KR102643817B1 - 증기셀 및 증기셀 온도 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증기셀 및 증기셀 온도 제어 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저를 이용하여 전자기장의 왜곡 없이 증기셀의 온도를 제어하는 증기셀 및 증기셀 온도 제어 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 증기셀은, 반응성 물질이 수용되는 공간인 관통부를 구비하는 몸체 및 상기 몸체의 외부 표면의 일부에 구비되는 검은 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 원자계를 이용한 전자기장 측정 시 왜곡을 최소화하고 온도 제어 장치에 의한 노이즈를 제거함으로써 미세 자기장 및 밀리미터파 대역의 전자파의 세기 및 위상을 측정할 수 있다는 이점이 있다.

Description

증기셀 및 증기셀 온도 제어 시스템{Vapor cell and vapor cell temperature control system}

본 발명은 증기셀 및 증기셀 온도 제어 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저를 이용하여 전자기장의 왜곡 없이 증기셀의 온도를 제어하는 증기셀 및 증기셀 온도 제어 시스템에 관한 것이다.

전자파 측정 기술, 특히, 원자계를 이용한 전자파 측정 기술에 있어 전자파 측정의 정확성은 증기셀 내 원자의 밀도와 밀접하게 관련이 있다. 종래 원자계를 이용한 전자파 측정기술들은 증기셀의 온도를 높여서 원자의 밀도를 증가시키고 이로부터 강한 신호 세기를 얻는 방법을 주로 사용하여 왔다.

증기셀의 온도를 제어하는 장치로써 접촉식 온도제어 장치가 주로 사용된다. 접촉식 온도제어 장치의 경우 발열체(예, 코일)가 증기셀을 감싸 온도를 제어하기 때문에 접촉식 온도제어 장치 자체에서 발생하는 전자기장 노이즈와 발열체에 의해 발생하는 전자기장 노이즈에 의해 측정하고자 하는 전자기장의 왜곡이 발생한다.

즉, 접촉식 온도 제어 장치로부터 발생되는 노이즈 및 왜곡으로 인해 신호처리에 어려움이 동시에 발생하는 것이다.

증기셀 온도제어 장치에 의한 자기장의 영향을 최소화하기 위해서 대한민국 등록특허 제10-2022003호(자기장 코일 및 히터 시스템)는 코일의 방향을 반대로 하는 방법을 개시하고 있다. 그러나 측정 대상 전자파의 유전율이 공기와 상이하여 여전히 측정해야 하는 전자파의 왜곡이 발생한다.

증기셀 내 원자의 밀도를 올리는 방법으로 코일이나 고온의 액체를 이용한 방법이 종래 널리 사용되어 왔지만, 최근 들어 원자 증기셀을 이용한 전자파 측정 기술이 실현되면서 전자파 왜곡없이 증기셀 내 원자의 밀도를 높일 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

KR 10-2022003 B1

상기 전술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 검은 물질을 포함하는 증기셀 및 레이저 광을 이용한 비접촉식 증기셀 온도 제어 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예로써, 증기셀 이 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 증기셀은, 반응성 물질이 수용되는 공간인 관통부를 구비하는 몸체 및 상기 몸체의 외부 표면의 일부에 구비되는 검은 물질을 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 증기셀은, 반응성 물질이 수용되는 공간인 관통부를 구비한 몸체 및 상기 몸체의 일부 또는 전부를 둘러싸며, 외부 표면의 일부가 검은 물질로 코팅된 윈도우를 포함할 수 있다.

본 발명의 어느 하나의 실시예에 따른 증기셀은, 상기 검은 물질은 Vanta Black 또는 Carbon Black인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 어느 하나의 실시예에 따른 증기셀은, 상기 몸체는 2n(n은 2이상의 정수)각기둥 또는 원기둥인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예로써, 증기셀 온도 제어 시스템이 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 증기셀 온도 제어 시스템은, 전술한 증기셀, 상기 증기셀로 레이저 광을 조사하는 광 조사부; 상기 증기셀의 온도를 측정하는 비접촉식 온도계; 및 상기 비접촉식 온도계에 의해 상기 증기셀의 온도를 측정하고, 상기 증기셀의 온도가 기 설정된 온도에 도달하는 경우, 상기 광 조사부를 피드백하는 것이 가능하도록 구성된 제어부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 증기셀 온도 제어 시스템은, 상기 증기셀을 지지하는 지지체를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 증기셀 온도 제어 시스템은, 상기 지지체는 길이방향을 따라 중공의 통로가 형성되어, 히트싱크(Heat Sink) 기능을 하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 증기셀 온도 제어 시스템은, 상기 증기셀로 입사되는 레이저 광을 평행광으로 변환하는 시준기를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 원자계를 이용한 전자기장 측정 시 왜곡을 최소화하고 온도 제어 장치에 의한 노이즈를 제거함으로써 미세 자기장 및 밀리미터파 대역의 전자파의 세기 및 위상을 측정할 수 있다는 이점이 있다.

