K). The DC current applied to the Hall sensor array was 1 mA, and the magnitude of the magnetic field of the permanent magnet measured using a precision Hall sensor sensor calibrated for temperature and magnetic field was 3.41 mV.

도 6은 고온초전도 코일 진단용 극저온 홀센서 어레이 유닛을 권선된 고온 초전도 코일의 표면에 부착한 실시예를 나타낸 도면이다.6 is a view showing an embodiment in which a cryogenic Hall sensor array unit for diagnosing a high-temperature superconducting coil is attached to the surface of a wound high-temperature superconducting coil.

홀센서 어레이 유닛 및/또는 홀센서 어레이는, 권선된 고온 초전도 코일(회색)의 표면에 부착하여 사용될 수 있다. The hall sensor array unit and/or the hall sensor array may be used by attaching it to a surface of a wound high-temperature superconducting coil (gray).

빨간색 실선 화살표는 전류원을 통해 고온 초전도 코일에 흐르는 운전 전류이며, 파란색 점선 화살표는 코일 내에 생성되는 차폐 전류를 나타낸다.The red solid arrow represents the operating current flowing through the high-temperature superconducting coil through the current source, and the blue dotted arrow represents the shielding current generated in the coil.

기존의 자기장을 측정하는 홀센서 혹은 홀센서 어레이와 다르게 본 발명은 아래와 같은 장점이 있다. Unlike conventional hall sensors or hall sensor arrays that measure magnetic fields, the present invention has the following advantages.

(1) 극저온 환경(77 K, 약 ?196 ℃)에서도 안정적으로 자기장을 선형적으로 측정할 수 있다.(1) Stable magnetic field can be measured linearly even in a cryogenic environment (77 K, about -196 ℃).

(2) 30 mm x 9.1 mm의 작은 사이즈의 PCB에 10 개 규모의 홀센서를 장착하여 자체적으로 매우 작은 공간 분해능(2.7 mm)을 제공할 수 있다.(2) By mounting 10 Hall sensors on a small PCB of 30 mm x 9.1 mm, it can provide very small spatial resolution (2.7 mm) by itself.

(3) 사선 오프셋 배치를 통해 더욱 작은 공간 분해능을 제공할 수 있다. (3) A smaller spatial resolution can be provided through the oblique offset arrangement.

(4) 시변하는 자기장을 여러 포인트에 대해 동시에 측정할 수 있다. (4) A time-varying magnetic field can be measured simultaneously for several points.

(5) 평평한 모양이기에 자기장을 정밀하게 측정하고자 하는 고온초전도 코일의 표면에 평행을 유지할 수 있다. (5) Since it has a flat shape, it can be kept parallel to the surface of the high-temperature superconducting coil whose magnetic field is to be precisely measured.

(6) 극저온용 에폭시 마감을 통해 급격한 온도 변화 및 이물질 침투에 안전하다. (6) It is safe from rapid temperature change and foreign substance penetration through cryogenic epoxy finish.

상온 (296 K)과 극저온 환경(77 K)에서 영구자석을 이용해 시험해본 결과, 상온과 극저온 환경에서 측정된 자기장의 신호는 모두 우수한 선형성과 감도를 보여주었으며, 극저온 환경에서 시험을 마친 뒤에 다시 상온 환경에서 시험하였을 때, 센서가 고장 및 변형이 일어나지 않음을 확인하였다.As a result of tests using permanent magnets in room temperature (296 K) and cryogenic environments (77 K), the magnetic field signals measured in room temperature and cryogenic environments all showed excellent linearity and sensitivity. When tested in the environment, it was confirmed that the sensor did not fail or deform.

본 발명은 일반적인 PCB 공정을 통해 제작할 수 있으며, 1.2 mm x 0.5 mm 작은 크기의 홀센서를 부착하는 작업은 메탈 마스크와 Surface Mounter Technology(표면실장기술)를 적용하여 대량 생산을 할 수 있다. The present invention can be manufactured through a general PCB process, and the work of attaching a hall sensor with a small size of 1.2 mm x 0.5 mm can be mass-produced by applying a metal mask and Surface Mounter Technology.

현재 제안한 홀센서 어레이를 직렬로 연결하거나 사선으로 배치하여 사용할 수도 있으나, 다양한 분야에서 요구하는 자기장 측정 공간 분해능과 허용된 공간의 크기에 따라 유동적인 PCB 디자인이 필요하다.The currently proposed Hall sensor array can be connected in series or arranged in an oblique line, but a flexible PCB design is required according to the spatial resolution of the magnetic field measurement required in various fields and the size of the allowed space.

자기장을 생성하는 전자기기 및 시스템에 응용할 수 있으며, 대표적으로는 자기장을 통해 동작하는 전기 모터의 성능 평가 장치가 있다.It can be applied to electronic devices and systems that generate a magnetic field, and a typical example is a performance evaluation device for an electric motor operating through a magnetic field.

