과학 비즈니스 벨트 및 중이온 가속기

1. 과학 비즈니스 벨트 및 중이온 가속기 2011년 11월 8일서호영

2. 국제 과학 비즈니스 벨트 • 이명박 정부의 대표적 대선 공약 • 설립 목적: 호기심에 의해 연구되는 기초과학을 진흥, 기초과학으로부터 새로운 지식과 원천기술을 획득하고 이를 산업과 접목부가가치를 창출 한다. • 주요 사항: 기초과학연구원 설립, 중이온 가속기 • 과학기술 연구지원 정책의 패러다임 자체를 바꿔야 함. 기존 정책의 문제점: - 매년 연구 성과를 평가하여 다음해의 예산 지원결정 - 정부 출연 연구소에서 외부 연구비로 인건비의 일부를 충당하게함 (PBS:Project Based System) - 연구소 원장들의 짧은 임기와 잦은 교체 새로운 제도: - 원장 임기 5년 보장, - PBS 제도 적용 배제 - 다년간의 연구 예산 지원.

3. 중이온 가속기 1. 안정원소의 이온 가속: BNL의 RHIC, GSI의 FAIR 2. 불안정 원소(방사성 동위 원소)의 이온 가속 : • PF(Projectile Fragmentation): - 이온원에서 만들어진 중이온을 초전도 선형가속기로 200 MeV/u의 에너지로 가속하여 얇은 표적물과 충돌시켜 만든다.- 기존 중이온 가속기 시설에 Fragment 분리기를 부착하여 다양한 RI 빔은 만듦, 빔 전류가 낮아 1차빔의 에너지 및 전류를 높여야 한다. • ISOL(Isotope Separator On Line): -사이클로트론에서 만들어진 양성자 빔 을 두꺼운 표적물에 조사하여 하전질량수비(q/A)가 1/30 이상인 이온을 생성 분리하는온라인 동위원소 분리기-미국의 ORNL, 프랑스의 GANIL, 캐나다의 TRIUMF, *유럽의 ISOLDE(CERN): 1 GeV 싱크로트론

4. KoRIA(Korea Rare Isotope Accelerator) Block 2 1 에서 얻어진 RI 빔을 200 meV/u 로 선형 가속, 다목적 스펙트로미터등으로 운반하여 실험에 사용(ISOL) 3 에서 나온 15MeV/u 정도의 안정 중이온 빔을 재 가속하여 200 MeV/u로 만들고 얇은 표적과 충돌하여 RI를 방생(PF) 3 Block3 PF방식의 이온원 표적물 1 Bokck 1 ISOL 방식으로 RI 빔 생성하여, 10 MeV/u의 초전도 선형 가속기로 가속(양성자, 중성자 도 얻을수 있다)

5. KoRIA(Korea Rare Isotope Accelerator) 사이클로트론 200 MeV 이상, 빔전류는 약 1 mA 정도를 인출 할 수 있는 SSC(Sector Separation Cyclotron) 방식을 고려 중 ISOL -질량 분리 기술에 기반한 온라인 동위원소 분리 -양질의 방사성 동위원소 빔을 얻을 수 있다. -동위원소 빔을 +1가 이온으로 변환하기 위한 이온원(Ion Source), 질량분리를 이용한 질량분리기(Mass Separator), +1가 이온을 다 가 이온으로 변환하기 위한 전하증식기(Charge Breeder) 개념설계 및 기술개발이 필요. 중이온 선형 가속기 (1) 이온원 - 가능한 한 높은 수의 다가이온 빔 생성과, 빔전류를 크게 할 수 있어야함. - 높은 밀도의 중이온 발생을 위하여 ECR 이온원의 사용이 일반화됨. - KoRIA의 경우 우라늄 가속을 위해 28 GHz ECR 이온원이 필요. - 그러나 ECR 이온원에서 발생된 이온 다발의 순도는 높지 않다. 따라서 초 고순도 이온의 생성을 위하여 이온의 에너지와 전하의 수를 고려한 EBIS(Electron Beam Ion Source) 시설도 검토 중. (2) RFQ(radio-frequency quadrupole) - 중이온 및 방사성 동위원소 빔을 가속, 집속, 번칭(bunching) - 핵자당 에너지를 수십 ~ 수백 keV 까지 가속시키기 위한 핵심 장치 - 4개의 전극이 배치되어 고주파에 의해 전기 사극을 형성하도록 되어있다. - KoRIA의 RFQ는 50 MHz 근처의 동작주파수를 갖는 모든 원자를 핵자당 300 keV까지 가속할 수 있는 것으로 설계 되고 있음 섹터분리 자석 사이클로트론 예시도 한국원자력연구원의 RFQ.

6. KoRIA(Korea Rare Isotope Accelerator) (3) 초전도선형 가속기(LINEAR ACCELERATOR, LINAC) - 우라늄을 핵자당 200 MeV까지 높은 에너지 로 가속 - 대전류 중이온 빔을 가속하는 부분은 입사 LINAC과 주 LINAC의 2단으로 설계 - 가속 공동 공진기 • 고려대상 • 미래 이온원의 발전을 충분히 고려한 대전류 중이온 빔 가속을 위한 적절한 설계. • 대전류 중이온 빔을 가속하므로 빔손실(beam loss)을 1W/m 이하로 유지하며 보수 유지가 용이한 설계. • 입사 LINAC(SCL 1)은 우라늄 빔의 경우 15 MeV/u 이상으로 가속. • 주 LINAC(SCL 2)는 우라늄 빔의 경우 200 MeV/u로 가속. • SCL 1은 QWR(Quarter-wave resonator)와 HWR(Half-wave resonator) 등으로 구성. • SCL 2는 HWR와 SR(Spoke resonator) 등으로 구성. • Spoke Resonator (SR) • Spoke resonator (SR)는 주파수가 160 MHz ＜ frequency＜ 352 MHz, 빔의 속도가 0.15 ＜ beta ＜ 0.62의 영역에서 주로 사용된다. Dipole steering 효과가 없고 비교적 넓은 빔 에너지 영역에서 효과적이다. 그리고 Multi-cell 구조가 가능하다. • Half-Wave Resonator (HWR) • Half-wave resonator (HWR)는 주파수가 345 MHz ＜frequency ＜ 805 MHz, 빔의 속도가 0.09 ＜ beta ＜ 0.3인 영역에서 주로 사용된다. Dipole steering 효과가 없고 비교적 넓은 빔 에너지 영역에서 효과적이다. • Quarter-Wave Resonator (QWR) • Quarter-wave resonator (QWR)는 주파수가 48 MHz ＜frequency ＜ 160 MHz, 빔의 속도가 0.001 ＜ beta ＜ 0.2의 영역에서 주로 사용된다. 구조가 간결하고 비용이 싼 장점이 있으나 dipole steering 효과나 mechanical stability가 약점이 될 수 있다. • Cryomodule • Cryomodule은 초전도 cavity를 감싸고 있는 구조물로 초전도 cavity insulation을 하고 cavity를 고정하는 구조물과 고주파 파워 커플러(RF power coupler), 튜너 등을 포함하고 또 내부에 빔 집속을 위한 초전도 전자석을 포함할 수 있다.