[메모] 방사광가속기란

방사광가속기는 전자/양자/중성자를 가속시켜 운동 방향, 충돌 등의 효과에서 방출하는 빛(방사광)을 이용해 물질을 나노미터(1/10억 m) 단위로 들여다 볼 수 있다. 즉 전자를 가속해 가속한 전자의 방향전환 또는 충돌에서 발생하는 방사광을 관측하는 장치이다.

 

가속:

전자총에서 만들어진 전자들을 고주파 ( 특히 1~수십Ghz) 마이크로 웨이브를 이용해 광속과 거의 같은 속도 (광속의 99.999997%)로 가속한다.

 

방향전환:

가속한 전자 빔을 전자석을 이용해 진로 또는 방향을 바꾸면 이 꺽이는 방향으로 강력한 빛이 발생한다.

 

전자 충돌 방사광:

낮은 에너지 영역 가시광성에서 높은 에어지의 X선에 이르는 광범위한 영역을 갖고 기존 광원에 비해 백만 배 이상 밝다.

 

방사광가속기 이용 실험의 의미

방사광가속기에서는 일반적으로 수행할 수 없는 빛과 물질의 상호작용을 이용한 실험이 가능하다. 전자의 가속을 통한 방사광 발생시 특별한 성질을 갖는데. 가속한 전자의 충돌시 적외선부터 X선까지의 넓은 범위의 연속적인 파장의 빛이 나오고, 빛이 거의 퍼지지 않고 방향성이 있어 단위면적당 빛의 세기가 크며, 편광성이 강하고, 시간적으로 펄스(pulse)의 구조를 갖는다.

 

이런 구조를 이용하여 원자 및 분자 분광학, X-선 이미징, X-선 회절 및 산란, X선 흡수 분광학, 표면 및 계면 연구, 단백질 결정구조 분석, 광화학반응 등의 과학적 기초연구와 토포그래피(topography), 리소그래피(lithography)를 이용한 나노-마이크로 구조체 제작 등의 응용연구가 활발히 진행되고 있다. [1]

 

방사광가속기 형태에 따라 구분

선형 가속기: 고에너지 입자 가속에 유리

선형가속기 내 전자총에서 전자를 발생시키고 80 MW급 고출력 고주파 발생장치 12대를 이용하여 160 m 길이의 직선 가속관을 통해서 가속된 전자의 에너지는 30억 전자볼트(30 GeV) 가 된다.이렇게 가속된 전자들의 길이는 100m 가량의 전자 수송관을 통해서 저장링으로 보내지게 된다.[1]

 

 

원형 가속기: 저에너지 입자 가속에 유리

저장링은 둘레길이가 280 m 인 원형에 가까운 전자 통로를 제공한다. 저장링에는 24개의 휨 전자석이 있는데 전자들이 이 휨 전자석의 자장을 지날때마다 15도씩 방향을 바꾸어 전체적으로 원형에 가까운 궤도를 24시간 돌게 된다.[2]

 

 

입자의 종류에 따라 구분

전자가속기(방사광가속기):

전자를 가속해 방출하는 빛으로 물질을 본다. 전자를 가속해 운동방향이 변할 때 방출하는 방사광을 이용하면 물질을 나노미터 단위로 들여다 본다.

 

양성자 가속기:

수소 원자에서 양성자를 꺼내 13만km/초 속도로 발사한 후 가속해서 다른 원자핵 표적과 충둘시켜 생성되는 2차 입자(뮤온 등)을 연구하는 장치이다.

 - 플라스틱을 강철 같이 만들거나, 다이아몬드를 노랑/파랑 등 재료의 물성을 변화 시킬 수 있다.

 

중이온가속기: 

양성자 가속기와 비슷한 원리인데 중이온을 사용한다. 중이온은 원자에서 전자들이 제거된 상태의 원자핵(양성자+중성자)인데, 양성자 보다 더 무거운 입자(탄소, 칼슘, 우라늄 등) 중이온을 가속해 표적과 충돌해서 세상에 없는 새로운 원자를 만들어 낸다.

 - 탄소는 양성자 무게의 12배

 - 우라늄은 238배

 

 

방사광가속기 연구소

현재 운영중인 2곳의 방사광 가속기연구소를 보유하고 있다. 

 - 대전 중이온 가속기 구축중 (2021)

 - 부산 중입자 가속기 구축중 (2021)

 - 청주 방사광 가속기 구축 시작. (2021)

 

포항방사광가속기 연구소

https://pal.postech.ac.kr/

포항가속기연구소

 

포항방사광가속기 연구소 방사광속기 / 1994년 ~ 운영중

 -  3세대방사광가속기(PLS-II)

 - 선영 및 원형 복합 가속기

 - 126.800제곱미터 규모 대지에 18개 건물에 35기 빔라인 운영

 - 3GeV(3기가전자볼트)

 

선형가속기, 저장링, 빔라인 세부분으로 구성 [PAL 시설 링크]

포항가속기 연구소

 

포항방사광가속기 연구소 포항 4세대 방사광가속기 / 2016 ~ 운영중

 

 -  4세대방사광가속기(PAL-XFEL)

 - 선형가속기

 - 10GeV

 - 밝기가 0.1 nm 파장에서 5.7×10+32 (3세대 방사광가속기의 1억 배)인 매우 밝은 방사광을 발생

 - 선형가속기 길이 1.1km

 

 

한국원자력연구원 양성자과학연구단

https://komac.kaeri.re.kr:448/

 

 - 경주 건천 / 2012년 ~ 운영중

 - 100 MeV 양성자가속기

 - 첨두 빔전류가 20 mA

 - 국내 독자기술, 미국(ORNL의 SNS)과 일본(J-PARC)에 이어 세계 3번째로 개발

 

참고

 

[1] 포항 방사광가속기 소각 X-선 산란 빔라인 - Korea Science

[2] https://pal.postech.ac.kr/

[3] https://komac.kaeri.re.kr:448/

 

https://news.naver.com/main/read.naver?mode=LSD&mid=shm&sid1=105&oid=015&aid=0004582684 

 

'꿈의 현미경' 입자 가속기, 반도체·신약 초격차에 필수