WO2014069814A1 - 저온 냉각 장치 및 초전도 양자 간섭 소자 센서 모듈 - Google Patents

저온 냉각 장치 및 초전도 양자 간섭 소자 센서 모듈 Download PDF

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이용호
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김진목
김기웅
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    • H05K7/02—Arrangements of circuit components or wiring on supporting structure
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00—Superconducting devices

Definitions

  • the present invention relates to a low temperature cooling device and to a split type low temperature cooling device.
  • Superconductive QUantum Interference Device (SQUID) sensors used in biomagnetic measurements operate at cryogenic temperatures of 4K absolute.
  • the SQUID sensor has a measurement sensitivity of several fT / ⁇ Hz. Therefore, the SQUID system for biomagnetic measurement requires a low temperature refrigerant storage container capable of storing cryogenic refrigerants.
  • the low temperature refrigerant storage container should be made of a non-magnetic material that does not exhibit magnetic properties for stable operation of the SQUID sensor without distorting the magnetic field generated from the living body.
  • liquefied helium used as a refrigerant of the SQUID sensor is very expensive. Therefore, the supply is limited and the evaporation rate should be minimized.
  • One technical problem to be solved by the present invention is to provide a low temperature cooling device having a structure for reducing vibration noise and the evaporation rate of the refrigerant and a SQUID sensor module mounted on the low temperature cooling device.
  • Low temperature cooling apparatus is an outer container; An inner container disposed inside the outer container and including a neck having a first diameter and a body having a second diameter greater than the first diameter; An insert inserted into the neck of the inner container; And a plurality of SQUID sensor modules inserted into the body portion of the inner container, wherein each of the SQUID sensor modules has a fan shape and is fixedly coupled to an inner bottom plate of the inner container.
  • the inner bottom plate may include a partition wall so that the SQUID sensor module is inserted and aligned.
  • the insert further comprises an intermediate connection block, the wiring of the SQUID sensor module may be electrically connected to the intermediate connection block.
  • the SQUID sensor module includes an upper sensor coupling plate including a through hole; An upper sensor coupling plate including a protrusion disposed to be aligned with the through hole; An upper printed circuit board including a printed circuit board through hole aligned with the through hole and disposed below the upper sensor coupling plate; And one end inserted into the through hole and the printed circuit board through hole, and the other end including a groove inserted into the protrusion.
  • the upper sensor coupling plate may further include an auxiliary through hole.
  • the upper sensor coupling plate may further include a trench formed on the lower surface.
  • the SQUID sensor module may further include a module coupling pillar for coupling to the inner bottom plate through the central region of the fan shape.
  • the SQUID sensor is a bobbin to which the pickup coil is wound; A SQUID mounted to the bobbin and electrically connected to the pickup coil; And a printed circuit board electrically connected to the SQUID and fixed to the bobbin.
  • the bobbin is a circular columnar body portion; An incision part connected to the body part and cut to form a plane; A square pillar connected to the cutout and having a rectangular cross section; And a circular pillar portion extending from the center of the square pillar portion, and the groove may be formed on a lower surface of the body portion.
  • each of the SQUID sensor module is a manganese wire electrically connected to the SQUID sensor module; Plastic braided wire for protecting the manganese wire; And may include a connector for connecting to the manganese wire.
  • Low temperature cooling apparatus is an outer container; An inner container disposed inside the outer container and including a neck having a first diameter and a body having a second diameter greater than the first diameter; An insert inserted into the neck of the inner container; And a plurality of SQUID sensor modules inserted into the body portion of the inner container, each of the SQUID sensor modules aligned and fixedly coupled to an inner bottom plate of the inner container separated by a partition wall.
  • the SQUID sensor module is inserted into a low temperature cooling device including an inner container and an outer container.
  • the SQUID sensor module includes an upper sensor coupling plate including a coupling groove and a through hole to which the coupling tool is coupled; A lower sensor coupling plate including a protrusion disposed to be aligned with the through hole; An upper printed circuit board including a printed circuit board through hole aligned with the through hole and disposed below the upper sensor coupling plate; And a SQUID sensor having one end inserted into the through hole and the printed circuit board through hole, and the other end including a groove inserted into the protrusion.
  • the upper sensor coupling plate may further include an auxiliary through hole through which the refrigerant bubble passes.
  • the upper sensor coupling plate may further include a trench formed at a lower surface thereof, and wirings of the SQUID sensor module may be embedded in the trench.
  • the SQUID sensor module may further include a module coupling pillar for coupling to the bottom plate of the inner container.
  • the SQUID sensor is a bobbin to which the pickup coil is wound; A SQUID mounted to the bobbin and electrically connected to the pickup coil; And a printed circuit board electrically connected to the SQUID and fixed to the bobbin.
  • the bobbin is a circular columnar body portion; An incision part connected to the body part and cut to form a plane; A square pillar connected to the cutout and having a rectangular cross section; And a circular pillar portion extending from the center of the square pillar portion, wherein the groove may be formed on a lower surface of the body portion.
  • the SQUID sensor module comprises a manganese wire electrically connected to the SQUID sensor module; Plastic braided wire for protecting the manganese wire; And may further include a connector for connection to the manganese wire.
  • the cooling apparatus reduces the refrigerant evaporation rate of the low temperature refrigerant storage container for cooling the SQUID sensor and removes vibration noise transmitted through the measuring probe equipped with the SQUID sensor.
  • the SQUID sensor can operate stably and obtain a high signal to noise ratio.
  • the cooling apparatus according to the present invention was applied to an Axial type 64 channel MMC system.
  • the unit SQUID sensor module included 16 channels and the MCG system included 4 modules.
  • System instability due to the individual vibrations of the SQUID sensors coupled to each SQUID sensor module has been eliminated, and the signal-to-noise ratio has been improved by eliminating vibration noise, and the shape of the low temperature refrigerant reservoir can be changed, so that the evaporation rate of liquefied helium More than 50 percent.
  • FIG. 1 is a partial perspective view illustrating a low temperature cooling apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating the SQUID sensor module of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating the low temperature cooling device of FIG. 1.
  • FIG. 4 is a perspective view illustrating a SQUID sensor module.
  • FIG. 5 is a plan view illustrating the upper sensor coupling plate viewed in the direction A of FIG. 4.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line II ′ of FIG. 5.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line II-II ′ of FIG. 5.
  • 8A is a plan view showing a SQUID sensor.
  • 8B is a front view illustrating the SQUID sensor.
  • FIG. 8C is a cross-sectional view taken along the line III-III ′ of FIG. 8A.
  • FIG. 8D is a cross-sectional view taken along the line IV-IV ′ of FIG. 8A.
  • the cold refrigerant storage container includes an outer container and an inner container inserted into the outer container.
  • the space between the inner container and the outer container is maintained in a vacuum state.
  • the structure of the low temperature refrigerant storage vessel for reducing the liquefied helium evaporation rate generally uses a three-layer thermal shield to reduce the temperature gradient. More than 100 layers of superinsulators and polyester nets are installed between each thermal shield in order to block radiant heat ingress.
  • a vacuum layer is arranged to prevent heat conduction outwards from the main reservoir of the inner container containing low temperature refrigerant.
  • the size and shape of the low temperature refrigerant storage container varies depending on the biomagnetic measurement site (brain, heart, liver, electromyogram, etc.). The evaporation rate of the refrigerant is greatly affected by the size and shape of the low temperature refrigerant storage container.
  • SQUID devices for biomagnetic measurements generally acquire signals from a wide range of areas, such as the heart and head, and perform signal analysis. Therefore, the SQUID system for biomagnetic measurement uses a multi-channel SQUID sensor. Typically, for core diagrams, 64 channels are used. For the brain map, 128 to 300 channels are used.
  • the measurement probe is a means of coupling a multichannel SQUID sensor.
  • a plurality of SQUID sensors are mounted on a circular plate for sensor coupling.
