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박성희 교수
고려대학교 세종캠퍼스 가속기과학과
박성희 교수
고려대학교 세종캠퍼스 가속기과학과
국내 가속기 개발 및 연구 현황
오늘날 전하를 띤 입자를 발생시켜 필요한 에너지로 가속시키는 가속기는 다양한 형태로 우리 생활에 깊숙이 침투되어 있다. 꾸준한 기술 개발을 바탕으로 소형화, 상용화 기술이 축적되면서 표면 처리, 멸균, 살균 등 산업용, 보안 검색 등 안보용, 진단 치료 등 의료용, 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 미지 세계의 과학 탐구 수단으로, 건강한 삶을 위한 치료기로, 에너지 생산을 위한 도구로 활용되는 대형가속기도 국가 차원에서 구축 개발하고 있다. 대형가속기연구시설은 첨단 과학 연구개발 자체인 동시에, 새로운 과학적 사실을 밝혀내는 도구이다. 단순히 최첨단 과학적 도구로의 역할만 하는 것이 아니라, 과학적 탐구 방법의 발전, 가속기 기술 관련 산업적 인프라 형성 및 관련 전문인력 양성에도 매우 중요한 역할을 한다.
가속 입자의 종류와 사양에 따라 활용 분야가 다양한 가속기는 사용 목적, 장치 및 기술의 난이도, 구축 비용에 따라 목표 사양이 달라지며, 활용범위가 정해지는데, 최고의 목표 달성에 초점을 맞추면서 이용연구결과의 질과 양의 형평성이 잘 유지되도록 활용 극대화를 위한 전략이 중요하다. 물질의 궁극적인 요소가 무엇인지, 우주의 근원이 무엇인지, 물질 구성과 구조에 따른 특성이 왜 다르고 어떻게 제어할 수 있는지 등 새로운 미지의 세계 탐구가 가능한 고에너지, 고휘도, 초고속 펄스, 극미세 크기 등 고성능의 가속기를 갈망하고 있다. 앞으로도 가속기 기술 발전과 더불어 새로운 도전을 위해 새로운 아이디어와 최첨단 기술을 필요로 한다.
국내에는 다수의 저에너지 가속기가 의료용, 산업용으로 사용되고 있고 특정 목적의 소규모 가속기 시설 뿐만아니라 대규모의 가속기연구시설이 구축 운영되고 있다. 국가 대형가속기를 살펴보면 아래의 표와 같이 방사광가속기, 양성자가속기, 중이온가속기, 의료용 중입자가속기가 운전 중 혹은 구축 중에 있으며, 다목적 방사광가속기가 2027년 완공을 목표로 신규 구축될 예정이다.
방사광가속기는 고휘도 엑스선을 발생시켜 물질의 미세 구조를 분석하는 도구로, 구조에 따른 특성 분석, 물질의 구조변화 과정 및 원인 규명을 통해 새로운 물질, 새로운 기능 개발에 이용된다. 양성자가속기는 물질의 특성을 변화 혹은 제어시키는 도구로, 양성자 및 이온빔, 또는 중성자빔을 물질에 조사하여, 물성 변화, 표면 개질, 방사선 영향 평가, 핵변환 등에 이용된다. 양성자가속기가 거시적인 물질의 특성 변화를 주거나 중성자빔원으로의 역할을 한다면, 중이온가속기는 새로운 원소 및 동위원소/희귀동위원소를 만들어, 원소의 변이 과정, 핵반응 현상 규명이 가능하며, 다양한 중이온빔을 생성함으로써 핵물리, 천체물리 등과와 같은 기초과학의 원인 규명을 위한 분석 도구로 이용된다. 의료용 입자가속기는 가속된 양성자, 탄소이온, 헬륨이온 등을 직접 쪼여 수술 없이 몸속의 암세포를 파괴시켜 암치료를 하는 도구이다. 입자빔의 종류에 따라 치료 효과 및 부위가 다소 다르며, 현재 국내에는 양성자가속기로 국립암센터(일산), 서울삼성병원(서울)에서 암치료로 사용되고 있으며, 연세세브란스병원과 동남권인 기장 중입자치료센터(서울대병원)에서는 각각 2022년과 2024년 치료 개시를 목표로, 중입자가속기를 도입·설치하고자 한다. 치료용 가속기의 경우는 검증된 장치를 선호하므로 모두 해외 도입되었다. 국내 소규모 개발로는 정부와 병원(길병원), 산업체(다원시스)의 투자로 소형 양성자가속기를 이용한 보론-중성자 포획 치료기(BNCT)를 구축하여 허가 및 치료기술 개발을 위해 임상 실험 진행 중에 있다.
