포항 방사광가속기, "세상에서 가장 밝은 빛 만들었다"

4세대 방사광가속기(PAL-XFEL) 셀프시딩 시스템 개발

[아이뉴스24 최상국 기자]포항가속기연구소(PAL, 소장 고인수)가 4세대 선형 방사광가속기(PAL-XFEL)에서 인류 사상 가장 밝은 빛을 만들어내는 데 성공했다.

포항가속기연구소 강흥식 박사 연구팀은 PAL-XFEL에 셀프시딩(Self-Seeding) 방식을 적용해 기존의 SASE(self-amplified spontaneous emission) 방법보다 약 40배 이상 밝기가 개선된 빛을 만들어 냈다고 발표했다.

이 내용은 광학분야 국제학술지인 네이처 포토닉스(Nature Photonics)에 3월 15일자(현지시간)로 게재됐다. (논문명 : High-brightness self-seeded X-ray free-electron laser covering the 3.5 keV to 14.6 keV range. 저자: 강흥식, 민창기, 남인혁, 이상재)

셀프시딩 방식을 적용하여 광자에너지 9.7 keV 엑스선 (파장 1.3Å)의 대역폭 0.19 eV, 빛의 밝기 3.2x1035 광자수/초/mm2/mrad2/0.1%BW를 달성했다. 기존 SASE 방식보다 40배 이상 밝아진 결과다. [포항가속기연구소]

셀프시딩 방식은 선형 가속기에서 가속된 전자빔을 (언듈레이터 장치를 통해) 엑스선 레이저로 변환시키는 과정에서 빛의 일부 파장만 선택해서 증폭하는 방식이다.

포항가속기연구소의 4세대 방사광가속기는 미국, 일본, 독일, 스위스 등과 함께 전 세계에 5기 밖에 없는 최첨단 연구시설이다. 4세대 방사광인 X-선 자유전자레이저(X-ray Free Electron Laser, XFEL)는 원형 방사광가속기에서 나오는 방사광 보다 100억 배 높은 밝기를 가져 원자 및 분자의 실시간 동적 현상을 관찰하는데 쓰이고 있다.

강흥식 박사는 "이번에 셀프시딩 방식으로 만들어 낸 빛은 다른 나라의 XFEL에 비해서도 10배 이상 밝은 세계 최고성능으로, 인류가 만든 가장 밝은 빛에 해당한다"면서 "한국의 방사광가속기 기술이 우위에 있음을 또 한 번 입증했다"고 자랑했다.

포항가속기연구소는 지난해 상반기부터 이렇게 밝기가 개선된 XFEL을 연구자들에게 제공하고 있으며, 코로나 팬데믹 상황을 고려해 코로나19 치료제 및 백신 개발 연구에 우선 제공하고 있다고 밝혔다.

엑스선 레이저로 구조 분석한 리소좀 단백질. XFEL을 사용한 경우 단백질 구조가 훨씬 뚜렷하게 분석된다 (그림에서 SS3) [포항가속기연구소]

◆포항 4세대 방사광가속기(PAL-XFEL)는?

PAL-XFEL은 100억 전자볼트 (10 GeV) 선형가속기로 가속된 전자빔을 100 m 길이의 언듈레이터로 통과시켜서, 매우 밝은 XFEL을 발생시키는 장치이다. 주요시설은 선형가속기, 언듈레이터, 빔라인으로 나눌 수 있다.

4세대 방사광가속기의 주요 구성 [포항가속기연구소]

4세대방사광가속기에서 나오는 자유전자레이저(X-ray Free Electron Laser, XFEL)는 기존 레이저의 파장 범위를 원자 크기 수준(~1Å)인 경엑스선 영역까지 확대한 레이저로 1990년대에 개발이 시작되었으며, 포항가속기연구소는 2016년 세계 3번째로 완공하여 운영 중이다.

원형 방사광가속기에 비해 1천억 배 높은 휘도, 수십 펨토초(1펨토초는 1천조 분의 1초) 영역의 광 펄스폭을 가지며, 원자/분자의 실시간 이미징 및 동적 자연현상을 규명하는 연구에 활용된다. 방사광가속기는 미시세계를 분석하는 거대한 현미경으로서, 차세대 에너지, 첨단 반도체, 신약 개발 등 첨단과학 기술 및 산업 분야에서 활용된다.

현재 전세계에서 운영중인 4세대 방사광가속기(선형)는 한국(PAL-XFEL), 미국(LCLS), 일본(SACLA), 독일(European XFEL), 스위스(SwissFEL) 등 5기이다.

/최상국 기자(skchoi@inews24.com)

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