또한, 원자계를 이용한 양자 메모리, 4광자 혼합 광원 생성 등과 같은 원자기반 양자 시스템뿐만 아니라 원자계 기반 전자기장 측정 시스템 등에 기존 접촉식 온도 제어 시스템을 대체하여 활용될 수 있다.

또한, 비접촉식 온도 제어 시스템이 필요한 산업 전반에서 정확한 온도 제어 시스템을 제공할 수 있다는 이점이 있다.

본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급된 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 증기셀의 일 예시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 증기셀의 또 다른 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 증기셀의 종단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 증기셀 온도 제어 시스템의 개략도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "~부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, "그 중간에 다른 소자를 사이에 두고"연결되어 있는 경우도 포함한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 증기셀(100)의 일 예시도이다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 증기셀(100)의 또 다른 예시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 증기셀(100)은 몸체(10) 및 검은 물질(20)을 포함하여 구성될 수 있다.

상기 몸체(10)는 반응성 물질이 수용되는 공간인 관통부를 구비한다.

상기 반응성 물질은 세슘(Cs)이나 루비듐(Rb)과 같은 알칼리 원자를 포함할 수 있다.

상기 관통부는 외부로부터 밀폐된 공간으로서 반응성 물질이 수용될 수 있는 공간이다. 이때, 관통부내에는 반응성 물질 외에 상기 반응성 물질을 적절히 구속하기 위한 소정의 버퍼 가스가 함께 수용될 수 있다.

상기 몸체(10)는 2n(n은 2이상의 정수)각기둥 또는 원기둥인 것을 특징으로 할 수 있다. 즉, 도 1 및 도2(a)에서와 같이 원기둥 형상으로 이루어지거나 도 2(b)에서와 같이 사각기둥 형상으로 이루어질 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 구 또는 정육면체 등 반응성 물질을 수용할 수 있는 범위에서 다양한 형상으로 구현될 수 있을 것이다.

상기 검은 물질(20)은 몸체(10)의 외부 표면의 일부에 구비된다.

상기 검은 물질(20)은 도 1에서와 같이 복수의 점으로 구현되거나, 도 2(a)에서와 같이 증기셀(100) 몸체(10)의 양측 말단을 둘러싸는 원형의 링 형상으로 구현되거나 도 2(b)에서와 같이 증기셀(100) 몸체(10)의 양측 말단을 둘러싸되, 정사각형의 링 형상으로 구현될 수 있다.

검은 물질(20)이 증기셀(100)의 일부가 아닌 전체 부분에 구비될 경우, 광 레이저에 의해 증기셀(100) 전체가 히팅되며, Rydberg EIT(Electromagnetically Induced transparency)를 만들거나 자력계(magnetometer)를 만들기 위해 사용되는 레이저(증기셀(100) 히팅을 위한 레이저와 상이함)들이 윈도우(30)를 통해 조사될 때, 증기셀(100) 내부의 반응성 물질들이 증기셀(100)의 벽면에 골고루 코팅되어 증기셀(100)이 불투명 매개체(opaque medium)가 된다.

이는 증기셀(100) 내부의 반응성 물질로 주로 사용되는 원자들이 주로 1족에 해당하는 원자이기 때문에, 반응성 물질들이 증기셀(100)의 벽면에 모이게 될 경우 금속과 같은 형태가 되면서, 외부에서 조사되는 빛을 반사하기 때문이다.

따라서, 측정해야 하는 특정 레이저 광(측정대상 레이저 광)이 통과하기 위한 증기셀(100)의 부분에는 반응성 물질이 달라붙지 않게 하여 측정대상 레이저 광의 투과를 높이고, 반응성 물질들이 증기셀(100)의 중앙에 모이도록 온도차를 생성하기 위해서는 증기셀(100)의 양측 말단에만 검은 물질(20)을 구비함이 바람직할 것이다.

상기 검은 물질(20)은 Vanta Black 또는 Carbon Black인 것을 특징으로 할 수 있다.

Vanta Black은 나노튜브로 구성된 물질로, 빛을 최대 99.965% 흡수할 수 있는 가장 검은 물질(20)이며, Carbon Black은 탄소계 화합물의 불완전 연소로 인해 생성되는 물질로서 흑색의 미세한 탄소분말을 의미한다.

