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한국원자력연구원 양성자기반공학기술개발사업단이 8년 여의 연구 끝에 대용량 선형 양성자가속기(100MeV, 20mA) 개발에 성공했습니다.

선형 양성자가속기 구성



이는 미국과 일본에 이어 세계 3번째로 대용량 가속기 기술개발에 성공한 것으로, 우리나라는 양성자 가속기 기술 선진국으로 도약할 수 있는 역량을 보유하게 됐습니다.

이에 따라 우리나라는 최근 경쟁적으로 양성자가속기 사업을 추진하고 있는 EU나 중국, 인도 등으로부터 기술 제공 요청 등 다양한 분야에서 국제 협력을 제안 받고 있습니다.

 이번에 개발된 가속기는 현재 원자력연구원 내에서 가동 중인 20MeV가속기를 연결해 2012년 경주 양성자가속기연구센터 건설됩니다.

개발 완료된 100MeV

경주 양성자가속기연구센터는 방사성폐기물처분시설 유치지역 선정과 연계되어 추진되는 정부-지자체 공동사업으로 약 3000억원이 투입돼 2012년에 완공될 예정입니다.


 이 가속기가 운영되면 초당 10경(京, 만 조)개 이상의 양성자를 가속해, 다양한 분야의 이용자들에게 대량으로 동시 공급할 수 있게 됩니다.

대표적 이용분야로는 IT분야의 고효율 전력 반도체, 고성능 반도체 소재(웨이퍼) 제조기술, BT분야의 식물 돌연변이 유발기술, 생분해성 플라스틱 생산기술, ST분야의 우주 부품 내방사선(耐放射線) 시험기술, 의료분야의 양성자 암치료 연구, 의료용 동위원소 생산기술 등이 있습니다.

이번 가속기 개발을 통해 원천기술을 확보함으로써 양성자와 중성자를 이용한 21세기 아(亞)원자시대의 연구개발 활성화와 함께 우리나라 가속기 기술의 자립화, 선진화를 앞당기는데 기여할 것으로 기대되고 있습니다.

한편 현재 한국원자력연구원에서 운영 중인 20MeV 양성자가속기는 지난 2007년부터 3년간 시험운전을 통해 약 900건의 빔을 제공하여 양성자가속기를 활용한 연구에 기여했습니다.

현재 운영 중인 20 MeV 양성자가속기

 

국내 가속기 구축 현황 

구 분

장치개요

활 용

추진주체

사업기간

예산

(국비/기타)

비 고

양성자가속기

(선형)

가속한 양성자를 물질에 조사함으로써 물질 변화 또는 중성자 생산

가속입자:양성자(수소원자에서 전자를 제거한 이온) (100MeV)

물질을 변화시키거나,

중성자 생산

(의료용, 산업용 동위원소 생산, 전력반도체 제조)

한국원자력

연구원

(양성자기반공학기술개발사업단)

‘02~’12

3,074억원

(1,763/1,311)

건설 중

방사광

가속기

3세대

(원형)

전자를 가속한 후, 방향을 바꿀 때 발생하는 방사광 이용

가속입자 : 전자 (3.0GeV)

물질의 정적 구조 분석

(생명, 재료, 화학, 물리, 기계, 반도체, 응용과학분야)

포항가속기

연구소

‘91~’94

1,500억원

(569/904)

운영 중

(2.5GeV)

성능향상

‘09~’11

1,000억원

(1,000/-)

성능향상 중

(3.0GeV)

4세대

(선형)

◦가속된 전자빔을 삽입장치로 통과시 진행방향이 휠 때 방출되는 X-선 레이저 이용

1천조분의 1초 광원 발생

3세대에 비해 100억배 밝기

가속입자:전자 (10GeV)

물질의 동적현상 실시간 관측, 3차원 분석

(생명공학, 신약,

신물질 개발 등)

교육과학

기술부

‘11~’14

4,260억원

(4,000/260)

 

건설 예정

중이온가속기

(선형)