  • An insert is placed in the neck of the inner container. The insert is fixedly coupled to the measurement probe, and the measurement probe is immersed in the refrigerant.
  • the material of the low temperature refrigerant storage container is G-10 epoxy, which is glass reinforced epoxy.
  • the G-10 epoxy has low thermal conductivity and shrinkage.
  • shrinkage when cooled to room temperature (absolute temperature 300K) to liquefied helium temperature (4K), shrinkage of several millimeters (mm) per meter (m) occurs. do.
  • the measuring probe requires a shock absorber such as a spring.
  • the shock absorber may be implemented inside the insert.
  • Heat inflow from the low temperature refrigerant storage container to the low temperature refrigerant consists of radiant heat and conductive heat. Due to the structure of the low temperature coolant storage container, heat inflow by conduction heat is limited by the vacuum layer at the side and the bottom thereof. However, heat is introduced by radiant heat. However, heat inflow by radiant heat can be largely prevented by installing multiple layers of superinsulators and polyester nets.
  • Heat inflow by conduction heat is mainly through the inlet of the low temperature refrigerant reservoir for the insertion of the measuring probe and the G-10 epoxy constituting the measuring probe.
  • Multichannel SQUID devices for biomagnetic measurements require large area measurement probes.
  • the measuring probe is inserted through the inlet of the low temperature refrigerant reservoir. Therefore, the inlet of the low temperature refrigerant storage container for cooling the measuring probe should also be wide to match the size of the measuring probe.
  • the evaporation rate of the refrigerant increases in proportion to the cross-sectional area of the inlet of the low temperature refrigerant storage container. In order to reduce the loss of the refrigerant, a structure for reducing the inlet of the low temperature refrigerant storage container is required.
  • the measurement probe supports a circular plate for SQUID sensor coupling using several epoxy tubes extending from the top plate of the inner container.
  • a shock absorber is required for the length arrangement of the measuring probe and the low temperature refrigerant reservoir.
  • the measurement probe equipped with the low temperature refrigerant storage container and the SQUID sensor is placed at the bottom of the container without being fixed inside the container.
  • the shock absorber causes external vibration and internal vibration due to bubbles generated inside the refrigerant. Accordingly, the external vacuum and the internal vibration cause vibration noise under a magnetic field.
  • the vibration noise interferes with the stable operation of the SQUID sensor.
  • the vibration noise may reduce the signal-to-noise ratio.
  • each SQUID gradiometer having a baseline length of several tens of millimeters is fixed to the sensor coupling plate in multiple channels, there is a problem in that the length and direction of each SQUID gradiometer are not constant. . As the length of the sensor is not constant, the SQUID differential meter vibrates individually. In addition, each SQUID differential meter measures a signal that contains individually introduced vibration noise. Thus, the accuracy of signal analysis is poor. In a multichannel SQUID system, if the detection coil orientation of individual sensors is not constant, the sensors measure different components for magnetic fields from the same signal source. Thus, errors in signal localization can occur.
  • Low temperature cooling device 100 is the outer container 120, the neck 112 having a first diameter (D1) disposed inside the outer container 120 and than the first diameter
  • An inner container 110 comprising a body portion 114 having a large second diameter D2, an insert 130 inserted into the neck 112 of the inner container 110, and the inner container 110. It includes a plurality of SQUID sensor module 150 is inserted into the body portion of 114. Each of the SQUID sensor modules 150 has a fan shape, and is fixedly coupled to the inner bottom plate 115 of the inner container 150.
  • the outer container 120 includes an outer cylinder 121 that includes an outer bottom plate 122.
  • the outer container may be formed of G-10 epoxy.
  • the lower end of the outer container may be tapered.
  • the inner container 110 extends vertically from the top plate 11, the neck portion 112 extending vertically from the top plate 111, the middle plate 113 connected to the neck portion 112, and the middle plate 113.
  • the inner container 110 is formed of G-10 epoxy, the bonding portion may be bonded with an epoxy resin.
  • the inner body 114 may receive a refrigerant.
  • the first support part 141 having a washer shape may be disposed on an outer surface of the neck 112.
  • the first support part 141 may be formed of G-10 epoxy.
  • the first heat shield 142 may be coupled to an outer circumferential surface of the first support 141.
  • the first heat shield 142 may be formed of a cylindrical conductor.
  • the lower end of the first heat shield 142 may have a slit shape.
  • the first heat shield 142 may extend in a vertical direction to surround the inner body 114.
  • the second support part 143 may be disposed on the outer surface of the neck 112 to be vertically spaced apart from the first support part 141.
  • the second support part 143 may have a washer shape.
  • the second heat shield 144 may be formed of a cylindrical conductor.
  • the second heat shield 144 may be coupled to an outer circumferential surface of the second support 143.
  • the diameter of the second heat shield 144 may be smaller than the diameter of the first heat shield 142.
  • the third support part 145 may be vertically spaced apart from the second support part 143 to be coupled to the outer surface of the neck part 112.
  • the third support part 145 may have a washer shape.
  • the third heat shield 146 may be formed of a cylindrical conductor.
  • the third heat shield 146 may be coupled to an outer circumferential surface of the third support 145.
  • the diameter of the third heat shield 146 may be smaller than the diameter of the second heat shield 144.
  • the third heat shield 146 may extend to surround the lower surface of the inner container 110.
  • the space between the inner container 110 and the outer container 120 may be in a vacuum state.
  • a first superinsulation layer 147 may be disposed between the first heat shield 142 and the second heat shield 144.
  • a second super insulation layer 148 may be disposed between the second heat shield 144 and the third heat shield 146.
  • the vacuum layer may block inflow of conductive heat
  • the first to third heat shields 142, 144, and 146 may block inflow of radiant heat.
  • the first superheat insulation layer 147 and the second super insulation layer 148 may block inflow of radiant heat.
  • the first superheat insulation layer 147 and the second super insulation layer 148 may each include 30 or more sheets of superinsulator and polyester net.
  • Insert 130 is an insert top plate 131, a guide rod 132 coupled to the insert top plate 131 and extending vertically, an insert baffle 133 inserted into the guide rod 132, and the insert baffle ( It may include an intermediate connection block 135 disposed between the 133.
  • the insert top plate 131 has a disc shape and may be formed of G-10 epoxy.
  • the guide rod 132 is formed of G-10 epoxy and may have a rod shape or a pipe shape.
  • the insert baffle 133 may include a high thermal insulation styrofoam 133a and a conductive plate 133b.
  • the conductive plate 133b may include an aluminum-coded mylar stacked in order to block radiant heat, and a copper layer.
  • the insert baffle 133 may block external heat conduction and radiant heat inflow.
  • An upper connection block 137 for connecting to a flux-locked-loop circuit (FLL circuit) may be disposed on the insert upper plate 131.
  • Styrofoam 133a may be disposed directly below the insert upper plate 131, and a conductive plate 133b may be disposed below the styrofoam 133a.
  • An auxiliary support plate 136 may be disposed below the conductive plate 133b to fix the intermediate connection block 135.
  • the auxiliary support plate 136 may be formed of G-10 epoxy. The auxiliary support plate 136 may be inserted into and fixed to the guide rod 132.
  • the intermediate connection block 135 may be coupled to the 32-pin connector 196 electrically connected to the wiring of the SQUID sensor module 150.
  • the intermediate connection block 135 may be a means for coupling the 32-pin connector 196 connected to the wiring of the SQUID sensor module 150.
  • the intermediate connection block 135 may be electrically connected to the upper connection block 137 by a manganese line.
  • the intermediate connection block 135 blocks mechanical connections from the outside and is used only for electrical connection.
  • the measurement probe comprises a disc-shaped sensor coupling plate on which the SQUID sensors are arranged.
  • the diameter of the large area sensor coupling plate cannot be larger than the diameter of the neck. Therefore, the diameter of the neck portion is manufactured to be larger than the diameter of the sensor coupling plate.
