[스크랩] 포항 4세대 방사광가속기란?
1. 방사광가속기란 무엇인가?
방사광(放射光)은 인공 장치 또는 우주의 진공 속에서 광속에 가까운 속도로 가속된 전자ㆍ양전자 등 하전입자가 자석의 자기장에 의해 원운동 또는 나선운동을 하게 될 때, 곡률 중심의 방향으로 가속도가 가해지게 됨으로써 원의 접선 방향으로 집중되어 복사되는 전자기파(광)다. 기존의 X선광보다 수백 만~수억 배 이상 밝다. 방사광은 1947년 제너럴 일렉트릭 사(社)의 전자싱크로트론에서 처음 관측되었기 때문에 싱크로트론 방사광(SR : synchrotron radiation)이라고도 하며, 이것이 방출되는 현상을 싱크로트론 복사라고 한다.
1960년 무렵 방사광은 과학ㆍ공업의 각 분야에서 활용할 수 있는 우수한 전자기파임이 밝혀짐으로써 이것의 이용 분야가 크게 확대ㆍ발전했고, 현재는 방사광 생산ㆍ공급 전용의 싱크로트론이라 할 수 있는 전자 또는 양전자 저장링을 주축으로 하는 복사광가속기가 건설되어 활용되고 있다. 방사광은 다른 광원을 이용할 때보다 작동 시간을 크게 단축시켰고, 기술상 어려웠던 여러 가지 일들도 가능해졌으며 복사광가속기를 활용하는 새로운 기술도 개발되었다. 복사광가속기에서 얻어지는 X선ㆍ연질 X선ㆍ자외선 등은 예리한 빔이고, 다른 광원에서 얻어지는 것보다도 수백~수천 배 이상이나 세며, 여러 가지 우수한 특성을 지니고 있다.
전 세계에 20여 개의 방사광가속기가 이미 건설되어 활용되고 있는데, 이것들은 핵물리학 등의 실험용 싱크로트론이면서 방사광 광원으로 겸용되고 있는 1세대 방사광가속기, 방사광의 질과 방출 지속 시간을 향상시켜 방사광 생산 전용 가속기로 만든 2세대 방사광가속기, 사용자의 요구에 맞게 방사광의 질을 변경ㆍ가공할 수 있게 설계ㆍ건설된 방사광 생산 전용 가속기인 3세대 방사광가속기의 3가지로 분류된다.
2. 포항 4세대 방사광가속기
지난 10월 포항가속기연구소에서는 미·일 이어 세계 3번째 성공…건물 길이 1.1㎞ 국내 최장이며 자유전자 레이저 발생 2개월만에 성공, 미·일보다 앞서 3세대보다 1억배 밝아 물질구조 나노단위까지 관측할 수 있다.
세계 3번째 성공작인 4세대 가속기는 총 사업비 4천298억원이 투입돼 지난 2011년 4월 구축을 시작, 지난해 말 완공됐다.
긴 막대기 형태로 건립된 가속기 건물은 길이 1.1km로 1층건물로는 국내에서 가장 긴 규모를 자랑하고 있다.
건물 내부에 들어서면 구릿빛 관이 끊임없이 이어져 있는 것이 눈에 들어온다. 시작점에서 전자총으로 X선을 발사하면 관을 통해 선형가속기와 삽입장치가 연결된 1㎞를 지나 실험장치가 있는 끝지점에 도달하는데 불과 1초도 걸리지 않는다.
가속관 옆에 설치된 원통장치는 항상 평평한 수준을 유지해야 하는 4세대 가속기를 관리하기 위해 마련돼 있다.
영일만 앞바다에서 만조가 발생하면 지면이 5마이크로미터 정도 올라가는데 이 변화까지 감지해 오차를 최소화할 수 있도록 조치했다.
이 장치를 통해 가속기연구소는 지난 6월 29일 0.5nm 파장의 X-선 자유전자 레이저 발생에 성공했다.
이어 가속기연구소는 보다 정밀한 0.15nm 파장의 X-선 자유전자 레이저 발생에 성공하면서 내년 정식운전에 앞서 최종 목표로 삼고 있는 10GeV/0.1㎚ 파장 X-선 레이저 달성을 눈앞에 두게 됐다.
이렇게 발생한 X-선 자유전자레이저는 기존 3세대 방사광보다 1억배 밝아 물질의 미세구조를 나노단위까지 관측할 수 있으며 물질의 현상을 펨토초(10의 15 제곱 분의 1초)까지 분석할 수 있다.
단분자 단백질이나 살아 있는 세포의 움직임을 실시간으로 분석할 수 있어 획기적인 신약 개발에 활용되고, 신물질·신소재 분석을 통한 원천기술 확보와 IT 반도체 소자산업, 의료분야 등 다양한 산업 발전에 적용할 수 있다.
김동언 포항가속기연구소 부소장은 “4세대 방사광가속기 건설초기부터 산업체와의 유기적 협력관계를 통해 핵심장치 국산화를 위해 노력한 끝에 약 70%를 국산화하는데 성공했다”며 “이 과정에서 확보된 기술력을 통해 국내 첨단과학시설 건설을 위한 견인차 역할은 물론 세계시장에 진출하기 위한 기반을 마련했다”라고 말한다.
