Kim, Kiwoong;Lee, Yong-Ho;Hyukchan Kwon;Kim, Jin-Mok;Kang, Chan-Seok;Kim, In-Seon;Park, Yong-Ki
Progress in Superconductivity
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v.4
no.1
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pp.42-47
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2002
Measuring magnetic fields with a SQUID sensor always requires preliminary adjustments such as optimum bas current determination and flux-locking point search. A conventional magnetoencephalography (MEG) system consists of several dozens of sensors and we should condition each sensor one by one for an experiment. This timeconsuming job is not only cumbersome but also impractical for the common use in hospital. We had developed a serial port communication protocol between SQUID sensor controllers and a personal computer in order to control the sensors. However, theserial-bus-based control is too slow for adjusting all the sensors with a sufficient accuracy in a reasonable time. In this work, we introduce programmatic control sequence that saves the number of the control pulse arrays. The sequence separates into two stages. The first stage is a function for searching flux-locking points of the sensors and the other stage is for determining the optimum bias current that operates a sensor in a minimum noise level Generally, the optimum bias current for a SQUID sensor depends on the manufactured structure, so that it will not easily change about. Therefore, we can reduce the time for the optimum bias current determination by using the saved values that have been measured once by the second stage sequence. Applying the first stage sequence to a practical use, it has taken about 2-3 minutes to perform the flux-locking for our 37-channel SQUID magnetometer system.
The spatial resolution of $high-T_{c}$ scanning SQUID microscope is limited by the washer size of SQUID and the gap distance between SQUID sensor and the sample. In this work, we tried to improve the spatial resolution of scanning SQUID microscope by reducing the size of SQUID sensor fabricated with $YBa_2$$Cu_3$$O_{7}$ thin film. Outer dimensions of the SQUiDs we tested are 24 $\mu\textrm{m}$$\times$$ 28\mu\textrm{m}$, $12 \mu\textrm{m}$$\times$$16\mu\textrm{m}$, $12\mu\textrm{m}$ x $12\mu\textrm{m}$, $10 \mu\textrm{m}$$\times$$10 \mu\textrm{m}$ each. To operate them in the flux-locked loop scheme, we used a direct-coupled electronics instead of using conventional electronics involving a modulation scheme. Since the direct-coupled feedback scheme does not require modulation current adjustment that poses as a practical difficulty in the SQUID operation in modulation-scheme, the direct feedback operation is rather simpler than the conventional modulation method. The resulting noise features were dominated by the noise of preamp in FLL electronics except that of the largest SQUID. The noise levels of SQUIDs are expected below 1$\times$$10^{-5}$$\Phi_{0}$H $z^{1}$2/ (at 300 Hz), that is a typical noise level for SQUID made of $YBa_2$C $u_3$$O_{7}$ thin film. The data acquisition and motion-controlling parts were also improved, resulting in faster data acquisition rate and less vibration of the system.m.
We analyzed a noise-sensitivity profile of a specific SQUID sensor system for the localization of brain activity. The location of a neuromagnetic current source is estimated from the recording of spatially distributed SQUID sensors. According to the specific arrangement of the sensors, each site in the source space has different sensitivity, that is, the difference in the lead field vectors. Conversely, channel noises on each sensor will give a different amount of the estimation error to each of the source sites. e.g., a distant source site from the sensor system has a small lead-field vector in magnitude and low sensitivity. However, when we solve the inverse problem from the recorded sensor data, we use the inverse of the lead-field vector that is rather large, which results in an overestimated noise power on the site. Especially, the spatial sensitivity profile of a gradiometer system measuring tangential fields is much more complex than a radial magnetometer system. This is one of the causes to make the solutions of inverse problems unstable on intervening of the sensor noise. In this study, in order to improve the localization accuracy, we calculated the noise-sensitivity profile of our 40-channel planar SQUID gradiometer system, and applied it as a normalization weight factor to the source localization using synthetic aperture magnetometry.
FLL 회로는 측정된 신호를 voltage to current converter를 거쳐 feedbak coil에 인가함으로써 외부 자장을 상쇄하여 SQUID의 동작점을 원점으로 회귀시켜 선형 구간을 유지하도록 하는 역할을 한다. FLL회로의 동자 범위와 특성을 분석하기 위해서는 일반적인 time-delayed feedback 회로와 사용된 OP amp의 slew rate, filter 의 amplitude 및 위상 특성, SQUID의 critical current, pickup coil 및 SQUID의 inductance 등 다양한 파라미터를 고려하여야 한다. 이러한 SQUID 회로의 복합적인 특성을 SQUID 에뮬레이터를 사용함으로써 FLL 회로를 손쉽게 설계할 수 있고, 또한 회로의 최적화도 쉽게 이를 수 있다. 또한 초전도에서 동작하는 SQUID 나 자기 차폐실이 없어도 FLL 회로 등을 개발할 수 있기 때문에 생체자기시스템의 개발 초기 단계에 널리 활용될 수 있다. 따라서 이 논문의 목적은 FLL을 포함한 SQUID 제어 회로를 SQUID 센서와 분리하기 위한 방법을 제안하는 것으로 자기적으로 coupling되어 있는 feedback 회로를 회로적으로 addition을 수행하게 함으로써 SQUID와 분리하여 회로의 동작 및 특성을 측정할 수 있다.