고에너지 입자를 발생시키는 대형가속기는 시설 규모가 크고 구축·운영 비용이 많이 필요하지만, 국가 과학기술 발전 및 위상 제고에 매우 중요한 시설이다. 국내보다 삼,사십년 전에 대형가속기 개발을 시작한 미국, 유럽 등 주요 선진국들은 중장기적인 R&D 투자를 통한 기술 발전과 시대적 요구 변화에 따라 지속적인 수정 보완을 통해 대형가속기의 구축·운영을 추진하고 있다. 최근 국내에서도 국가 차원의 중장기적 구축·운영 및 전략적 활용을 위해 「대형가속기 장기로드맵 및 운영전략」(2020.03)[1]을 수립하여, 국내 대형가속기의 구축 및 운영을 계획·추진하고자 하며, 이러한 장기로드맵 또한 기술 발전 및 국내 기술 역량, 시대적 요구 변화에 맞게 수정 보완이 가능하여야 할 것이다.
| 구분 | 주요성능 | 소재지 | 추진주체/운영기관 | 사업기간 | 구축예산 | 운영비(억원) |
| 3세대 원형방사광가속기 PLS-I | 2.5GeV/200mA/ 18.9 nm·rad | 포항 | 포스텍/
포항가속기연구소 (※ 포스텍 위탁운영) |
1988 ~ 1994 | 1500억원 | 270(‘13) |
| 3세대 원형방사광가속기 PLS-II (※성능향상사업) |
3 GeV/400 mA top-up/ 5.8 nm·rad |
2009 ~ 2011 | 1000억원 | 348(’17) | ||
| 4세대 선형방사광가속기 PAL-XFEL | 10 GeV/200 fs XFEL | 2011 ~ 2015 | 4298억원 | |||
| 양성자가속기 KOMAC | 100 MeV/20 mA | 경주 | KAERI 양성자과학연구단 | 2002 ~ 2012 | 3143억원 | 280 |
| 중이온가속기 RAON | 200 MeV/u (U) 400 kW | 대전 신동 |
IBS 중이온사업단 | 2011 ~ 2021 | 1조4298억원 | 미정 |
| 의료용 중입자가속기 | 400 MeV 탄소 | 부산 기장 |
서울대병원/ 중입자가속기사업단 | 2010 ~ 2023 | 1950억원 | |
| 4세대 원형방사광가속기 “다목적 방사광 가속기” |
4 GeV/400 mA 100 pm·rad | 청주 오창 |
한국기초과학지원연구원 (※사업단 구성 중) |
2021 ~ 2027 | 약 1조원 | 미정 |
국내 가속기 개발 및 연구 현황 : 대형가속기를 중심으로
국내 가속기 연구개발은 1980년대 서울대학교(SNU) 1.5 MV 탠덤/반데그라프 가속기 개발[2,3]로 시작되었으며 1988년 포항 방사광가속기 구축 사업이 시작되면서 가속기 개발이 활기를 띠기 시작하였다. 정전형 가속기에 필요한 이온원과 정전형 가속튜브, 고전압 전원장치 등의 핵심기술 확보를 위한 노력에도 불구하고 높은 비용과 한정된 수요 때문에 연대 측정, 질량분석을 위한 탠덤가속기, 표며 처리용 이온주입기, 의료용 동위원소생산용 싸이클로트론, 엑스선 진단용 선형가속기 등 중‧소 규모의 가속기들이 미국, 일본 등 해외 도입으로 활용되고 있었다. 따라서, 국내 가속기 기술 발전 및 연구개발 현황을 연대별 대형가속기 중심으로 살펴보고자 한다.
1990년에서 2000년
국내 최초의 대형가속기는 다수의 이용자들이 동시에 사용할 수 있는, 고휘도의 엑스선을 방출하여 물질의 구조 분석을 목적으로 한 원형방사광가속기로, 포항공대에서 1988년에 시작하여 1994년에 구축을 완료하였으며 1995년부터는 엑스선빔 이용자 서비스가 시작되었다.[4] 하지만 당시 국내 가속기 산업 인프라가 전무한 상황으로, PLS-I의 경우 선형가속기의 S-band 전자총 및 가속관, 고주파 시스템, 고출력 전원장치, 저장링의 이극 전자석, 빔진단 장치 등 많은 부분이 해외 도입으로 구축되었고, 비교적 난이도가 낮은 고진공 빔라인 챔버, 도파관, 사극전자석, 삽입장치 등 분야의 핵심기술을 확보할 수 있는 계기가 되었다. 구축 후 가속기 시스템 정렬, 진공, 전자석, 고주파 시스템 제어 등의 분야는 spin-off으로 산업체가 설립이 되었고 이들은 방사광가속기 유지 보수, 새로운 가속기 구축 사업에 참여하고 있다. 소규모의 가속기 시설로는 한국원자력연구원(KAERI)에서 이온원 및 고주파 양성자가속기와 자유전자레이저와 전자빔 조사를 위한 전자가속기가 개발되었다.[5,6] PIGatron 및 Plasmatron을 장착한 정전형 이온가속기는 국내 기술로 개발되어 이온주입 혹은 표면 처리 등에 이용되었고, 고주파 가속기를 위한 RFQ (Radio-Frequency Quadrupole)의 설계 제작 기술이 개발되었다. 1999년에는 마이크로트론 전자가속기를 이용한 THz 자유전자레이저 개발이 러시아 BINP와 협력으로 구축되었으며, 가속기시스템 부분은 BINP에서 주도하고, 자유전자레이저(FEL) 발생을 위한 삽입장치 및 도파관 타입의 광학시스템은 KAERI가 주도하여 개발되었다.