  • the heat inflow to the refrigerant is inversely proportional to the length (L) of the neck of the inner container, and increases in proportion to the cross-sectional area of the annoying neck.
  • the sensor coupling plate for fixing the SQUID sensor was separated into 1/3, 1/4, or 1/6 to have a fan shape according to the size and shape of the neck.
  • the sensor coupling plate when the sensor coupling plate is divided into 1/4 to have a fan shape, 16 SQUID sensors may configure one SQUID sensor module.
  • dividing the sensor coupling plate can reduce the cross-sectional area of the neck by two times or more than when using the original plate.
  • the heat introduced through the neck can be reduced by more than two times.
  • the inner bottom plate of the inner container is divided into quarters in a fan shape.
  • a fixing nut for fixing the SQUID sensor module is formed on the inner bottom plate.
  • each SQUID sensor module must have a position coordinate for localization and signal analysis of the biomagnetic signal source.
  • the SQUID sensor module needs to be aligned with the inner container.
  • the inner bottom plate may include a partition that can guide each SQUID sensor module.
  • dividing the sensor coupling plate into 1/4 and 1/6 may provide a bottom surface of an inner container having a thick partition wall capable of guiding each SQUID sensor module. Accordingly, the thickness of the bottom plate of the inner container can be reduced. Accordingly, the distance between the magnetic signal source generated as the measurement target and the detection coil of the SQUID sensor is reduced.
  • the SQUID sensor module 150 includes an upper sensor coupling plate 151 including a through hole 1511, a lower sensor coupling plate 153 including a protrusion 1531 disposed to be aligned with the through hole 1511.
  • An upper printed circuit board 154 including a printed circuit board through hole 1541 aligned with the through hole 1511 and disposed under the upper sensor coupling plate 151, and one end of the through hole 1511.
  • a SQUID sensor 152 including a groove 1536 inserted into the printed circuit board through hole 1541 and the other end inserted into the protrusion 1531.
  • the upper sensor coupling plate 151 has a fan shape and may be formed of G-10 epoxy.
  • the upper sensor coupling plate 151 may include a through hole 1511 into which the SQUID sensor 152 is inserted.
  • the upper sensor coupling plate 151 may include an auxiliary through hole 1514 to allow bubbles of the refrigerant to pass therethrough. When the auxiliary through hole 1514 is formed, vibration caused by bubbles of the refrigerant can be suppressed.
  • the upper sensor coupling plate 151 may include a trench 1512 formed on a lower surface thereof. The trench 1512 may extend around the through hole 1511. Wiring from the SQUID sensor 152 may be buried in the trench 1512.
  • the upper sensor coupling plate 151 may include a through hole 1516 for a module coupling pillar at a central portion thereof.
  • the upper sensor coupling plate 151 may include a through hole 1515 for coupling a coupling tool.
  • the SQUID sensor module is mounted to the inner body 114 through a coupling tool (not shown) coupled to the coupling tool coupling through hole 1515.
  • the maximum diameter D3 of the upper sensor coupling plate 151 is smaller than the diameter D1 of the neck portion.
  • the upper printed circuit board 154 has a rectangular through hole 1541 at a position deviated from the center, and may have a disc shape.
  • the upper printed circuit board 154 may be aligned with the through hole 1511 of the upper sensor coupling plate 151 and mounted on the lower surface of the upper sensor coupling plate 151.
  • the upper printed circuit board 154 may include a connector 1542.
  • the connector 1542 may be electrically connected to the connector 1551 of the SQUID sensor 152.
  • the lower sensor coupling plate 153 may be formed of a G-10 epoxy in a fan shape.
  • the lower sensor coupling plate 153 may include a protrusion 1531 disposed to be aligned with the through hole 1511 of the upper sensor coupling plate 151.
  • the SQUID sensor module 150 may include a module coupled columns 157 to combine through a central region of the fan shape to the inner bottom plate (115).
  • One end 1571 of the module coupling pillar 157 may have a square pillar shape, and the other end 1572 of the module coupling pillar may have a male screw shape.
  • the inner bottom plate 115 of the inner container may include a partition wall 117 to form a fan shape.
  • an outer circumferential surface of the inner bottom plate 115 may protrude so that the lower sensor coupling plate is inserted and aligned.
  • the inner bottom plate 115 may include a module coupling pillar coupling nut 116.
  • the module coupling pillar coupling nut 116 may be inserted into a groove formed in the inner bottom plate 115 and fixed with an epoxy resin.
  • the other end of the module coupling pillar 157 may be coupled to the module coupling pillar coupling nut 116 protruding from the through hole 1532 of the lower sensor coupling plate 153.
  • a groove is formed in a lower portion of the protrusion 1531 of the lower sensor coupling plate 153, and the fixing unit 156 may fix the lower sensor coupling plate 153 and the other ends of the SQUID sensor 152 to each other.
  • the coupling nut 1517 may fix one end of the SQUID sensor 152 and the upper sensor coupling plate 151.
  • the SQUID sensor 152 includes a bobbin 1521 to which a pickup coil 1527 is wound, a SQUID 1525 mounted to the bobbin 1521 and electrically connected to the pickup coil 1527, and the SQUID ( It may include a printed circuit board 155 electrically connected to the 1525 and fixed to the bobbin.
  • the bobbin 1521 is connected to the body portion 1521a of the circular columnar shape, the incision portion 1521b which is connected to the body portion 1521a and cuts to form a plane, and is connected to the incision portion 1521b and has a square cross section. It may include a rectangular pillar portion 121c forming a shape, and a circular pillar portion 1521d extending from the center of the rectangular pillar portion.
  • the groove 1526 may be formed on the bottom surface of the body portion 1521a.
  • the printed circuit board 155 may be connected to the SQUID to be separated and coupled through a connection pin.
  • the printed circuit board may be mounted on a lower surface of the rectangular pillar, and the connector 1551 of the printed circuit board may be connected to be separated from the connector 1542 of the upper printed circuit board 154.
  • Each of the SQUID sensor modules 150a to 150d includes a manganese wire 194 electrically connected to the SQUID sensor module, a plastic braided wire 192 protecting the manganese wire, and a connector 196 connected to the manganine wire. It may include.
  • the connection connector may be inserted into the intermediate connection block 135 to be electrically connected.
  • Manganese wire protected by plastic braided wire is used for driving and signaling the SQUID sensor 152.
  • One SQUID sensor has eight connection terminals for bias current, output voltage, feedback, and heater drive.
  • the wiring for one 16-channel SQUID sensor module is routed to four 32-pin connectors via manganese wires.
  • four SQUID sensor modules are connected to the intermediate connection block via sixteen 32-pin connectors.
  • each SQUID sensor module is grouped into a G-10 epoxy guide tube 1591. Subsequently, the wiring of the SQUID sensor module is connected to the 32 pin connector 196 through the manganine wire 194 protected by the plastic braided wire 192. To prevent damage that may occur when disassembling or coupling the SQUID sensor module from a low temperature refrigerant reservoir, all wiring can be protected by a flexible plastic braid. In addition, the electrical connection between the upper connection block and the intermediate connection block may use a low conductivity manganese wire.
  • Each of the SQUID sensor modules 150a to 150d prevented individual vibrations by coupling 16 SQUID sensors to each other, and kept a constant distance and direction between the SQUID sensors.
  • a first coupling tool (not shown) seats each SQUID sensor module at the bottom of the storage container and the second coupling tool is at the bottom. Fit the bolt on the top of the SQUID sensor module to the nut secured to it.
  • the evaporation rate of liquefied helium was drastically reduced by reducing the cross-sectional area of the neck of the inner container.
  • the coupling between the baffle of the insert and the sensor coupling plate external vibration and vibration by the helium gas inside are blocked.

