WO2014042362A1 - 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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김인선
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Definitions

  • the present invention relates to a superconducting accelerometer, and more particularly to a superconducting accelerometer comprising a solenoid flotation coil.
  • a typical accelerometer consists of a test mass suspended from a spring. When gravity change or acceleration occurs, the test mass moves, and this moving amount is converted into a voltage signal and output.
  • Superconductors have zero electrical resistance and zero internal magnetic fields. The latter is called the Meissner effect, which has a diamagnetic property that repels an external magnetic field. For example, a magnet on a superconductor (or a superconductor on a magnet) floats in the air due to this diamagnetic effect.
  • One technical problem to be solved of the present invention is to remove the mechanical spring coupling and to provide a self-floating superconducting accelerometer.
  • Superconducting accelerometer includes a test body formed of a superconductor, including a rod-shaped body portion, a disk-shaped coupling portion connected to the body portion; A solenoid flotation coil disposed to surround a portion of the body portion and magnetically supporting the test mass and formed of a superconductor; A superconducting coil for measurement disposed on at least one side of the upper and lower portions of the coupling part; And a SQUID sensor for sensing a current according to a change in distance between the test mass and the measurement superconductor coil.
  • the test mass may further comprise a neck disposed between the body portion and the coupling portion.
  • a part of the neck portion, the body portion may further include a superconductor shielding case for magnetic shielding surrounding the solenoid support coil.
  • the bobbin is formed of a ceramic material, fixed to the superconductor shield case, the solenoid flotation coil is Can be wound on
  • the measurement superconductor coil is disposed on the upper and lower portions of the coupling portion, the measurement superconductor coil may be a spiral pancake coil.
  • the superconductor shielding case comprises: a first space accommodating the body portion and the solenoid support coil; A second space accommodating the coupling part; And a third space accommodating the SQUID sensor.
  • the test mass, the solenoid flotation coil, the superconducting coil for measurement, and a sealing can for vacuum sealing the SQUID sensor the inside of the can is evacuated to a vacuum after helium It can be filled with gas.
  • the sealing can may be made of niobium (Nb).
  • a superconductor shielding case disposed inside the sealing can and surrounding a portion of the neck, the body portion, and the solenoid support coil to magnetically shield;
  • a fixing plate coupled to an upper surface of the superconductor shielding case;
  • a heat transfer body of a flexible material for thermally connecting the temperature control heater and the fixing plate; and a temperature sensor coupled to the superconductor shield case.
  • Acceleration measurement apparatus is a dewar for receiving a refrigerant therein;
  • an acceleration sensor disposed inside the sealed can.
  • the acceleration sensor includes a rod-shaped body portion, a neck portion connected to the body portion, and a test mass formed of a superconductor including a coupling portion in the form of a plate connected to the neck portion; A solenoid flotation coil disposed to surround a portion of the body portion and magnetically supporting the test mass and formed of a superconductor; A superconducting coil for measurement disposed on at least one side of the upper and lower portions of the coupling part; And a SQUID sensor for sensing a current according to a distance between the test mass and the measurement superconductor coil.
  • a superconductor shielding case disposed inside the sealing can and surrounding the portion of the neck, the body portion, and the solenoid flotation coil to magnetically shield; and coupled to the upper surface of the superconductor shielding case It may further include a fixing plate.
  • three horizontal holding strings connected to the corner of the equilateral triangle to the fixed plate of the disk shape; And leveling pipes connecting the sealing can and the dewar so that each of the leveling strings extends.
  • the level of the fixing plate may be adjusted by adjusting the length of the leveling straps.
  • Acceleration measurement method includes a rod-shaped body portion, the neck portion connected to the body portion, and the test mass body formed of a superconductor coupled to the disc-shaped coupling portion, the superconductor wrapped around a portion of the body portion Cooling the solenoid flotation coil, and the superconducting coil for measurement; Supporting the test mass by applying a first permanent current to the solenoid flotation coil; Applying a second permanent current to the measurement superconducting coil disposed on at least one of the upper and lower portions of the coupling part; And sensing a change in the second permanent current according to an acceleration change with a SQUID sensor.
