하이브리드 기술로 입자가속기 소형화 시켰다.

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-06-02 22:00:13
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* 레이저 구동 및 입자 구동 플라즈마 가속기의 조합으로 가능
* 기존 시스템보다 수천 배 더 높은 몇 밀리미터로 가속 전압을 달성
* 하이브리드 플라즈마 가속은 작은 공간, 저렴한 비용으로 입자를 최대 속도로 높일 수 있어
* 나노 물질, 생체 분자 또는 지질 샘플의 미세 구조를 분석하는 데 사용

하이브리드 기술로 입자 가속기를 소형화
레이저와 전자빔의 조합으로 소형 플라즈마 가속기를 보다 효율적으로 만들었다.


작지만 강력함 :
새로운 유형의 하이브리드 가속기는 입자를 몇 센티미터 내에서 거의 빛의 속도로 끌어 올릴 수 있다. 이것은 레이저 구동 및 입자 구동 플라즈마 가속기의 조합으로 가능하다.
두 가지 모두 기존 시스템보다 수천 배 더 높은 몇 밀리미터로 가속 전압을 달성하고 기술을 뚜렷하게 도달하게 만든다. 

▲ 두 단계에서 크기가 몇 센티미터에 불과한 하이브리드 가속기는 전자를 이동시킨다.

© T. Heinemann, Strathclyde / A. Martinez de la Ossa, DESY


CERN의 LHC(Large Hadron Collider)와 같은 고전적인 입자 가속기는 강한 자기장을 사용하여 입자를 거의 빛의 속도로 가져온다. 이를 위해서는 엄청난 양의 에너지와 이동 거리가 필요하다.

몇 킬로미터가 아닌 몇 센티미터

이제 또 다른 방법이 있다.
레이저, 테라헤르츠 빔 또는 양성자에 의해 구동되는 혁신적인 플라즈마 가속기는 입자를 단 몇 센티미터에서 속도를 높여준다. 이것은 파동이 지나간 자리의 가속(wakefield) 원리에 의해 가능하다. 이 경우 구동 레이저 또는 입자 빔이 기체 플라즈마로 발사된다. 빔은 보트의 용골(wakefield)과 유사한 소위 전기장을 생성한다. 이것은 플라즈마에서 전자를 끌어와 가속 시킨다.

지금까지 이러한 소형 시스템의 총 출력은 제한되어 있었다.
테라헤르츠(THz) 가속기는 몇 킬로 전자볼트만 있고 레이저 가속기는 적어도 몇 기가 전자볼트를 가지고 있다. 대조적으로, Wakefield(용골 파)가 미리 가속된 전자 또는 양성자 빔에 의해 생성되는 플라즈마 가속기는 훨씬 더 효과적이다. 그러나 이러한 입자의 속도를 미리 높이기 위해서는 여전히 대규모 시스템이 필요했다.

레이저가 먼저 Wakefield를 만든다

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf(HZDR)의 토마스 쿠르츠(Thomas Kurz)가 이끄는 팀은 이제 두 변형의 장점을 결합한 하이브리드 플라즈마 가속기를 개발하는 데 성공했다. 레이저 플라즈마 가속기를 사용해 1초 동안 전자빔을 생성한다.

입자 구동 플라즈마 가속기를 필요한 속도로 가져온다. "몇 년 전만 해도 이 조합은 여전히 ​​환상으로 여겼다"고 뮌헨의 LMU(Ludwig Maximilians University)의 공동 저자 안드레아스 되프(Andreas Döpp)가 설명했다.

