중이온가속기 저에너지 가속구간 첫 번째 빔인출 시험 성공

중이온가속기 저에너지 가속구간 첫 번째 빔인출 시험 성공

작성일 2022-10-12 부서 국제과학비즈니스벨트조성추진단 중이온가속기팀

 

 

우리기술로 개발한 대형 연구시설 중이온가속기
- 저에너지 가속구간 첫 번째 빔인출 시험 성공 -

과학기술정보통신부(장관 이종호, 이하‘과기정통부’)와 기초과학연구원(원장 노도영) 중이온가속기연구소(연구소장 홍승우, 이하‘연구소’)는 10.7(금) 15시 3분에 중이온가속기 저에너지 가속구간 첫 번째 빔인출 시험에 성공하였다고 밝혔다.

우리나라 중이온가속기(RAON*, 이하 ‘라온’)는 2010년 개념 설계를 시작으로 시설건설을 2021년 5월에 완공하고, 저에너지 구간 초전도 가속장치는 숱한 기술적 어려움을 극복하여 2021년 12월에 설치를 완료한 바 있다.
* Rare isotope Accelerator Complex for ON-line experiments

라온은 2011~2022년간 1조 5,183억원*을 들여, 우리기술로 설계·제작하였다. 
* 부지매입 3,571억원, 시설건설 6,384억원, 장치구축 5,228억원

연구소에서는 내년 3월 저에너지 가속장치(총 54기 가속모듈) 시운전을 목표로 가속시험 구간을 단계적으로 늘려가면서 빔인출 시험을 수행한다는 계획이며, 이번에는 총 54기 가속모듈 중 전단부 5기 가속모듈에 대해 첫번째 빔인출 시험을 수행한 것이다. 

빔인출 시험 성공은 라온이 목표한 성능대로 작동되는지를 확인하는 첫 관문을 통과한 것이며, 동시에 극저온설비, 중앙제어장치 등 가속기 운영에 필요한 필수 제반 장치들과 연계한 성능도 확인했다는 의미도 있다.
이를 자동차에 비유하면 제작을 완료하고 시동을 걸어 동력발생장치, 조향장치 등 주요 장치 간의 종합적인 연동성과 정상 작동 여부를 확인하고 1단 기어로 저속 주행 시험을 성공한 것으로 볼 수 있다.

가속기는 우주 발사체, 핵융합, 인공위성처럼 대표적인 대형 국가연구개발 사업에 해당한다. 중이온, 양성자, 전자 등 전하를 띤 입자를 전기장을 이용하여 가속·충돌시키는 장치로서 물질의 기본인 원자핵의 내부 구조는 물론 각종 물질의 성질을 연구하는데 활용하고 가속되는 입자에 따라 중이온, 양성자, 전자 가속기로 분류된다. 

이 중에서 중이온가속기는 무거운 이온을 빠르게 가속한 후 표적 물질에 충돌시켜 기존에 발견되지 않았거나 자연 상태에서 존재하지 않는 다양한 희귀동위원소를 생성하고 그 특성을 연구하는 시설이다. 라온은 방사광, 양성자, 중입자 등 다른 가속기와 달리 우라늄 같은 무거운 동위원소를 광속(초속 약30만km)의 50% 수준까지 가속해야 하는 극한기술의 집약체다.

특히, 라온은 가속목표 성능 면에서 최고 수준으로 미국 미시간주립대(MSU) 중이온가속기(FRIB)와 견줄만한 수준이다. 세계 최초로 두 가지 동위원소 생성방식(ISOL + IF)을 결합하도록 설계되어, 보다 다양한 희귀동위원소 생성이 가능하다.
< 라온(RAON) 결합 방식(ISOL + IF) >

이번 빔인출 성공을 기반으로 단계적으로 빔 시운전을 확대하여 2023년에는 저에너지 전체 구간 시운전과 가속장치와 연계된 희귀동위원소 생성장치(ISOL), 저에너지 구간 실험장치의 빔 시운전도 병행하여 2024년부터는 본격적인 빔 활용연구가 진행될 수 있도록 빔을 안정적으로 제공할 예정이다. 

홍승우 연구소장은 “세계 최고 수준의 희귀동위원소 가속기로 가는 첫 단계 성공에 대해 연구소 직원의 노고에 감사하고 소장으로서 매우 뜻깊게 생각하며, 내년 3월까지 단계적으로 진행되는 저에너지 전체 구간 빔 시운전도 계획대로 진행될 수 있도록 노력하겠다.”라고 밝혔다. 

