KR100198554B1 - 미세자장측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주파수 변조 방식으로 동작되는 미세자장측정장치에 관한 것이다.

본 발명은 초전도양자간섭소자를 이용하는 미세자장측정장치를 주파수 변조 방식으로 동작시킴으로써 강한 외부 배경 자기 신호의 환경에서도 미약한 자기신호의 경사도 측정이 보다 효과적이도록 하고, 진폭제한기를 두어 초전도양자간섭소자와 연관된 주변전자회로의 진폭잡음을 제거하여 측정이 보다 정확토록 한 것이다.

그리고 본 발명은 심자계 및 뇌자계와 같은 미세자기신호를 감지하는 시스템에 사용될 수 있다.

Description

미세자장측정장치

제1도(a)는 일반적인 직류 초전도양자간섭소자의 구조도.

(b)는 제1도(a)의 직류 초전도양자간섭소자의 전류 대 전압 파형도.

(c)는 제1도(a)의 직류 초전도양자간섭소자의 자속 대 전압 파형도.

제2도(a)는 종래의 미세자장측정장치의 블록도.

(b)는 제2도(a)의 미세자장측정장치의 이용되는 수직배치된 두 개의 초전도양자간섭소자의 구조도.

(c)는 제2도(a)의 진폭변조방식의 자장측정장치의 블록도.

(d)는 제2도(c)의 자장측정장치의 회로도.

제3도(a)는 본 발명에 따른 미세자장측정장치의 블록도.

(b)는 제3도(a)의 주파수 변조방식의 자장측정장치의 회로도.

제4도(a)는 본 발명에 따른 국부발진신호 주파수의 n정수배 주파수의 사인파형으로 동작되어지는 직류 초전도양자간섭소자의 자속 대 출력전압 파형도.

(b)는 본 발명에 따른 외부 자기신호에 대한 직류 초전도양자간섭소자의 출력전압 파형도.

(c)는 제4도(a)와 (b)의 현상이 동시에 작동할 때 나타나는 초전도양자간섭소자의 시간 대 출력전압 파형도.

제5도(a)는 제4도(a)에서 직류 초전도양자간섭소자의 시간 대 전압 파형도.

(b)는 본 발명에 따른 외부 자기신호에 대한 직류 초전도양자간섭소자의 출력전압 파형도.

(c)는 제3도(b)의 위상검출기와 적분기를 통해 복조되어진 외부 자기신호의 파형도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

31,32 : 자장측정장치 33,52 : 위상검출기

34,54 : 적분기 35 : 국부발진기

36,37,42,43,55 : 저항 38,39 : 코일

40,41 : 초전도양자간섭소자 44,45 : 트랜스포머

46, 47 : 캐패시터 48,49 : 1차 증폭기

50,51 : 진폭제한기 53 : 2차 증폭기

본 발명은 미세자장측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주파수 변조 방식으로 동작하는 미세자장측정장치에 관한 것이다.

일반적으로 직류 초전도양자간섭소자(dc SQUID)는 제1도(a)에 도시한 바와 같이 두 개의 초전도접합(a),(b)을 포함한 인덕턴스가 적은 초전도 루프(c)로 이루어진다.

그리고 이 직류 초전도양자간섭소자의 전자기특성은 제1도(b)에 도시한 바와 같이 두 개의 초전도접합(a),(b)으로 직류 바이어스 전류(Io)를 흘렸을 때, 초전도양자간섭소자의 루프(c)로 통과하는 외부자속(ψa)에 대해 초전도접합(a),(b)부의 전압(VJ)이 변화된다. 그리고 또 전압(VJ)은 제1도(c)와 같이 단위양자속(ψo : One Flux Quantum)의 주기로 진동하는 자속의 함수로 나타낸다.

이러한 초전도양자간섭소자를 이용한 종래의 미세자장측정장치는 제2도(a)에 도시한 바와 같이 두 개의 자장측정장치(1),(2)와 감산기(3)로 구성되어 있으며, 상기 두 개의 자장측정장치(1),(2)에서 각각 공간적 자기신호를 감지한 다음 이 둘의 출력을 감산기(3)에서 뺄셈하여 자기신호의 공간적 경사도(Gradient)를 측정하였다.

이때, 두 개의 자장 측정장치(1),(2)에 사용되어진 두 개의 초전도양자간섭소자(4),(5)는 제2도(b)에 도시한 바와 같이 수직으로 배치되어 있다.