본 발명에 따른 검은 물질(20)은 위의 예시에 한정되는 것은 아니며, 빛의 흡수율이 높은 검은 물질(20)이면 어느 것이든 적용이 가능할 것이다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 증기셀(100)의 종단면도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 증기셀(100)은 몸체(10) 및 윈도우(30)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 몸체(10)는 반응성 물질이 수용되는 공간인 관통부를 구비한다.

상기 윈도우(30)는 몸체(10)의 일부 또는 전부를 둘러싸며, 외부 표면의 일부가 검은 물질(20)로 코팅된다.

이때, 윈도우(30)는 관통부 내부에 포함된 반응성 물질의 광펌핑을 위해 관통부를 중간에 두고 레이저 광이 입사되는 일면 및 상기 일면과 대향하는 타면에 구비됨이 바람직할 것이다.

제2 실시예에 따른 반응성 물질, 관통부 및 검은 물질(20)에 대한 설명은 이상의 설명을 제외하면, 제1 실시예에 따른 반응성 물질, 관통부 및 검은 물질(20)에 대한 설명과 동일하므로 여기서는 생략한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 증기셀(100) 온도 제어 시스템의 개략도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 증기셀(100) 온도 제어 시스템은 전술한 증기셀(100), 광 조사부(200), 비접촉식 온도계(300) 및 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 광 조사부(200)는 증기셀(100)로 레이저 광을 조사한다. 이때, 광 조사부(200)에서 조사된 레이저 광은 증기셀(100)에 포함된 검은 물질(20)에 흡수되어 증기셀(100)의 온도를 상승시키는 역할을 수행한다.

이는 증기셀(100) 내부의 반응성 물질들의 밀도를 증가시켜, Rydberg EIT 스펙트럼의 크기를 키우기 위함이다. Rydberg EIT 스펙트럼의 크기가 클수록 작은 세기의 전자파의 감지가 가능할 것이다.

실시예에 따라, 상기 광 조사부(200)는 광섬유 레이저로 구성될 수 있으며, 검은 물질(20)이 코팅된 증기셀(100) 부분에 광을 집중시키기 위해 광섬유를 분기하는 분기부를 더 포함할 수 있다.

실시예에 따라, 상기 광 조사부(200)는 레이저 광(L)을 발생시키는 기능을 수행할 수 있으며, 레이저 발생 소자, 예를 들어 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 다이오드와 같은 레이저 다이오드를 포함할 수 있다.

상기 비접촉식 온도계(300)는 증기셀(100)의 온도를 측정한다. 즉, 비접촉식 온도계(300)는 증기셀(100)의 온도를 측정하여 제어부로 송신하며, 바람직하게는 전자파의 왜곡을 피하기 위해 열화상 카메라와 같은 비접촉식 온도계(300)의 사용이 적절할 것이다.

그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 증기셀(100)에서 멀리 떨어져 있는 상태에서 증기셀(100)의 온도를 측정하는 온도계이면 어느 것이든 적용이 가능하다. 즉, 실시예에 따라 증기셀(100)에서 방사되는 적외선의 강도를 측정하는 적외선 온도계를 사용할 수도 있을 것이다.

상기 제어부는 비접촉식 온도계(300)에 의해 상기 증기셀(100)의 온도를 측정하고, 상기 증기셀(100)의 온도가 기 설정된 온도에 도달하는 경우, 상기 광 조사부(200)를 피드백하는 것이 가능하도록 구성된다.

이때, 기 설정된 온도는 증기셀(100) 내부의 반응성 물질들이 열평형 상태에 도달하는 온도를 의미하는 것일 수 있다.

실시예에 따라, 상기 제어부는 광 조사부(200)뿐만 아니라 지지체(400) 또는 시준기(500)를 피드백하는 것이 가능하도록 구성될 수 있다.

실시예에 따라, 증기셀(100) 온도 제어 시스템은 증기셀(100)로 입사되는 레이저 광을 평행광으로 변환하는 시준기(500)를 더 포함할 수 있다.

상기 시준기(500)는 광 조사부(200)에서 발생되는 광을 평행광으로 변환하는 역할을 수행한다. 예를 들어, 시준기(500)는 통용되는 시준기(500)를 광섬유를 분기하는 분기부에 연결되도록 함으로써 구비할 수 있다.

실시예에 따라, 증기셀(100) 온도 제어 시스템은 상기 증기셀(100)을 지지하는 지지체(400)를 더 포함할 수 있다.

상기 지지체(400)는, 길이방향을 따라 중공의 통로가 형성되어, 히트싱크(Heat Sink) 기능을 하는 것을 특징으로 할 수 있다.

