새로운 가속기 빔 이탈 요인 최초 발견

[산업일보]
가속기 빔 이탈·손실 원인인 6차 공명현상을 발견, 운전 시 발생할 수 있는 사항을 사전에 예방함으로써 운전효율을 높일 수 있는 방안이 마련될 것으로 보인다. 운전장애 0% 가능성에 도전할 수 있는 길이 열린 것이다.

미래창조과학부(장관 최양희)와 기초과학연구원 중이온가속기 건설구축사업단(단장 정순찬, 이하 ‘사업단’) 전동오 박사 연구팀이 가속기 빔 이동과정에서 운전장애를 일으킬 수 있는 새로운 공명현상을 세계 최초로 발견했다.

중이온가속기는 양성자에서 우라늄까지 다양한 중이온을 가속, 물질구조를 변화시켜 희귀동위원소를 생성할 수 있다. 이에 첨단기초과학 연구를 하는 대형 연구시설에서 활용하고 있다.

특히, 현재 운영 중이거나 2020년 초까지 완공 예정인 가속기 중 가속에너지, 가속출력, 희귀동위원소(RI)빔 에너지 등에서는 한국이 세계 최고 사양을 갖추고 있어 국제경쟁력 또한 높은 분야다.

사업단에 따르면 가속기의 빔 이동은 돋보기로 햇빛을 모으는 것처럼 4극 자석을 활용해 빔을 모으는 방식으로 이뤄진다. 이 과정에서 빔의 진동주파수가 특정 주파수와 일치하는 경우에 빔 입자간 상호 밀어내는 힘에 의해 빔이 정상궤도에서 이탈하는 공명현상이 나타난다.

실제로 자동차가 흔들리는 주파수와 인간의 뇌의 고유 주파수가 같아질 때 떨림이 심해지면서 자동차 멀미 현상이 발생한다. 사람의 목소리로 유리잔을 깨는 현상(유리잔의 고유 진동주파수와 사람 목소리의 주파수가 같아질 때 유리잔이 깨지는 것, 역시 이같은 현상 때문이다.

이러한 공명현상은 가속관으로 이동중인 빔의 손실로 이어져, 가속관 내부 손상과 함께 가속기 운전·실험을 중단시킨다. 이에 새로운 공명현상을 파악할 수 있게 되면, 가속기 운전시 발생할 수 있는 빔의 이탈과 손실을 예방할 수 있어 그만큼 운전효율을 높일 수 있다.

사업단 연구진이 새롭게 밝혀낸 공명현상은 전체 빔이 모이는 구간 중(0°~180°) 90°~120° 구간에서 발생하는 6차 공명현상이다. 이번 연구결과로 인해 과학계는 전체 가속구간에서의 공명현상을 파악할 수 있게 됐다.

연구진은 새로운 공명현상을 찾기 위해 중이온 중 하나인 아르곤(Ar) 빔을 모델로 삼았으며, 관측을 위해 사실적인 선형가속기 모델을 이용해 전산모사로 파라미터 공간을 스캔하는 방식을 사용했다.

선형가속기 공명현상은 2000년대 등장한 차세대 가속기의 설계와 운전효율을 높이기 위해 필요한 중요 연구로 주목을 받고 있다.

2021년에 완공될 우리나라 중이온가속기는 물론 향후 완공될 미국 희귀동위원소빔시설(FRIB), 스웨덴 핵파쇄원(ESS), 국제열핵융합실험로(ITER)의 융합재료조사시설(IFMIF) 등 가속기 선진국들의 대형 차세대 가속기의 운전효율을 높이는 데도 적용될 수 있을 것으로 예상된다.

전동오 박사는 지난 2009년에도 선형가속기의 4차(60°~90°구간) 공명 현상을 최초로 발견하고 그 결과를 피지컬 리뷰 스페셜 토픽(PRST-AB)에 게재한 바 있는 데, 6년 만에 다시 6차 공명 현상까지 발견함으로써 선형가속기 빔 공명현상의 시작과 끝을 밝혀내는 쾌거를 이루게 됐다.

정순찬 사업단장은 “이번 연구과정에서 축척한 경험을 바탕으로 사업단이 빔물리 분야에서 세계 흐름을 주도해 나아갈 것으로 기대한다”고 밝혔다.

한편 공명현상은 특정 물체가 그 고유 진동수와 같은 주파수를 외부에서 주기적으로 받음으로써 진폭이 뚜렷하게 증가하는 현상을 말한다. 이에 따른 이번 연구 결과는 물리분야 세계 최고권위(영향력지수(IF) 7.7)의 저널인 피지컬 리뷰 레터스(PRL) 지(誌)에 게재됐다.