이는 두 개의 초전도양자간섭소자(4),(5)가 강한 외부 배경 자기신호에 대해서는 균일한 세기로 감지하고, 미세한 자기신호에 대해서는 자기 신호원과 초전도양자간섭소자와의 거리 세제곱에 반비례하는 경향으로 감지하도록 하기 위해서이다.

따라서, 미세한 자기신호를 한 개의 초전도양자간섭소자(5)에만 가까이 위치시킬 경우 두 개의 자장측정장치(1),(2)의 출력전압을 감산기(3)를 이용하여 뺄셈하면 미세한 자기신호만 검출할 수 있게 된다.

한편, 제2도(c)는 제2도(a)의 미세자장측정장치에 사용되는 자장측정장치의 볼록도를 도시한 것으로, 감지부(6), 신호처리부(7), 되먹임부(8)로 구성된다.

상기 감지부(6)는 초전도양자간섭소자(9)의 루프로 통과한 외부자속(ψa)을 초전도접합의 양단에 전압으로 변환시키는 초전도양자간섭소자(9)로 구성되며, 되먹임부(8)는 저항(21), 코일(13)로 구성되어 출력전압(Vo)을 저항(21)으로 나눈 값만큼 코일(13)에 전류를 흐르게 하여 초전도양자간섭소자(9)의 루프에 자속을 되먹임한다.

그리고 그 외에 요소들은 신호처리부(7)에 속하며, 신호를 변조, 증폭, 복조한다.

제2도(d)는 제2도(c)의 구성블록들의 회로도를 도시한 것으로, 국부발진기(17)와 저항(18)에 의해 발생된 전류(Im)가 코일(13)을 통하여 초전도양자간섭소자(9)에 교류자속을 가하여 초전도양자간섭소자(9)의 외부자속(ψa)에 대한 전압변화량을 진폭변조시키고, 초전도양자간섭소자(9)와 1차 증폭기(14)의 중간에 트랜스포머(11)와 캐패시터(12)를 삽입하여 공진기를 형성하여 공진 주파수에서 초전도양자간섭소자(9)와 1차 증폭기(14)간에 최적 잡음 임피던스 정합을 구현한다.

그리고 1차 증폭기(14)는 거친 변조된 신호는 국부발진기(17), 위상 변환기(16)에 의해 공급되는 교류신호와 함께 곱셈기(15)에서 곱해지고, 곱셈기(15)의 출력전압은 2차 증폭기(19)와 적분기(20)를 거쳐 저항(21) 양단에 전압(Vo)으로 복조되어진다.

그리고 출력전압(Vo)은 저항(21)으로 나눈 값만큼 코일(13)에 전류(If)를 흐르게 한다.

이 전류(If)는 코일(13)을 통해 초전도양자간섭소자(9)의 루프에 자속을 네가티브 되먹임하므로 초전도양자간섭소자(9)의 루프를 통과하는 총 자속량이 일정하도록 한다.

따라서 외부자속(ψa)에 대한 자장측정장치의 출력전압값이 선형적으로 되고, 그 출력전압을 읽으므로 외부자속의 값을 알 수 있게 된다.

그러나 상기와 같은 종래의 미세자장측정장치는 진폭변조방식으로 동작함에 따라 노이즈가 낄 수 있어 외부 자기 신호 세기의 공간적 경사도 측정이 효과적이지 못해 미세한 자기신호의 측정이 제대로 되지 못하였다.

또한, 초전도양자간섭소자와 연관된 주변전자회로에 의해 진폭잡음이 발생되는 문제점이 있었다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 주파수 변조 방식으로 동작시킴으로써 강한 외부 배경 자기 신호의 환경에서도 미약한 자기신호의 경사도 측정이 보다 효과적이도록 한 미세자장측정장치를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 초전도양자간섭소자와 연관된 주변전자회로의 진폭잡음을 제거하여 측정이 보다 정확토록 한 미세자장측정장치를 제공함에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 미세자장측정장치는 외부자속을 초전도접합의 양단에 전압으로 변환시키는 초전도양자간섭소자로 구성된 감지부와, 상기 감지부에서 감지된 신호를 주파수 변조 방식으로 처리하는 신호처리부와, 상기 신호처리부의 신호로 초전도양자간섭소자의 루프에 자속을 되먹임해주는 되먹임부를 포함하여 구성된다.