참고 중이온가속기(RAON) 구축 사업 및 첫 번째 빔인출 결과

□ 중이온가속기(RAON) 구축 사업

○ (사업 개요) 세계 최고 수준의 중이온가속기를 구축, 핵물리·원자력· 소재·바이오 등 가속기 기반 기초과학 분야에서 선도 국가로 도약 

< (참고) 가속기 개념 >

ㅇ가속기는 중이온, 양성자, 전자 등 전하를 띤 입자를 전기장을 이용하여 가속, 충돌시키는 장치로서 물질의 기본인 원자핵의 내부 구조는 물론 각종 물질의 성질을 연구하는데 활용
- 가속되는 입자에 따라 중이온, 양성자, 전자 가속기로 분류
ㅇ중이온가속기는 중이온(우라늄 등의 무거운 이온)을 빠르게 가속한 후 표적 물질에 충돌시켜 기존에 발견되지 않았거나 자연 상태에서 존재하지 않는 다양한 희귀동위원소를 생성하고 그 특성을 연구하는 대형 연구시설

- 중이온가속기는 다른 가속기(방사광, 중입자 등)와 달리 우라늄 같은 무거운 원소를 광속의 1/2까지 가속해야 하는 극한 기술*의 집약체

* 초전도 가속관, 초전도 냉각설비(-271℃까지 유지), 고주파 전원장치(고에너지 325MHz) 등

- 특히, 우리나라 중이온가속기(RAON)는 목표성능 면이나 희귀동위원소 생성방식에서 세계 최고 수준

○ (사업 현황) 계획 변경(4차례)을 거쳐 저에너지구간 중심의 1단계, 고에너지 구간 중심의 선행연구개발 및 2단계로 구분 추진 중

< 중이온가속기 사업 단계별 사업 현황 >
구분 1단계 선행연구개발 2단계
기간 ’11 ~ ’22년 ’22 ~ ’25년 선행연구개발 성과 및 적정성 재검토 결과에 따라 결정
예산 1조 5,183억 126억 미정
(부지매입 3,571억, 시설건설 6,384억,
장치구축 5,228억)
내용 ·저에너지 장치 구축 완료 ·가속관 시제품 성능구현  ·고에너지 구간 본제품
·고에너지 구간 가속관 ·본제품 설계완료  제작/설치 
시제품 제작 및 성능시험  ·가속장치 성능 검증  ·전체 장치 설치완료 및
시설 확충 시운전
·본제품 제작공정 최적화  ※ (가속모듈 제작) 전단부 23기, 후단부 25기
□ 첫 번째 빔인출 시험

○ 이번 빔인출 시험은 저에너지 가속장치 가속모듈(전체 54기) 중 전단부 5기 가속모듈을 활용해 아르곤 빔을 가속시켰고, 시험 목표치 도달

< 저에너지 전단부 가속장치 첫 번째 빔인출 장치 구성 >


< 첫 번째 빔 인출 시험 결과 >
(가속에너지) 701keV/u 달성 (빔 전류) 30.1μA 달성

입사기에서 전달된 500keV/u 아르곤 빔이 가속모듈 5기를 거쳐 700keV/u 이상 가속 시간당 빔 이온(또는 입자)의 개수에 해당하는 것으로 기준 20μA 전류량 이상 
※ eV/u : 가속되는 입자의 핵자당 에너지 ※ μA : 마이크로(10-6, 100만분의1) 암페어


< 첫 번째 빔인출 성공 기념 사진 >

□ 저에너지 가속장치(SCL3) 현황

○ (기능) 입사기에서 가속하여 전달된 0.5MeV/u 빔을 18.5MeV/u(우라늄 기준)까지 가속된 빔을 저에너지 실험장치나 고에너지 가속장치(SCL2)에 수송

○ (구성) 전단부에 설치되는 1/4파장 공진기(QWR) 모듈 22기(가속관 22기)와 후단부에 설치되는 1/2파장 공진기(HWR) 32기(A타입 13기, B타입 19기/가속관 102기)로 구성

※ (QWR) Quarter Wave Resonator(1/4파장), (HWR) Half Wave Resonator(1/2파장)

○ (개발) ’17년 1/4파장 공진기(QWR) 가속관 본제품 제작을 시작으로 1/4파장 공진기(‘20.9월), 1/2파장 공진기(HWR-A)(’21.5월), 1/2파장 공진기(HWR- B)(’21.11월) 개발을 완료하고, ’21.12월 설치 완료

< 저에너지 가속장치 형상 및 구성 >
가속관 튜너/커플러 저온유지용기(모듈) (크기(mm) 가로×세로×높이)
(1/4파장 공진기) (1/2파장 공진기) 1/4파장 공진기 (1300×610×3200) 1/2파장 공진기(HWR-A) 1/2파장 공진기(HWR-B)
(1,300×1,130×3,200) (1,300×2,010×3,200)
중이온에 고주파(RF) 에너지 전달, 초전도 소재인나이아븀(Nb)으로 제작 (상_튜너) 가속관의 가속관을 극저온 온도(-268℃이하, 초전도상태)로 유지
공진주파수 조정 - 가속관, 커플러, 튜너는 각각 1/4파장 공진기는 1개씩, 1/2파장 공진기(HWR-A)는 2개씩, 1/2파장 공진기(HWR-B)는 4개씩 구성
(하_커플러) 가속관에
고주파(RF)에너지 주입