고온초전도 고균일 자석의 시간안정도 개선 기법 연구 = A Study on Methods for Improving the Temporal Stability of High-Temperature Superconducting High-homogeneity Magnets

국문 초록 (Abstract)

고자기장 NMR 및 MRI 시스템을 위해 사용되는 고온초전도(HTS) 자석은 시간적 불안정성으로 인해 정밀한 자기장 성능 확보에 어려움이 있다. 본 논문에서는 HTS 자석의 시간안정도를 개선하기 위해 두 가지 기법을 제시한다. 첫째, 차폐 전류 유도 자기장(SCF)에 의한 장기적 드리프트를 최소화하기 위해 전류 오버슈트(CSR) 기법을 도입하고, 최적의 충전 파형을 선정하기 위한 부분 소자 등가회로(PEEC) 모델 기반의 시뮬레이션 프로토콜을 개발하였다. 400 MHz NMR 자석을 이용한 실험을 통해 시뮬레이션 예측 결과와 실제 측정 결과가 일치함을 검증하였다. 둘째, 전원 장치 리플에 의한 자기장의 단기적 미세 변동을 실시간으로 억제하기 위해 PID 제어 기반의 중심 자기장 보정 시스템을 개발하였다. 오토튜닝을 통해 최적의 제어 이득을 도출하였으며, 모의 실험을 통해 개발된 시스템이 자기장 변동을 효과적으로 보정할 수 있음을 확인하였다. 본 연구는 충전 프로토콜 최적화를 통한 수동적 SCF 저감과 실시간 피드백 제어를 통한 능동적 보정 기법을 통합적으로 제시하여 HTS 자석의 시간안정도를 획기적으로 개선할 수 있음을 입증하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

High-temperature superconducting (HTS) magnets used in high-field NMR and MRI systems face challenges in achieving precise magnetic field performance due to temporal instability. In this paper, we propose two techniques to improve the temporal stability of HTS magnets. Firstly, to minimise long-term drift caused by screening current-induced magnetic fields(SCF), the current overshoot(CSR) method was introduced, and a simulation protocol based on the partial element equivalent circuit(PEEC) model was developed to select the optimal charging waveform. The consistency between simulation predictions and actual measurement results was verified through experiments using a 400 MHz NMR magnet. Secondly, a center field compensation system based on PID control was developed to suppress, in real-time, short-term minute magnetic field fluctuations caused by factors such as power supply ripple. Optimal control gains were derived via auto-tuning, and mock experiments confirmed that the developed system effectively compensates for magnetic field fluctuations. This study demonstrated that the temporal stability of HTS magnets can be significantly improved by integrating passive SCF reduction through charging protocol optimization with active compensation method using real-time feedback control.