We have fabricated a low-noise 61-channel axial-type first-order gradiometer system for measuring fetal magnetocardiography(MCG) signals. Superconducting quantum interference device(SQUID) sensor was based on double relaxation oscillation SQUID(DROS) for detecting biomagnetic signal, such as MCG, magnetoencphalogram(MEG) and fetal-MCG. The SQUID sensor detected axial component of fetal MCG signal. The pickup coil of SQUID sensor was wound with 120 ${\mu}m$ NbTi wire on bobbin(20 mm diameter) and was a first-order gradiometer to reject the environment noise. The sensors have low white noise of 3 $fT/Hz^{1/2}$ at 100 Hz on average. The fetal MCG was measured from $24{\sim}36$ weeks fetus in a magnetically shielded room(MSR) with shielding factor of 35 dB at 0.1 Hz and 80 dB at 100 Hz(comparatively mild shielding). The MCG signal contained maternal and fetal MCG. Fetal MCG could be distinguished relatively easily from maternal MCG by using independent component analysis(ICA) filter. In addition, we could observe T peak as well as QRS wave, respectively. It will be useful in detecting fetal cardiac diseases.
We have fabricated a helmet type magnetoencephalogrphy(MEG) with a $1^{st}$ order gradiometer in vacuum to improve the signal-to-noise ratio(SNR) and the boil-off rate of liquid helium(LHe). The axial type first-order gradiometer was fabricated with a double relaxation oscillation SQUID(DROS) sensor which was directly connected with a pickup coil. The neck space of LHe dewar was made to be smaller than that of a conventional dewar, but the LHe boil-off ratio appeared to increase. To reduce the temperature of low Tc SQUID sensor and pickup coil to 9 K, a metal shield made of, such as copper, brass or aluminum, have been usually used for thermal transmission. But the metal shield exhibited high thermal noise and eddy current fluctuation. We quantified the thermal noise and the eddy current fluctuation of metal. In this experiment, we used the bobbin which was made of an alumina to wind Nb superconductive wire for pickup coil and the average noise of coil-in-vacuum type MEG system was $3.5fT/Hz^{1/2}$. Finally, we measured the auditory evoked signal to prove the reliability of coil-in-vacuum type MEG system.
Magnetic field sensors made from superconducting quantum interference device (SQUID) are the most sensitive low-frequency sensors available, enabling measurements of extremely weak magnetic fields from the brain. Neuromagnetic measurements allow superior spatial resolution, compared with the present electric measurements, and superior temporal resolution, compared with the fMRl and PET, providing useful informations for the functional diagnoses of the brain. We developed a 4-channel SQUID system for neuromagnetic applications. The main features of the system are its simple readout electronics and compact pickup coil structure. A magnetically shielded room has been constructed for the reduction of environmental magnetic noises. The developed SQUID system has noise level lower than the magnetic noise from the brain. Magnetic field signals of the spontaneous r-rhythm activity and auditory evoked magnetic fields have been measured.
Electric activity of cardiac muscles generates magnetic fields. Magnetocardiography (or MCG) technology, measuring these magnetic signals, can provide useful information for the diagnosis of heart diseases. It is already about 40 years ago that the first measurement of MCG signals was done by D. Cohen using SQUID (superconducting quantum interference device) sensor inside a magnetically shielded room. In the early period of MCG history, bulky point-contact RF-SQUID was used as the magnetic sensor. Thanks to the development of Nb-based Josephson junction technology in mid 1980s and new design of tightly-coupled DC-SQUID, low-noise SQUID sensors could be developed in late 1980s. In around 1990, several groups developed multi-channel MCG systems and started clinical study. However, it is quite recent years that the true usefulness of MCG was verified in clinical practice, for example, in the diagnosis of coronary artery disease. For the practical MCG system, technical elements of MCG system should be optimized in terms of performance, fabrication cost and operation cost. In this review, development history, technical issue, and future development direction of MCG technology are described.
Wide-bandwidth SQUID current amplifier and its control electronics have been constructed for detecting pulse outputs of a superconducting microcalorimeter. The current amplifier made of a double relaxation oscillation SQUID (DROS) has a bandwidth of 1.2 MHz and typical white noise level of about 6 pA/(equation omitted) Hz. To increase the dynamic range of the current amplifier, the flux-locked loop (FLL) has additional circuits to reset the integrator and to count reset numbers which present the number of passed flux quanta. In this system, dynamic range covers from -65 mA to +65 mA. SQUID electronics are controlled by software to get the optimum FLL condition, and to control the current to bias the transition edge sensor (TES). The electronics are shielded from the outside electromagnetic noises by using an aluminum case of 66 mm ${\times}$ 25 mm ${\times}$ 100 mm, and consist of 2 separate printed-circuit-boards for the current amplifier and the control electronics, respectively. The SQUID current amplifier and its control electronics will be used in TESs for detecting photons such as UV and X-ray with high energy resolution.
Electrical currents generated by human heart activities create magnetic fields represented by MCG(MagnetoCardioGram). Since an MCG signal acquisition system requires precise and stable operation, the system adopts hundreds of SQUID(Superconducting QUantum Interface Device) sensors for signal acquisition. Such a system requires fast real-time data acquisition in a required sampling interval, i.e., 1 mili-second for each sensor. This paper presents designed hardware to acquire data from 256-channel analog signal with 1 ksamples/sec speed, using 12-bit 8-channel ADC devices, SPI interfaces, parallel interfaces, 8-bit microprocessors, and a DSP processor. We implemented SPI interface between ADCs and a microprocessor, parallel interfaces between microprocessors. Our result concludes that the data collection can be done in $168{\mu}sec$ time-interval for 256 SQUID sensors, which can be interpreted to 6 ksamples/sec speed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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