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Abstract

본 발명은 저온 냉각 장치 및 SQUID 센서 모듈을 제공한다. 이 저온 냉각 장치는 외부 용기, 외부 용기의 내부에 배치되고 제1 직경을 가진 목부 및 제1 직경보다 큰 제2 직경을 가진 몸체부를 포함하는 내부 용기, 내부 용기의 목부에 삽입되는 인서트, 및 내부 용기의 몸체부에 삽입되는 복수의 SQUID 센서 모듈을 포함하고, SQUID 센서 모듈의 각각은 부채꼴 기둥 형상을 가지고, 내부 용기의 내부 바닥판에 고정 결합한다.

Description

저온 냉각 장치 및 초전도 양자 간섭 소자 센서 모듈
본 발명은 저온 냉각 장치에 관한 것으로, 분할형 저온 냉각 장치에 관한 것이다.
생체자기 측정에 사용되는 SQUID(Superconductive QUantum Interference Device) 센서는 절대 온도 4K의 극저온에서 동작한다. 또한, 상기 SQUID 센서는 수 fT/√Hz 정도의 측정 감도를 가진다. 따라서 생체자기 측정용 SQUID 시스템에서는 극저온의 냉매를 저장할 수 있는 저온 냉매 저장 용기가 필요하다. 상기 저온 냉매 저장 용기는 생체로부터 발생하는 자기장을 왜곡시키지 않고, 상기 SQUID 센서의 안정적인 동작을 위해 자성을 띄지 않는 비자성(non-magnetic) 물질로 제작하여야 한다. 또한 상기 SQUID 센서의 냉매로 사용되는 액화 헬륨은 매우 고가이다. 따라서, 공급이 제한적임으로 증발률이 최소화되어야 한다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 진동 노이즈 및 냉매의 증발률을 감소시키는 구조의 저온 냉각 장치 및 상기 저온 냉각 장치에 탑재되는 SQUID 센서 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 저온 냉각 장치는 외부 용기; 상기 외부 용기의 내부에 배치되고 제1 직경을 가진 목부 및 상기 제1 직경보다 큰 제2 직경을 가진 몸체부를 포함하는 내부 용기; 상기 내부 용기의 상기 목부에 삽입되는 인서트; 및 상기 내부 용기의 상기 몸체부에 삽입되는 복수의 SQUID 센서 모듈;을 포함하고, 상기 SQUID 센서 모듈의 각각은 부채꼴 기둥 형상을 가지고, 상기 내부 용기의 내부 바닥판에 고정 결합한다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 내부 바닥판은 상기 SQUID 센서 모듈이 삽입되어 정렬되도록 격벽을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 인서트는 중간 연결 블록을 더 포함하고, 상기 SQUID 센서 모듈의 배선은 중간 연결 블록에 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 SQUID 센서 모듈은 관통홀을 포함하는 상부 센서 결합판; 상기 관통홀에 정렬되도록 배치된 돌출부를 포함하는 상부 센서 결합판; 상기 관통홀에 정렬된 인쇄회로기판 관통홀을 포함하고 상기 상부 센서 결합판의 하부에 배치되는 상부 인쇄회로 기판; 및 일단은 상기 관통홀 및 상기 인쇄회로 기판 관통홀에 삽입되고, 타단은 상기 돌출부에 삽입되는 홈을 포함하는 SQUID 센서를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 상부 센서 결합판은 보조 관통홀을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 상부 센서 결합판은 그 하부면에 형성된 트렌치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 SQUID 센서 모듈은 부채꼴 형상의 중심 영역을 관통하여 상기 내부 바닥판에 결합하는 모듈 결합 기둥을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 SQUID 센서는 픽업 코일이 감기는 보빈; 상기 보빈에 장착되고 상기 픽업 코일에 전기적으로 연결되는 SQUID; 및 상기 SQUID와 전기적으로 연결되고 상기 보빈에 고정되는 인쇄회로기판을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 보빈은 원 기둥 형상의 몸체부; 상기 몸체부와 연결되고 측면이 평면을 이루도록 절개된 절개부; 상기 절개부와 연결되고 단면이 사각형 형상을 이루는 사각 기둥부; 및 상기 사각 기둥부의 중심에서 연장되는 원 기둥부를 포함하고, 상기 홈은 상기 몸체부의 하부면에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 SQUID 센서 모듈 각각은 상기 SQUID 센서 모듈에 전기적으로 연결된 망가닌 선; 상기 망가닌 선을 보호하는 플라스틱 편조선;및 상기 망가닌 선에 연결된 접속용 커넥터를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 저온 냉각 장치는 외부 용기; 상기 외부 용기의 내부에 배치되고 제1 직경을 가진 목부 및 상기 제1 직경보다 큰 제2 직경을 가진 몸체부를 포함하는 내부 용기; 상기 내부 용기의 상기 목부에 삽입되는 인서트; 및 상기 내부 용기의 상기 몸체부에 삽입되는 복수의 SQUID 센서 모듈을 포함하고, 상기 SQUID 센서 모듈의 각각은 격벽으로 분리된 상기 내부 용기의 내부 바닥판에 정렬되어 고정 결합한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 SQUID 센서 모듈은 내부 용기 및 외부 용기를 포함하는 저온 냉각 장치에 삽입된다. 상기 SQUID 센서 모듈은 결합 공구가 결합하는 결합 홈 및 관통홀을 포함하는 상부 센서 결합판; 상기 관통홀에 정렬되도록 배치된 돌출부를 포함하는 하부 센서 결합판; 상기 관통홀에 정렬된 인쇄회로기판 관통홀을 포함하고 상기 상부 센서 결합판의 하부에 배치되는 상부 인쇄회로 기판; 및 일단은 상기 관통홀 및 상기 인쇄회로 기판 관통홀에 삽입되고, 타단은 상기 돌출부에 삽입되는 홈을 포함하는 SQUID 센서를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 상부 센서 결합판은 냉매 기포가 통과하는 보조 관통홀을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 상부 센서 결합판은 그 하부면에 형성된 트렌치를 더 포함하고, 상기 트렌치에 상기 SQUID 센서 모듈의 배선들이 매설될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 SQUID 센서 모듈을 관통하여 상기 내부 용기의 바닥판에 결합하는 모듈 결합 기둥을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 SQUID 센서는 픽업 코일이 감기는 보빈; 상기 보빈에 장착되고 상기 픽업 코일에 전기적으로 연결되는 SQUID; 및 상기 SQUID와 전기적으로 연결되고 상기 보빈에 고정되는 인쇄회로기판을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 보빈은 원 기둥 형상의 몸체부; 상기 몸체부와 연결되고 측면이 평면을 이루도록 절개된 절개부; 상기 절개부와 연결되고 단면이 사각형 형상을 이루는 사각 기둥부; 및 상기 사각 기둥부의 중심에서 연장되는 원 기둥부;를 포함하고, 상기 홈은 상기 몸체부의 하부면에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 SQUID 센서 모듈은 상기 SQUID 센서 모듈에 전기적으로 연결된 망가닌 선; 상기 망가닌 선을 보호하는 플라스틱 편조선;및 상기 망가닌 선에 연결된 접속용 커넥터를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 냉각 장치는 SQUID 센서의 냉각을 위한 저온 냉매 저장 용기의 냉매 증발률을 감소시키고, 상기 SQUID 센서가 장착된 측정 프로브를 통해 전달되는 진동 잡음을 제거한다. 따라서, 상기 SQUID 센서는 안정적으로 동작하고, 높은 신호 대 잡음비를 획득할 수 있다.
본 발명에 따른 냉각 장치는 엑시얼 형태(Axial type) 64채널 심자도( (Magnetocardiograph;MCG) 시스템에 적용하였다. 단위 SQUID 센서 모듈은 16채널을 포함하고, MCG 시스템은 4개 모듈을 포함하였다. 각 SQUID 센서 모듈에 결합된 SQUID 센서의 개별 진동으로 인한 시스템 불안정 동작은 제거되었고, 진동 잡음을 제거함으로써 신호대잡음비가 향상되었다. 또한 저온 냉매 저장 용기의 형태를 변경할 수 있어, 액화 헬륨의 증발률은 50퍼센트 이상 감소되었다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 저온 냉각 장치를 설명하는 부분 사시도이다.
