울산과학기술원(UNIST)은 규모는 줄이고 성능은 높인 '차세대 가속기'를 실용화하는 데 필요한 기술의 실증 실험에 성공했다고 29일 밝혔다. UNIST에 따르면 물리학과 정모세 교수 연구팀(고강도 빔-가속기 연구실)은 기존 기술의 한계를 뛰어넘는 새로운 '입자 빔 위상공간 제어기술'을 실증했다.
가속기는 원자를 구성하는 전자나 양성자, 이온 등 전하를 가진 입자에 빠른 속도를 주고 에너지를 공급하는 장치다.
가속기 속에서 매우 빨라진 입자들은 일정한 방향으로 흐르면서 빔을 만든다. 과학자들은 빔이 물질에 부딪히면서 나타나는 효과를 이용하거나 빔이 휨자석을 지나면서 내는 방사광을 이용해 물리 법칙이나 물질의 구조 등을 밝히고, 신약 개발이나 난치 암 치료 등에도 사용한다.
차세대 가속기는 기존 가속기보다 훨씬 더 작은 규모로 더 높은 성능을 내야 하는데, 이를 위해서는 빔의 위상공간을 정교하게 제어하는 기술이 필수적이다.
현재 '빔의 횡단면 방향으로 위상공간 제어'는 자석을 이용하면 쉽게 할 수 있고 기술도 정립돼 있지만, '빔 진행 방향으로 위상공간 제어'는 어려운 상황이다. 빔 진행 방향으로 위상공간을 제어하려면 복잡한 고주파 시스템과 특수한 진공 구조물을 사용해야 하는데, 이런 방법이 알려져 있음에도 원하는 형상으로 빔을 제어하는 것은 어려운 과제였다고 연구팀은 설명했다.
연구팀은 이런 한계를 극복하고자 '새로운 개념의 빔 위상공간 제어 방법'을 개발해 실증에도 성공했다.
연구팀이 개발한 기술은 빔의 횡단면 방향 위상공간과 빔 진행 방향의 위상공간을 서로 바꾸는 '이미턴스 교환'(Emittance Exchange)에 바탕을 뒀다. 빔 진행 방향으로의 빔 분포를 횡단면 방향으로 먼저 바꾼 후, 자석을 이용해 형상을 제어해 이를 다시 원래의 빔 진행 방향 분포로 되돌리는 것이다.
정모세 교수는 "빔 진행 방향으로의 위상공간을 자유자재로 제어할 수 있게 되면, 소형 차세대 가속기의 실용화가 가능해진다"며 "기존에 불가능했던 다양한 물리학적 연구를 가능케 하는 중요한 성과"라고 강조했다.
이번 실증 실험에는 포항가속기연구소 석지민 박사후연구원과 미국 노던 일리노이대 하광희 교수, 미국 아르곤 국립연구소 웨이크필드 가속기 연구팀 등이 참여했다.
연구 결과는 물리학 분야 학술지인 '피지컬 리뷰 레터스'(Physical Review Letters)에 발표됐다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 가속기 인력양성 및 활용지원 사업의 지원을 받아 이뤄졌다.