  • the step of supporting the test mass may include heating a portion of the solenoid flotation coil above a threshold temperature and applying a current using a current source and removing the current source. .
  • the step of applying a second permanent current to the measurement superconductor coil is heated a portion of the measurement superconductor coil above a threshold temperature and then applying a current using a current source and the current source It may include the step of removing.
  • the superconducting accelerometer according to an embodiment of the present invention removes the mechanical spring coupling and uses a magnetic levitation method. Thus, more accurate acceleration measurement is possible.
  • FIG. 1A and 1B are equivalent circuit diagrams illustrating an acceleration sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a superconducting accelerometer according to an embodiment of the present invention.
  • 3A and 3B are equivalent circuit diagrams of the superconducting accelerometer of FIG.
  • FIG. 4A is a plan view illustrating an acceleration measuring apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line II ′ of FIG. 4A.
  • the basic principle of all accelerometers is that the change in acceleration causes the test mass to move, measuring this moving distance (microdisplacement).
  • the present invention uses a superconducting phenomenon to self-suspend the test mass.
  • a test mass made of superconductor moves, the inductance of the superconducting coil for measurement placed in proximity to the test mass changes.
  • This change in inductance changes the current flowing in the superconducting coil for measurement in order to keep the stored energy constant. Accordingly, the current flowing through the measuring superconductor coil changes the magnetic field, and the current or the magnetic field is converted into a voltage by the SQUID sensor through a transformer or a current transformer.
  • the measurement area is widened, it is possible to efficiently detect the change in inductance according to the micro displacement of the test mass.
  • the superconducting accelerometer eliminates the mechanical spring coupling, which is the biggest obstacle in the high performance acceleration measuring device, and supports the test mass with electromagnetic force.
  • the test mass also includes a body, a neck, and a coupling.
  • the body portion has a shape suitable for superconducting magnetic levitation
  • the coupling portion has a shape suitable for coupling with a superconducting coil for measurement.
  • the neck is also designed to minimize leakage magnetic fields.
  • the small diameter neck is arranged to penetrate the superconducting magnetic shield case, so that the magnetic field generated in the solenoid floating coil is leaked toward the measuring superconducting coil.
  • a portion of the body portion is inserted into the solenoid support coil, the test mass is magnetically levitation, stable posture can be maintained, so as not to interfere with the front and rear and left and right directions.
  • the superconducting coil for measurement is in the form of a spiral pancake, which is disposed on both sides of the coupling portion of the disc shape. Accordingly, the current difference generated in each of the measurement superconductor coils is summed to cause an amplification effect.
  • the superconductor sealing can seals the entire accelerometer in a vacuum.
  • the sealing can may include niobium.
  • the sealed can blocks a magnetic field from the outside by using a superconducting shielding property.
  • the helium gas cools the accelerometer by continuous heat transfer with liquid helium outside the sealed can.
  • the temperature sensor attached to the accelerometer measures temperature, and when the temperature sensor decreases below a predetermined reference temperature, the temperature control heater delivers energy to the accelerometer through a flexible heat transfer body to maintain a predetermined reference temperature. Can be controlled. That is, the change in the magnetic field penetration depth of the superconductor according to the temperature change is minimized.
  • FIG. 1A and 1B are equivalent circuit diagrams illustrating an acceleration sensor according to an embodiment of the present invention.
  • the superconducting accelerometer 100 includes a rod-shaped body portion 120a and a test mass 120 formed of a superconductor including a coupling portion 120c connected to the body portion 120a. ),
  • the solenoid support coil 110 which is disposed to surround a portion of the body portion 120a and magnetically supports the test mass 120 and is formed of a superconductor, and disposed on at least one side of the upper and lower portions of the coupling portion 120c.
  • the measurement superconductor coil 130, and the SQUID sensor 144 for sensing the current flowing in the measurement superconductor coil 130.
  • the inductance of the superconducting coil for measurement disposed in close proximity to the test mass 120, which is a superconductor, is given as follows.