도 2는 도 1의 SQUID 센서 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 1의 저온 냉각 장치를 설명하는 단면도이다.
도 4는 SQUID 센서 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 4의 A 방향에서 바라본 상부 센서 결합판을 나타내는 평면도이다.
도 6은 도 5의 I-I'선을 따라 자른 단면도이다.
도 7은 도 5의 II-II'선을 따라 자른 단면도이다.
도 8a는 SQUID 센서를 나나내는 평면도이다.
도 8b는 SQUID 센서를 나타내는 정면도이다.
도 8c는 도 8a의 III-III'선을 따라 자른 단면도이다.
도 8d는 도 8a의 IV-IV'선을 따라 자른 단면도이다.
저온 냉매 저장 용기는 외부 용기와 상기 외부 용기에 삽입되는 내부 용기를 포함한다. 상기 내부 용기와 외부 용기의 사이의 공간은 진공 상태로 유지된다. 액화 헬륨 증발률 감소를 위한 상기 저온 냉매 저장 용기의 구조는 일반적으로 3겹의 열 차폐막(thermal shield)을 사용하여 온도 구배(temperature gradient)를 적게 한다. 복사열 유입을 차단하기 위해 각 열 차폐막(thermal shield) 사이에 약 30 장(sheets)씩 모두 100겹 이상의 초단열체(superinsulator)와 폴리에스테르 네트(polyester net)가 설치된다. 저온 냉매를 수용하는 상기 내부 용기의 주 저장소(main reservoir)에서 외부로의 열전도를 방지하기 위해 진공층이 배치된다. 생체자기 측정 부위(뇌, 심장, 간, 근전도 등)에 따라 저온 냉매 저장 용기의 크기와 모양이 달라진다. 상기 저온 냉매 저장 용기의 크기 및 모양에 따라 냉매의 증발률은 크게 영향을 받는다.
생체자기 측정용 SQUID 장치는 일반적으로 심장과 머리 등의 넓은 영역에서 발생하는 신호를 동시에 획득하여, 신호 분석을 수행한다. 따라서, 생체자기 측정용 SQUID 시스템은 다채널의 SQUID 센서를 사용한다. 통상적으로, 심자도의 경우, 64채널이 사용된다. 뇌자도의 경우, 128채널 내지 300채널이 사용된다.
측정 프로브(probe)는 다채널의 SQUID 센서를 결합하는 수단이다. 통상적인 측정 프로브에서는 센서 결합용 원형판에 복수 개의 SQUID 센서가 장착된다. 상기 내부 용기의 목부에 인서트가 배치된다. 상기 인서트는 상기 측정 프로브와 고정 결합하고, 상기 측정 프로브는 냉매 속에 잠긴다.
통상적으로 상기 저온 냉매 저장 용기의 재질은 유리 강화 에폭시(glass reinforced epoxy)인 G-10 에폭시이다. 상기 G-10 에폭시는 낮은 열전도율과 수축률을 가진다. 그러나, 와인딩(winding) 기법으로 제작된 G-10 엑폭시의 경우, 실온( 절대 온도 300K)에서 액화 헬륨 온도(4K)로 냉각되면, 1 미터(m) 당 수 밀리미터(mm)의 수축이 발생한다. 따라서 상기 측정 프로브를 냉각시키기 위한 저온 냉매 저장 용기의 길이 방향 배열(arrangement)을 위해, 상기 측정 프로브는 스프링과 같은 완충 장치를 요구한다. 상기 완충 장치는 상기 인서트 내부에 구현될 수 있다.
상기 저온 냉매 저장 용기에서 저온 냉매로의 열 유입은 복사열과 전도열로 이루어진다. 상기 저온 냉매 저장 용기의 구조에 기인하여, 그 측면 및 바닥에서는 진공층에 의해 전도열에 의한 열 유입이 제한된다. 다만, 복사열에 의해 열 유입이 이루어진다. 하지만, 복사열에 의해 열 유입은 복층의 초단열체(superinsulator)와 폴리에스테르 네트(polyester net)를 설치함으로써 대부분 차단할 수 있다.
전도열에 의한 열 유입은 주로 측정 프로브를 삽입하기 위한 저온 냉매 저장 용기의 입구 및 측정 프로브를 구성하고 있는 G-10 에폭시를 통해 이루어진다. 생체자기 측정용 다채널 SQUID 장치에서는 대면적의 측정 프로브가 필요하다. 상기 측정 프로브는 상기 저온 냉매 저장 용기의 입구를 통하여 삽입된다. 따라서, 상기 측정 프로브를 냉각하기 위한 저온 냉매 저장 용기의 입구도 상기 측정 프로브의 크기에 맞게 넓어야 한다. 한편, 상기 저온 냉매 저장 용기의 입구의 단면적에 비례하여 냉매의 증발률이 증가한다. 냉매의 손실을 감소시키기 위하여, 상기 저온 냉매 저장 용기의 입구를 감소시키는 구조가 요구된다.
통상적인 생체자기 측정용 SQUID 장치에서, 측정 프로브는 내부 용기의 상판(top plate)에서 연장되는 여러 개의 에폭시 튜브(epoxy tube)를 이용하여 SQUID 센서 결합용 원형판을 지지한다. 상기 측정 프로브와 상기 저온 냉매 저장 용기의 길이 배열을 위해 완충장치가 요구된다. 이 경우, 상기 저온 냉매 저장 용기와 SQUID 센서가 장착된 상기 측정 프로브는 용기 내부에서 고정되지 않은 상태로 용기 바닥에 있게 놓이게 된다. 상기 완충장치는 외부 진동과 냉매 내부에서 발생한 기포에 의한 내부 진동을 유발시킨다. 이에 따라, 상기 외부 진공 및 상기 내부 진동은 자기장 하에서의 진동 잡음을 유발한다. 상기 진동 잡음은 SQUID 센서의 안정적인 동작을 방해한다. 또한, 미세한 생체자기 신호 측정를 할 경우, 상기 진동 잡음은 신호 대 잡음비를 감소시킬 수 있다.
또한, 수십 mm의 기저선(baseline) 길이를 가지는 SQUID 미분계(gradiometer)가 센서 결합용 판에 다채널로 고정될 경우, 각각의 SQUID 미분계(gradiometer)의 길이 및 방향이 일정하지 않은 문제점이 있다. 센서의 길이가 일정하지 않음으로써, SQUID 미분계가 개별적으로 진동한다. 또한, 각각의 SQUID 미분계는 개별적으로 유입된 진동 잡음이 포함된 신호를 측정한다. 따라서, 신호 분석의 정확성이 떨어진다. 다채널 SQUID 시스템에서 개별적인 센서의 검출 코일 방향이 일정하지 않으면, 센서는 같은 신호원으로부터 발생하는 자기장에 대해 다른 성분(component)을 측정한다. 따라서, 신호원 국지화의 오차가 발생할 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 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 저온 냉각 장치(100)는 외부 용기(120), 상기 외부 용기(120)의 내부에 배치되고 제1 직경(D1)을 가진 목부(112) 및 상기 제1 직경보다 큰 제2 직경(D2)을 가진 몸체부(114)를 포함하는 내부 용기(110), 상기 내부 용기(110)의 상기 목부(112)에 삽입되는 인서트(130), 및 상기 내부 용기(110)의 상기 몸체부(114)에 삽입되는 복수의 SQUID 센서 모듈(150)을 포함한다. 상기 SQUID 센서 모듈(150) 각각은 부채꼴 기둥 형상을 가지고, 상기 내부 용기(150)의 내부 바닥판(115)에 고정 결합한다.
