[보고서]초전도양자간섭기(SQUID) 기반 미소변위측정기법 연구

김인선

초전도양자간섭기(SQUID) 기반 미소변위측정기법 연구
Research on the Displacement Measurement Technique Based on SQUID 원문보기

보고서 정보
주관연구기관	한국표준과학연구원 Korea Research Institute of Standards and Science
연구책임자	김인선
참여연구자	강찬석 , 권혁찬 , 김민영 , 김진목 , 안산 , 유권규 , 이상길 , 이성주 , 임청무
보고서유형	1단계보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2013-11
과제시작연도	2012
주관부처	미래창조과학부 KA
사업 관리 기관	기초기술연구회
등록번호	TRKO201400002099
과제고유번호	1345194457
DB 구축일자	2014-05-17
키워드	가속도계,미소변위,초전도 중력계,스퀴드Accelerometer,Ultra small displacement,Superconductor Gravimeter,SQUID

초록 ▼

초전도양자간섭기(SQUID) 기반 미소변위측정기법 연구를 통하여 고성능 중력계인 초전도 중력계를 국내에서 자체 개발하기 위한 요소기술 및 기반 기술을 확보 하였으며, 다음과 같은 목표를 달성하였음.
◦ 초전도양자간섭기(SQUID) 기반 초전도 중력계 분석 및 모델링
- 초전도 중력계 원리 및 해석
- 초전도 중력계 모델링 제작
◦ 기반기술 개발 내용 및 방법
- 극세선 나선형 평면 코일권선기 개발제작
- 나이오븀 UHV 고온 열처리장치 개발제작
- 극저온 액체헬륨 수용 용기 개발제작
- 초전도 열 스위치
◦ 초전도 중력측정계의 핵심기술인 미소변위측정기술 확보
- 나선형 평면 코일의 초전도 영구전류 저장 및 방전
- 나선형 평면 코일의 인덕턴스 측정
- 나선형 평면 코일의 자기력에 의한 초전도체 자기 부상
- 초전도 질량체의 미소 변위에 따른 초전도양자간섭기 출력신호 측정

Abstract ▼

Ⅳ. Results
○ Analysis and modeling of superconducting gravimeter based on SQUID
- Analysis of basic principle of superconducting gravimeter
- Design and model fabrication of superconducting gravimeter
○ Contents and methods on development of base technology
- Flat spiral coil made from ultra-thin wire
- UHV high temperature annealing furnace for Niobium
- Low temperature liquid helium dewar
- Fabrication and characterization of superconducting heat switch
○ Development of measurement technique of superconducting displacement by using SQUID
- Storage and discharge of superconducting persistent current in flat spiral superconducting coil
- Inductance measrement of flat spiral coil
- Superconducting levitation by magnetic field generated from a flat spiral coil
- Measurement of superconducting displacement by using SQUID