2000년에서 2010년
2000년도에 들어서면서 크고 작은 규모의 가속기 개발이 증가하기 시작하였는데, 국내 두 번째 대형가속기로 한국원자력연구원 100MeV급 양성자가속기 구축사업이 2002년에 시작하여 2012년에 완료하였다.[7] 대전류 고주파 양성자가속기 구축 사업으로, 연구개발을 통해 이온원, RFQ와 DTL은 국내 설계 제작 기술이 확보되었고, 클라이스트론 등 고출력 고주파 전원 및 시스템을 제외한 많은 부분이 국내에서 진행되었다. 현재 RFQ와 DTL은 국내에서 설계 제작 가능하며, 한국기초과학지원연구원(KBSI) 부산센터의 리튬이온가속기, 기초과학원(IBS) 중이온가속기, 길병원/다원시스 BNCT(보론-중성자 포획 암치료)용 양성자가속기에 설치되어 시험 운전 중에 있다. 포항가속기연구소는 엑스선 빔라인을 점차적으로 증가시켜 이용자 서비스 운영에 집중하면서도 유지보수 및 성능향상을 위한 작은 규모의 가속기 기술 개발 연구이 진행되고 있었다. 광전자총 기술 개발을 시도하여 초창기 BNL 타입의 S-band 광전자총 설계 제작 경험을 토대로 문제점을 보완한 고주파 전자총 개발을 국산화하였으며 이는 cavity-type 빔진단 시스템, S-band 상전도 가속기를 국내에서 설계 제작할 수 있는 기반 마련이 되었고 2009년에 시작된 PLS-II 성능향상 사업에서 2.5GeV 에서 3GeV로의 에너지 증가를 위한 3m 길이의 S-band 상전도가속관이 국산화를 할 수 있었다. 소규모의 경우, 한국원자력연구원에서 대용량 전자빔 조사 혹은 고출력 FEL을 위해 열전자총과 2 MeV 상전도 고주파 가속관을 사용한 선형전자가속기가 러시아 BINP와 협력으로 구축되어 가동되었고, 전자빔 에너지 증가를 위해 유럽 CERN의 352MHz 초전도가속모듈을 무상이전 받아 설치함으로써 0.3~2MeV와 10MeV 전자빔 조사이용 서비스를 수행하였다. 또한 다양한 중이온 가속을 위한 ECR(Electron Cyclotron Resonance) 이온원 연구개발[8]도 수행되었다. 한국원자력의학원에서는 핵의학을 위한 MC-50 싸이클로트론 운전 경험을 바탕으로 13MeV 싸이클로트론 가속기 개발을 하였으며,[9] 추후 권역별 싸이클로트론 구축을 목표로 싸이클로트론 성능확보를 위한 노력을 하였으나 결과적으로 요구하는 성능을 얻지는 못해 상용화는 무산되었다. 2000년대에 초전도가속관 운전이 국내에서 처음으로 시도되었다. 이 당시 국내에서 초전도 자석 개발 및 운전으로 극저온시스템 도입, 설치, 운전 경험은 있었지만 초전도 가속기 운전은 처음이었다. 유럽 CERN의 SPS에서 사용되었던 352MHz 초전도가속관으로 구성된 극저온모듈과 극저온냉각시스템이 무상이전되면서 2MeV 전자빔을 15MeV로 가속시키는데 성공하였고 2005년에서 2009년 4월까지(화재발생 이전까지) 고에너지 전자빔 조사이용 연구로 활용되었다. 두 번째로 포항가속기연구소는 PLS-II 저장링에 필요한 500MHz 초전도가속관을 해외에서 제작 도입하여 현재까지 사용하고 있으며, 물리 설계 기술을 확보하였다. 이제 겨우 초전도가속기로의 첫발을 내딛은 셈이다.