특히 전체 길이가 몇 센티미터에 불과한 하이브리드 시스템은 첫 번재 부분으로 구성된다. 여기에는 강력한 레이저 펄스가 헬륨과 질소로 만들어진 가스빔에 만난다. 레이저 빔은 가스를 플라즈마로 바꾸고 레이저-웨이크(wake)에 의해 전달되는 전자빔을 생성한다.
첫 번째 가속 섹션의 끝에서 얇은 금속 호일이 레이저 빔을 차단하지만 집속되고 빠른 전자빔은 통과 할 수 있다.
▲ 하이브리드 가속기의 구조 : 첫 번째 부분은 레이저 구동 플라즈마 가속기 (LWFA)이고, 두 번째 부분 (PWFA)에서는 사전 가속된 전자 빔이 더 많은 플라즈마 전자들을 가속화 시킨다. 두 개의 연속 가스빔이 LWFA 구동 PWFA의 기초를 형성한다. 고강도 레이저 펄스(빨간색)는 첫 번째 단계에서 LWFA를 구동해 높은 피크 전류 전자 빔(파란색)을 생성한다. 사용한 LWFA 레이저는 얇은 강철 호일에 반사되는 반면 전자빔은 PWFA 드라이버 역할을 하는 두 번째 단계로 전파된다. PWFA 단계에서는 감시 빔(노란색)이 가속된다. 또한, 역 전파 저전력 레이저 펄스를 적용하여 구동빔 도착 전에 PWFA 스테이지에서 미리 형성된 플라즈마 채널을 생성할 수 있다. 전자 밀도가 회색인 고강도 레이저로 구동되는 플라즈마 파의 그림. b자가 이온화 된 PWFA 체제에서 LWFA 전자빔에 의해 생성된 플라즈마 파. c 사전 이온화 된 PWFA 에서 들뜬 플라즈마 파. a, b, c에 표시된 이미지는 OSIRIS 코드를 사용하여 시뮬레이션에서 얻은 것이다. b와 c의 보라색 선은 구동빔과 두 번째 가스빔의 상호 작용만을 고려하여 축의 세로 전기장을 나타낸다. (출처: 관련논문 Demonstration of a compact plasma accelerator powered by laser-accelerated electron beams)

사전 가속된 전자빔

두 번째 가속 단계는 다음과 같다.
전자빔은 이미 레이저에 의해 이온화되어 플라즈마를 형성한 수소와 헬륨으로 구성된 두 번째 가스 흐름을 만난다. Strathclyde 대학의 공동 제1저자 토마스 하이네만(Thomas Heinemann)은 "이를 통해 구동 빔으로 플라즈마 가속이 훨씬 더 효과적으로 발생하도록 한다"고 설명했다. 이 플라즈마에서 전자빔은 wakefield(웨이크필드)를 생성한다. 이것은 이제 플라즈마에서 새로운 전자들을 찢어 내고 더욱 가속 시킨다. 일종의 터보를 점화시키는 것이다.

빔 구동 가속기 섹션은 단 1mm 내에서 전자들을 128MeV(메가 전자볼트)로 가져온다.
변환된 것은 미터당 100GeV(기가 전자볼트) 이상의 가속기 기울기에 해당한다고 연구원들이보고했다. 크기가 몇 센티미터에 불과한 미니 시설은 고전적인 대형 가속기의 성능을 천 배 이상 달성한다.

소형 X-선 레이저를 위한 새로운 기회

연구팀에 따르면 이 하이브리드 플라즈마 가속은 작은 공간에서 저렴한 비용으로 입자를 최대 속도로 높일 수 있는 새로운 가능성을 열어준다. 물리적 연구를 위한 중요한 진전이다.
"한편으로는 아직 적절한 운전자 가속기를 사용할 수 없는 연구 그룹이 이 기술을 사용하고 추가로 개발할 수 있다"고 HZDR의 아리에 이르만(Arie Irman)은 말하며 “다른 한편으로는 우리의 하이브리드 가속기는 이른바 자유 전자 레이저(FEL)의 기반이 될 수 있다"고 덧붙였다.

자유 전자 레이저는 나노 물질, 생체 분자 또는 지질 샘플의 미세 구조를 분석하는 데 사용할 수 있는 고도로 집중되고 일관된 X선을 생성한다. 이러한 X-ray 레이저를 사용하면 화학 반응에서 초고속 프로세스를 볼 수 있다. (예 : 물 분자가 분해되거나 CO2 분자가 형성되는 경우).

지금까지 이러한 빔 소스에는 킬로미터 길이의 싱크로트론 시스템이 필요했지만 하이브리드 기술은 향후 훨씬 더 컴팩트하고 비용 효율적으로 만들 수 있다.
“우리는 이미 소형 플라즈마 가속기가 훨씬 더 크고 기존의 전력을 사용하는 제품과 유사한 방식으로 작동한다는 것을 보여줄 수 있었다. 따라서 우리는 설정을 통해 가까운 장래에 매우 가벼운 전자빔을 생성할 수 있을 것이라고 확신한다”고 LMU Munich의 스테판 카르쉬(Stefan Karsch)가 말했다.
(Nature Communications, 2021; doi : 10.1038 / s41467-021-23000-7)
출처 : Helmholtz Center Dresden-Rossendorf, Ludwig Maximilians University Munich

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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