Noise optimization of multi-layer insulation in liquid-helium cryostat for brain imaging

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2016-10-31
Department
Major/Subject
Biologinen tekniikka
Mcode
F3013
Degree programme
BIO
Language
en
Pages
54 + 7
Series
Abstract
Superconducting quantum interference devices (SQUIDs) can be used as extremely sensitive magnetic-field detectors. They are widely used in biomedical applications such as ultra-low-field magnetic resonance imaging and magnetoencephalography, providing anatomical or functional information of the human brain. To be operated in a superconducting state, the SQUIDs are immersed into a liquid-helium bath, which is housed by a dewar. In order to keep the helium liquefied, the dewar needs thermal insulation against heat transfer by thermal radiation. The insulation is usually implemented by placing aluminized layers into the vacuum space of the dewar. These layers reflect the thermal radiation efficiently. However, the aluminized insulation layers cause thermal magnetic noise due to the thermal motion of free electrons within the conductors. This noise can be reduced by breaking the metallic layers into small electrically isolated areas. However, there are currently no detailed studies about the effect of the size of the isolated area or the number of the insulation layers on the noise level. In this thesis, the methods for calculating the thermal magnetic noise from the patched conducting layers are described. In addition, the boil-off rates are estimated. The simulations revealed the effects of the isolated area and the number of layers on the noise and the boil-off. The results also showed that to reach the desired noise level, the isolated areas should be made very small. Since this might not be practical to manufacture, also other insulation materials should be considered.

Suprajohtavia kvantti-interferenssilaitteita (Superconducting quantum interference devices, SQUIDit) voidaan käyttää erittäin herkkinä magneettikenttäantureina. Niitä käytetään laajalti lääketieteellisissä kuvantamismenetelmissä kuten ultramatalan kentän magneettikuvauksessa ja magnetoenkefalografiassa, jotka tuottavat rakenteellista ja toiminnallista informaatiota ihmisaivoista. Jotta SQUIDeja voidaan käyttää suprajohtavassa tilassa, ne ovat upotettuna neste-heliumsäiliöön. Jotta helium pysyisi nestemäisenä, säiliö on suojattava lämpösäteilyltä. Tämä eristesuoja toteutetaan yleensä asettamalla nesteheliumsäiliön tyhjiötilaan alumiinikerroksia, jotka heijastavat lämpösäteilyä tehokkaasti. Aluminoiduista eristekerroksista syntyy kuitenkin magneettista lämpökohinaa vapaiden elektronien lämpöliikkeen seurauksena. Tämän magneettisen lämpökohinan tasoa voidaan pienentää rikkomalla yhtenäiset metallipinnat pieniksi sähköisesti eristetyiksi alueiksi. Tällä hetkellä ei kuitenkaan tiedetä tarkasti eristettyjen alueiden pinta-alan ja eristekerrosten määrän vaikutusta kohinatasoon. Tässä työssä kuvataan menetelmä laikutetun metallikerroksen magneettisen lämpökohinan laskemiseksi. Lisäksi työssä lasketaan arvio heliumin kiehumalle. Simulaatioista kävi ilmi eristetyn alueen pinta-alan ja eristekerrosten lukumäärän vaikutus sekä kohinatasoon että kiehumaan. Tuloksista nähtiin myös, että eristetyt alueet tulisi tehdä hyvin pieniksi, jotta kohina saataisiin halutulle tasolle. Koska tällainen materiaali voi olla haastava valmistaa, myös muita eristemateriaaleja tulisi harkita.
Description
Supervisor
Ilmoniemi, Risto
Thesis advisor
Zevenhoven, Koos
Keywords
Ultra-low-field magnetic resonance imaging, magnetoencephalography, liquid-helium dewar, multi-layer insulation, thermal magnetic noise
Other note
Citation