한국형 중이온가속기 ; “우주대폭발(빅뱅) 3분 후 태초의 우주를 재현한다.” 지난 7일 기초과학연구원(IBS)이 구축 중인 한국형 중이온가속기(RAONㆍ라온)가 내년 3월 본격 시험 운영을 앞두고 첫 번째 빔 인출에 성공했다
. 가속기는 인간의 인지 능력이 미치지 못하는 원자 등 초미시세계와 태초 우주 탄생의 비밀을 탐구할 수 있는 도구다.
희귀동위원소를 활용한 신약ㆍ종자 개량ㆍ신약ㆍ반도체 개발 등 실용적인 용도도 다양하다.
가속기는 간단히 말하면 입자, 즉 물질의 가장 작은 기본 단위인 원자를 이온화시킨 후 빠르게 움직이도록 만드는 장치다.
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자연계의 모든 물질의 원자는 핵과 전자로 이뤄져 있으며 자연상태에서 중성으로 안정적이다.
수소 원자는 핵 하나에 전자가 밖에서 도는 구조로 평상시라면 가속되지 않는다.
여기에 인위적인 조작을 통해 전자를 빼주면 양전하가 되면서 수소 이온이 된다.
이같은 이온화는 이온 소스 장치가 담당한다. 가속기의 필수 장비다.
자기장을 형성해 원자를 가둬 놓은 상태에서 표적 물질을 향해 전자 다발을 쏜다.
이렇게되면 표적물질은 전자가 빠져나와 이온화되며, 여기에 강력한 고주파 전기장을
걸어 주면 입자가 빠른 속도로 이동하는 현상이 발생하게 된다. 가속기의 기본적인 원리다.
이를 위해 가속관 내부는 전자가 아무 저항없이 이동할 수 있는 극저온( -273℃)·초전도 상태를 유지해야 한다.
내부의 표면이 극도로 정밀하게 가공·용접돼 저항을 극소화해야 하며,
반도체처럼 클린 룸에서 조립해 이물질도 없애야 한다.
정영세 IBS 중이온가속기사업단 시스템통합부장은 “이온을 가속화하기 위해 1초에
약 8125만번 정도 플라스, 마이너스로 전환하는 고주파 전기를 걸어 주는 게 가속기의 핵심 기술”이라며
“자석의 같은 극끼리는 서로 밀어내듯이 이온들이 계속 같은 전하 상태를 유지하도록 해 가속도를 내게 만든다”라고 설명했다.
라온은 이같은 가속기 중에서도 우라늄 등 상대적으로 무게가 무거운 원자들을 가속하는
‘중(重)이온 가속기다. 총 사업비 1조5000억원을 들여 2011년부터 구축 중이다.
현재는 초속 약 3만㎞까지 가속할 수 있는 저속 구간의 54개 가속관이 완성된 상태다.
한국형 중이온가속기
지난 3일 이중 5개 가속관을 시험 가동해 ‘빔 인출’에 성공했다. 초전도 가속관,
초전도 냉각설비(-271℃까지 유지), 고주파 전원장치(고에너지 325㎒)
등의 핵심 설비가 정상적으로 가동돼 입자를 가속시킬 수 있다는 점을 확인했다.
연구소는 앞으로 46개의 고속 구간 가속관을 더 만들어 최대 광속(초속 약 30만㎞)의 50%까지 입자를 가속시키는 것이 목표다.
이를 위해 올해부터 2025년까지 126억원을 들여 선행 연구개발(R&D)을 진행하며,
이후 결과에 따라 고속 구간 건설에 들어간다. 정 부장은 “저속 구간과 고속 구간에 큰 기술적 차이는
없지만 속도가 빨라진 만큼 더 크고 견고하고 정밀한 가속관을 만들어 붙여야 한다는 게 숙제”라며
“극저온ㆍ초전도 상태를 오래 유지하는 것은 물론 표면 처리, 용접 및 후처리 기술의 개선이 핵심”이라고 말했다.
정 부장은 또 “기술적으로 어렵다기 보다는 그동안 저속 구간 건설에만 매달렸어야 할 정도로
인력 부족 등에 시달려 왔다”면서 “개인적으로는 고속 구간 건설에 큰 문제가 없을 것으로 본다”고 덧붙였다.