2010년에서 2020년
2010년대에는 4세대 선형방사광가속기인 PAL-XFEL 구축사업[4]과 200MeV/u 우라늄을 포함한 중이온가속기 구축사업[10]이 시작되면서 국내 가속기 기술은 더욱 첨단기술로 발전될 기회가 되었으며, 국내 가속기 기술 노하우가 축적되면서 다양한 가속기 연구개발도 동시에 진행되었다.
앞서 언급한 3m S-band 상전도가속관의 경우, 원형방사광가속의 경우보다 고품질의 전자빔이 요구되는 PAL-XFEL의 10GeV 선형전자가속기에서 앞부분은 세계적으로 검증된 일본 미츠비시사의 가속관을 구매하여 설치하고 고에너지 부분은 개발된 국내 제품으로 설치함으로써 고품질의 전자빔에 의한 XFEL의 성능 확보와 국산화 기술 확보, 두 마리 토끼를 잡은 셈이다. S-band 광전자총은 PAL-XFEL의 선형가속기와 KAERI 초고속 전자회절장치에 국내 기술로 설계 제작되어 좋은 성능으로 동작되고 있다.
XFEL은 펨토초 전자빔을 발생시켜 자발 증폭 방사광 발생 (SASE) 방식으로 레이저 특성을 갖는 결맞은 엑스선빔을 만드는 기술로, 10 GeV/200 fs 전자빔 펄스를 gap 간격이 6mm로 매우 좁고 총 길이 약 200m로 여러 개의 삽입장치 사이를 통과시키면서 레이저 증폭을 시키는 방식이다. 전자빔 성능과 삽입장치의 정밀도가 결맞은 엑스선의 성능을 좌우하는데, 현재로서는 위치 안정도 및 엑스선 출력이 가장 안정적인 XFEL로 그 성능을 인정받고 있다. PLS-II 성능향상사업으로 저장링의 사극전자석과 삽입장치 일부가 국산화되었고 자기장 측정 및 자석 정렬 기술은 2011년에 시작된 PAL-XFEL의 삽입장치의 자기장 정밀도 확보에 크게 기여하였다. 초정밀 정렬 및 초고진공 유지를 위한 기술 노하우는 4세대 방사광원(4GSR)인 다목적 방사광가속기에도 중요한 기반 기술이 될 뿐만 아니라 고휘도 엑스선 광학 기술 및 제어는 3세대 방사광보다 휘도 및 결맞음성이 높은 4GSR의 엑스선 빔라인 구축에 기여할 것으로 기대된다. 원형 방사광가속기의 엑스선빔에 비해 펄스폭이 매우 짧고 휘도가 매우 높아 물질의 single-shot 동역학 분석이 가능한 PAL-XFEL은 활용도를 극대화하기 위해 펨토초 빔진단 및 실험장치 기술도 함께 개발해 나아가야 할 것이다.
중이온가속기 구축사업은 현재 저에너지 구간인 SCL3 구축 완료 및 실험을 위한 준비가 한창이며 고에너지 구간인 SCL2는 핵심장치인 고에너지 영역의 초전도가속관 연구개발을 선행한 후 구축하기로 계획 수정되었다. 거대한 중이온가속기와 실험시설을 위한 많은 부분 중에서 가장 문제가 된 것은 초전도가속기와 ECR 이온원이라 할 수 있다. 많은 부분이 연구개발을 통해 국산화에 성공하였지만, 제작 기술과 경험이 없었던 초전도가속관 및 극저온모듈의 설계 제작, 표면 처리 등에 많은 시행착오를 격으면서 일정 지연이 불가피하게 되었다. 대형가속기구축사업에서 선행 기술이 없는 경우는 해외 도입 혹은 공동 개발로 진행되었었는데 “비용절감 및 국산화”로의 계획 설정으로 인해 필요한 노하우가 제대로 축적되지도 못하고 많은 시간이 소요되었다. 하지만 국외 제작을 병행하면서 문제점을 해결하고 초전도가속관의 성능은 초창기보다 개선되었다. 앞으로는 통합 운전이라는 큰 숙제가 남아 있지만 결국은 해결할 수 있을 것으로 기대한다. 오늘날 초전도 기술은 가속기뿐만 아니라 양자컴퓨터 등 다양한 분야에 적용되고 있으며 차세대 가속기 기술은 초전도 기술과 더불어 발전될 것으로 예상되는 바, 중이온가속기 구축사업은 국내 초전도가속기 기술을 확보할 수 있는 계기를 마련하였다.
