[논문]SQUID 센서 기반의 극저자장 자기공명 장치를 위한 사전자화코일 전류구동장치 개발

황성민; 김기웅; 강찬석; 이성주; 이용호

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SQUID sensor-based ultra low-field magnetic resonance apparatus with ${\mu}T$-level measurement field requires a strong prepolarization magnetic field ($B_p$) to magnetize its sample and obtain magnetic resonance signal with a high signal-to-noise ratio. This $B_p$ n...

SQUID sensor-based ultra low-field magnetic resonance apparatus with ${\mu}T$-level measurement field requires a strong prepolarization magnetic field ($B_p$) to magnetize its sample and obtain magnetic resonance signal with a high signal-to-noise ratio. This $B_p$ needs to be ramped down very quickly so that it does not interfere with signal acquisition which must take place before the sample magnetization relaxes off. A MOSFET switch-based $B_p$ coil driver has current ramp-down time ($t_{rd}$) that increases with $B_p$ current, which makes it unsuitable for driving high-field $B_p$ coil made of superconducting material. An energy cycling-type current driver has been developed for such a coil. This driver contains a storage capacitor inside a switch in IGBT-diode bridge configuration, which can manipulate how the capacitor is connected between the $B_p$ coil and its current source. The implemented circuit with 1.2 kV-tolerant devices was capable of driving 32 A current into a thick copper-wire solenoid $B_p$ coil with a 182 mm inner diameter, 0.23 H inductance, and 5.4 mT/A magnetic field-to-current ratio. The measured trd was 7.6 ms with a 160 ${\mu}F$ storage capacitor. trd was dependent only on the inductance of the coil and the capacitance of the driver capacitor. This driver is scalable to significantly higher current of superconducting $B_p$ coils without the $t_{rd}$ becoming unacceptably long with higher $B_p$ current.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 위와 같이 커패시터와 IGBT 스위치를 사용한 사전자화 코일 구동기의 설계를 설명하고 제작한 구동기의 특성을 평가해보았다.

제안 방법

이상 대용량 커패시터와 IGBT-다이오드 브리지 스위치를 응용한 에너지 재활용 방식의 B_p 코일 구동기의 설계, 제작 그리고 성능 평가를 했다. 이 에너지 재활용 방식의 구동기는 대량의 전류를 B_p 코일에 흘려 주더라도 공급하는 전류 량에 따라 전류 감쇠 시간이 증가하지 않는다.
추가적으로 구동기를 통해 B_p 코일로 기계접점식 릴레이로도 완전히 막을 수 없는 고주파 잡음이 유입되는 것을 막기 위해 전류공급기에서 B_p 코일 구동기로 공급되는 전류는 DC 라인필터(D2L75F, Filter Concepts)로 고주파 성분을 걸러내었고 구동기 외부에서 입력되는IGBT 및 릴레이 트리거 신호는 광섬유 입력으로 받아 이를 통한 외부의 잡음 유입을 원천적으로 차단했다. IGBT 소자를 켜고 끄는데 필요한 IGBT 게이트 구동부는 고주파 잡음을 유발할 수 있는 DC-DC 변환기를 사용하지 않고 독립적인 전지 전원을 가지고 입력부에 optoisolator를 사용한 구동회로를 제작해 사용했다.
)를 사용했다. 충전용 커패시터 C로는 1.2 kV 내압과 320 uF(+- 10 %) 용량을 가지는 947C321K12CDM(Cornell Dublier) 두개를 직렬연결하고 각각의 양단에 1 MΩ 전압분배 저항을 병렬로 부착하여 총 2.0 kV 내압과 160 uF 용량의 커패시터 뱅크를 만들어 사용했다. 여기에서 예상되는 전류의 증가 및 감소시간은 9.

대상 데이터

B_p 코일 구동기에 사용하는 소자 중 반도체 스위치 X1과 X2는 1.2 kV 내압과 600 A 전류용량을 가지는 IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor) CM600HA-24A(Powerex Inc)를 사용했으며 다이오드 D1과 D2는 1.6 kV 내압과 160A 전류 용량을 가지는 CS611616B(Powerex Inc.)를 사용했다. 충전용 커패시터 C로는 1.
사전자화 코일 구동기로 전류를 공급할 B_p 코일은 내경이 182 mm, 외경이 270 mm이며 높이는 130 mm인 두꺼운 솔레노이드 형태로 코일의 중심에 1 A 당 5.4 mT의 자기장을 생성한다. 이 코일의 인덕턴스는 0.

성능/효과

또한 B_p가 켜질 때 의 전류 증가시간도 역시 짧아 반복적인 자기공명신호 취득에 걸리는 시간을 최소화 할 수 있는 장점이 있다. 제작 된 구동기는 설계 시 성능 기대치를 모두 만족했으며 릴레이 차단 시 자기차폐실 내부에서 SQUID 센서의 동작에 거의 영향을 주지 않을 정도로 잡음도 적었다.

