발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 기존 중이온 가속기 가속관의 성능시험은 수직형 개별 저온유지장치를 이용하여 수동으로 실시되었습니다.

• 이로 인해 시험 모듈 조립에 많은 시간이 소요되고, 대량으로 시험을 수행하기 어려웠습니다.

• 또한, 수동 시험 방식으로 인해 인건비가 많이 소요되는 문제가 있었습니다.

기술의 필요성

• 가속관의 성능을 극대화하기 위해 극저온 상태를 안정적으로 유지할 수 있는 효율적인 저온유지장치가 필요합니다.

• 양성자와 같은 경이온뿐만 아니라 우라늄과 같은 중이온까지 안정적으로 가속시키고 빔 성능의 효율성을 높일 새로운 기술이 요구됩니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 발명은 복수의 중이온 가속관을 진공베셀 내에 수평으로 배치하고, 액체 헬륨을 이용하여 극저온 상태를 유지함으로써 가속관의 성능을 테스트하고 향상시키는 원리입니다.

• 진공 모듈, 파이프 모듈, 서포트 모듈 등 각 기능이 모듈화되어 있어 안정적인 지지와 정밀한 온도 제어가 가능하며, 이를 통해 중이온 빔을 효과적으로 가속시킵니다.

구체적인 구현 방법

1. 진공 모듈: 진공베셀, 진공펌프, 파이프 하우징으로 구성되어 빔 가속을 위한 내부 진공 상태를 형성합니다.

2. 중이온 가속관: 진공베셀 내부에 복수로 설치되며, 내부관(진공)과 외부관(액체 헬륨)의 2중관 구조로 극저온을 유지하여 빔을 가속합니다.

3. 파이프 모듈: 파이프 라인과 메인/서브 리저버를 통해 중이온 가속관에 액체 헬륨을 정밀하게 공급하고 온도를 제어합니다.

4. 서포트 모듈: 서포트 프레임과 서포트 바로 중이온 가속관과 파이프 모듈을 안정적으로 지지하며, 극저온에서의 열수축에 의한 변형을 최소화합니다.

5. 마그네틱 쉴드: 외부 전자파를 차단하여 설정된 극저온 상태가 불안정해지는 것을 방지합니다.

6. 써멀 쉴드: 내부에 냉매(질소)를 순환시켜 진공베셀 내부의 저온 상태를 활성화하고 유지 효율을 높입니다.

7. 슬라이딩 모듈: 슬라이딩 레일과 프레임을 통해 중이온 가속관의 장착 및 분해·조립을 용이하게 하여 유지보수 편의성을 높입니다.

8. 이동 모듈: 캐스터와 고정판이 포함된 프레임을 통해 장치 전체의 이동과 설치 위치 고정을 지원합니다.

기술의 장점

• 복수의 중이온 가속관을 통해 양성자뿐만 아니라 우라늄과 같은 중이온의 안정적 가속이 가능합니다.

• 진공 및 극저온 유지를 통해 중이온 빔을 효과적으로 가속하여 빔 성능 효율성을 증대시킬 수 있습니다.

• 각 중이온 가속관의 개별적 분해 및 조립이 용이하여 성능 시험의 안정성과 효율성이 향상됩니다.

• 기존 수동 방식 대비 시험 시간을 단축하고 비용을 절감하며 대량 시험 수행이 가능해집니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 실험의 목적은 중이온 가속기 SSR1 저온유지장치가 설계 사양을 충족하는지 검증하는 데 있습니다. 특히, 초전도 가속관의 기능 및 성능, 정적 열 부하 등 핵심 성능 지표를 2.1K의 극저온 환경에서 테스트하여 장치의 신뢰성과 안정성을 최종적으로 확인하는 것을 목표로 합니다.

실험 방법 및 과정

1. 제조 및 공정 검사: 입고된 재료 및 부품 검사, 용접부 비파괴 검사(침투탐상검사 등), 치수 및 표면 검사를 수행합니다.

2. 배관 및 진공 테스트: 배관 압력 테스트와 함께 진공 및 헬륨 누설 테스트를 진행하여 밀폐 성능을 검증합니다. (허용 헬륨 가스 누설: 1.0E-7 Pa·L/s 미만).