외부 용기(120)는 외부 바닥판(122)을 포함하는 외부 원통(121)을 포함한다. 상기 외부 용기는 G-10 에폭시로 형성될 수 있다. 상기 외부 용기의 하단부는 데이퍼질 수 있다.
내부 용기(110)는 상판(11), 상기 상판(111)에서 수직으로 연장되는 목부(112), 상기 목부(112)에 연결되는 중간판(113), 상기 중간판(113)에서 수직으로 연장되는 내부 몸체부(114), 및 상기 내부 몸체부의 하부면을 형성하는 내부 바바닥판(115)을 포함한다. 상기 내부 용기(110)는 G-10 에폭시로 형성되고, 결합 부위는 에폭시 수지로 결합될 수 있다. 상기 내부 몸체부(114)는 냉매를 수납할 수 있다.
상기 목부(112)의 외측면에 와셔 형태의 제1 지지부가(141) 배치될 수 있다. 상기 제1 지지부(141)는 G-10 에폭시로 형성될 수 있다. 상기 제1 지지부(141)의 외주면에 제1 열 차폐부(142)가 결합할 수 있다. 상기 제1 열 차폐부(142)는 원통 형상의 도전체로 형성될 수 있다. 상기 제1 열 차폐부(142)의 하단부는 슬릿 형태를 가질 수 있다. 상기 제1 열 차폐부(142)는 상기 내부 몸체부(114)를 감싸도록 수직 방향으로 연장될 수 있다.
제2 지지부(143)는 상기 제1 지지부(141)와 수직으로 이격되어 상기 목부(112)의 외측면에 배치될 수 있다. 상기 제2 지지부(143)는 와셔 형태일 수 있다. 상기 제2 열 차폐부(144)는 원통 형상의 도전체로 형성될 수 있다. 상기 제2 지지부(143)의 외주면에 상기 제2 열 차폐부(144)가 결합할 수 있다. 상기 제2 열 차폐부(144)의 직경은 상기 제1 열 차폐부(142)의 직경보다 작을 수 있다.
제3 지지부(145)는 상기 제2 지지부(143)와 수직으로 이격되어 상기 목부(112)의 외측면에 결합할 수 있다. 상기 제3 지지부(145)는 와셔 형태일 수 있다. 상기 제3 열 차폐부(146)는 원통 형상의 도전체로 형성될 수 있다. 상기 제3 지지부(145)의 외주면에 상기 제3 열 차폐부(146)가 결합할 수 있다. 상기 제3 열 차폐부(146)의 직경은 상기 제2 열 차폐부(144)의 직경보다 작을 수 있다. 상기 제3 열 차폐부(146)는 상기 내부 용기(110)의 하부면을 감싸도록 연장될 수 있다.
상기 내부 용기(110)와 상기 외부 용기(120) 사이의 공간은 진공 상태일 수 있다. 상기 제1 열 차폐부(142)와 상기 제2 열 차폐부(144) 사이에 제1 초단열층(superinsulation layer,147)이 배치될 수 있다. 상기 제2 열 차폐부(144)와 상기 제3 열 차폐부(146) 사이에 제2 초단열층(148)이 배치될 수 있다. 상기 진공층은 전도열의 유입을 차단하고, 상기 제1 내지 제3 열 차폐부(142,144,146)는 복사열의 유입을 차단할 수 있다. 또한, 상기 제1 초단열층(147) 및 제2 초단열층(148)은 복사열의 유입을 차단할 수 있다. 상기 제1 초단열층(147) 및 제2 초단열층(148)은 30 장(sheets)씩 모두 100겹 이상의 초단열체(superinsulator)와 폴리에스테르 네트(polyester net)을 포함할 수 있다.
인서트(130)는 인서트 상판(131), 상기 인서트 상판(131)에 결합하고 수직으로 연장되는 가이드 봉(132), 상기 가이드 봉(132)에 삽입되는 인서트 배플(133), 및 상기 인서트 배플(133) 사이에 배치되는 중간 연결 블록(135)을 포함할 수 있다.
상기 인서트 상판(131)은 원판 형상이고, G-10 에폭시로 형성될 수 있다. 상기 가이드 봉(132)은 G-10 에폭시로 형성되고, 봉 형상 또는 파이프 형상일 수 있다. 상기 인서트 배플(133)은 보온성이 높은 스티로폼(styrofoam,133a)과 도전판(133b)을 포함할 수 있다. 상기 도전판(133b)은 복사열 차단을 위하여 차례로 적층된 알루미늄 코딩된 마일라(mylar), 및 구리층을 포함할 수 있다. 상기 인서트 배플(133)은 외부의 열전도 및 복사열 유입을 차단할 수 있다.
상기 인서트 상판(131)의 상부에는 자속 고정 루프 회로(Flux-Locked-Loop Circuit; FLL circuit)와 연결하기 위한 상부 연결 블록(137)이 배치될 수 있다.
상기 인서트 상판(131)의 바로 하부에는 스티로폼(133a)이 배치되고, 상기 스티로폼(133a) 하부에는 도전판(133b)이 배치될 수 있다. 상기 도전판(133b)의 하부에는 중간 연결 블록(135)을 고정하기 위한 보조 지지판(136)이 배치될 수 있다. 상기 보조 지지판(136)은 G-10 에폭시로 형성될 수 있다. 상기 보조 지지판(136)은 상기 가이드 봉(132)에 삽입되어 고정될 수 있다.
상기 중간 연결 블록(135)은 SQUID 센서 모듈(150)의 배선과 전기적으로 연결된 32 핀 커넥터(196)와 결합할 수 있다. 상기 중간 연결 블록(135)은 상기 SQUID 센서 모듈(150)의 배선에 연결된 32 핀 커넥터(196)가 결합하는 수단일 수 있다. 상기 중간 연결 블록(135)은 상기 상부 연결 블록(137)과 망가닝 선으로 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 중간 연결 블록(135)은 외부로부터의 기계적인 연결은 차단하고, 전기적 연결만을 위해 사용된다.
통상적으로 측정 프로브는 SQUID 센서들이 배열된 원판 형태의 센서 결합판을 포함한다. 그러나, 대면적의 센서 결합판의 직경은 상기 목부의 직경보다 클 수 없다. 따라서, 상기 목부의 직경은 상기 센서 결합판의 직경보다 크도록 제작된다. 한편, 상기 냉매로의 열 유입량은 상기 내부 용기의 목부의 길이(L)에 반비례하고, 성가 목부의 단면적에 비례하여 증가한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, SQUID 센서를 고정하기 위한 센서 결합판은 상기 목부의 크기 및 모양에 따라 부채꼴 형상을 가지도록 1/3, 1/4, 또는 1/6 등으로 분리하였다.
구체적으로, 센서 결합판이 부채꼴 형상을 가지도록 1/4로 분할된 경우, 16개의 SQUID 센서가 하나의 SQUID 센서 모듈을 구성할 수 있다. 이 경우, 상기 센서 결합판을 분할하면 원판을 사용할 때보다 상기 목부의 단면적을 2배 이상 줄일 수 있다. 따라서, 상기 목부를 통하여 유입되는 열은 2배 이상 감소될 수 있다.
분할된 SQUID 센서 모듈을 서로 고정되기 위해 상기 내부 용기의 내부 바닥판은 부채꼴 형상으로 1/4로 분할된다. 또한, 상기 SQUID 센서 모듈을 고정하기 위한 고정 너트가 상기 내부 바닥판에 형성된다.
또한, 생체자기 신호원의 국지화 및 신호 분석을 위해 각각의 SQUID 센서 모듈은 위치 좌표를 가져야 한다. 따라서, 상기 SQUID 센서 모듈은 상기 내부 용기와의 위치 정렬이 필요하다. 따라서 각 SQUID 센서 모듈과 상기 내부 용기의 정렬을 위해, 내부 바닥판은 각각의 SQUID 센서 모듈을 가이드할 수 있는 격벽을 포함할 수 있다.
