초고강도 및 극초단 레이저 펄스에 기반을 둔 입자 가속은 극초단 고출력 레이저 기술의 급속한 진보에 의해 촉진되는 신생 기술이다. 이는 종래의 가속 기법으로 얻은 입자빔에 비해 높은 품질의 입자빔을 생성할 수 있는 새로운 길을 열었다. 최근의 연구 활동을 주도하는 가장 도전적인 응용 중 하나는 암 치료 분야의 의료용 레이저 기반 양성자/이온 가속이다.

페타와트 레이저 시스템 개요도. 편광판이 레이저가 공명에 의해 감쇄하지 않도록 막아준다.
© 남창희/Physical Review Letters

10nm 두께의 폴리머에 3.0×1020W/cm2 세기의 레이저를 조사했을 때 PIC 시뮬레이션 결과. 주파수에 따라 전자(a)와 양성자(b)의 에너지가 변화하는 모습을 관찰할 수 있다.
© 남창희/Physical Review Letters

연구단은 선형 편광 30fs, 1PW(페타와트) 레이저 펄스를 10~100nm 두께의 폴리머 표적에 조사하여 5×1019W/cm2 ~ 3.3×1020W/cm2의 강도 범위를 가지는 양성자/이온 가속을 보고했다. 실험의 목적은 선형 편광 레이저 펄스로 양성자 가속 메커니즘을 연구하고 양성자 최대 에너지를 증가시키는 조건을 규명하는 것이다. 레이저 강도 및 표적 두께에 대해 비례하는 양성자 에너지를 검토했고, 레이저강도 3.3×1020W/cm2로 10nm 두께의 표적을 조사했을 때 양성자 최대 에너지인 45MeV를 얻었다.

양성자 가속은 TNSA(Target Normal Sheath Acceleration), 복사압 가속(RPA, Radiation Pressure Acceleration), 쿨롱 폭발에 따른 자유 팽창을 포함하는 복합적인 가속 메커니즘으로 설명할 수 있다. 복합 가속 메커니즘의 결과로 I 에서 I1까지 변하는 양성자 에너지의 전환이 관찰되었다. 실험 결과는 2차원 및 3차원 PIC(Particle-In-Cell) 시뮬레이션으로 입증했다.

초박형 폴리머 표적에 대해 측정된 선형비례가 유효하다고 가정할 때 190MeV의 양성자 에너지는 1.5×1021W/cm2의 강도에서 달성할 수 있을 것으로 예측된다.

이러한 높은 입자 에너지는 레이저로 가속된 양성자 및 이온을 사용하는 암 치료에서 돌파구를 마련할 것이며, 따라서 더 높은 레이저 강도의 선형 척도에 대한 추가 실험 연구가 지극히 중요하다.

• “처음 레이저가 발명된 이후 많은 사람들이 '쓸모가 뭐냐?'는 의혹을 제기했다. 하지만 지금은 상상 못할 정도로 큰 파급효과를 남겼다“
• “세계 최고 수준의 시설과 연구팀을 꾸려 지원을 받는 만큼 인류에 공헌할 수 있는 성과를 내겠다.”

남창희 단장

I J. Kim, K.H. Pae, C.M. Kim, H.T. Kim, J.H. Sung, S.K. Lee, T.J. Yu, I.W. Choi, C.-L. Lee, K.H. Nam, P.V. Nickles, T.M. Jeong, and J. Lee, “Transition of proton energy scaling using ultrathin target irradiated by linearly polarized femtosecond laser pulses,” Phys. Rev. Lett. Vol.111, 165003 (2013)