KR100437785B1 - 초전도 양자간섭소자(ｓｑｕｉｄ)를 이용한 공진신호검출장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고주파의 신호와 저주파의 자기장 신호를 원천적으로 분리하여 이상발진과 같은 불안성을 제거하고 저주파 자기장과 무관하게 검출신호의 잡음 수준을 유지하며, 별도의 신호분석기가 없이도 신호를 분석할 수 있도록 하기 위한 것으로서, SQUID, 앰프, 적분기 및 되먹임 코일로 구성되어 자속 고정루프(Flux Locked Loop: FLL)를 이루는 기준 자장센서와, 외부의 고주파 신호와 앰프에서 출력되는 출력값을 믹싱하여 정의된 기준 레벨이상의 고주파 신호만을 출력하는 변조 신호부와, 외부의 고주파 신호를 분할한 신호와 상기 변조 신호부의 출력신호를 이용하여 가변된 변조신호를 출력하는 가변 게인 증폭기(variable gain amplifier)와, 상기 가변 게인 증폭기에서 출력되는 가변 변조신호를 입력으로 상기 SQUID에 걸리는 자기장을 일정 수준으로 유지시키는 변조코일을 포함하여 구성되는데 있다.

Description

초전도 양자간섭소자(ＳＱＵＩＤ)를 이용한 공진신호 검출장치{detecting apparatus of resonance signal using Superconducting Quantum Interference Device}

본 발명은 SQUID 소자에 관한 것으로, 특히 고주파의 검출 방법을 최종 출력 자기신호로부터 검출하지 않고 SQUID를 이용한 변조 레벨의 변화로 검출하는 장치에 관한 것이다.

초전도 양자간섭소자(Superconducting Quantum Interference Device : SQUID)는 매우 정밀한 자기센서로서 자속 되먹임회로(Flux Locked Loop :FLL)라고 하는 되먹임 방식에 의해 구동되어 사용되는데, 현재는 주로 수 MHz 이하의 신호 검출에 사용되고 있다.

특히, 회로 상에서 발생하는 잡음의 영향을 최소화하기 위해 자속변조라는 방법을 사용한다.

자속변조를 하는 경우에는 FLL회로가 SQUID에 가해지는 총 자속의 양이 도 2의 B점 또는 A점 내에서 유지되도록 외부 자기장을 상쇄하는 자기장을 만드는 전류를 출력한다.

이를 위해 SQUID에의 피크-피크(peak-peak)값을 갖는 변조 자속을 가하는데, 자속이 A나 B점에 있으면 SQUID의 전압출력은 변조 자속의 주파수에 2배가되는 신호를 출력한다.

이때 SQUID의 출력 신호를 변조 주파수로 복조하면 제로(zero) 값을 얻게 된다.

반면에 외부 자기장이 변하여 A나 B점에서 벗어나면 SQUID 양단에 그에 따른 변조 주파수의 신호가 발생하고, 이를 복조하면 제로가 아닌 다른 결과를 얻게 된다.

이와 같이 이상에서 설명한 종래 기술에 따른 초전도 양자간섭소자를 이용한 공진신호 검출장치는 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, FLL을 이용한 수 MHz신호의 검출회로는 SQUID에 고주파의 되먹임 자기장이 가해지기 때문에 검출하고자 하는 주변 물체에 간섭 신호를 발생시켜 원래신호의 복원이 까다롭게 된다.

둘째, 금속 물체에 대해서는 되먹임 자기장이 위상차를 갖는 에디(eddy) 전류를 발생하는데 이것이 다시 SQUID가 검출하는 회로에 위상차를 가지는 신호를 발생시켜 고주파 발진의 가능성이 발생된다.

셋째, FLL은 저잡음의 반도체 IC로 구성되는데 이들은 제로 신호 레벨에서는 좋은 직선성과 저잡음의 성능을 가지지만, 지구자기장이나 전원에서 발생하는 저주파의 주변 자기장 신호에 의해 FLL의 출력이 제로 레벨을 벗어난 영역에서는 제로 레벨 출력에서 얻을 수 있는 직선성(linearity)과 저잡음(low noise)을 충분히 구현할 수 없다.