후속연구

코일 구동 방법으로 전류감소시간이 충분히 짧도록 만들기 위해서는 전류가 차단될 때 지나치게 높은 전압이 형성되므로 내압이 높은 스위치 소자를 다수 직렬로 연결해야 해서 구동기의 설계가 복잡해지고 또한 전류 차단 시 발열이 커져 실용성이 떨어지게 된다. 그러므로 커패시터를 이용한 에너지 재활용 방식을 사용하는 이용한 Bp 코일 구동장치는 이에 대한 훌륭한 대안이 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	극저자장 자기공명 장치는 어떤 장치인가?	극저자장 자기공명 장치는 기존 고자장 자기공명에 필요한 수 T의 강한 주 자기장 (B0) 대신 수 μT의 미약한 측정 자기장(Bm)을 이용해서 자기공명신호를 취득하는 장치이다. 기존 고자장 자기공명장치에 쓰이는 유도코일 센서 대신 초전도 양자 간섭장치(SQUID) 센서를 사용하면서 이러한 미약한 Bm으로 생성되는 자기공명신호의 측정이 가능하다 [1].
	극저자장 자기공명 장치가 신호를 측정하기 전에 추가적으로 사전자화 자기장(Bp)을 통해 샘플을 강하게 자화시키는 단계를 거쳐야 하는 이유는 무엇인가?	이렇게 미약한 Bm은 다음과 같은 극저자장 자기공명 장치의 여러가지 다양한 장점의 기반이 되는데 그 장점은 다음을 포함한다: 미약한 Bm에 기인한 장치의 단순화, 광범위한 Bm의 조정 가능성, 강한 자기장에 의한 금속 보철물에 의한 신호 및 영상의 왜곡 배제, 강한 자기장에 의한 화학적 공명점 변위 없음, 자연 선폭에 준하게 또는 그 보다 낮게 좁은 비균질 선폭 등 [1-3] 고자장 자기공명 장치의 B0는 Larmor 주파수에 해당하는 자기공명 신호를 생성하는 것과 동시에 이러한 자기공명 신호의 크기도 결정한다. 반면에 미약한 측정 자기장을 사용하는 극저자장 자기공명 장치의 경우는 Bm만 가하는 경우 자기공명 신호의 크기 또한 미약할 수 밖에 없으므로 신호를 측정하기 전에 추가적으로 사전자화 자기장(Bp)을 통해 샘플을 강하게 자화시키는 단계를 거친다. 이러한 경우 자기공명 신호의 크기는 샘플의 자화도에 비례하므로 Bp는 강할수록 좋다.
	극저자장 자기공명 장치가 미약한 Bm으로 생성되는 자기공명신호의 측정이 가능한 이유는 무엇인가?	극저자장 자기공명 장치는 기존 고자장 자기공명에 필요한 수 T의 강한 주 자기장 (B0) 대신 수 μT의 미약한 측정 자기장(Bm)을 이용해서 자기공명신호를 취득하는 장치이다. 기존 고자장 자기공명장치에 쓰이는 유도코일 센서 대신 초전도 양자 간섭장치(SQUID) 센서를 사용하면서 이러한 미약한 Bm으로 생성되는 자기공명신호의 측정이 가능하다 [1]. 이렇게 미약한 Bm은 다음과 같은 극저자장 자기공명 장치의 여러가지 다양한 장점의 기반이 되는데 그 장점은 다음을 포함한다: 미약한 Bm에 기인한 장치의 단순화, 광범위한 Bm의 조정 가능성, 강한 자기장에 의한 금속 보철물에 의한 신호 및 영상의 왜곡 배제, 강한 자기장에 의한 화학적 공명점 변위 없음, 자연 선폭에 준하게 또는 그 보다 낮게 좁은 비균질 선폭 등 [1-3] 고자장 자기공명 장치의 B0는 Larmor 주파수에 해당하는 자기공명 신호를 생성하는 것과 동시에 이러한 자기공명 신호의 크기도 결정한다.

참고문헌 (6)

John Clarke, Michael Hatridge, and Michael Mossle, "SQUID-Detected Magnetic Resonance Imaging in Microtesla Fields", Annu. Rev. Biomed. Eng. 9, 389- 413 (2007).

상세보기
Seung Kyun Lee, Michael Mossle, Whittier Myers, Nathan Kelso, Andreas H. Trabesinger, Alexander Pines, and John Clarke, "SQUID-Detected MRI at $132{\mu}T$ with T1-Weighted Contrast Established at $10{\mu}T$ -300 mT", Magn. Reson. in Med. 53, 9-14 (2005).
Robert McDermot, SeungKyun Lee, Bennie ten Haken, Andreas H. Trabesinger, Alexander Pines, and John Clarke, "Microtesla MRI with a superconducting quantum interference device", Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 101(21), 7857-7861 (2004).

상세보기
Vadim S. Zotev, Andrei N. Matlashov, Petr L. Volegov, Algis V. Urbaitis, Michelle A. Espy, and Robert H. Kraus, Jr ,"SQUID-based instrumentation for ultra-low-field MRI", Supercond. Sci. Tech, 20(11) S367 (2007).
Nathaniel I. Matter, Greig C. Scott, Thomas Grafendorfer, Albert Macovski, and Steven M. Conolly, "Rapid Polarizing Field Cycling in Magnetic Resonance Imaging", IEEE Trans. Med. Imag. 25(1), 84-93 (2006).

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Martin N. Wilson, "NbTi superconductors with low ac loss: A review", Cryogenics 48, 381-395 (2008).

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