Research

[POSTECH·IBS·KAERI 공동 연구팀, 빔 진행방향 형태 측정 위한 비파괴적 진단 방법 개발]

이온 가속기에서의 입자 빔 진단 연구에 새로운 패러다임을 제시할 수 있는 연구 결과가 발표됐다. POSTECH, 기초과학연구원(IBS) 중이온가속기연구소, 한국원자력연구원(KAERI) 첨단방사선연구소 공동 연구팀은 저에너지 이온빔의 진행방향 다발 형태(longitudinal bunch shape)를 비파괴적으로 측정할 수 있는 정전용량식 이온 빔 번치 형태 모니터(CPU-BSM: Capacitive Pick-Up type Bunch Shape Monitor)를 개발했다고 밝혔다. 

이번 연구에는 첨단원자력공학부·물리학과 정모세 교수 연구팀, 중이온가속기연구소 연구진, 한국원자력연구원 박정훈 실장(사이클로트론응용연구실) 연구진이 참여했다. 공동 연구팀은 비상대론적 이온 빔에서 방출되는 전기장을 이용해 빔을 파괴하지 않고도 실시간으로 빔의 진행방향 형태를 측정하는 기술을 개발했다. 이는 지금까지 가속기 교과서에서 불가능하다고 여겨졌던 저에너지 이온 빔의 진행방향 다발 형태를 비파괴적이면서도 정확하게 측정할 수 있는 새로운 길을 제시한 연구 성과로서, 향후 가속기 분야의 빔 진단 기술에 새로운 패러다임을 제공할 것으로 기대된다.

가속기를 이용한 성공적인 실험결과를 얻기 위해서는 정밀한 빔 진단 기술이 관건이다. 일반적으로 가속기에서는 빔을 직접적으로 간섭하여 측정하는 빔 진단 기술이 널리 활용되고 있다. 이러한 방식의 경우 이온 빔 입자의 일부 혹은 전체의 손실을 유발하여 가속기를 이용한 실험 도중에는 활용하기 어렵다는 단점이 있었다. IBS-KAERI-POSTECH 공동 연구팀은 신호를 왜곡하지 않고 빔을 비파괴적으로 측정할 수 있는 빔 진단장치 개발과 동시에, 측정된 신호를 기반으로 이온 빔의 진행방향 형태를 재구성하는 알고리즘 또한 개발하였다. 합성곱(convolution) 원리가 적용된 재구성 알고리즘은 전극이 포함된 이온 빔 진단장치의 내부에 이온 빔이 통과할 때 발생하는 전기적 신호를 시뮬레이션한 결과를 바탕으로 이온 빔의 진행방향 형태를 역산하는 방식으로 작동하게 된 것이다.

한국원자력연구원의 RFT-30 사이클로트론 가속기를 이용한 실증 실험에서 CPU-BSM을 통해 양성자 이온 빔 다발의 진행방향 형태를 측정하였으며, 이를 파괴적 빔 진단장치와 비교하여 그 정확성을 검증하였다. 또한 실증 실험에서 빔 다발이 정규 분포를 벗어난 임의의 형태를 가질 때에도 CPU-BSM이 활용될 수 있음을 입증하였다.

논문 제1저자인 기초과학연구원 중이온가속기연구소 곽동현 박사는 “CPU-BSM을 활용한다면 비교적 간단한 장치를 통해 빔 실험 중 빔 진행방향 다발 형태 측정이 가능하다. 또한 중이온가속기연구소의 RAON 가속기와 같은 직선형 가속기 뿐만 아니라 사이클로트론과 같은 나선형 가속기에서도 빔 손실 없이 활용이 가능하다”라며 “여러 대의 CPU-BSM을 통하여 빔 진행방향 다발 형태뿐 아니라 빔의 에너지, 빔 입자들 간의 에너지 차이 등 다양한 빔 정보를 측정하여 안정적인 가속기 운전에 활용할 수 있을 것으로 기대된다”라고 전했다. 

교신저자인 함철민 박사와 정모세 교수는 “기초과학과 응용과학 연구의 핵심기반이 되는 가속기를 개발하고 운영하는 연구소 간의 유기적인 협력, 그리고 전문인력을 양성하는 학교와의 인력교류가 결실을 맺은 모범적인 사례”라고 이번 연구의 의미를 강조했다.

이번 연구는 저명한 물리학 국제 학술지 중 하나인 ‘Progress of Theoretical and Experimental Physics(PTEP, JCR 상위 10%, IF 8.3)’에 지난 7월 15일 게재되었고(D. Kwak et al., PTEP 2025, 073G01), 국내 특허가 출원되었다(출원 번호: 10-2025-0092626). 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 및 한국연구재단의 ‘중이온가속기 장치구축사업(2013M7A1A1075764)’, ‘미래원자력기술 시설장비구축활용사업(RS-2023-00282876)’, ‘미래기반 가속기 전문인력양성사업(RS-2022-00154676)’, ‘중이온가속기 선행R&D사업(RS-2022-00214790)’의 지원으로 이루어졌다. 

DOI: https://doi.org/10.1093/ptep/ptaf090