소규모로는 KAERI 초고속 전자회절장치가 국내 기술로 설계 제작되어 시간 동기가 세계적으로 가장 좋은 성능을 갖고 있다. 한국기초과학지원연구원 부산센터에서는 초전도 ECR 이온원, RFQ로 구성된 중소형 입자빔 가속기가 구축되었다.[11]
2021년 이후
재료 및 물성 분석 연구자가 비교적 많은 국내 현실에서 방사광가속기의 수요는 점점 증가하였고 새로운 탐구를 위해 좀 더 나은 성능의 엑스선빔, 더 많은 이용시간이 요구되기 시작하였다. 2021년에는 다목적 방사광가속기 구축사업이 시작될 예정으로 3세대 방사광보다 전자빔의 에미턴스가 낮아 엑스선빔의 휘도가 100배 정도 높고 결맞음성도 증가된 광원으로 새로운 과학적 탐구를 위한 도구로 기대된다. 최대 40개의 빔라인을 동시에 사용할 수 있는 신규 다목적방사광가속기는 경엑스선 영역(10~30 keV)의 이용 연구에 최적화되도록 설계되고 있으며, 축적된 노하우와 시대 변화 요구에 맞는 새로운 기술을 접목하여, 세계 방사광 이용연구 및 산업기술 개발을 주도할 수 있는 시설로 거듭날 수 있을 것이다. PLS-I과 PLS-II의 성능향상, PAL-XFEL 구축을 통해 많은 국내 기술을 확보하고 있지만 성능이 높아질수록 고성능의 부대 장치가 필요한 만큼 철저한 준비가 필요하다. 전자빔의 안정성을 위해, 아직 국산화되지 않은 이극 전자석, 클라이스트론 등과 같은 부분들은 해외 의존도가 높은 편이지만 이러한 사업을 계기로 국내 기술 확보의 기회를 놓치지 않도록 연구개발 수행이 병행되었으면 한다. 또한 대형가속기연구시설 활용 극대화 측면에서 기존 3세대 원형방사광가속기의 역할 분담 및 성능 개선 전략 등의 논의도 함께 고민할 필요가 있겠다.
가속기 기술의 난이도는 가속기 과학의 도전 목표와 응용분야의 요구기술에 따라 차이가 나지만, 앞으로는 선진국과 같이 꾸준한 가속기 기술 연구개발을 통한 기술 축적을 바탕으로 차세대 가속기 구축을 계획함으로써 최고 성능의 가속기 구축으로 새로운 연구 결과를 얻을 수 있도록 해야 할 것이다.
국내 가속기 연구개발은 1980년대 서울대학교(SNU) 1.5 MV 탠덤/반데그라프 가속기 개발[2,3]로 시작되었으며 1988년 포항 방사광가속기 구축 사업이 시작되면서 가속기 개발이 활기를 띠기 시작하였다. 정전형 가속기에 필요한 이온원과 정전형 가속튜브, 고전압 전원장치 등의 핵심기술 확보를 위한 노력에도 불구하고 높은 비용과 한정된 수요 때문에 연대 측정, 질량분석을 위한 탠덤가속기, 표며 처리용 이온주입기, 의료용 동위원소생산용 싸이클로트론, 엑스선 진단용 선형가속기 등 중‧소 규모의 가속기들이 미국, 일본 등 해외 도입으로 활용되고 있었다. 따라서, 국내 가속기 기술 발전 및 연구개발 현황을 연대별 대형가속기 중심으로 살펴보고자 한다.
1990년에서 2000년
국내 최초의 대형가속기는 다수의 이용자들이 동시에 사용할 수 있는, 고휘도의 엑스선을 방출하여 물질의 구조 분석을 목적으로 한 원형방사광가속기로, 포항공대에서 1988년에 시작하여 1994년에 구축을 완료하였으며 1995년부터는 엑스선빔 이용자 서비스가 시작되었다.[4] 하지만 당시 국내 가속기 산업 인프라가 전무한 상황으로, PLS-I의 경우 선형가속기의 S-band 전자총 및 가속관, 고주파 시스템, 고출력 전원장치, 저장링의 이극 전자석, 빔진단 장치 등 많은 부분이 해외 도입으로 구축되었고, 비교적 난이도가 낮은 고진공 빔라인 챔버, 도파관, 사극전자석, 삽입장치 등 분야의 핵심기술을 확보할 수 있는 계기가 되었다. 구축 후 가속기 시스템 정렬, 진공, 전자석, 고주파 시스템 제어 등의 분야는 spin-off으로 산업체가 설립이 되었고 이들은 방사광가속기 유지 보수, 새로운 가속기 구축 사업에 참여하고 있다. 소규모의 가속기 시설로는 한국원자력연구원(KAERI)에서 이온원 및 고주파 양성자가속기와 자유전자레이저와 전자빔 조사를 위한 전자가속기가 개발되었다.[5,6] PIGatron 및 Plasmatron을 장착한 정전형 이온가속기는 국내 기술로 개발되어 이온주입 혹은 표면 처리 등에 이용되었고, 고주파 가속기를 위한 RFQ (Radio-Frequency Quadrupole)의 설계 제작 기술이 개발되었다. 1999년에는 마이크로트론 전자가속기를 이용한 THz 자유전자레이저 개발이 러시아 BINP와 협력으로 구축되었으며, 가속기시스템 부분은 BINP에서 주도하고, 자유전자레이저(FEL) 발생을 위한 삽입장치 및 도파관 타입의 광학시스템은 KAERI가 주도하여 개발되었다.