3. PLS, 포항방사광가속기
그림1. 방사광가속기의 세대별 휘도 비교
포항방사광가속기(3세대)와 현재 포항가속기연구소에서 추진중인 4세대 방사광가속기 장치는 아래와 같이 비교할 수 있다.
| 3세대가속기 | 4세대가속기 | 비고(4세대 우월성) | |
|---|---|---|---|
| 빛의 세기 | 태양광의 100억배 | 3세대광원의 1억배 | 분석시간 단축 나노크기 시료 관측 |
| 시간 분해능 | 피코초 영역(100억 분의 1초) | 펨토초 영역(1000조 분의 1초) | 원자, 분자의 화학결합과정 관측가능 |
| 공간 영역 | 수백나노 이상 영역 | 수 나노 이상 영역 | |
| 물리 분야 | 정적 현상 규명 | 동적 현상 규명 | 전자의 운동까지 관측 |
| 생명 분야 | 마이크로크기의 단백질분석 | 단분자 단백질분석 | 시료의 결정 불필요 (획기적인 신약개발) |
| 냉동 시료 사용 | 살아있는 시료 분석 | 실시간 생명 현상 규명 | |
| 반도체 분야 | 구조 설계 | 초고속 신물질 개발 | 새로운 차원의 디바이스개발 |
| 촉매 분야 | 정적 촉매현상 분석 | 동적 촉매현상 구명 | 고효율 신물질 개발 |
| 에너지 분야 | 정적 현상 분석 | 시공간 현상 규명 (광합성반응, 광전지 현상규명) | 고효율 신물질 개발 |
3세대 방사광가속기는 원형가속기를 기본으로 한다. 그러나 원형가속기로는 결맞음 조건(전자빔의 품질을 나타내는 에미턴스, 큰 전류, 짧은 뭉치길이)를 만족할 수 없으므로 4세대 방사광가속기는 선형으로 사용한다.
4세대 방사광가속기는 고휘도의 전자빔 번치를 발생시키는 전자총, 이를 가속시키는 전자가속기, 전자빔 번치가 사행운동을 하면서 방사광을 발생시키는 자석구조의 삽입장치(언듈레이터), 방사광을 실험장치까지 유도할 수 있는 빔라인으로 구성된다. 4세대 방사광가속기에서 사용하는 삽입장치 전자석은 3세대 방사광에서 사용하는 것과 구조적으로는 동일하나 인출되는 방사광의 밝기가 1억배 가량 강하다.
그림2. 4세대 방사광의 특징
4세대 방사광은 결맞음 특성이 나타나는 미세 뭉치(micro-bunching)의 형태이다. 이 미세뭉치가 발생되는 원리는 매우 작은 크기로 집속된 전자빔 뭉치가 삽입장치를 통과하게 될 때 진행방향이 바뀌면서 방사광, 즉 빔이 방출되고 이 빔은 전자빔 뭉치와 또다시 상호작용을 일으키게 된다. 방사광의 전기장 성문의 영향을 받아 전자빔 뭉치 내 전자는 가속 또는 감속되어 일정한 간격으로 로 생겨난다.
그림3. 삽입장치에서의 전자의 궤도
아래의 그림에서 확인할 수 있듯이 미세 뭉치가 완성되었을 때 그 길이는 각각의 전자가 생성하는 파의 파장보다 짧기 때문에 4세대 광원의 가장 큰 특징인 결맞음특성(coherency)이 나타난다.
그림5. 4세대 방사광의 특징
■ Ultra-fast Dynamics (원자의 움직임을 촬영하는 사진기)
4세대 방사광은 아주 작은 크기이며 매우 빠른 섬광과 같은 빛이다. 번개가 번쩍하는 순간보다도 수십 억분의 1초보다 빠른 광원으로 화학촉매 반응, 분자결합 반응, 생체 반응 같은 초고속 자연현상을 관측할 수 있다. 실제 화학 반응은 너무 빨리 진행되어 각 과정을 정확히 알 수 없다. 4세대 방사광을 이용하면 각 과정을 순간 포착할 수 있어 언제 어디서 어떤 일이 일어나는지 과정별로 보는 일이 가능하다.
■ Ultra-high Resolution (나노 세계를 보는 현미경)
작은 글씨를 보기 위해 돋보기를 사용하듯, 눈에 잘 보이지 않는 작은 물체를 보기 위해서는 현미경을 사용한다.그러나 현미경으로도 볼 수 없는 나노 물질을 관찰하기 위해서는 파장이 짧은 X-선을 이용해야 한다. 4세대 방사광은 크기가 1m의 10억분의 1밖에 되지 않는 나노 및 펨토 크기의 물질을 보는 현미경이 될 것이다.
■ Highly Coherent (결맞는 빛으로 더 선명하게)
4세대 방사광은 3세대 방사광과는 다르게 각각의 전자에서 발생한 빛의 파장이 공간적으로 잘 정렬된다. 이렇게 규칙적으로 잘 정렬된 빛은 멀리가도 퍼지지 않고, 강하게 유지된다. 이러한 우수한 특성의 빛은 단백질과 같은 작은 물질의 구조를 해석하는데 매우 유용하다.
■ High Brightness (3세대보다 1억 배 밝은 빛)
4세대 방사광은 3세대 방사광보다 1억 배나 밝기때문에 단 한번의 실험으로도 원하는 결과를 얻을 수 있다. 또한 여러 번의 노출로 시료가 X-선에 손상되기 전에 정확하고 선명한 결과를 얻을 수 있다.