양성자보다 무거운 헬륨, 탄소, 우라늄이온 등을 물질에 조사

가속입자:중성자․양성자, 우라늄 등 (200Mev/n)

핵물리 등 기초연구 활용

(중이온 암치료, 신물질, 신품종 개발)

과학비즈

니스벨트

구축 진행

4,600억원

(4,600/-)

개념

설계 중

중입자가속기

(원형)

(수익운영사업)

탄소 등 무거운 원소의 원자를 가속시켜 암세포에 쏘이는 장치

가속입자:탄소핵 (400MeV)

의학분야 활용

(중입자 암치료, 의학연구)

동남권의학원

‘10~’16

1,950억원

(700/1,250)

건설 중



 용  어  설  명

MeV(Mega electron Volt)
: 양성자의 에너지 단위. 1전자볼트는 1볼트의 전압이 걸려 있는 금속판 사이를 지나면서 양성자가 얻는 에너지. 1MeV의 에너지로 가속시키기 위해서는 약 67만개의 1.5볼트 건전지를 직렬로 연결하고 금속판에 연결하면 가능함. 100MeV양성자는 초속 약 13만km의 속도로 날아간다.

mA((mili Ampere)
: 몇 개의 양성자를 가속시키는지를 나타내는 단위로 에너지와 함께 가속기의 성능을 나타냄. 20mA 양성자 빔은 초당 약 120,000조 개의 양성자를 가속하는 것을 말함.

대용량 양성자 가속기
: 빔 전류 10mA 이상의 대용량으로, 현재 미국 오크릿지국립연구소(ORNL; Oak Ridge National Laboratory)와, 일본 원자력연구기구(JAEA; Japan Atomic Energy Agency)에서 개발 운영 중

아(亞)원자(subatomic) 시대
: 21세기 원자수준의 연구 개발을 위하여 원자를 구성하는 양성자, 중성자, 전자, 광자를 관찰과 조작의 도구로 사용

posted by 글쓴이 과학이야기

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'ECR 이온원'은 강한 자장 속에 플라즈마를 가두고 고주파 전자공명 현상을 통해 전자들을 집중 가열함으로써 전자의 온도를 수십 keV (수억 도) 이상으로 높여 원자를 '다가이온'으로 만든 뒤 이를 선별적으로 추출해서 가속기에 공급해주는 장치입니다.

이는 가속기의 규모를 크게 늘리지 않고도 가속 에너지를 획기적으로 높일 수 있기 때문에 중이온 가속기의 성능을 좌우하는 핵심 부품 중 하나입니다.

전자공명 이온원의 원리



한국원자력연구원은 중입자 가속기와 중이온 가속기에 필수적인 중이온 다가이온 빔을 발생시킬 수 있는 '마이크로파 전자 공명(ECR; Electron cyclotron resonance) 이온원'을 개발하고 다가이온 빔을 인출하는 데 성공했습니다.

원자력연구원이 개발한 14.5 GHz 전자공명 이온원 본체 구성도



부산 기장에 건설될 의료용 중입자 가속기는 물론 국제과학비즈니스벨트의 핵심 연구시설이 될 중이온 가속기 구축에도 직접 적용될 수 있는 핵심 원천기술을 확보한 것입니다.

오병훈 박사

한국원자력연구원 핵융합공학기술개발부 오병훈 박사팀은 교육과학기술부 원자력연구개발사업의 지원으로 지난 2007년부터 4년간 18억 원을 들여 수행한 '초전도 사이클로트론용 ECR 이온원 개발' 과제를 통해 'ECR 이온원'을 자체 설계와 제작을 통해 개발하고 성능 검증을 마쳤습니다.


오병훈 박사팀은 '차세대 초전도 핵융합연구장치(KSTAR)'의 플라즈마 가열을 위한 '중성입자빔 가열장치' 및 '고주파 가열장치' 개발을 통해 축적한 기술력을 바탕으로, 통상적인 '방전 플라즈마'를 통해서는 얻어낼 수 없는 다가이온 빔을 높은 전류로 만들어낼 수 있는 'ECR 이온원'을 순수 국내 기술로 개발한 것입니다.

