중이온가속기는 양성자에서 우라늄까지 다양한 중이온을 가속해 물질의 구조를 변화시켜 희귀동위원소를 생성하는 대형 연구시설이다. 이렇게 생성된 희귀동위원소는 생명과학, 기초의학, 물성 및 재료 분야, 우주과학, 원천기술 등 각종 첨단기초과학 분야의 연구에 활용할 수 있다.

IBS 중이온가속기건설구축사업단(이하 사업단)은 세계 최고 수준의 이온 빔(가속에너지 200MeV, 가속출력 400kW)을 생성할 중이온가속기 '라온(RAON)'을 짓고자 시작되었다. 사업단에게 2017년은 매우 중요한 해다. 대전 유성구 신동지구 내에 가속기 건물을 착공하고, KAIST 문지 캠퍼스에 마련된 초전도가속기 시험시설에서 빔을 인출하는 것을 목표로 세웠기 때문이다.

사업단 장치구축사업부의 이상일·최숙·박범식 연구위원을 만나 중이온가속기의 건설 현황과 그들의 노력에 대해 전해 들었다. 세 사람은 중이온가속기 건설과정에서 중요한 역할을 한 업적을 인정받아 2016년 IBS 우수연구원상을 수상했다.

▲ 2016년 IBS 우수연구원상을 수상한 (왼쪽부터) 이상일·최숙·박범식 연구위원은 입을 모아 "동료들과 함께 연구했기에 상이 더욱 값지다"며 "성공적인 중이온 가속기 건설을 위해 최선을 다할 것"이라고 말했다.

세계 최고 수준의 고주파사중극자 선형가속기 개발

지난 11월말 중이온가속기건설구축사업단은 세계 8번째로 고주파사중극자(RFQ) 선형가속기까지 중이온 빔을 가속하는 데 성공했다. RFQ 선형가속기에서 이온빔 가속에 성공한 국가는 미국, 캐나다, 일본, 독일, 프랑스, 이탈리아, 중국에 이어 한국이 8번째다.

▲ 중이온건설구축사업단에서 개발한 RFQ 선형가속기의 모습. 운전 주파수 81.25MHz, 길이 5m, 지름 1m의 크기의 RFQ 선형가속기는 빔 가속을 위해 전기장의 세기를 조절할 수 있다.

가속장치팀 입사기개발그룹장을 맡고 있는 박범식 연구위원은 "라온은 초전도 이온원에서 이온빔을 생성한 뒤, 초전도선형가속기(SCL)를 통해 우라늄 기준으로 최대 200MeV까지 이온빔을 가속시키는데 지난 11월에 최초 가속구간인 저에너지 가속구간의 RFQ에서 산소 빔을 가속하고 인출하는 데 성공한 것"이라며 "세계 8번째 성과이지만, 장치 자체는 세계 최고 수준의 성능을 갖고 있다"고 말했다.

사업단에서 개발한 RFQ 선형가속기는 운전 주파수 81.25MHz이며 길이 5m, 지름 1m의 세계 최대 크기이다. 빔 가속을 위해 전기장 크기를 조절할 수도 있다. 박 연구위원은 "균일한 전기장이 아니라 앞쪽에서는 낮게, 뒤쪽으로 갈수록 높아지는 가속전압을 걸어줄 수 있어 RFQ 선형가속기 자체의 길이를 5미터 까지 줄이는 데 성공했다"고 말했다. 미국 미시간대에서 건설 중인 '희귀동위원소 빔용 설비(FRIB)'에도 비슷한 RFQ 장치가 들어가지만, 아직 제대로 구현하지 못한 상태이다.

라온은 저에너지 상전도 가속기 부분과 고에너지 초전도 가속기 부분으로 나눠진다. 박 연구위원은 상전도 가속기 부분을 담당하고 있다. 그는 상전도 가속기 파트에서 초전도선형가속기(SCL)에 넣어줄 빔을 만들고 있다. 그는 "지난해 RFQ 선형가속기 성과는 초기 빔 실험 단계"라며 "올해는 장치를 안정화하고 업그레이드하는 작업을 계속할 것이다"고 밝혔다. SCL 시험시설에서 초전도 부분의 첫 번째 빔을 보는 것이 목표다. 현재는 KAIST 문지캠퍼스에 마련된 SCL 시험시설에서 빔 인출 실험을 하고 있지만 2018년 3분기에는 관련 장치들을 대전 신동지구로 옮겨 설치할 계획이다. 박 연구위원은"신동지구에 가기 전까지 초전도가속기가 운전할 수 있도록 상전도 부분에서 장치들이 제 성능을 내는지 확인해야 한다"고 밝혔다.