넷째, 고주파의 신호를 분석하기 위해서는 별도로 고가의 신호분석기(spectrum analyzer)가 필요하다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 고주파의 신호와 저주파의 자기장 신호를 원천적으로 분리하여 이상발진과 같은 불안성을 제거하고 저주파 자기장과 무관하게 검출신호의 잡음 수준을 유지하며, 별도의 신호분석기가 없이도 신호를 분석할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

도 1 은 종래 기술에 따른 SQUID의 전류 대 전압 곡선을 나타낸 그래프

도 2 는 종래 기술에 따른 바이어스 전류를 가했을 때 외부 자기장에 대한 SQUID 양단의 전압 그래프

도 3 은 본 발명에 따른 초전도 양자간섭소자를 이용하여 공진신호를 검출하기 위한 전체 개략도의 제 1 실시예

도 4 는 본 발명에 따른 초전도 양자간섭소자를 이용하여 공진신호를 검출하기 위한 전체 개략도의 제 2 실시예

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : SQUID 20 : 프리앰프

30, 82 : 믹서 40 : 적분기

50 : 되먹임 코일 60, 60' : 위상 변조기

70 : 변조코일 80 : 변조신호부

81 : 비교부 90 : 주파수 디바이더

100 : 가변 게인 증폭기

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초전도 양자간섭소자를 이용한 공진신호 검출장치의 특징은 SQUID, 앰프, 적분기 및 되먹임 코일로 구성되어 자속 고정루프(Flux Locked Loop: FLL)를 이루는 기준 자장센서와, 외부의 고주파 신호와 앰프에서 출력되는 출력값을 믹싱하여 정의된 기준 레벨이상의 고주파 신호만을 출력하는 변조 신호부와, 외부의 고주파 신호를 분할한 신호와 상기 변조 신호부의 출력신호를 이용하여 가변된 변조신호를 출력하는 가변 게인 증폭기(variable gain amplifier)와, 상기 가변 게인 증폭기에서 출력되는 가변 변조신호를 입력으로 상기 SQUID에 걸리는 자기장을 일정 수준으로 유지시키는 변조코일을 포함하여 구성되는데 있다.

이때, 상기 변조 신호부는 외부에서 인가되는 고주파 신호와 상기 앰프를 통해 출력되는 신호를 변조코일에 인가되는 변조신호보다 큰 주파수로 복조하고 변조코일에 되먹임하는데 다른 특징이 있다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 초전도 양자간섭소자를 이용한 공진신호 검출장치의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 4 는 본 발명에 따른 초전도 양자간섭소자를 이용하여 공진신호를 검출하기 위한 전체 개략도를 나타낸 도면이다.

도 4를 보면, SQUID(10), 프리앰프(20), 적분기(40) 및 되먹임 코일(50)로 구성되어 자속 고정루프(Flux Locked Loop: FLL)를 이루는 자장센서와, 외부의 고주파 신호와 상기 프리앰프(20)에서 출력되는 출력값을 믹서(82)를 통해 믹싱하여 정의된 기준 레벨이상의 고주파 신호만을 출력하는 변조 신호부(80)와, 외부의 고주파 신호를 분할한 신호와 상기 변조 신호부의 출력신호를 이용하여 가변된 변조신호를 출력하는 가변 게인 증폭기(variable gain amplifier)(100)와, 상기 가변 게인 증폭기(100)에서 출력되는 가변 변조신호를 입력으로 상기 SQUID(10)에 걸리는 자기장을 일정 수준으로 유지시키는 변조코일(70)을 포함하여 구성한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 초전도 양자간섭소자(SQUID)를 이용한 공진신호 검출 방법의 동작을 첨부한 도 4를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 자장센서의 SQUID(10)에 의해 전압형태로 변환된 자속은 프리앰프(20)에 의해 증폭되고 믹서부(30)를 통해 소정 주파수와 믹싱되어 출력된다.

그리고 적분기(40)는 상기 믹싱된 신호를 되먹임 코일(50)에 인가할 수 있도록 분배하여 되먹임 코일(50)에서 발생되는 자기장에 따라 SQUID(10) 주변 자기장을 상쇄시킨다.

예를 들어, 일정레벨의 바이어스 전류(bias current)를 자장센서에 인가하면 그에 따른 자장센서의 출력이 프리앰프(20), 믹서부(30), 적분기(40)를 경유하여되먹임 코일(50)에 인가되므로 이 되먹임 코일에는 상쇄 자장을 발생한다.

이와 같은 FLL을 이용한 수 MHz 신호의 검출회로는 되먹임 코일(50)을 통해 SQUID(10)에 고주파의 되먹임 자기장을 가하여 주변 자기장을 일정한 값으로 유지시키게 된다.

그러나 SQUID(10)에서 발생되는 출력신호는 도 2에서 보는 바와 주변자기장에 대해 주기함수적인 출력을 갖고 있으므로, 주변 자기장을 일정한 값으로 유지시키기 위해서는 되먹임 코일(50)을 통한 고주파 자기장을 SQUID(10)의 출력신호에 상응하게 빠르게 변화시켜야 하는 어려움이 따른다.

이때 발생되는 고주파 자기장 때문에 검출하고자 하는 주변 물체에 간섭신호를 발생시켜 원래 신호의 복원이 까다롭게 된다.