  • ⁇ 0 is the vacuum permeability
  • n is the number of turns per length of the measurement superconductor coil
  • A is the area of the measurement superconductor coil 130
  • d is the measurement superconductor coil 130 and the test mass Distance between 120.
  • the inductance is proportional to the distance between the test mass 120 and the measurement superconductor coil 130. The change in distance changes the inductance, and the change in inductance changes the permanent current flowing through the measurement superconductor coil 130.
  • the measurement superconductor coil 130 is connected to a transformer 140 or a current transformer.
  • the primary coil of the transformer 140 is directly connected to the measuring superconductor coil 130.
  • the primary coil is a superconductor.
  • the secondary coil of the transformer 140 may be formed of a superconductor. Can be.
  • the secondary coil may be connected to the pickup coil 142, and the pickup coil 142 may be magnetically coupled to the SQUID sensor 144.
  • the output of the SQUID sensor 144 may be connected to the signal processor 146. have.
  • the signal processor 146 may be disposed outside that is not cooled.
  • the measuring superconductor coil 130 and the primary coil of the transformer 140 are connected to each other to form a closed loop.
  • the first heat-switch 132 may be a heater attached to a portion or a wire of the superconductor wire of the measurement superconductor coil 130.
  • the first heat switch 132 receives energy from a current source (not shown) and generates heat, the temperature of the superconductor wire is increased by more than a superconducting threshold temperature by receiving heat from the first heat switch 132.
  • the superconductor wire is in a superconducting state, and the resistance becomes zero.
  • the first heat switch 132 is turned on, the heated portion of the superconductor wire is broken in the superconducting wire. Generates.
  • the external current source 134 applies a predetermined external current to the measurement superconductor coil 130, and in the state where the external current is applied, the first heat-switch.
  • the switch 132 is turned off, the superconducting current flows into the circuitry forming the closed loop. In this case, even if the external current source 134 is removed, the predetermined current flows indefinitely in the closed loop. This permanently flowing current is called superconducting permanent current.
  • the closed circuit stores magnetic energy, and the magnetic energy is conserved.
  • the solenoid support coil 110 is disposed to surround the lower portion of the body portion 120a.
  • the solenoid flotation coil 110 forms a closed loop.
  • a second heat switch 112 is disposed around a portion of the solenoid flotation coil 110 or the connecting lead. When the second heat-switch 112 is turned on, the current source 116 heats the second heat-switch 112, and thermal energy generated by the second heat-switch is adjacent to the solenoid flotation coil 110. A portion of is heated above the critical temperature.
  • the external current source 114 applies a predetermined external current to the solenoid flotation coil 110, and in the state in which the external current is applied, the second heat switch When 112 is turned off, superconducting currents flow into the circuitry that makes up the closed loop. In this case, even if the external current source 114 is removed, the predetermined current flows indefinitely in the closed loop.
  • the closed loop stores magnetic energy, and the magnetic energy is conserved. Accordingly, the solenoid flotation coil 110 functions like a permanent magnet.
  • the test mass 120 is formed of a superconductor and has diamagnetic properties. Therefore, the solenoid flotation coil 110 may levitation by applying a force (Fm) to the test mass 120 against gravity (g).
  • the test mass 120, the solenoid flotation coil 110, and the measurement superconductor coil 130 must be cooled below a critical temperature.
  • a first permanent current is applied to the solenoid flotation coil 110 to support the test mass 120.
  • a portion of the solenoid flotation coil 110 is heated to a temperature higher than or equal to a threshold temperature using a second heat switch 112, and the solenoid
  • a first permanent current may flow through the solenoid flotation coil 110.
  • a second permanent current is applied to the superconducting coil 130 for measurement disposed on at least one of the upper and lower portions of the coupling part 120c.
  • a second permanent current is applied to the measurement superconductor coil 130.
  • the surroundings of the portion of the measurement superconductor coil 130 using the first heat switch 132 are heated above a threshold temperature, and the measurement If the first heat switch 132 is turned off while applying current to the superconducting coil 130, a second permanent current may flow through the superconducting coil 130 for measurement.