한편, 본 발명에 따른 고온초전도 코일 진단용 극저온 홀센서 어레이를 극저온용 에폭시에 함침시킬 수 있다. Meanwhile, the cryogenic hall sensor array for diagnosing the high-temperature superconducting coil according to the present invention may be impregnated with cryogenic epoxy.

이 경우, 함침을 통해 일종의 코팅이 이루어지므로, 이물질 제거, 수증기 액화 방지의를 통해 극저온 환경에서의 자기장 측정을 보장하고 급격한 온도 변화를 방지함으로써 PCB의 변형을 최소화하여 변형에 의한 센서 고장을 방지할 수 있다.In this case, since a kind of coating is performed through impregnation, it is possible to prevent sensor failure due to deformation by minimizing deformation of the PCB by ensuring magnetic field measurement in a cryogenic environment through removal of foreign substances and prevention of water vapor liquefaction and prevention of rapid temperature change. can

1 . . . . . . 오프셋 홀센서 어레이
10 . . . . . . 홀센서 어레이 유닛
10A,10B,10C . . . . . . 홀센서 어레이 유닛
100 . . . . . . 홀센서부
102 . . . . . . 단일 홀센서
110 . . . . . . 입력 단자부
112 . . . . . . 단일 입력 단자
120 . . . . . . 출력 단자부
122 . . . . . . 단일 출력 단자
One . . . . . . offset hall sensor array
10. . . . . . hall sensor array unit
10A,10B,10C. . . . . . hall sensor array unit
100. . . . . . Hall sensor part
102. . . . . . single hall sensor
110. . . . . . input terminal part
112. . . . . . single input terminal
120. . . . . . output terminal part
122. . . . . . single output terminal

Claims (5)

2 이상의 홀센서 어레이 유닛을 포함하고,
상기 홀센서 어레이 유닛의 각각은 등간격으로 배치된 복수의 단일 홀센서를 갖는 홀센서부를 포함하며,
상기 2 이상의 홀센서 어레이 유닛은 인접한 홀센서 어레이 유닛 간에 홀센서부의 길이방향으로 동일한 크기의 오프셋을 갖도록 이격되어 배치되는, 고온초전도 코일 진단용 극저온 홀센서 어레이.
Including two or more hall sensor array units,
Each of the hall sensor array units includes a hall sensor unit having a plurality of single hall sensors arranged at equal intervals,
Wherein the two or more hall sensor array units are spaced apart from each other to have an offset of the same size in the longitudinal direction of the hall sensor unit between adjacent hall sensor array units.
제1항에 있어서,
상기 홀센서 어레이 유닛의 공간 분해능은, 인접한 두 단일 홀센서의 중앙부 간 거리에 상기 단일 홀센서의 너비를 더한 값인, 고온초전도 코일 진단용 극저온 홀센서 어레이.
According to claim 1,
The spatial resolution of the Hall sensor array unit is a value obtained by adding the width of the single Hall sensor to the distance between the center portions of two adjacent single Hall sensors.
제2항에 있어서,
상기 홀센서 어레이 유닛의 개수는, 상기 홀센서 어레이 유닛의 공간 분해능을 나누어 떨어지게 하는 자연수인, 고온초전도 코일 진단용 극저온 홀센서 어레이.
According to claim 2,
The cryogenic hall sensor array for diagnosing high-temperature superconducting coils, wherein the number of hall sensor array units is a natural number dividing the spatial resolution of the hall sensor array units.
제3항에 있어서,
상기 홀센서 어레이의 공간 분해능은, 상기 홀센서 어레이 유닛의 공간 분해능을 상기 홀센서 어레이 유닛의 개수로 나눈 값이 되는, 고온초전도 코일 진단용 극저온 홀센서 어레이.
According to claim 3,
The spatial resolution of the hall sensor array is a value obtained by dividing the spatial resolution of the hall sensor array unit by the number of the hall sensor array units.
제3항에 있어서,
상기 오프셋은, 상기 홀센서 어레이 유닛의 공간 분해능을 상기 홀센서 어레이 유닛의 개수로 나눈 값이 되는, 고온초전도 코일 진단용 극저온 홀센서 어레이.
According to claim 3,
The offset is a value obtained by dividing the spatial resolution of the Hall sensor array unit by the number of the Hall sensor array units.
KR1020220025060A 2021-12-28 2022-02-25 Cryogenic hall sensor array for diagnosing high temperature superconductor coil KR20230101637A (en)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117368812A (en) * 2023-12-08 2024-01-09 西南交通大学 Method and device for measuring magnetic field intensity of high-temperature superconductive magnetic levitation transportation system
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