'ECR 이온원'은 2015년 완성을 목표로 한국원자력의학원을 중심으로 순수 국내 기술로 개발 중인 의료용 초전도 중입자 가속기의 핵심 부품이며, 향후 국제과학비즈니스벨트에 들어설 중이온 가속기 구축에도 직접 활용될 것으로 기대됩니다.

특히 외국에서 개발한 동일 기종보다 더 강력한 자장 구조를 만들어 내기 위해 전자석과 영구자석 등 복잡한 자석들의 구조를 최적화해 배치, 다가이온 발생 영역을 효과적으로 제어할 수 있는 자장 구조를 구현했습니다.

이를 위해 특수 플라즈마 용기를 이용해서 높은 효율로 플라즈마를 만들어내고, 14.5㎓의 마이크로파를 주입해서 공명 현상에 의한 전자가열로 원자의 외곽에 있는 전자 뿐 아니라 원자의 내각에 위치한 전자들까지 궤도에서 떨어져 나간 상태의 다가이온을 생성시켜 20~30 keV의 고전압을 걸어 다가이온 빔을 인출하고, 이 중 필요로 하는 다가이온만 선택적으로 골라내서 가속부에 전달할 수 있도록 하는 'ECR 이온원'을 설계 제작하고 실험을 통해 이를 검증했습니다.

헬륨 가스에 의한 다가이온빔 인출 및 질량분석 결과



완성된 'ECR 이온원'은 의료용 중입자 가속기가 요구하는 C+6 이온(탄소 원자 한 개에서 전자가 6개 떨어져 나온 다가이온)의 인출을 최대 20㎂까지 인출할 수 있도록 장치를 안정화한 뒤 중입자 가속기에 적용할 계획입니다.

이번 'ECR 이온원' 개발을 통해 확보한 기술은 중이온 가속기의 이온원을 설계 제작하는 데 직접 적용 가능할 뿐 아니라, 반도체 생산 공정과 나노 공정 등 다양한 분야에 활용이 가능합니다.

이번에 개발한 'ECR 이온원'은 중이온 가속기가 최종적으로 요구하는 성능과는 아직 거리가 있지만 일부 실험이 가능한 수의 우라늄 다가이온을 충분히 만들어낼 수 있는 성능을 갖춰, 초기 중이온 가속기 실험에는 직접 투입될 수 있을 것으로 보입니다.


원자력연의14.5 GHz 전자공명 이온원 본체 전경




 용  어  설  명 

중성입자빔 가열장치, 고주파 가열장치 : 토카막의 플라즈마를 핵융합이 가능한 초고온(1억도 이상)으로 가열하기 위한 중성입자빔 또는 고주파를 플라즈마에 입사시켜 플라즈마 내의 전자 또는 이온의 온도를 높이는 장치

중이온 가속기 : 수소에서 우라늄까지 다양한 원소들을 높은 에너지로 가속시켜 다른 원자의 핵에 충돌시키는 과정 등을 통해 원자 이하 크기인 펨토 미터(1천 조 분의 1 미터) 세계를 연구하는 거대 과학 장비. 원자핵이나 소립자(물질의 가장 작은 단위)를 관찰하거나 새로운 입자를 만들어낼 수 있음

중입자 가속기 : 중이온 가속기의 일종으로, 탄소 이온을 빛의 속도의 70%로 가속한 뒤 환자의 몸 속으로 보내 암세포를 파괴하는 첨단 의료 장비. 주변 세포나 조직의 손상을 최소화하고 암세포와 같은 특정 세포만 선택적으로 사멸시킬 수 있어 꿈의 암 치료기로 불림

다가이온(multi-charged ion) : 전자가 2개 이상 떨어져 나간 이온 상태. 같은 이온이라도 전자를 더 많이 떼어낸 것이 더 강한 +극을 띠므로 낮은 전압에도 더 빨리 가속이 된다. 높은 수의 다가이온을 만들어내기 위해서는 높은 온도의 전자들이 필요함

posted by 글쓴이 과학이야기

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