길이 500m의 가속기 정확하게 제어

SCL 시험시설은 신동지구 가속기로 옮겨가기 전 리허설 무대와 같다. 중이온가속기의 통합제어시스템에 대한 기본 전략도 SCL 시험시설에서 모든 것을 검증한다는 것이다.

가속기 제어 시스템은 사람의 신경망과 같다. 거대하고 복잡한 중이온 가속기의 정확한 제어와 모니터링을 가능하게 한다. 가동을 위해선 명령을 내리고 수행하는 통합적인 언어체계가 필요하다. 통합제어시스템은 가속기를 위한 소프트웨어에 해당한다. 이상일 연구위원은 장치구축사업부 장치기반기술팀 제어연구그룹장으로 SCL 시험시설에서 RFQ 빔 가속 실험을 위해 통합제어시스템을 구축하고 검증했다.

길이가 500m에 이르는 가속기에서는 빔의 속도가 점점 더 빨라지며 에너지를 증폭시키기 때문에 정확한 시기에 순차적으로 장치가 동작할 수 있도록 제어신호가 흘러야 한다. 이를 타이밍 시스템이라 이른다. 또 빔이 각종 장치와 충돌하면 손상을 입기 때문에 이를 보호하는 '장치 보호 시스템'이 필요하다. 빔으로 손상을 입기 전에 각 장치가 신호를 읽어 보호 시나리오대로 움직일 수 있게 하는 것이다.

이 연구위원은 "지난해에 이어 올해도 3가지 도전적 과제를 수행할 것"이라며 "통합제어시스템의 성능 검증, 타이밍 시스템의 자체 개발(국산화), 장치 보호 시스템(MPS)의 완성 및 성능 검증이 바로 그것"이라고 말했다.

▲ 외쪽 상단(RFQ에 RF를 공급하는 모습), 우측 상단 (ECR-IS에서 빔을 인출하고 진단장비로 빔의 위치를 확인하는 모습)
좌측하단 (ECR-IS에서의 빔인출과 RFQ에서 가속된 빔의 인출 확인을 가능하게 한 연구원들을 치하하는 모습), 우측 하단(RFQ 빔 가속 인출 성공을 축하하기 위해 미래부 차관 방문)

라온은 ISOL(Isotope Separation On-Line)과 IF(Inflight Fragmentation)라는 2가지 방식을 융합해 희귀동위원소(RI)를 생성한다. 최숙 연구위원은 가속기 초입부의 낮은 에너지 쪽에서 희귀동위원소를 발생시키는 ISOL부분의 제어(로컬제어)를 담당하고 있다. 최 연구위원은 2016년 SCL 데모 시험시설에서 빔을 생성하고 전달하는 데 필요한 전자사이클로트론공명 이온원(ECR-IS)과 저에너지 중이온빔 전송장치(LEBT)의 제어시스템을 개발하고 구축하는데 주력했다. 최 연구위원은 "가속기는 수십 만개의 장치로 구성되어 있다. 모든 장치가 정확한 시간에 가동되면서 모니터링하려면 모든 시스템이 자동화되어 원격으로 제어할 수 있어야 한다"며 "올해는 ISOL의 제어시스템을 공학적으로 설계하고 제어기기를 개발할 예정"이라고 말했다. 그는 또 "ISOL의 제어시스템이 마련되면, 2019년 말 ISOL 부분에서 희귀동위원소(RI) 빔을 인출하기 시작하고 여러 가지 테스트를 거쳐 2021년 가속기 완공 시기까지 RI 빔을 안정적으로 인출할 수 있도록 실험할 계획"이라고 설명했다.