  • the SQUID sensor 144 may detect a change in the second permanent current according to the acceleration change.
  • solenoid flotation coil 110 the test mass 120, and the measurement superconductor coil 130 may be adjusted to maintain a constant reference temperature below the threshold temperature.
  • solenoid flotation coil 110, the test mass 120, and the measurement superconductor coil 130 may be adjusted to maintain the horizontal.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a superconducting accelerometer according to an embodiment of the present invention.
  • 3A and 3B are equivalent circuit diagrams of the superconducting accelerometer of FIG.
  • the superconducting accelerometer 100a includes a rod-shaped body portion 120a and a disc-shaped coupling portion 120c connected to the body portion 120a and formed of a superconductor.
  • the solenoid flotation coil 110 and the coupling part 120c which are arranged to surround a test mass 120 and a part of the body portion 120a and self-lift the test mass 120 and are formed of a superconductor.
  • the measuring superconductor coil 130 disposed on at least one side, and a SQUID sensor 144 for sensing the current flowing in the measuring superconductor coil.
  • the test mass 120 may include a neck portion 120b disposed between the body portion 120a and the coupling portion 120c.
  • the test mass 120 may include a body portion 120a, a neck portion 120b, and a coupling portion 120c continuously connected to each other.
  • the body portion 120a has a cylindrical shape and has a first diameter.
  • the neck 120b has a cylindrical shape and has a second diameter.
  • the coupling part 120c has a disc shape and has a third diameter. The first diameter is larger than the second diameter and smaller than the third diameter. It is present on the body portion (120a) side on the central axis of the center of gravity of the test mass (120). Accordingly, the test mass 120 may have stability against swinging during levitation.
  • the body portion 120a and the neck portion 120b may be integrally formed, and an upper end portion of the neck portion 120b may have a male screw structure. Accordingly, the upper end of the neck portion 120b may be coupled to a female thread or a hole formed in the center of the coupling portion 120c.
  • the lower edge portion of the body portion 120a may be curved.
  • the superconductor shielding case 150 may shield a part of the neck 120b, the body 120a, and the solenoid support coil 110 to magnetically shield.
  • the superconductor shielding case 150 may have a cylindrical shape.
  • the solenoid support coil 110 may be disposed to surround the lower end of the body portion 120a in the superconductor shielding case 150.
  • the magnetic field generated by the solenoid flotation coil 110 does not penetrate the body portion 120a.
  • the superconductor shielding case 150 may include a through hole at a position at which the neck part 120b passes so that the magnetic field does not reach the measurement superconductor coil 130. Accordingly, the magnetic field does not pass through the through hole because the diameter of the body portion 120a is larger than the diameter of the neck portion 120b.
  • the superconducting coil 130 for measurement may be disposed on the upper and lower surfaces of the coupling part 120c.
  • the measurement superconductor coil 130 may include a measurement superconductor upper coil 130a and a measurement superconductor upper coil 130b.
  • the measurement superconductor upper coil 130a may have the same structure as the measurement superconductor lower coil 130b.
  • Each of the measurement superconductor coils 130 may include heat switches 132a and 132b.
  • the measurement superconductor coil 130 may be a spiral pan-cake coil.
  • the measuring superconductor upper coil 130a and the measuring superconductor lower coil 130b are connected to each other to form a first closed loop.
  • the first heat switch 132a may be disposed around the first closed loop.
  • One end of the measurement superconductor upper coil 130a and one end of the measurement superconductor lower coil 130b are connected at the first node N1.
  • the other end of the measurement superconductor upper coil 130a and the other end of the measurement superconductor lower coil 130b are connected at the second node N2.
  • a new second loop may be formed to connect the first node N1 and the second node N2 and to be connected to the primary coil of the transformer 140.
  • the second heat switch 132b may be disposed around the second loop.
  • the superconducting accelerometer 100a uses the solenoid flotation coil 110 made of a superconductor to magnetically float the test mass 120 and stabilize the posture.