또한, 본 발명에 따른 주파수 변조방식의 미세자장측정장치는 국부발진신호와 외부배경 자기신호에는 똑같이 반응하고 초전도 양자간섭소자를 이용한 두 개의 자장측정장치를 포함하는데, 두 개 모두 측정하고자 하는 미세자기신호에는 한 개의 자장측정장치만 반응하도록 공간적으로 구성된다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

제3도(a)는 본 발명에 따른 미세자장측정장치의 블록도를 도시한 것으로, 외부 자기신호에 의해 주파수가 변하는 자장측정장치(31),(32)와, 두 개의 자장측정장치(31),(32)의 출력신호의 위상차를 검출하는 위상검출기(33)와, 상기 위상검출기(33)의 출력신호를 적분하여 두 개의 자장측정장치(31),(32)의 공간적 외부 자기신호의 경사도를 구하는 적분기(34)로 구성된다.

제3도(b)는 주파수 변조 방식의 자장측정장치를 이용하여 구현된 미세자장측정장치의 회로도를 도시한 것으로, 삼각파형을 출력하는 국부발진기(35)와, 상기 국부발진기(35)의 전압을 전류로 바꾸는 저항(36),(37)과, 상기 전류를 자속으로 바꾸어 초전도 양자간섭소자에 자속을 가하는 코일(38),(39)등으로 구성되며, 여기에서 상기 국부발진기(35), 저항(36),(37), 코일(38),(39)에 의해 발생된 자속의 크기는 피크 대 피크 초전도 양자간섭소자(40),(41)의 정수배 단위양자속(nψo)의 크기이다.

상기 초전도양자간섭소자(40),(41)의 출력신호의 주파수에서 공진하는 트랜스포머(44),(45) 및 캐패시터(46),(47)와, 상기 트랜스포머(44),(45) 및 캐패시터(46),(47)를 통해 공진된 신호를 증폭하는 1차 증폭기(48),(49)와, 상기 1차 증폭기(48),(49)의 출력을 진폭제한하는 진폭제한기(50),(51)와, 상기 진폭제한기(50),(51)의 출력신호의 위상차에 비례하는 크기의 신호를 출력하는 위상검출기(52)와, 상기 위상검출기(52)의 출력신호를 증폭하는 2차 증폭기(53)와, 상기 2차 증폭기(53)의 출력을 적분하는 적분기(54)와, 상기 적분기(54)의 출력전압이 상기 코일(39)로 흐르도록 하는 저항(55)으로 구성된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 동작을 설명하면 다음과 같다.

우선, 제4도(a)와 같이 국부발진기(35)와 저항(36),(37)과 코일(38),(39)을 통해 정확히 피크 대 피크 nψ0(n:정수, ψo:단위양자자속)의 크기의 삼각파형자속을 초전도양자간섭소자(40),(41)에 가하면 국부발진신호 주파수(fm)의 2n정수배 주파수 2nfm의 사인파형으로 초전도양자간섭소자(40),(41)가 전압을 출력한다.

이때, 제4도(b)와 같은 외부자기신호가 한 개의 초전도양자간섭소자(41)에만 더 가해지면 초전도양자간섭소자(41)의 출력전압은 제4도(c)와 같이 주파수가 변조되는 방식으로 나타나고(a부분), 또 다른 한 개의 초전도양자간섭소자(40)의 출력전압은 여전히 제4도(a)와 같이 나타난다.

그러므로 이 두 개의 초전도양자간섭소자(40),(41)를 통과한 주파수 변조된 신호는 트랜스포머(44),(45)와 캐패시터(46),(47)로 되어진 공진기를 거쳐 1차 증폭기(48),(49)를 통해 충분히 증폭되어진다.

여기서, 공진기의 역할은 공진주파수에서 초전도양자간섭소자(40),(41)와 1차 증폭기(48),(49) 사이의 최적 잡음 임피던스 정합을 위한 것이다.

그리고 이와 같이 증폭되어진 두 신호는 진폭 제한기(50),(51)를 통해 신호 진폭이 제한된 채 위상검출기(52)에 입력된다.