목차 Contents

표지 ... 1
제출문 ... 3
보고서 초록 ... 4
요약문 ... 5
SUMMARY ... 6
CONTENTS ... 8
목차 ... 10
제 1 장 서 론 ... 12
제 1 절 기술의 개요 ... 12
제 2 절 연구의 필요성 ... 12
제 3 절 연구대상 기술의 국내외 개발 현황 ... 20
제 2 장 요소기술 분석 및 모델링 ... 25
제 1 절 초전도 중력계 원리 및 해석 ... 25
1. 초전도 중력계 원리 ... 25
2. 나선형 평면 코일의 인덕턴스 ... 27
3. 초전도 나선형 평면 코일의 인턱턴스 ... 28
4. 스프링계의 cantilever beam 모델 ... 30
제 2 절 초전도 중력계 모델링 제작 ... 33
1. 메릴랜드대학의 초전도 중력계 ... 33
2. 초전도 중력계 설계 및 모델링 제작 ... 34
제 3 장 기반기술 개발 내용 및 방법 ... 40
제 1 절 극세선 나선형 평면 코일 ... 40
1. 나선형 평면 코일 권선기 개발 제작 ... 40
2. 평면 나선형 코일 제작 ... 42
제 2 절 나이오븀 UHV 고온 열처리 ... 43
1. 나이오븀 UHV 고온 열처리 장치 개발 제작 ... 43
제 3 절 극저온 액체헬륨 수용 용기 ... 48
1. 극저온 액체헬륨 수용 용기 제작 ... 48
제 4 절 초전도 열 스위치 ... 50
1. 영구전류 제어를 위한 초전도 열 스위치의 제작 ... 50
2. 초전도 열 스위치의 동작특성 ... 52
제 4 장 초전도양자간섭기를 이용한 미소변위 측정 ... 53
제 1 절 나선형 평면 코일의 초전도 영구전류 저장 및 방전 ... 53
제 2 절 나선형 평면 코일의 인덕턴스 측정 ... 55
1. 나선형 평면 코일의 인덕턴스 ... 55
2. 거리 변화에 대한 나선형 평면의 인덕턴스 ... 59
제 3 절 나선형 평면 코일의 자기력에 의한 초전도체 자기 부상 ... 62
제 4 절 초전도양자간섭기를 이용한 초전도 질량체의 미소 변위 측정 ... 64
1. 측정 장치의 제작 ... 64
2. 자속 변환기 ... 67
3. 측정 결과 ... 68
제 5 장 위탁연구: Precision Gravity Measurement Using Superconducting Technology ... 72
제 6 장 연구개발 실적 ... 90
제 7 장 기대성과 및 성과 활용 ... 92
제 8 장 참고 문헌 ... 95
[부록] 연구성과 집계 ... 97
끝페이지 ... 101

표/그림 (72)