통상적인 원형의 센서 결합판은 넓은 면적의 내부 용기의 바닥면을 필요로 한다. 따라서, 진공과 냉각으로 인해 상기 바닥면의 변형이 발생된다. 따라서, 상기 바닥면의 변형을 방지하기 위하여, 상기 내부 용기의 바닥면은 두꺼운 판을 사용해야 한다. 이에 따라, 측정 대상으로 발생하는 자기 신호원과 SQUID 센서의 검출코일 사이의 거리가 증가된다. 이에 따라, 신호 감소의 원인이 된다.
본 발명에 따르면, 센서 결합판을 1/4, 1/6로 분할하면, 각각의 SQUID 센서 모듈을 가이드 할 수 있는 두꺼운 격벽을 가진 내부 용기의 바닥면이 제공될 수 있다. 이에 따라, 상기 내부 용기의 바닥판의 두께는 감소될 수 있다. 이에 따라, 측정 대상으로 발생하는 자기 신호원과 SQUID 센서의 검출코일 사이의 거리가 감소된다.
상기 SQUID 센서 모듈(150)은 관통홀(1511)을 포함하는 상부 센서 결합판(151), 상기 관통홀(1511)에 정렬되도록 배치된 돌출부(1531)를 포함하는 하부 센서 결합판(153), 상기 관통홀(1511)에 정렬된 인쇄회로기판 관통홀(1541)을 포함하고 상기 상부 센서 결합판(151)의 하부에 배치되는 상부 인쇄회로 기판(154), 및 일단은 상기 관통홀(1511) 및 상기 인쇄회로 기판 관통홀(1541)에 삽입되고, 타단은 상기 돌출부(1531)에 삽입되는 홈(1536)을 포함하는 SQUID 센서(152)를 포함한다.
상기 상부 센서 결합판(151)은 부채꼴 형상을 가지며, G-10 에폭시로 형성될 수 있다. 상기 상부 센서 결합판(151)은 SQUID 센서(152)가 삽입되는 관통홀(1511)을 포함할 수 있다. 상기 상부 센서 결합판(151)은 냉매의 기포가 통과하도록 보조 관통홀(1514)을 포함할 수 있다. 상기 보조 관통홀(1514)을 형성하면, 상기 냉매의 기포에 의한 진동을 억제할 수 있다. 상기 상부 센서 결합판(151)은 그 하부면에 형성된 트렌치(1512)를 포함할 수 있다. 상기 트렌치(1512)는 상기 관통홀(1511) 주위로 연장될 수 있다. 상기 SQUID 센서(152)로부터의 배선은 상기 트렌치(1512)에 매몰될 수 있다. 상기 상부 센서 결합판(151)은 그 중심 부위에 모듈 결합 기둥용 관통홀(1516)을 포함할 수 있다. 상기 상부 센서 결합판(151)은 결합 공구 결합 용 관통홀(1515)을 포함할 수 있다. 상기 SQUID 센서 모듈은 상기 결합 공구 결합 용 관통홀(1515)에 결합된 결합 공구(미도시)를 통하여 상기 내부 몸체부(114)에 장착된다. 상기 상부 센서 결합판(151)의 최대 직경(D3)는 상기 목부의 직경(D1)보다 작다.
상부 인쇄회로 기판(154)은 중심에서 빗나간 위치에 사각 형상의 관통홀(1541)을 가지며, 원판 형상일 수 있다. 상기 상부 인쇄회로 기판(154)은 상기 상부 센서 결합판(151)의 상기 관통홀(1511)에 정렬되어 상기 상부 센서 결합판(151)의 하부면에 장착될 수 있다. 상기 상부 인쇄회로 기판(154)은 커넥터(1542)를 포함할 수 있다. 상기 커넥터(1542)는 상기 SQUID 센서(152)의 커넥터(1551)와 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 하부 센서 결합판(153)은 부채꼴 형상으로 G-10 에폭시로 형성될 수 있다. 상기 하부 센서 결합판(153)은 상기 상부 센서 결합판(151)의 상기 관통홀(1511)에 정렬되도록 배치된 돌출부(1531)를 포함할 수 있다.
상기 SQUID 센서 모듈(150)은 부채꼴 형상의 중심 영역을 관통하여 상기 내부 바닥판(115)에 결합하는 모듈 결합 기둥을(157)을 포함할 수 있다. 상기 모듈 결합 기둥(157)의 일단(1571)은 상기 사각 기둥 형상이고, 상기 모듈 결합 기둥의 타단(1572)은 숫 나사 형상일 수 있다.
상기 내부 용기의 내부 바닥판(115)은 부채꼴 형상을 이루도록 격벽(117)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 내부 바닥판(115)의 외주면은 돌출되어 상기 하부 센서 결합판이 삽입되어 정렬될 수 있다. 상기 내부 바닥판(115)은 모듈 결합 기둥 결합용 너트(116)를 포함할 수 있다. 상기 모듈 결합 기둥 결합용 너트(116)는 상기 내부 바닥판(115)에 형성된 홈에 삽입되고 에폭시 수지로 고정될 수 있다. 상기 모듈 결합 기둥(157)의 타단은 상기 하부 센서 결합판(153)의 관통홀(1532)에서 돌출된 상기 모듈 결합 기둥 결합용 너트(116)에 결합할 수 있다.
상기 하부 센서 결합판(153)의 돌출부(1531)의 하부에는 홈이 형성되고, 고정 수단(156)은 상기 하부 센서 결합판(153)과 상기 SQUID 센서(152)의 타단을 서로 고정할 수 있다. 또한, 결합용 너트(1517)는 상기 SQUID 센서(152)의 일단과 상기 상부 센서 결합판(151)을 고정할 수 있다.
상기 SQUID 센서(152)는 픽업 코일(1527)이 감기는 보빈(bobbin, 1521), 상기 보빈(1521)에 장착되고 상기 픽업 코일(1527)에 전기적으로 연결되는 SQUID(1525), 및 상기 SQUID(1525)와 전기적으로 연결되고 상기 보빈에 고정되는 인쇄회로기판(155)을 포함할 수 있다.
상기 보빈(1521)은 원 기둥 형상의 몸체부(1521a), 상기 몸체부(1521a)와 연결되고 측면이 평면을 이루도록 절개된 절개부(1521b), 상기 절개부(1521b)와 연결되고 단면이 사각형 형상을 이루는 사각 기둥부(121c), 및 상기 사각 기둥부의 중심에서 연장되는 원 기둥부(1521d)를 포함할 수 있다. 상기 홈(1526)은 상기 몸체부(1521a)의 하부면에 형성될 수 있다.
상기 인쇄회로기판(155)은 상기 SQUID와 접속 핀을 통하여 분리결합하도록 연결될 수 있다. 또한, 상기 인쇄회로 기판은 상기 사각형 기둥부의 하부면에 장착되고, 상기 인쇄회로기판의 커넥터(1551)는 상기 상부 인쇄회로기판(154)의 커넥터(1542)와 분리결합하도록 연결될 수 있다.
상기 SQUID 센서 모듈 각각(150a~150d)은 상기 SQUID 센서 모듈에 전기적으로 연결된 망가닌 선(194), 상기 망가닌 선을 보호하는 플라스틱 편조선(192), 및 상기 망가닌 선에 연결된 접속용 커넥터(196)을 포함할 수 있다. 상기 접속용 커넥터는 상기 중간 연결 블록(135)에 삽입되어 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 SQUID 센서(152)의 구동 및 신호전달을 위해 플라스틱 편조선으로 보호된 망가닌 선이 사용된다. 하나의 SQUID 센서는 바이어스 전류, 출력 전압, 되먹임(Feedback) 및 히터(heater) 구동을 위해 8개의 연결 단자를 가진다. 하나의 16 채널 SQUID 센서 모듈의 배선은 망가닌 선을 통하여 4 개의 32핀 코넥터로 연결된다. 따라서, 4 개의 SQUID 센서 모듈은 16 개의 32핀 코넥터를 통하여 상기 중간 연결 블록에 연결된다.