  • the acceleration change of the test mass 120 induces a change in displacement between the measurement superconductor coil 130 and the test mass 120, and the change in displacement induces a change in the superconducting permanent current that is extremely stable,
  • the change in the permanent current may be converted into a voltage using the SQUID sensor 144, which is an ultra-high sensitivity magnetic sensor.
  • the body portion 120a When the body portion 120a is inserted into the center of the solenoid support coil 110, the body portion 120a is magnetically floated. According to the strength of the magnetic field of the solenoid support coil 110, the body portion 120a may be adjusted in the vertical direction. When the body portion 120a is pulled to one side, the lines of magnetic force are pressed to produce the body portion as in the magnetic levitation effect. Therefore, the body portion 120a is always located at the center of the solenoid flotation coil 110. Therefore, the test mass 120 designed so that the center of gravity is lowered is stably supported by the solenoid flotation coil 110 while suppressing left and right fluctuations.
  • the test mass 120 stably magnetically floated by the solenoid flotation coil 110 is adjusted to approach the superconducting coil 130 for measurement in the form of a pancake.
  • the test mass 120 is moved by an acceleration change, a displacement occurs, and a current change occurs.
  • the changed current is transmitted to the secondary coil of the transformer 140 or the current transformer, and the current transmitted to the secondary coil of the transformer 140 is output as a voltage through the pickup coil 142 and the SQUID sensor 144.
  • FIG. 4A is a plan view illustrating an acceleration measuring apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line II ′ of FIG. 4A.
  • the acceleration measuring apparatus 200 includes a dewar 180 accommodating a refrigerant therein, and a sealing can 170 disposed inside the dewar 180 and exhausted by vacuum and filled with helium gas 170. ), And an acceleration sensor 100a disposed inside the sealing can 170.
  • the acceleration sensor 100a includes a rod-shaped body portion 120a, a neck portion 120b connected to the body portion 120a, and a coupling portion 120c connected to the neck portion 120b and formed of a superconductor.
  • the test mass 120 formed to surround a portion of the body portion 120a and the solenoid support coil 110 formed of a superconductor, which self-lifts the test mass 120 and the upper and lower portions of the coupling portion 120c.
  • the superconducting coil 130 for measurement disposed on at least one side of the, and the SQUID sensor 144 for sensing the current flowing in the measuring superconductor coil.
  • the dewar 180 is a cooling device for storing a liquid refrigerant therein.
  • the dewar 180 may include a vacuum layer and a heat shield layer.
  • the dewar 180 may have a cylindrical shape and may include a lid 181. Ports 183, 185, and 187 may be arranged on the lid 181 of the dewar 180 to fix the pipes extending from the sealing can 170.
  • the sealing can 170 may be formed of niobium and may accommodate the acceleration sensor 100a therein.
  • the sealing can 170 may have a cylindrical shape.
  • the inside of the sealing can 170 may be filled with helium gas after being evacuated to a vacuum. Accordingly, the internal pressure of the sealing can 170 may be constant.
  • the sealing can 170 may include a cylindrical body portion and a top plate 172.
  • the body portion and the top plate 172 may be sealed with indium 171.
  • the vacuum pipe 175 may be disposed on the through hole formed at the center of the upper plate 172, and may be vertically extended to be connected to the port 185 disposed on the lid 181 of the dewar 180.
  • the top plate 172 of the sealing can 170 may be provided with a horizontal maintenance pipe 173 extending vertically from the corner of the equilateral triangle coinciding with the center of the top plate 172.
  • the horizontal holding pipe 173 is disposed on a through hole formed in the upper plate 172, and the horizontal holding pipe 173 is connected to a port 183 disposed in the lid 181 of the dewar 180. Can be connected.
  • An electrical connection connector port 177 may be disposed on the top plate 172 of the mill bone can 170.
  • a disc-shaped fixing plate 160 may be horizontally disposed in the sealing can 170.
  • the fixing plate 160 may be stainless steel or superconductor.
  • the superconductor shielding case 150 may be mounted below the fixing plate 160.
