레이저 기반 고에너지 입자빔 발생 기술 세계 첫 개발

   - 지스트(GIST) 고등광기술연구소, 순수 국내 기술로 세계 최고 기술 개발
   - 작은 실험실서 수 기가전자볼트가속…소형 입자가속기 및 의료기술 활용

※ 물리학 전문학술지 「Physical Review Letters」에 논문 2편 동시 게재

 

 

 

         

 

 

 

□ 국내 연구진이 펨토초 초강력 레이저를 이용해 하전입자(전자양성자)를 소규모 실험실 수준에서 수 기가전자볼트(GeV) 및 수십 메가전자볼트(MeV)까지 가속할 수 있는 기술을 개발했다. 이번 성과는 향후 소형 입자 가속기 개발, 양성자 암 치료 및 의료 영상기술 개발에 활용될 것으로 기대된다.

 

 ❍ 지스트(GIST․광주과학기술원․총장 김영준) 고등광기술연구소(APRI․소장 이용탁) 연구진이 수행한 이번 연구 결과는 물리학 분야 전문학술지인 ⌜피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)⌟ 10월 18일자에 2편의 논문이 동시에 게재*됐다.

 

  * 제1 논문 제목 : ‘페타와트 레이저 펄스를 이용한 2단 레이저 전자가속기로부터 수 GeV 에너지를 갖는 전자빔 발생 연구(Enhancement of Electron Energy to the Multi-GeV Regime by a Dual-Stage Laser-Wakefield Accelerator Pumped by Petawatt Laser Pulses)’, 제1저자: 지스트 고등광기술연구소 김형택 박사, 교신저자: 지스트 고등광기술연구소 정태문 박사

  * 제2 논문 제목 : ‘선형 편광된 펨토초 레이저 펄스와 박막형 표적을 이용한 양성자 에너지 증대 기울기 변화(Transition of Proton Energy Scaling Using an Ultrathin Target Irradiated by Linearly Polarized Femtosecond Laser Pulses)’, 제1저자 : 지스트 고등광기술연구소 김이종 박사, 교신저자: 지스트 고등광기술연구소 정태문 박사

 

 ❍ 이 중 제1 논문은 성과의 우수성을 인정받아 ‘편집자 추천(Editor"s suggestion)’ 논문으로 소개됐다. ‘편집자 추천’은 Physical Review Letters의 편집자가 다양한 분야에서 주목할 만한 논문을 소수(10% 가량) 선정해 독자들에게 소개하는 논문을 말한다.

 

□ ‘펨토초 페타와트 레이저 기반 하전입자 가속’은 지난 10여 년 간 전 세계적으로 고에너지 입자빔을 얻기 위해 연구 경쟁이 치열한 분야로, 소형 입자가속기 및 의료용으로 활용하기 위해서는 전자의 경우 10 GeV, 양성자의 경우 200 MeV까지 가속하는 것이 필요하다.

 

 ❍ 그 동안 안정적으로 동작하는 고성능의 펨토초 페타와트 레이저가 없었고 레이저 빔 표적 제작 기술의 한계로 인해 전자빔 및 양성자 빔의 에너지를 증대시키는 데 한계가 있었다. 
  * 기존 레이저 가속 전자빔 에너지 : 약 1.5 GeV
  * 기존 레이저 가속 양성자빔 에너지 : 약 30 MeV

 

□ 연구진은 고등광기술연구소가 보유한 30 펨토초 1 페타와트 레이저를 2단 기체 표적과 박막형 플라스틱(F8BT) 표적에 조사해 전자 및 양성자 빔의 에너지를 크게 증대할 수 있었다.

 

 ❍ 연구진이 개발한 방법인 페타와트 레이저 빔과 2단 기체 표적을 사용하였을 때, 얻어진 전자빔의 에너지는 3~4 GeV로 기존 방법과 비교할 때 2배 이상 에너지 증대가 일어난다.

 

 ❍ 페타와트 레이저 빔을 박막형 플라스틱 표적에 조사했을 때, 최고 45 MeV의 에너지를 갖는 양성자 빔을 얻었으며, 본 방식을 이용할 경우 집속된 레이저 빔의 에너지 증가를 통해 100 MeV 이상의 양성자를 쉽게 얻을 수 있을 것으로 판단된다.

 

 ❍ 특히, 이번에 실현한 2단계 레이저 전자 가속 기술은 향후 다단계 가속을 이용하면 10 GeV급 전자빔 발생용 레이저 기반 전자가속기를 개발할 수 있음을 실험적으로 보여주었다. (전자가속의 의미)

 

 ❍ 페타와트 레이저 펄스와 박막 표적을 이용하면 레이저 기반 양성자 에너지를 효율적으로 증대할 수 있음을 세계 최초로 보고하였다.

 

 ❍ 레이저 기반 입자빔 가속 기술은 실험실 규모의 소규모 공간에 설치가 가능한 레이저 기반 소형 입자가속기 및 레이저 기반 차세대 탁상형 암 치료기 개발 등에 활용할 수 있다.

 

□ 이번 연구 결과는 국제적으로 연구 경쟁이 치열한 분야에서 세계 최우수 연구그룹을 제치고 국내 토착 연구를 통해 세계 최초로 우수한 연구 결과를 산출했다는 점에서 우리나라의 연구 능력이 크게 진일보한 것으로 평가되고 있다.

 

 ❍ 초강력레이저과학연구단 남창희 단장은 “본 연구를 통해서 레이저 기반 입자빔 발생 및 가속기술 개발뿐만 아니라, 초강력 레이저장 하에서의 일어나는 상대론적 물리현상을 규명할 수 있었다”며 “앞으로 레이저 기반 소형 입자 가속기 개발이 현실화되고, 이를 이용한 산업적, 의료적 응용도 확대될 것”이라고 밝혔다.      <끝>

 

 

 

홍보기금팀/홍보전략부