이종민 교수팀, 1 GeV 에너지의 안정된 전자가속 달성

국내 기술에 기반 한 초강력 레이저 이용

소형 전자가속기 개발 등 활용분야 무궁무진

 

국내 연구진이 순수 자체 연구 시설을 기반으로, 레이저가 만들어내는 플라즈마를 이용해 GeV(기가전자볼트 : 1억 전자볼트)의 에너지를 갖는 안정된 전자빔 가속을 달성해 세계적으로 화제를 모으고 있다. 이 연구결과는 세계적인 학술지 ‘네이처(Nature)’의 자매지인 "네이처 포토닉스(Nature Photonics)" 9월호에 게재될 예정이며, 이에 앞서 지난 10일 웹사이트(http://www.nature.com/nphoton) 에 공개되었다.  

지스트(GIST, 광주과학기술원, 원장 선우중호) 고등광기술연구소(APRI, 소장 이종민) 이종민 교수팀은 레이저 웨이크필드 가속(Laser Wakefield Acceleration, LWFA) 기술을 이용해 전자를 1 GeV까지 가속하는데 성공했다고 밝혔다. 이번 연구의 성공으로 전통적인 대형 입자가속기 시설의 규모를 획기적으로 줄이면서 높은 에너지까지 안정되게 전자를 가속할 수 있는 탁상용 소형 전자가속기 등의 개발이 가능해 질 것으로 기대를 모으고 있다.  

일반적인 전자빔 가속 기술과 달리 레이저 웨이크필드 가속 기술은 고출력 레이저 펄스를 이온화된 가스 상태인 플라즈마에 조사하여 레이저 펄스와 같은 방향으로 진행하는 플라즈마 파동을 발생시키고, 이 플라즈마 파동에 전자빔을 실어 가속시키는 원리이다.  

이와 같은 레이저 웨이크필드 가속 기술을 이용할 경우 기존 시설보다 수천 배 이상 강한 전기장으로 전자빔을 가속할 수 있어 훨씬 작은 규모의 시설로도 GeV 이상의 높은 에너지까지 전자를 가속할 수 있다. 이번 연구에서는 약 1.5 x 1.2 m2의 크기를 갖는 소형 사각 챔버 내에서 1 GeV의 고에너지 전자빔을 발생시켰다. 기존의 대형 가속기 시설에서는 GeV 이상의 높은 에너지까지 전자를 가속시키기 위해 그 가속길이가 수백미터에서 수킬로미터까지 되어야 했다.  

이번 연구에 주도적으로 참가한 나스르 하프즈(Nasr A. Hafz, 고등광기술연구소 정규 선임연구원, 국적 이집트, 39세) 박사는 “이번 연구결과는 안정적으로 높은 에너지까지 전자를 가속할 수 있다는 점에서 큰 의미가 있다”면서 “앞으로 레이저 웨이크 필드 가속기술이 더욱더 연구, 개발되면 테이블에 올려놓을 수 있을 정도의 소형 전자가속기 실용화가 가능해질 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.  

따라서, 레이저 웨이크 필드 가속 기술은 고에너지 물리 연구용 차세대 소형 가속기 개발 및 고에너지 전자빔을 이용한 X선 발생을 통해 물질의 내부 구조를 원자 및 분자수준에서 관찰할 수 있는 등 기초 연구에 널리 활용될 수 있다. 또한, 이 기술을 이용해 좁은 선폭의 단일 에너지 전자빔을 얻을 수 있어 응용은 더욱 더 확대될 것이다.  

이 연구의 책임자이기도 한 이종민 소장은 “연구소 설립 7년만에, 국내에서 자체적으로 구축한 극초단 초고출력 레이저 시설을 이용해 이런 쾌거를 이루어 내 기쁨이 더욱 크다”면서 “내년에는 2 GeV이상의 고에너지를 갖는 안정된 전자빔 가속을 달성할 예정이며, 초강력 레이저를 이용한 다양한 응용연구도 활성화할 수 있도록 할 것”이라고 자신감을 내보였다.  

한편, 국내 유일의 광과학기술 전문 연구소인 고등광기술연구소는 100 Terawatt(테라와트 : 100조 와트)급 극초단 초고출력 레이저 시설을 보유하고 있으며, 2010년을 목표로 국가대형연구시설인 1 Petawatt (페타와트 : 1000조 와트)급 극초단 광양자빔 연구시설 구축을 진행 중에 있다.  

 

□ 용어 설명  

1. 플라즈마 (Plasma) 

플라즈마라는 말을 물리학 용어로 처음 사용한 사람은 미국의 물리학자 Langmuir 이며, 물질의 상태는 고체, 액체, 기체 등 세 가지로 나눌 때 플라즈마는 제4의 물질 상태라고 호칭됨. 전자들과 이온들로 만들어진 가스로 전체적으로 음과 양의 전하수가 같아서 중성을 띠게 됨. 별의 내부나 그를 둘러싸고 있는 주변 기체도 플라즈마 상태임.  

2. 입자가속기 (Particle Accelerator) 

입자 가속기는 전자나 양성자와 같이 전하를 띠고 있는 입자를 강력한 전기장이나 자기장 속에서 가속시켜 큰 운동에너지를 발생시키는 장치로 주로 물질의 미세구조를 밝히는 물리 분야에 필수적인 실험장치로 이용되고 있다.

<English>

A team led by Prof. Jongmin Lee, research results were published in Nature Photonics(September 2008 - Vol 2, No 9, pp 571-577), a distinguished scientific journal.


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