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[KISTEP 기술동향브리프] 방사광가속기 (2020-07) |
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[KISTEP 기술동향브리프] 방사광가속기 (2020-07)
함선영 [목 차] 제1장 개요 제2장 기술동향 제3장 산업동향 제4장 정책 및 투자동향 제5장 결론
1.1. 작성배경
□ 최근 신규 방사광가속기 유치를 위한 지자체의 치열한 경쟁 끝에 구축 부지는 충청북도 청주시 청원구 오창읍으로 최종 결정됨(’20.5)
ㅇ 과기정통부의 신규 방사광가속기 구축 추진 계획 공고(’20.3)에 강원 춘천, 경북 포항, 전남 나주, 충북 청주 4개 지자체가 유치 의향서 및 계획서를 제출하였음
ㅇ 관련 분야 전문가로 구성된 부지선정평가위원회는 선정평가기준을 확정한 후 유치계획서 검토, 발표평가 등을 거쳐 전남 나주와 충북 청주로 후보를 압축하였고, 현장확인 등 최종평가를 통해 충북 청주시를 구축 부지로 선정(’20.5)
□ 지난해 국내 소재·부품·장비 경쟁력 확보 필요성이 부각되면서 이를 위한 수단 중 하나로 새로운 방사광가속기의 국내 구축 필요성이 제기된 바 있음
ㅇ ’19년 일본 수출규제에 따라 일본이 보유한 원천기술로 만들어진 소재, 부품 등의 국내 수입이 제한되었고, 이로 인해 국내 반도체 산업 등에서 피해 발생
ㅇ 이를 계기로 해외 의존도가 높은 소재·부품·장비의 국산화 및 원천기술 확보 필요성에 대한 사회적 공감대가 형성되었고, 이를 위한 수단 중 하나로 새로운 방사광가속기의 구축 필요성이 제기된 바 있음
□ 방사광가속기 등의 대형인프라는 구축·운영에 장기간 대규모 예산이 투입되는 만큼 신규 대형인프라를 구축하는데 있어 체계적·전략적 접근이 필요함
ㅇ 국내 3세대 방사광가속기 구축(’88~’94)에 총 1,500억원, 4세대 방사광가속기 구축(’11~’15)에 총 4,038억원의 정부R&D 비용이 지원되었으며, 3세대의 운영·업그레이드의 경우 ’95년부터 ’19년까지 25년 동안의 기 투자액은 6,685억원임
ㅇ 미국, 유럽 등 해외 주요국에서는 대형가속기 관련 중장기 로드맵을 마련하고 주기적으로 업데이트하는 등 전략적으로 대형가속기를 구축·운영하고 있음
ㅇ 우리나라도 최근 ‘대형가속기 장기로드맵 및 운영전략(안)’(’20.3)을 마련하여 대형가속기의 체계적 구축과 전략적 활용을 위한 계획을 제시하였음
□ 본 동향브리프에서는 국내외 방사광가속기 구축·운영 등의 동향을 조사·분석하여 방사광가속기에 대한 이해도를 높이고, 이를 바탕으로 국내 방사광가속기의 효율적 구축·운영을 위한 방안을 모색하고자 함
1.2. 방사광가속기 정의 및 성능
□ 방사광가속기(Synchrotron)는 전자 등의 하전입자를 빛의 속도에 가깝게 가속하여 빛(방사광)을 만드는 대형연구시설이며, 전자빔 생성 및 가속 파트, 방사광 생성 파트, 방사광을 이용해 실험을 수행하는 빔라인 파트로 구성됨
※ 싱크로트론(synchrotron)이란 이름은 가속관 내에서 가속되는 여러 전자들의 움직임을 동기화하여 안정화된 전자군 빔으로 만드는 기술을 지칭
ㅇ 전자빔 생성 및 가속 파트는 일반적으로 전자빔을 생성하는 전자총(Electron gun)과 전자빔을 가속하는 선형가속기(Linear accelerator) 혹은/그리고 가속링(Booster)으로 구성
ㅇ 방사광 생성 파트는 자기장으로 전자빔의 방향을 바꾸어 방사광을 만들어내는 파트로 원형의 저장링(Storage ring) 혹은 선형가속기 등이 있음
- 전자빔이 빛의 속도에 근접하게 되면 빛을 만들어내는 입자가 자신이 만들어낸 빛과 거의 같은 속도로 이동하고, 전자는 가속 운동하는 동안 계속 빛을 발생
- 따라서 전자빔의 가속 운동 동안 발생한 거의 모든 빛은 빛의 진행방향에 있는 관찰자에게 동시에 도착하게 되어 관찰자는 강한 빛을 관찰하게 됨
[그림 1] 방사광 발생 원리 (출처: 포항가속기연구소 홈페이지) ㅇ 빔라인(Beamline) 파트는 방사광을 이용한 실험을 수행하는 공간으로 1기의 방사광가속기에 다수의 빔라인을 설치할 수 있음
□ 방사광가속기의 성능은 전자빔의 에너지(Energy)와 에미턴스(Emittance), 방사광의 밝기(Brilliance) 및 결맞음(Coherence) 정도 등으로 표현할 수 있음
ㅇ 전자빔의 에너지(Energy)는 가속되는 전자빔의 에너지로 eV(Electron volt) 단위를 사용하며, 3세대 및 4세대 방사광가속기는 수 GeV(10^9eV) 정도의 전자빔 에너지를 가짐
ㅇ 전자빔의 에미턴스(Emittance)는 전자빔의 위상공간(공간적·운동적) 퍼짐 정도를 나타내는 수치로 주로 길이단위(m, Meter)와 각도단위(rad, Radian)의 곱으로(m·rad) 나타내며, 수치가 작을수록 고품질의 방사광을 만들 수 있음
ㅇ 방사광의 휘도(Brilliance)는 방사광의 밝기를 나타내는 값으로 number of photons / second / meter² / rad² / 0.1%BW로 나타낼 수 있음
ㅇ 결맞음(Coherence) 정도는 주어진 파장에서 광자빔의 간섭성 정도를 나타내며 방사광의 파장(λ)과 에미턴스(ε)의 비율로 표현되고 전자빔의 에미턴스가 작을수록 광자빔의 결맞음이 좋아짐
...................(계속)
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