3. 자기 차폐 테스트: 저온유지모듈 내부에 설치될 가속관 튜브 위치의 자기장이 15mG 미만인지 확인하여 외부 자기장 간섭을 평가합니다.

4. 저온유지모듈 성능 테스트 (인수 테스트): 모든 검사 완료 후, SRF 테스트 시설에서 모듈을 2.1K로 냉각한 상태에서 인터록 테스트, 정적 열 부하 측정 등 최종 성능을 종합적으로 평가합니다.

실험 결과

RAON 중이온 가속기 저에너지 구간의 핵심 부품인 QWR 초전도 가속 모듈 성능시험 결과, 주요 성능 지표에서 설계 기준을 상회하는 우수한 결과가 확인되었습니다. 또한, SSR1 저온유지모듈의 인수 테스트를 위한 정적 열 부하 기준은 아래와 같이 설정되었습니다.

RAON 중이온 가속기 QWR 초전도 가속 모듈 성능시험 결과 요약

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 기초과학 연구: 원자핵 및 소립자 물리 등 심화 연구에 활용하여 우주와 물질의 근원을 탐구합니다.

• 첨단 산업 응용: 반도체 불순물 주입, 희귀 동위원소 생성, 신소재 및 나노 기술 개발에 적용됩니다.

• 의료 분야: 중입자 암치료 등 기존 방사선 치료의 한계를 극복하는 차세대 정밀 암 치료 기술에 활용됩니다.

• 생명과학: 단백질 구조 분석, 신약 개발 등 바이오 연구의 효율성을 높이는 데 기여합니다.

기대효과

• 핵심 장치의 국산화를 통한 기술 자립도 향상 및 막대한 외화 유출을 막는 수입 대체 효과가 기대됩니다.

• 안정적인 빔 제공으로 국내 산업체 및 연구기관의 가속기 활용 수요를 충족시키고, 첨단 산업의 발전을 가속화합니다.

• 의료, 신소재 등 고부가가치 산업 분야에서 글로벌 기술 경쟁력을 확보하고 새로운 시장을 창출할 수 있습니다.

• 차세대 가속기 기술 전문인력 양성 및 관련 산업 생태계를 활성화하여 국가 과학기술 역량을 강화합니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

본 기술의 핵심 요소인 극저온 냉동기의 세계 시장은 2020년 23억 달러 규모에서 연평균 6% 성장하여 2025년에는 31억 달러 규모로 전망됩니다. 특히 양자, 초전도, 우주와 같은 미래 산업 연구개발 목적으로 활용이 증가할 것으로 예상됩니다.(출처)

• 전 세계 방사선 치료 시장은 연평균 4.55% 성장하여 2024년에는 85억 6,105만 달러로 전망되며, 특히 입자선 치료(양성자, 중입자)가 가장 높은 성장세를 보일 것으로 예상됩니다. (출처)

• 초전도 응용 장치 글로벌 시장은 2030년까지 약 200억 달러에 이를 것으로 예상됩니다. (출처)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

현재 국내에는 방사선 치료 장치, 특히 치료용 하전입자가속기를 생산하는 기업이 없어 전량 해외 수입에 의존하고 있습니다. 이로 인해 수입 점유율이 거의 100%에 달하며, 핵심 장비의 국산화가 시급한 상황입니다. 국내 차세대 가속기 기술 수준은 세계 최고 수준 국가 대비 67.5% 수준으로 평가되며, 기술 격차를 줄이기 위한 노력이 필요합니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 첨단 산업 수요 증가: 반도체, 신약, 신소재 등 다양한 산업에서 가속기 활용 범위가 확대되고 있습니다.

2. 의료 시장 성장: 전 세계적으로 입자선 암 치료 시장이 높은 성장세를 보이고 있으며, 양성자 및 중입자 치료 환자 수가 급증하고 있습니다.

3. 미래 기술 R&D 투자 확대: 양자, 초전도, 우주 등 미래 산업 연구개발을 위한 극저온 기술의 중요성이 부각되고 있습니다.

4. 국산화 필요성 증대: 핵심 장비의 높은 해외 의존도는 역으로 국산화 개발의 필요성을 높여, 본 기술과 같은 국산 기술의 시장 진입 기회를 제공합니다.