예를 들어, 증기셀(100)의 양측 말단에 구비된 검은 물질(20)에 의해 증기셀(100) 양측 말단이 가열되고, 증기셀(100)의 하부 중앙에 배치된 지지체(400)의 길이방향으로 형성된 중공의 통로에 의해 증기셀(100)의 중앙이 흡열 되어, 증기셀(100) 내부에 온도차가 발생할 수 있다.

상기 지지체(400)의 길이방향을 따라 형성된 중공의 통로는 증기셀(100)로 조사되는 측정 대상 전자파와 공기 사이의 유전율 차이에 의한 측정 대상 전자파 왜곡을 최소화한다.

원자계를 이용한 전자기장 측정 방법은, 증기셀(100)을 가열한 후 특정 레이저들을 조사하여 Rydberg EIT 상태의 원자계를 형성하고, Rydberg EIT 상태의 원자계가 형성된 증기셀(100)에 측정 대상 전자파(예를 들어, 통신 주파수 등)를 송신하여, 이로 인해 발생한 Rydberg EIT 스펙트럼의 변화를 측정함으로써 측정 대상 전자파의 크기나 위상을 측정하는 것이다.

그러나, 종래의 원자계를 이용한 전자기장 측정 방법은 증기셀(100)을 접촉식으로 가열하므로, 측정 대상 전자파에 왜곡이 발생한다.

반면, 본 발명에 따른 증기셀 온도 제어 시스템(1)은 광 조사부(200)에 의해 조사된 레이저 광이 상기 증기셀(100)의 검은 물질에 흡수됨으로써 비접촉식으로 증기셀의 온도를 상승시키는 것이므로, 증기셀을 접촉식으로 가열함에 따른 측정 대상 전자파의 왜곡이 발생하지 않는 것이다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1: 증기셀 온도 제어 시스템
10: 몸체
20: 검은 물질
30: 윈도우
100: 증기셀
200: 광 조사부
300: 비접촉식 온도계
400: 지지체
500: 시준기

Claims (8)

1. 외부로부터 밀폐되며, 세슘 또는 루비듐을 포함하는 반응성 물질 및 상기 반응성 물질을 구속하는 버퍼 가스가 수용되는 공간인 관통부를 구비하는 몸체; 및,
   불투명 매개체로서, 상기 몸체의 외부 표면으로 상기 몸체의 양측 말단 또는, 전체 부분에 코팅되고, 외부로부터 조사되는 레이저 광을 흡수하여 상기 몸체의 내부 온도를 증가시키는 검은 물질을 포함하고,
   상기 검은 물질은 Vanta Black 또는 Carbon Black으로 이루어진 것인, 증기셀.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 몸체는 2n(n은 2이상의 정수)각기둥 또는 원기둥인 것을 특징으로 하는 증기셀.
   
5. 증기셀;
   상기 증기셀로 레이저 광을 조사하되, 상기 증기셀에 일부분에 광을 집중시키기 위해 광섬유가 분기되는 광 조사부;
   상기 증기셀의 온도를 측정하는 비접촉식 온도계; 및
   상기 비접촉식 온도계에 의해 상기 증기셀의 온도를 측정하고, 상기 증기셀의 온도가 기 설정된 온도에 도달하는 경우, 상기 광 조사부를 피드백하는 것이 가능하도록 구성된 제어부를 포함하고,
   상기 증기셀은,
   외부로부터 밀폐되며, 세슘 또는 루비듐을 포함하는 반응성 물질 및 상기 반응성 물질을 구속하는 버퍼 가스가 수용되는 공간인 관통부를 구비하는 몸체; 및,
   불투명 매개체로서, 상기 몸체의 외부 표면으로 상기 몸체의 양측 말단 또는, 전체 부분에 코팅되고, 외부로부터 조사되는 레이저 광을 흡수하여 상기 몸체의 내부 온도를 증가시키는 검은 물질을 포함하고,
   상기 검은 물질은 Vanta Black 또는 Carbon Black으로 이루어진 것인, 증기셀 온도 제어 시스템.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 증기셀을 지지하는 지지체를 더 포함하는 증기셀 온도 제어 시스템.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 지지체는 길이방향을 따라 중공의 통로가 형성되어, 히트싱크(Heat Sink) 기능을 하는 것을 특징으로 하는 증기셀 온도 제어 시스템.
   
8. 제 5 항에 있어서,
   상기 증기셀로 입사되는 레이저 광을 평행광으로 변환하는 시준기를 더 포함하는 증기셀 온도 제어 시스템.