이를 해결하기 위해 도 3과 같이 변조코일(70)을 SQUID(10) 주변에 형성한다.

이 변조코일(70)은 SQUID(10)의 출력신호가 프리앰프(20)를 거쳐서 증폭된 가변 고주파 신호 또는 외부의 고주파 신호 중 하나를 입력으로 상기 SQUID(10)가 주변자기장에 대해 주기함수적으로 변하는 출력을 일정 수준으로 유지시키고 있다.

이와 같이 변조코일(70)에 인가되는 고주파의 검출을 기존의 FLL과 달리 최종 출력 자기신호로부터 검출하지 않고 SQUID(10) 변조 레벨의 변화에 따라 검출한다.

이때, 상기 변조코일(70) 내로 금속이 접근하면 에디 전류(eddy current)에 의해 SQUID(10)에 다른 변조량이 가해지게 되는데, 이에 따라 SQUID(10)에 걸리는자기장은 일정한 값을 유지하기 힘들게 된다.

따라서 도 4와 같이, 변조신호 2 배의 주파수로 프리앰프(20) 출력을 복조(demodulation)하여 고주파의 신호와 저주파인 자기장 신호를 원천적으로 분리한 후, 이때 복원된 고주파 신호를 이용하여 SQUID(10)에 걸리는 자기장의 크기가 일정한 값을 유지하도록 되먹임한다.

이에 따라 SQUID는 저주파 자기장과 무관하게 고주파 검출 신호의 S/N비를 유지할 수 있다.

가령 넓은 원 안에 금속이 들어오면 에디 전류(eddy current)에 의해 SQUID(10)에 다른 변조량이 가해지고 회로는 이를 원상복귀하기 위해 더 많은(+) 또는 더 작은(-)변조를 하도록 변조신호부(80)로 되먹임이 발생하고 이 발생한 양을 입력으로 복원된 고주파 신호를 출력한다.

더불어 변조 주파수를 바꾸어 가면서 회로를 동작하면 일반적인 에디 전류(eddy current)에 의한 반응인지 물체내부의 공진에 의한 반응인지를 쉽게 알 수 있다.

즉, 에디 전류인 경우는 주파수에 대해서 크게 변화하지 않는 부드러운 변화를 가지고 오는 반면에 물체내부의 공진에 의한 반응은 주파수에 대해서 샤프하게 반응을 한다. 따라서 폭약과 같은 특정 물질탐지의 목적에 사용할 수 있다.

이와 같이 SQUID의 변조코일(70)에 인가되는 값을 크게 함으로써, 탐지하고자 하는 물체를 변조코일 내부 혹은 가까이에 두고 탐지할 수 있게 된다.

한편 FLL은 최적의 동작점에서 운영되어 SQUID(10)에 인가된 저주파의 자기장 신호를 상쇄시켜 별도로 자기물질을 탐지할 수도 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 SQUID를 이용한 공진신호 검출 장치는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 변조신호 2 배의 주파수로 프리앰프 출력을 복조(demodulation)하여 SQUID에 걸리는 자기장의 크기가 일정한 값을 유지하도록 함으로써, 고주파 자기신호에 대한 물체의 응답을 정밀하게 얻을 수 있다.

둘째, 고주파의 되먹임을 구성하지 않기 때문에 SQUID 동작회로를 안정할 수 있다.

셋째, 쉽게 주파수에 대한 관계를 구할 수 있어 금속과 비금속의 반응을 구분할 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (2)

1. SQUID, 앰프, 적분기 및 되먹임 코일로 구성되어 자속 고정루프(Flux Locked Loop: FLL)를 이루는 기준 자장센서와,

   외부의 고주파 신호와 앰프에서 출력되는 출력값을 믹싱하여 정의된 기준 레벨이상의 고주파 신호만을 출력하는 변조 신호부와,

   외부의 고주파 신호를 분할한 신호와 상기 변조 신호부의 출력신호를 이용하여 가변된 변조신호를 출력하는 가변 게인 증폭기(variable gain amplifier)와,

   상기 가변 게인 증폭기에서 출력되는 가변 변조 고주파 신호가 입력되어 상기 SQUID에 걸리는 자기장을 일정 수준으로 유지시키는 변조코일을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초전도 양자간섭소자를 이용한 공진신호 검출 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 변조 신호부는 외부에서 인가되는 고주파 신호와 상기 앰프를 통해 출력되는 신호를 변조코일에 인가되는 변조신호보다 큰 주파수로 복조하고 변조코일에 되먹임하는 것을 특징으로 하는 초전도 양자간섭소자를 이용한 공진신호 검출 장치.