  • three horizontal holding strings 167 extending vertically from the corners of the equilateral triangle coinciding with the center of the fixing plate 160 may extend through the inside of the horizontal holding pipe 173.
  • the length of the leveling strap 167 may be adjusted through the adjusting unit 184 installed on the top plate 181 of the Dewar 180, respectively. Accordingly, the horizontal of the fixing plate 160 and the superconductor turn case 150 can be adjusted.
  • the superconductor shielding case 150 may be disposed inside the sealing can 170 and may be magnetically shielded by surrounding a part of the neck part 120b, the body part 120a, and the solenoid support coil 110.
  • the temperature control heater 164 may be disposed inside the sealing can 170.
  • the temperature control heater 164 may be mounted on the lower surface of the upper plate 172 of the sealing can 170. Thermal energy of the temperature control heater 164 may be transmitted to the fixing plate 160 through a heat transfer member 162 of a flexible material.
  • the heat transfer member 160 may heat the fixing plate 160 and the superconductor shielding case 150.
  • the temperature sensor 166 may be mounted on an outer side surface of the superconductor shielding case 150. The temperature sensor 166 detects the temperature of the superconductor shielding case 150, and when the temperature of the superconductor shielding case 150 drops below a predetermined reference temperature, the temperature control heater 164 operates to operate the superconductor.
  • the shielding case 150 may be maintained at a reference temperature.
  • the superconductor shielding case 150 may have a cylindrical shape.
  • the superconductor shielding case 150 includes a first space 151 for accommodating the body portion 120a of the test mass 120 and the solenoid support coil 110, and a coupling portion 120c of the test mass 120. It may include a second space 153 for receiving a, and a third space 155 for receiving the SQUID sensor 144.
  • the superconducting coil 130 for measurement may be disposed in the second space 153.
  • the coil bobbin 111 may be disposed in the first space 151 to which the solenoid flotation coil 110 is wound.
  • the coil bobbin 111 may have a cylindrical shape and may be a ceramic material.
  • the superconductor shielding case 150 may include first to fourth components 150a to 150d sequentially stacked.
  • the first to fourth components 150a to 150d may be aligned with each other and coupled to each other.
  • the first component 150a may have a cylindrical shape in which one end is blocked and the other end is opened.
  • the solela floating coil 110 wound around a coil bobbin may be disposed.
  • the second component 150b may have a through hole in the center thereof, one end of which may be opened, and the other end of which may be a closed cylindrical structure.
  • the second component may be stacked on the other end of the first component such that the open side faces upward.
  • the neck portion 120b is inserted into the through hole, and the body portion 120b is disposed inside the first component 150a.
  • One end of the third component 150c may be open, and the other end thereof may have a cylindrical shape.
  • the third component 150c may be disposed so that the blocked surface faces upward.
  • the coupling part 120c may be disposed in the third component 150c.
  • the superconducting coil 130 for measurement may be disposed on the upper and lower surfaces of the coupling part 120c.
  • the measurement superconductor coil 130 may be a spiral pancake coil.
  • the measurement superconductor coil 130 may include a measurement superconductor upper coil 130a and a measurement superconductor lower coil 130b.
  • the measurement superconductor coil 130 may be fixed to the ceramic bases 131a and 131b.
  • the fourth component 150d may have a cylindrical shape with one end open and the other end blocked.
  • the fourth component 150d may be disposed so that the blocked surface faces upward.
  • a SQUID sensor may be disposed in the fourth component 150d.

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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
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 SQUID 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.
100: 초전도 가속도계 120: 시험 질량체
120a: 몸체부 120b: 목부
120c: 결합부 110: 솔레노이드 부양 코일
130: 측정용 초전도체 코일 144: SQUID 센서
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 SQUID 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.

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. 제1 항에 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 채워지는 것을 특징으로 하는 초전도 가속도계.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 밀봉 캔의 재질은 나이오븀(Nb)인 것을 특징으로 하는 초전도 가속도계.
  9. 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.
  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 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 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 밀폐 켄 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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