2000년에서 2010년
2000년도에 들어서면서 크고 작은 규모의 가속기 개발이 증가하기 시작하였는데, 국내 두 번째 대형가속기로 한국원자력연구원 100MeV급 양성자가속기 구축사업이 2002년에 시작하여 2012년에 완료하였다.[7] 대전류 고주파 양성자가속기 구축 사업으로, 연구개발을 통해 이온원, RFQ와 DTL은 국내 설계 제작 기술이 확보되었고, 클라이스트론 등 고출력 고주파 전원 및 시스템을 제외한 많은 부분이 국내에서 진행되었다. 현재 RFQ와 DTL은 국내에서 설계 제작 가능하며, 한국기초과학지원연구원(KBSI) 부산센터의 리튬이온가속기, 기초과학원(IBS) 중이온가속기, 길병원/다원시스 BNCT(보론-중성자 포획 암치료)용 양성자가속기에 설치되어 시험 운전 중에 있다. 포항가속기연구소는 엑스선 빔라인을 점차적으로 증가시켜 이용자 서비스 운영에 집중하면서도 유지보수 및 성능향상을 위한 작은 규모의 가속기 기술 개발 연구이 진행되고 있었다. 광전자총 기술 개발을 시도하여 초창기 BNL 타입의 S-band 광전자총 설계 제작 경험을 토대로 문제점을 보완한 고주파 전자총 개발을 국산화하였으며 이는 cavity-type 빔진단 시스템, S-band 상전도 가속기를 국내에서 설계 제작할 수 있는 기반 마련이 되었고 2009년에 시작된 PLS-II 성능향상 사업에서 2.5GeV 에서 3GeV로의 에너지 증가를 위한 3m 길이의 S-band 상전도가속관이 국산화를 할 수 있었다. 소규모의 경우, 한국원자력연구원에서 대용량 전자빔 조사 혹은 고출력 FEL을 위해 열전자총과 2 MeV 상전도 고주파 가속관을 사용한 선형전자가속기가 러시아 BINP와 협력으로 구축되어 가동되었고, 전자빔 에너지 증가를 위해 유럽 CERN의 352MHz 초전도가속모듈을 무상이전 받아 설치함으로써 0.3~2MeV와 10MeV 전자빔 조사이용 서비스를 수행하였다. 또한 다양한 중이온 가속을 위한 ECR(Electron Cyclotron Resonance) 이온원 연구개발[8]도 수행되었다. 한국원자력의학원에서는 핵의학을 위한 MC-50 싸이클로트론 운전 경험을 바탕으로 13MeV 싸이클로트론 가속기 개발을 하였으며,[9] 추후 권역별 싸이클로트론 구축을 목표로 싸이클로트론 성능확보를 위한 노력을 하였으나 결과적으로 요구하는 성능을 얻지는 못해 상용화는 무산되었다. 2000년대에 초전도가속관 운전이 국내에서 처음으로 시도되었다. 이 당시 국내에서 초전도 자석 개발 및 운전으로 극저온시스템 도입, 설치, 운전 경험은 있었지만 초전도 가속기 운전은 처음이었다. 유럽 CERN의 SPS에서 사용되었던 352MHz 초전도가속관으로 구성된 극저온모듈과 극저온냉각시스템이 무상이전되면서 2MeV 전자빔을 15MeV로 가속시키는데 성공하였고 2005년에서 2009년 4월까지(화재발생 이전까지) 고에너지 전자빔 조사이용 연구로 활용되었다. 두 번째로 포항가속기연구소는 PLS-II 저장링에 필요한 500MHz 초전도가속관을 해외에서 제작 도입하여 현재까지 사용하고 있으며, 물리 설계 기술을 확보하였다. 이제 겨우 초전도가속기로의 첫발을 내딛은 셈이다.
2010년에서 2020년
2010년대에는 4세대 선형방사광가속기인 PAL-XFEL 구축사업[4]과 200MeV/u 우라늄을 포함한 중이온가속기 구축사업[10]이 시작되면서 국내 가속기 기술은 더욱 첨단기술로 발전될 기회가 되었으며, 국내 가속기 기술 노하우가 축적되면서 다양한 가속기 연구개발도 동시에 진행되었다.