표 Fig. 1-1. Breakdown of position error sources for a typical aircraft INS.
표 Fig. 1-2. Concept of INS/GGI based navigation.
표 Fig. 1-3. Photo of 3D-FTG from Bell Geospace.
표 Fig. 1-4. Schematics of superconducting gravimeter.
표 Fig.1-5. Typical demonstration of (a)Gravity map and (b) Gravity gradiometry map
표 Fig. 1-7. Measurement principle of GWR’s superconducting gravimeter.
표 Fig. 1-6. Photo of GWR’s superconductor gravimeter.
표 Fig. 1-8. Superconducting gravity gradiometer developed by U. Maryland
표 Fig. 1-9. Superconducting angular accelerometer developed by U. Maryland
표 Fig. 1-10. Superconducting gravity gradiometer developed by (a) ARKeX (resolution 0.3 E?/√Hz), (b) U. Western Australia
표 Fig. 2-1-1. Motion of a mass on a spring.
표 Fig. 2-1-2. Magnetic sensing coil to detect the motion of a mass.
표 Fig. 2-1-3. Schematic of a superconducting accelerometer.
표 Fig. 2-1-4. Layout for pancake coil
표 Fig. 2-1-5. Superconducting coil enclosed between two superconducting surfaces.
표 Fig. 2-1-6. (a) A cantilever beam, (b) the beam under free vibration.
표 Fig. 2-1-7. A rectangular cross?cross of the beam.
표 Fig. 2-2-1. Schematics of superconducting gravimeter developed by University of Maryland.
표 Fig. 2-2-2. Photo of model machining of mass suspended on a spring based on UMD original model
표 Fig. 2-2-3. Photo of whole body model machining of mass suspended on a spring based on UMD model
표 Fig 2-2-4. (a) Photo and (b) CAD drawing of model machining to improve the fixture between test mass and spring plate
표 Fig 2-2-6. Photo of machined KRISS-model made from stainless steel.
표 Fig 2-2-5. Drawing of KRISS-model showing test mass and spring plate.
표 Fig 2-2-7. Design of 0.5-mm-thick Nb spring plate composed of 4 cantilever beams.
표 Fig 2-2-8. FEM mode analyses on the KRISS model.
표 Fig. 3-1-1. Design of flat spiral coil winder.
표 Fig. 3-1-3. (a) Marcor coil base , (b) side view of installed window and coil base, (c) view of winding the Nb wire
표 Fig. 3-1-2. Photo of the developed flat spiral coil winder.
표 Fig. 3-1-4. Photo of fabricated superconducting flat spiral coil from 150-㎛-thick niobium wire. Total number of turns of coils are 93 turn, respectively
표 Fig. 3-2-1. Design of Niobium UHV high temperature furnace, (left) chamber and frame, (right) inside structure of UHV chamber
표 Fig. 3-2-2. Photo of the developed Niobium UHV high temperature furnace.
표 Fig. 3-2-3. Detail of (a) inside of UHV chamber, and (b) heater in UHV chamber.
표 Fig. 3-2-4. Panel photo of the UHV furnace at different operating conditions,
표 Fig. 3-2-5. Comparison of UHV annealing effect
표 Fig. 3-3-1. (a) Design of liquid He dewar, (b) constructed liquid He dewar with double structured mu-metal magnetic shield
표 Fig. 3-4-1. Schematics of superconducting heat-switch.
표 Fig. 3-4-2. Fabricated heat-switches using various kind of heating resistors
표 Fig. 3-4-3. Schematics for characterization of heat-switches.
표 Fig. 3-4-4. Time response of the heat-switch.
표 Fig. 4-1-1. Schematics of superconducting gravimeter based on SQUID.
표 Fig. 4-1-2. (a) Micro spot welder and (b) weld-connected Nb wire on a Nb foil.
표 Fig. 4-1-3. Schematic of storing superconducting persistent current in a coil.
표 Fig. 4-1-4. Typical voltage response of charge and discharge of persistent current in the flat spiral coil
표 Fig. 4-2-1. (a) Closed superconducting circuit, and (b) an RL circuit introduced by a heat switch
표 Fig. 4-2-2. (a) Photo of flat spiral coil, and (b) coil parameters.
표 Fig. 4-2-3. Typical exponential decay response across the hot-spot resistor when the heat switch was turned on with stored persistent current
표 Fig. 4-2-4. Voltage response with reduced persistent current to measure inductance with avoiding self heating at the heat-switch.
표 Fig. 4-2-5. Superconducting coil enclosed between two superconducting surfaces.
표 Fig. 4-2-6. Photo of linear micro actuator to control displacement between coil and superconductor
표 Fig. 4-2-8. Displacement dependence on the Inductance of superconducting coil enclosed between two superconducting surfaces, dot-line indicate plot of  ?  ??   ? with a scale factor of 1/10.
표 Fig. 4-2-7. Photo of superconducting coil enclosed between two superconducting surfaces.
표 Fig. 4-3-1. Photo of insert for superconducting magnetic levitation.
표 Fig. 4-3-2. Magnetic levitation with increasing coil current.
표 Fig. 4-4-1. Schematic of experimental arrangement to measure displacement measurement using Nb-SQUID
표 Fig. 4-4-2. Photo of experimental setup (b) for measuring SQUID output signal corresponding to the small displacement of the superconducting proof mass
표 Fig. 4-4-3. (a) Transformer coupled to a SQUID through a transformer. (b) An equivalent circuit of the SQUID noise for an SQUID input
표 Fig. 4-4-4. The differences of the SQUID output signals corresponding the 10 μm displacement before and after the discharge of the persistent current.
표 Fig. 4-4-5. SQUID readout signal in response to 1 μm displacement and 5 μm displacement of the superconducting proof mass
표 Fig. 5-1. Measurements of G prior to 2000.
표 Fig. 5-2. Measurements of G since 2000.
표 Fig. 5-3. Top view of the experiment.
표 Fig. 5-4. Source mass drive system.
표 Fig. 5-5. Absolute distance measurement.
표 Fig. 5-6. Principle of levitation by current induced on a superconducting tube.
표 Fig. 5-7. Test setup for new levitation scheme.
표 Fig. 5-8. Vertical mode frequency squared versus levitation current squared.
표 Fig. 5-9. Two superconducting test masses levitated around a single superconducting tube.
표 Fig. 5-10. Partially exploded view of the tensor SGG.
표 Fig. 5-11. Ti mounting cube (left) and two Nb test masses (middle and right).
표 Fig. 5-12. Expanded cross section of the ISL experiment.
표 Fig. 5-13. Newtonian and Yukawa signals versus source position.
표 Fig. 5-14. Schematic view of the experiment.

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