새로운 가속기 빔 이탈 요인 최초로 발견

- 가속기 빔 이탈·손실 원인인 6차 공명현상 발견 → 운전장애 0% 가능
- 세계 물리학계 최고 권위지 ‘피지컬 리뷰 레터스(PRL)지’ 최신호에 게재

미래창조과학부(장관 최양희)와 기초과학연구원 중이온가속기 건설구축사업단(단장 정순찬, 이하 ‘사업단’) 전동오 박사 연구팀이 가속기 빔 이동과정에서 운전장애를 일으킬 수 있는 새로운 공명현상^* 을 세계 최초로 발견했다.
   * 특정 물체가 그 고유 진동수와 같은 주파수를 외부에서 주기적으로 받음으로써 진폭이 뚜렷하게 증가하는 현상

가속기의 빔 이동은 돋보기로 햇빛을 모으는 것처럼 4극 자석을 활용해 빔을 모으는 방식으로 이뤄지는데, 이 과정에서 빔의 진동주파수가 특정 주파수와 일치하는 경우에 빔 입자간 상호 밀어내는 힘에 의해 빔이 정상궤도에서 이탈하는 공명현상이 나타난다.
   ※ 예시: 자동차 멀미 현상(자동차가 흔들리는 주파수와 인간의 뇌의 고유 주파수가 같아질 때 떨림이 심해짐),
            사람의 목소리로 유리잔을 깨는 현상(유리잔의 고유 진동주파수와 사람 목소리의 주파수가 같아질 때 유리잔이 깨짐)

이러한 공명현상은 가속관으로 이동중인 빔의 손실로 이어져, 가속관 내부 손상과 함께 가속기 운전·실험을 중단시킨다. 이에 새로운 공명현상을 파악할 수 있게 되면, 가속기 운전시 발생할 수 있는 빔의 이탈과 손실을 예방할 수 있어 그만큼 운전효율을 높일 수 있다.

이번에 사업단 연구진이 새롭게 밝혀낸 공명현상은 전체 빔이 모이는 구간 중(0°~180°) 90°~120° 구간에서 발생하는 6차 공명현상(그림 1)이다. 이번 연구결과로 인해 과학계는 全 가속구간에서의 공명현상을 파악할 수 있게 되었다.
연구진은 새로운 공명현상을 찾기 위해 중이온중 하나인 아르곤(Ar) 빔을 모델로 삼았으며, 관측을 위해 사실적인 선형가속기 모델을 이용하여 전산모사^*로 파라미터 공간을 스캔하는 방식을 사용하였다.
    * 과학과 공학 분야에서 이용되는 연구방법론의 하나로서 ‘계산과학’으로 포괄됨

선형가속기 공명현상은 2000년대 등장한 차세대 가속기의 설계와 운전효율을 높이기 위해 필요한 중요 연구로 주목을 받고 있다.
이번 연구결과는 2021년에 완공될 우리나라 중이온가속기는 물론 향후 완공될 美 FRIB(희귀동위원소빔시설), 스웨덴 ESS(핵파쇄원), ITER의 IFMIF(융합재료조사시설) 등 가속기 선진국들의 대형 차세대 가속기의 운전효율을 높이는 데도 적용될 수 있을 것으로 예상된다.

아울러, 이번 연구 결과는 물리분야 세계 최고권위(IF 7.7)의 저널인 피지컬 리뷰 레터스(PRL)誌에 게재(‘15.5)됐다.
    ※ (논문명) 고강도 선형가속기의 6차 공명 (Sixth-Order Resonance of High-Intensity Linear Accelerators)
    ※ (주저자/교신저자) 전동오 연구위원(IBS 중이온가속기 사업단)
    ※ (공동저자) 장지호, 진현창, 장효재 중이온가속기 사업단 연구위원 등
전동오 박사는 지난 2009년에도 선형가속기의 4차(60°~90°구간) 공명 현상을 최초로 발견하고 그 결과를 피지컬 리뷰 스페셜 토픽(PRST-AB)에 게재한 바 있는 데, 6년 만에 다시 6차 공명 현상까지 발견함으로써 선형가속기 빔 공명현상의 시작과 끝을 밝혀내는 쾌거를 이루게 됐다.

정순찬 사업단장은 “이번 연구과정에서 축척한 경험을 바탕으로 사업단이 빔물리 분야에서 세계 흐름을 주도해 나아갈 것으로 기대한다”고 밝혔다.