앞서 언급한 3m S-band 상전도가속관의 경우, 원형방사광가속의 경우보다 고품질의 전자빔이 요구되는 PAL-XFEL의 10GeV 선형전자가속기에서 앞부분은 세계적으로 검증된 일본 미츠비시사의 가속관을 구매하여 설치하고 고에너지 부분은 개발된 국내 제품으로 설치함으로써 고품질의 전자빔에 의한 XFEL의 성능 확보와 국산화 기술 확보, 두 마리 토끼를 잡은 셈이다. S-band 광전자총은 PAL-XFEL의 선형가속기와 KAERI 초고속 전자회절장치에 국내 기술로 설계 제작되어 좋은 성능으로 동작되고 있다.
XFEL은 펨토초 전자빔을 발생시켜 자발 증폭 방사광 발생 (SASE) 방식으로 레이저 특성을 갖는 결맞은 엑스선빔을 만드는 기술로, 10 GeV/200 fs 전자빔 펄스를 gap 간격이 6mm로 매우 좁고 총 길이 약 200m로 여러 개의 삽입장치 사이를 통과시키면서 레이저 증폭을 시키는 방식이다. 전자빔 성능과 삽입장치의 정밀도가 결맞은 엑스선의 성능을 좌우하는데, 현재로서는 위치 안정도 및 엑스선 출력이 가장 안정적인 XFEL로 그 성능을 인정받고 있다. PLS-II 성능향상사업으로 저장링의 사극전자석과 삽입장치 일부가 국산화되었고 자기장 측정 및 자석 정렬 기술은 2011년에 시작된 PAL-XFEL의 삽입장치의 자기장 정밀도 확보에 크게 기여하였다. 초정밀 정렬 및 초고진공 유지를 위한 기술 노하우는 4세대 방사광원(4GSR)인 다목적 방사광가속기에도 중요한 기반 기술이 될 뿐만 아니라 고휘도 엑스선 광학 기술 및 제어는 3세대 방사광보다 휘도 및 결맞음성이 높은 4GSR의 엑스선 빔라인 구축에 기여할 것으로 기대된다. 원형 방사광가속기의 엑스선빔에 비해 펄스폭이 매우 짧고 휘도가 매우 높아 물질의 single-shot 동역학 분석이 가능한 PAL-XFEL은 활용도를 극대화하기 위해 펨토초 빔진단 및 실험장치 기술도 함께 개발해 나아가야 할 것이다.
중이온가속기 구축사업은 현재 저에너지 구간인 SCL3 구축 완료 및 실험을 위한 준비가 한창이며 고에너지 구간인 SCL2는 핵심장치인 고에너지 영역의 초전도가속관 연구개발을 선행한 후 구축하기로 계획 수정되었다. 거대한 중이온가속기와 실험시설을 위한 많은 부분 중에서 가장 문제가 된 것은 초전도가속기와 ECR 이온원이라 할 수 있다. 많은 부분이 연구개발을 통해 국산화에 성공하였지만, 제작 기술과 경험이 없었던 초전도가속관 및 극저온모듈의 설계 제작, 표면 처리 등에 많은 시행착오를 격으면서 일정 지연이 불가피하게 되었다. 대형가속기구축사업에서 선행 기술이 없는 경우는 해외 도입 혹은 공동 개발로 진행되었었는데 “비용절감 및 국산화”로의 계획 설정으로 인해 필요한 노하우가 제대로 축적되지도 못하고 많은 시간이 소요되었다. 하지만 국외 제작을 병행하면서 문제점을 해결하고 초전도가속관의 성능은 초창기보다 개선되었다. 앞으로는 통합 운전이라는 큰 숙제가 남아 있지만 결국은 해결할 수 있을 것으로 기대한다. 오늘날 초전도 기술은 가속기뿐만 아니라 양자컴퓨터 등 다양한 분야에 적용되고 있으며 차세대 가속기 기술은 초전도 기술과 더불어 발전될 것으로 예상되는 바, 중이온가속기 구축사업은 국내 초전도가속기 기술을 확보할 수 있는 계기를 마련하였다.