각각의 SQUID 센서 모듈의 배선은 G-10 에폭시 가이드 튜브(1591)로 모인다. 이어서, 상기 SQUID 센서 모듈의 배선은 플라스틱 편조선(192)으로 보호된 망가닌 선(194)을 통하여 32 핀 커넥터(196)에 연결된다. 저온 냉매 저장 용기로부터 상기 SQUID 센서 모듈을 분해하거나 결합할 때 발생할 수 있는 손상을 막기 위해 모든 배선은 유연성이 우수한 플라스틱 편조선으로 보호할 수 있다. 또한, 상부 연결 블록과 상기 중간 연결 블록의 전기적 연결은 전도도가 낮은 망가닌 선을 이용할 수 있다.
상기 SQUID 센서 모듈 각각(150a~150d)은 16개의 SQUID 센서를 상호 결합함으로써 개별 진동을 방지하였고, SQUID 센서간 거리와 방향을 일정하게 유지하였다.
SQUID 센서가 결합된 각각의 SQUID 센서 모듈을 상기 내부 용기의 내부로 삽입하기 위하여, 제1 결합 공구(미도시)는 각각의 SQUID 센서 모듈을 저장 용기의 바닥에 안착시키고, 제2 결합 공구는 바닥에 고정된 너트에 SQUID 센서 모듈의 상부에 위치한 볼트를 결합한다.
본 발명의 따르면, 내부 용기의 목부의 단면적을 줄임으로써 액화 헬륨의 증발율은 획기적으로 감소되었다. 또한, 인서트의 배플(baffle)과 센서 결합판의 결합을 기계적으로 분리시킴으로써, 외부진동 및 내부의 헬륨 가스에 의한 진동을 차단하였다.
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.

Claims (18)

  1. 외부 용기;
    상기 외부 용기의 내부에 배치되고 제1 직경을 가진 목부 및 상기 제1 직경보다 큰 제2 직경을 가진 몸체부를 포함하는 내부 용기;
    상기 내부 용기의 상기 목부에 삽입되는 인서트; 및
    상기 내부 용기의 상기 몸체부에 삽입되는 복수의 SQUID 센서 모듈;을 포함하고,
    상기 SQUID 센서 모듈의 각각은 부채꼴 기둥 형상을 가지고, 상기 내부 용기의 내부 바닥판에 고정 결합하는 것을 특징으로 하는 저온 냉각 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 내부 바닥판은 상기 SQUID 센서 모듈이 삽입되어 정렬되도록 격벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 냉각 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 인서트는 중간 연결 블록을 더 포함하고,
    상기 SQUID 센서 모듈의 배선은 중간 연결 블록에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 저온 냉각 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 SQUID 센서 모듈은:
    관통홀을 포함하는 상부 센서 결합판;
    상기 관통홀에 정렬되도록 배치된 돌출부를 포함하는 상부 센서 결합판;
    상기 관통홀에 정렬된 인쇄회로기판 관통홀을 포함하고 상기 상부 센서 결합판의 하부에 배치되는 상부 인쇄회로 기판; 및
    일단은 상기 관통홀 및 상기 인쇄회로 기판 관통홀에 삽입되고, 타단은 상기 돌출부에 삽입되는 홈을 포함하는 SQUID 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 냉각 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 상부 센서 결합판은 보조 관통홀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 냉각 장치.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 상부 센서 결합판은 그 하부면에 형성된 트렌치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 냉각 장치.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 SQUID 센서 모듈은 부채꼴 형상의 중심 영역을 관통하여 상기 내부 바닥판에 결합하는 모듈 결합 기둥을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 냉각 장치.
  8. 제4 항에 있어서,
    상기 SQUID 센서는
    픽업 코일이 감기는 보빈;
    상기 보빈에 장착되고 상기 픽업 코일에 전기적으로 연결되는 SQUID; 및
    상기 SQUID와 전기적으로 연결되고 상기 보빈에 고정되는 인쇄회로기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 냉각 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 보빈은:
    원 기둥 형상의 몸체부;
    상기 몸체부와 연결되고 측면이 평면을 이루도록 절개된 절개부;
    상기 절개부와 연결되고 단면이 사각형 형상을 이루는 사각 기둥부; 및
    상기 사각 기둥부의 중심에서 연장되는 원 기둥부;를 포함하고,
    상기 홈은 상기 몸체부의 하부면에 형성되는 것을 특징으로 하는 저온 냉각 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 SQUID 센서 모듈 각각은
    상기 SQUID 센서 모듈에 전기적으로 연결된 망가닌 선;
    상기 망가닌 선을 보호하는 플라스틱 편조선;및
    상기 망가닌 선에 연결된 접속용 커넥터를 포함하는 것을 저온 냉각 장치.
  11. 외부 용기;
    상기 외부 용기의 내부에 배치되고 제1 직경을 가진 목부 및 상기 제1 직경보다 큰 제2 직경을 가진 몸체부를 포함하는 내부 용기;
    상기 내부 용기의 상기 목부에 삽입되는 인서트; 및
    상기 내부 용기의 상기 몸체부에 삽입되는 복수의 SQUID 센서 모듈;을 포함하고,
    상기 SQUID 센서 모듈의 각각은 격벽으로 분리된 상기 내부 용기의 내부 바닥판에 정렬되어 고정 결합하는 것을 특징으로 하는 저온 냉각 장치.
  12. 내부 용기 및 외부 용기를 포함하는 저온 냉각 장치에 삽입되는 SQUID 센서 모듈에 있어서,
    결합 공구가 결합하는 결합 홈 및 관통홀을 포함하는 상부 센서 결합판;
    상기 관통홀에 정렬되도록 배치된 돌출부를 포함하는 하부 센서 결합판;
    상기 관통홀에 정렬된 인쇄회로기판 관통홀을 포함하고 상기 상부 센서 결합판의 하부에 배치되는 상부 인쇄회로 기판; 및
    일단은 상기 관통홀 및 상기 인쇄회로 기판 관통홀에 삽입되고, 타단은 상기 돌출부에 삽입되는 홈을 포함하는 SQUID 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 SQUID 센서 모듈.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 상부 센서 결합판은 냉매 기포가 통과하는 보조 관통홀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 SQUID 센서 모듈.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 상부 센서 결합판은 그 하부면에 형성된 트렌치를 더 포함하고,
    상기 트렌치에 상기 SQUID 센서 모듈의 배선들이 매설되는 것을 특징으로 하는 SQUID 센서 모듈.
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 SQUID 센서 모듈을 관통하여 상기 내부 용기의 바닥판에 결합하는 모듈 결합 기둥을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 SQUID 센서 모듈.
  16. 제12 항에 있어서,
    상기 SQUID 센서는:
    픽업 코일이 감기는 보빈;
    상기 보빈에 장착되고 상기 픽업 코일에 전기적으로 연결되는 SQUID; 및
    상기 SQUID와 전기적으로 연결되고 상기 보빈에 고정되는 인쇄회로기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 SQUID 센서 모듈.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 보빈은:
    원 기둥 형상의 몸체부;
    상기 몸체부와 연결되고 측면이 평면을 이루도록 절개된 절개부;
    상기 절개부와 연결되고 단면이 사각형 형상을 이루는 사각 기둥부; 및
    상기 사각 기둥부의 중심에서 연장되는 원 기둥부;를 포함하고,
    상기 홈은 상기 몸체부의 하부면에 형성되는 것을 특징으로 하는 SQUID 센서 모듈.
  18. 제12 항에 있어서,
    상기 SQUID 센서 모듈은:
    상기 SQUID 센서 모듈에 전기적으로 연결된 망가닌 선;
    상기 망가닌 선을 보호하는 플라스틱 편조선;및
    상기 망가닌 선에 연결된 접속용 커넥터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 SQUID 센서 모듈.
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