상기 진폭제한기(50),(51)를 두는 이유는 주파수 변복조에서 신호의 정보는 주파수 변화량이므로 신호의 진폭을 제한하여 진폭잡음을 제거하더라도 신호의 복조에 별 영향이 없기 때문이다.

이후의 주파수 변조된 신호를 복조하는 원리는 제5도와 함께 설명한다.

제5도(a)는 국부발진신호와 외부 배경 자기신호에 의해 출력되어진 초전도양자간섭소자(40)의 전압 파형이고, 제5도(b)는 제5도(a)의 경우에다 측정하고자 하는 미세한 자기신호가 더해진 경우(a부분)에 출력되어진 초전도양자간섭소자(41)의 전압 파형이라고 하면 이 두신호가 위상 검출기(52)에 입력되어 두 신호의 주파수 차이에 의한 위상차에 비례하는 크기의 신호가 위상 검출기(52)로부터 출력되어지고, 그 다음 이 신호는 2차 증폭기(53)에서 증폭되고, 적분기(54)를 통해 적분되어져 저항(55) 양단에 전압(Vo)으로 출력되어진다(제5도(c)),

그리고 전압(Vo)을 저항(55)으로 나눈 양 만큼 전류(If)가 코일(39)에 흐르고, 이 전류(If)는 코일(39)을 통해 초전도양자간섭소자(41)의 루프에 자속을 네가티브되먹임한다.

여기서, 되먹임된 자속은 초전도양자간섭소자(41)의 출력신호의 주파수를 변화시키는데 이것은 위상검출기(52)에서 두신호의 위상차가 영이 되는 방향으로 작동한다.

그리고 저항(37),(36)에 의해 전류흐름이 방해되어 초전도양자간섭소자(40)는 되먹임 루프를 가지지 않는데, 이것은 국부발진신호와 외부 배경 자기신호에 의해서만 출력되어지므로, 복조시 미세자기신호에 의해 주파수가 변화된 초전도양자간섭소자(41)의 신호에서 미세자기신호를 복조하는데 기준신호로 사용되어진다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 미세자장측정장치는 주파수 변조 방식을 이용하므로 강한 외부 배경 자기신호의 환경에서도 미약한 자기신호의 경사도를 효과적으로 측정할 수 있게 된다.

또한, 초전도양자간섭소자와 연관된 주변전자회로에 의해 더해진 진폭잡음을 진폭 제한기를 통해 제거하므로 심자계 및 뇌자계와 같은 미세자기신호를 감지하는 시스템에 사용될 수 있다.

그리고 초전도양자간섭소자를 이용한 주파수 변복조 기술은 초전도체를 이용한 통신 시스템에 널리 이용될 수 있다.

Claims (5)

1. 외부자속을 초전도접합의 양단에 전압으로 변환시키는 초전도양자간섭소자로 구성된 감지부와, 정수배의 단위양자 자속량을 상기 감지부에 보내 출력전압의 크기를 일정하게 하고, 외부의 자기 신호에 대해 감지부의 출력신호의 주파수를 변조하여 상기 감지부에서 감지된 신호를 주파수 변조 방식으로 처리하는 신호처리부와, 상기 신호처리부의 신호로 초전도 양자간섭소자의 루프에 자속을 되먹임해주는 되먹임부를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 미세자장측정장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 신호처리부는, 주파수 변조된 신호의 진폭잡음제거를 위해 진폭을 제한함을 특징으로 하는 미세자장측정장치.
3. 주파수 변조방식의 신호처리부를 갖는 제1 자장측정장치와, 미세한 외부자속이 가해질 때 상기 제1 자장측정장치와 주파수를 달리하는 제2 자장측정장치와, 상기 제1, 제2 자장측정장치로부터 검출된 두 신호의 위상차에 비례하는 크기의 신호를 출력하는 위상검출기와, 상기 위상검출기의 위상차에 비례하는 전압을 적분하여 외부 자기 신호 세기의 공간적 경사도를 측정하는 적분기를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 미세자장측정장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 제1,제2 자장측정장치 중 하나에만 되먹임부가 설치됨을 특징으로 하는 미세자장측정장치.
5. 제3항에 있어서, 상기 되먹임부의 되먹임 자속에 의해 상기 자장측정장치의 주파수가 변해 상기 두 자장측정장치는 신호의 출력신호의 위상차가 0이 되도록 구성됨을 특징으로 하는 미세자장측정장치.