기초과학연구원, 가속시험 구간 늘린 끝에 목표 성능 작동 확인
극저온설비, 중앙제어장치 등 가속기 필수 장치들과 연계도 성공
[애플경제 김향자 기자]기초과학연구원 중이온가속기연구소(이하 ‘연구원’)는 10.7(금) 15시 3분에 중이온가속기 저에너지 가속구간 첫 번째 빔인출 시험에 성공하였다고 밝혔다. 앞서 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. 라온 역시 2011~2022년간 우리기술로 설계·제작했다.
이번 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. 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.
연구소는 내년 3월 저에너지 가속장치(총 54기 가속모듈) 시운전을 목표로 가속시험 구간을 단계적으로 늘려가면서 빔인출 시험을 수행한다는 계획이다. 이번에는 총 54기 가속모듈 중 전단부 5기 가속모듈에 대해 첫번째 빔인출 시험을 수행한 것이다.
한편 라온 또는 가속기는 우주 발사체, 핵융합, 인공위성처럼 대표적인 대형 국가연구개발 사업에 해당한다. 기초과학연구원은 “중이온, 양성자, 전자 등 전하를 띤 입자를 전기장을 이용하여 가속·충돌시키는 장치”라며 “물질의 기본인 원자핵의 내부 구조는 물론 각종 물질의 성질을 연구하는데 활용하고 가속되는 입자에 따라 중이온, 양성자, 전자 가속기로 분류된다.”고 설명했다.
연구원은 “그 중 중이온가속기는 무거운 이온을 빠르게 가속한 후 표적 물질에 충돌시켜 기존에 발견되지 않았거나 자연 상태에서 존재하지 않는 다양한 희귀동위원소를 생성하고 그 특성을 연구하는 시설”이라고 소개했다. 라온은 또 방사광, 양성자, 중입자 등 다른 가속기와 달리 우라늄 같은 무거운 동위원소를 광속(초속 약30만km)의 50% 수준까지 가속해야 하는 극한기술의 집약체다.
연구원은 “특히, 라온은 가속 목표나 성능 면에서 세계 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.”고 강조했다.
이와 함께 연구원은 “이번 빔인출 성공을 기반으로 단계적으로 빔 시운전을 확대하여 2023년에는 저에너지 전체 구간 시운전과 가속장치와 연계된 희귀동위원소 생성장치(ISOL), 저에너지 구간 실험장치의 빔 시운전도 병행할 것”이라며 “2024년부터는 본격적인 빔 활용연구가 진행될 수 있도록 빔을 안정적으로 제공할 예정”이라고 밝혔다.
한편 가속기는 중이온, 양성자, 전자 등 전하를 띤 입자를 전기장을 이용하여 가속, 충돌시키는 장치로서 물질의 기본인 원자핵의 내부 구조는 물론 각종 물질의 성질을 연구하는데 활용된다. 가속되는 입자에 따라 중이온, 양성자, 전자 가속기로 분류된다.
이번 첫 번째 빔인출 시험은 저에너지 가속장치 가속모듈(전체 54기) 중 전단부 5기 가속모듈을 활용해 아르곤 빔을 가속시켰고, 시험 목표치에 도달한 것이다. 그 기능을 보면, 입사기에서 가속하여 전달된 0.5MeV/u 빔을 18.5MeV/u(우라늄 기준)까지 가속된 빔을 저에너지 실험장치나 고에너지 가속장치(SCL2)에 수송한다. 또 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 구성되어 있다.
연구원은 “2017년 1/4파장 공진기(QWR) 가속관 본제품을 처음 제작했다”면서 “2020년 9월에는 1/4파장 공진기, 2021년 5월에는 1/2파장 공진기, 2021년 11월에는 1/2파장 공진기(HWR- B)를 개발했으며, 12월에 설치하기에 이르렀다”고 전했다.