소규모로는 KAERI 초고속 전자회절장치가 국내 기술로 설계 제작되어 시간 동기가 세계적으로 가장 좋은 성능을 갖고 있다. 한국기초과학지원연구원 부산센터에서는 초전도 ECR 이온원, RFQ로 구성된 중소형 입자빔 가속기가 구축되었다.[11]
2021년 이후
재료 및 물성 분석 연구자가 비교적 많은 국내 현실에서 방사광가속기의 수요는 점점 증가하였고 새로운 탐구를 위해 좀 더 나은 성능의 엑스선빔, 더 많은 이용시간이 요구되기 시작하였다. 2021년에는 다목적 방사광가속기 구축사업이 시작될 예정으로 3세대 방사광보다 전자빔의 에미턴스가 낮아 엑스선빔의 휘도가 100배 정도 높고 결맞음성도 증가된 광원으로 새로운 과학적 탐구를 위한 도구로 기대된다. 최대 40개의 빔라인을 동시에 사용할 수 있는 신규 다목적방사광가속기는 경엑스선 영역(10~30 keV)의 이용 연구에 최적화되도록 설계되고 있으며, 축적된 노하우와 시대 변화 요구에 맞는 새로운 기술을 접목하여, 세계 방사광 이용연구 및 산업기술 개발을 주도할 수 있는 시설로 거듭날 수 있을 것이다. PLS-I과 PLS-II의 성능향상, PAL-XFEL 구축을 통해 많은 국내 기술을 확보하고 있지만 성능이 높아질수록 고성능의 부대 장치가 필요한 만큼 철저한 준비가 필요하다. 전자빔의 안정성을 위해, 아직 국산화되지 않은 이극 전자석, 클라이스트론 등과 같은 부분들은 해외 의존도가 높은 편이지만 이러한 사업을 계기로 국내 기술 확보의 기회를 놓치지 않도록 연구개발 수행이 병행되었으면 한다. 또한 대형가속기연구시설 활용 극대화 측면에서 기존 3세대 원형방사광가속기의 역할 분담 및 성능 개선 전략 등의 논의도 함께 고민할 필요가 있겠다.
가속기 기술의 난이도는 가속기 과학의 도전 목표와 응용분야의 요구기술에 따라 차이가 나지만, 앞으로는 선진국과 같이 꾸준한 가속기 기술 연구개발을 통한 기술 축적을 바탕으로 차세대 가속기 구축을 계획함으로써 최고 성능의 가속기 구축으로 새로운 연구 결과를 얻을 수 있도록 해야 할 것이다.
맺음말
가속기 기술은 지속적인 기술 개발을 통해 비용 절감은 물론, 향후 도전적인 과학 기술적 요구에 부합하는 사양을 제공할 수 있도록 발전되어야 하며, 관련 분야 산업 인프라도 유지 발전되어야 현실화될 수 있다. 국내 가속기 산업은 미국, 일본, 유럽 등 선진국에 비해 늦깍이 이지만 대형연구시설 구축사업을 통해 국산화 기술이 점차적으로 축적되고 있으나, 정부의 장기적인 투자와 산학연 공동협력연구를 통한 기술 이전, 산업화 기술 확보 등으로 차세대 가속기 기술 확보 및 세계 시장 확보를 위한 전략이 필요하다.
가속기 기술은 지속적인 기술 개발을 통해 비용 절감은 물론, 향후 도전적인 과학 기술적 요구에 부합하는 사양을 제공할 수 있도록 발전되어야 하며, 관련 분야 산업 인프라도 유지 발전되어야 현실화될 수 있다. 국내 가속기 산업은 미국, 일본, 유럽 등 선진국에 비해 늦깍이 이지만 대형연구시설 구축사업을 통해 국산화 기술이 점차적으로 축적되고 있으나, 정부의 장기적인 투자와 산학연 공동협력연구를 통한 기술 이전, 산업화 기술 확보 등으로 차세대 가속기 기술 확보 및 세계 시장 확보를 위한 전략이 필요하다.
[참고문헌]
[1] 과학기술정통부, 대형가속기 장기로드맵 및 운영전략, (2020.03)
[2] 정기형 외, SNU 1.5MV 직렬형 반데그라프 가속기 (II), New Physics v. 22, No. 4, p.335 (1982)
[3] 배영덕 외, SNU 1.5MV 직렬형 반데그라프 가속기 (V), J. of the Korean Nuclear Society v. 19, No. 2, p.115 (1987)
[4] https://pal.postech.ac.kr
[5] Y.S Cho et. al., Proceedings of 2001PAC, Chicago, p.3921 (2001)
[6] B.C. Lee et. al., Free Electron Laser Projects at KAERI, Proceedings of 2nd Asian PAC, Beijing, China, p.254 (2001)
[7] Y.S Cho et. al., Proceedings of IPAC2013, Shanghei, China, p.2052 (2013)
[8] B-H Oh et. al., Proceedings of ECRIS2010, Grenoble, France, p.105 (2010) https://pal.postech.ac.kr
[9] 채종서, 동위원소회보 제17권 제2호, p.70 (2002)
[10] https://risp.ibs.re.kr
[11] 원미숙 외, ECR 이온원을 이용한 첨단 중소형 입자빔 이용시설 구축, KBSI-2016-0111-0001 (2016)
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