이들의 땀방울로 세계적 중이온가속기 탄생할 것

박범식 연구위원과 이상일 연구위원은 IBS에 오기 전에 정부출연연구원에서 근무한 경험이 있다. 박 연구위원은 한국원자력연구원에서 10년간 근무하며 양성자가속기를 개발했으며, 이 연구위원은 국가핵융합연구소에서 8년간 근무하며 '차세대 초전도 핵융합 연구장치(KSTAR)'의 제어시스템을 개발했다.

박 연구위원은 "중이온가속기는 양성자를 가속시키는 양성자가속기에 비해 업무 스펙트럼이 넓어 많은 분야가 관여한다"고 말했다. 아직 구축단계이다 보니 많은 시행착오를 겪지만 그만큼 많은 기회가 주어지는 조직이라는 말도 덧붙였다.

이 연구위원은 "KSTAR와 중이온가속기 건설이라는 거대 프로젝트 2개에 참여했다"며 "거대장치 건설은 다양한 배경을 가진 전문가들이 함께 힘을 모아야만 이뤄낼 수 있는 프로젝트다"고 설명했다. 그는 컴퓨터공학 전공자로는 유일하게 가속기 건설에 참여하고 있다. 그는 가속기라는 거대한 시설의 컴퓨터 제어시스템을 구축하는 일에 보람을 느끼면서 동시에 많은 후배들이 이 길에 동참했으면 한다는 바람도 내비쳤다.

▲ 사업단은 지난 11월에 ECR-IS에서 인출된 산소 빔을 최초 가속구간인 저에너지 가속구간의 상전도 가속관(RFQ)에서 가속하는 데 성공했다. 

핵물리학이론을 전공한 최숙 연구위원은 "이론물리 전공자가 실제 가속기라는 실험 장치를 만드는 일에 참여해 장치를 원격으로 제어하는 일을 하다 보니 굉장히 재미있다"고 말했다. 그는 장치가 다 구축되고 나면 핵물리 실험에도 참여하고 싶다고 한다. 수소, 산소 같은 입자가 생성되는 규칙에 대한 원리를 연구하면서 관련된 실험도 가능할 것으로 기대한다.

3명의 연구위원은 중이온가속기 건설이 성공적으로 마무리됐으면 좋겠다고 입을 모았다. 다만, 몇 가지의 아쉬운 점도 털어놨다. 신생 조직인 만큼 행정 부담이 있다는 점과 정해진 기간 내 프로젝트를 완수해야 한다는 중압감이 크다는 것. 많은 테스트를 거치면서 시행착오를 겪어야 하지만 정해진 계획대로 장치를 개발해야하기 때문이다. 이들은 "실패하면 안 된다는 조급함이 크다"며 "좀 더 큰 응원 속에서 임무를 완수하고 싶다"고 말했다. 또한 "지금 함께 땀을 흘리고 있는 동료들과 가속기 구축 및 운영까지 함께 하고 싶다"며 "정부 차원에서 고용 안정성을 개선해줬으면 한다"고 밝혔다.

인터뷰 중 세 사람의 일상도 전해들을 수 있었다. 경주에서 양성자가속기 구축을 위해 주말부부로 떨어져 있었던 박 연구위원은 가족과 캠핑을 즐긴다. 그는 "이전에 비해 여유로운 여건이 마련돼 좋다"고 밝혔다. 테니스를 좋아한다는 이 연구위원은 충북 영동에서 출퇴근을 하고 있다. 올해는 마음의 여유를 갖고 운동할 시간을 만들어야겠다고 말했다. 최 연구위원은 주말에 나무를 직접 가공해 침대 겸용 소파, 그네 등을 직접 만든다. 은퇴하면 탄자니아와 같은 낙후 지역에 가서 학교를 세우고, 집을 짓고 우물도 파는 등 봉사활동을 하고 싶다고 전했다.

성실함과 열정으로 무장한 세 명의 연구위원의 바람은 같다. 본인이 맡은 부분이 세계의 경쟁력에 뒤지지 않으면서 중이온가속기가 국내외 연구자들이 많이 사용하는 시설이 됐으면 좋겠다는 것이다. 이들이 흘리는 땀방울이 세계 최고의 가속기를 탄생시키는 결실로 나타날 날이 머지않았다.

▲ 성실함과 열정으로 가득한 세 연구위원은 세계 최고 가속기를 만들고자 하는 목표를 공유하고 있다.