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.

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. 주로 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.

이러한 공명현상은 가속관으로 이동 중인 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.

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.