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과학기술

제4세대방사광가속기사업

주제유형
하위주제
  • 집필 내용은 국가기록원의 공식입장과 다를 수 있습니다.
주제설명
근거
기초과학연구사업
배경
21세기에 들어와서 과학기술 패러다임이 펨토과학(1,000조분의 1초), 나노과학(10억분의 1미터)으로 변화되면서 연구 환경의 변화에 따라 방사광 이용자의 연구 질적 수준 제고에 따른 고휘도 방사광 제공할 필요성이 대두되었다. 이미 많은 선진국에서는 제3세대 방사광가속기를 뛰어넘는 새로운 방식의 제4세대 방사광가속기를 추진하고 있었다. 미국 2009년 4월, 일본은 2011년 6월에 제4세대 방사광가속기 개발에 성공했으며, 중국, 독일, 프랑스, 영국, 스웨덴, 스페인, 이탈리아 등 여러 국가에서도 새로운 방식의 방사광가속기의 건설을 기획하고 있었다. 이에 따라 정부는 그간의 제3세대 가속기의 건설·운영 경험을 바탕으로 하기 위해 0.1nm급 X-선 레이저 광원을 개발하여 미개척 연구영역을 개척하고 세계 수준의첨단과학기술을 선점하기 위해 2011년부터 본격적으로 제4세대 방사광가속기의 건설을 추진하게 되었다.
내용
제4세대 방사광가속기는 2011년부터 2015년까지 총 투자비 4,260억원( 정부 4,000억원, 경상북도 및 포항시 260억원)으로 건설되도록 계획되었다.


제4세대 방사광가속기 추진 계획은 2008년 구체적인 개념 설계를 마쳤으며, 2009년 9월과 10월에는 예비 타당성 조사를 실시하여 기획재정부의 타당성 평가를 획득하였다. 이에 따라 2010년 12월 사업이 확정되어 2011년 1차년도 사업비 200억원이 확정되었다. 2011년 3월에는 제4세대 방사광가속기 구축 사업의 기본 계획안이 확정되었고, 2011년 11월에는 가속기 건물 기본 설계를 마쳤다. 2차년도인 2012년의 사업비는 450억원으로 확정되었고, 1월에 건물의 실시 설계, 도시 계획 시설 실시 계획이 승인되었고, 11월에 부지 조성 공사를 시작하였다.


2013년부터 본격적인 예산이 투입되어 마침내 2013년 5월 4세대방사광가속기(PAL-XFEL) 건설이 공식적으로 착공되었다.


포항가속기연구소가 착공한 가속기는 펨토초 시간 분해능과 나노 크기의 공간 분해능을 가지는 제4세대 방사광가속기인 X-선 자유전자레이저가속기(X-ray Free Electron Laser)이다.


전통적인 레이저에서는 원자 내의 전자들이 동시에 에너지 준위를 내려오면서 레이저가 발생한다. 원자 안의 전자를 사용하는 이런 레이저는 전자의 에너지 준위가 정해져 있기 때문에 발생하는 레이저의 파장에 한계가 있으며 주로 가시광선 영역에 속한다. 이런 한계를 극복하기 위하여 탄생한 것이 원자에 속박된 전자가 아닌 자유전자(free electron)를 사용하는 자유전자 레이저(Free Electron Laser)이다.


자유전자 레이저의 원리는 전자들이 무작위로 흩어져 있는 것이 아니라 파장에 맞추어 규칙적으로 작은 전자 뭉치(Micro Bunches)를 이루어 방사광을 방출하는 것이다. 따라서 자유전자 레이저의 핵심은 어떻게 작은 전자 뭉치를 규칙적으로 만들 수 있느냐에 달려있다. 이러한 자유전자 레이저를 통해 레이저의 영역은 가시광선을 넘어 자외선 영역까지 늘어났다.


그러나 기술상의 어려움이 있어 X-선 영역까지 확대되지 못하다가 최근에 와서 자기증폭자발적방출(Self-Amplified Spontaneous Emission: SASE) 방법이 개발되면서 X-선 영역까지 확대할 수 있게 되었다.


X-선 자유전자 레이저는 저장링을 바탕으로 하고 있는 제3세대 방사광가속기와는 달리 선형가속기를 기반으로 하고 있다. 선형가속기에서 충분히 가속된 전자 빔이 저장링을 거치지 않고 직접 거대한 언듈레이터를 통과한다. 선형가속기는 전자 빔이 가속을 받으면서 에미턴스가 지속적으로 낮아진다.


충분히 낮은 에미턴스를 얻기 위해서는 기존의 열 전자총이 아닌 레이저를 이용한 광음극 고주파 전자총(Photocathode RF Electron Gun)을 이용하여 애초부터 초기에 낮은 에미턴스를 가진 전자 빔을 얻어서 이것을 매우 높은 에너지로 가속시켜야 한다. 포항가속기연구소의 자유전자 레이저는 0.4 micro rad의 매우 낮은 에미턴스를 방출하는 광음극 전자총을 사용하고, 여기서 방출한 전자 빔을 10GeV로 가속하게 된다.


4세대방사광가속기(PAL-XFEL) 시설은 10-GeV 선형가속기에서 가속된 전자 빔이 언듈레이터를 통과하면서 발생하는 파장 0.6-1 옹스트롬(A)의 경성(hard) X-선을 2개의 빔 라인에 제공하고, 파장 1-4.5 옹스트롬(A)의 연성(soft) X-선을 1개의 빔 라인에 제공할 수 있도록 설계되어 있다.
참고자료
국가과학기술위원회, 《과학기술연감》 (2011).
미래창조과학부, 《과학기술연감》 (2013).
포항가속기연구소, 《포항가속기연구소 25년사, 1988-2013》 (2013).
포항가속기연구소 홈페이지 (http://pal.postech.ac.kr)
집필자
임경순(포항공과대학교 인문사회학부 부교수)
최초 주제 집필
2014. 11. 03
최초 주제 수정
2014. 12. 01