방사광 가속기란? 유치가 치열했던 경제효과!

방사광 가속기란? 유치가 치열했던 경제효과!

가속기의 종류 와 원리

입자 가속기는 원자의 구성요소인 양성자와 전자, 이온 등 전기를 띤 입자를 전기장을 사용해 빛의 속도인 초속 30㎞에 가깝게 속도를 높여주는 장치로, 이들 입자를 서로 충돌시켜 나오는 미립자들을 관찰하거나, 여기서 나오는 빔으로 난치성 암을 치료하기도 한다. 

이 때문에 미국과 일본, 유럽 등 선진국은 가속기 연구에 박차를 가해 입자물리학 연구는 물론 의학, 나노분야에서 활용하고 있다. 가속기의 활용도는 점점 더 확대되고 있는 상황이다. 

이처럼 가속기는 입자를 가속시킨다는 점에서는 같지만 가속시키는 입자의 종류와 가속기 형태에 따라 다르다. 

가속되는 종류에 따라 전자 가속기(방사광 가속기), 중이온 가속기, 양성자 가속기로 나뉘고, 가속기의 형태에 따라 원형 가속기, 선형 가속기로 분류된다. 원자를 구성하는 입자는 양성자와 중성자, 전자다.

그러나 이 중에서 양성자와 전자만 가속시키는 이유는 뭘까? 

가속기는 전자장에 의해 입자를 움직이는데, 중성자는 전하를 띠고 있지 않기 떄문에 전자장을 걸어줘도 입자가 가속되지 않기 떄문에 가속기에 사용할 수 없다. 

양성자 가속기는 수소 원자로 부터 방전을 통해서 전자와 양성자를 분리한 뒤, 분리된 양성자와 전자에 전기장을 걸어줌으로써 양성자만 분리해낸다. 분리된 양성자는 강한 라디오파에 의해 유도된 전기장에 의해서 가속된다. 

중이온 가속기에 중이온은 수소, 헬륨보다 무거운 지구상의 모든 원소의 이온을 의미한다. 

원소의 기원탐구, 새로운 동위원소의 발견, 희귀동위원소들을 이용한 신 물질 연구, 의학 응용 연구등을 위해 중이온을 빛의 속도에 가깝게 가속시키는 장치이다. 

방사광 가속기는 빛의 속도에 가깝게 가속시킨 전자가 강력한 자기장을 지나며 휘어질 때 방출되는 빛(방사광)을 얻어내며, 얻어진 방사광은 과학기술연구에 활용된다. 

전자를 원형 가속기에서 가속하면 싱크로트론 광선이 발생하여 가속 자체에는 어려움이 있지만, 파장이 짧은 높은 에너지의 빛을 얻을 수 있다는데 착안하여, 가속보다는 싱크로트론 광선을 얻는데 주안점을 둔 가속기이다. 

선형(linear)가속기는 기본적으로 전하를 띤 입자에 전기장을 걸어 줌으로써 입자를 가속시킨다. 입자에 걸린 전기장이 직류에 의한 것이느냐 아니면 교류에 의한 것인가에 따라 직류 가속기와 고주파 가속기로 분류되는데, 크게 직류 가속기에는 정전기형 가속기와 다단배 전압정류형 가속기가 있으며, 고주파 가속기로는 전자가속기와 양성자 가속기 등이 있다. 

원형(circular)가속기는 1925년 어니스트 로런스가 높은 에너지를 가지고 있는 입자를 만들기 위해 입자를 반복적으로 가속하는 방법에 관심을 가지고 연구하기 시작했으며, 그 결과 원형으로 입자를 가속하는 장치를 개발하게 되었다. 

자기장을 통과하는 전하를 띤 입자는 자기력을 받는다. 때문에 전하를 띈 입자가 지면과 평행하게 (xy-평면상에서) 진행하고, 자기장이 지면과 수직으로 걸린다고 할 떄, 입자가 진행하는 경로와 수직하게 자기력이 작용하게 되므로 이가 구심력의 역활을 하게 되어 집자의 경로가 휘게 된다. 이와 같이 입자가 원형 경로를 따라 움직이면 전극을 여러 회 지나게 되어 입자가 반복적으로 가속할 수 있게 된다. 

입자의 가속기의 크기가 크면 클수록 더욱 빠른 속도로 가속 시킬 수 있다. 

방사광가속기란?

방사광(防射光)은 원자 구성입자 중 가장 가벼운 전자를 빛의 속도에 가깝게 가속시켜 이때 발생하는 자외선과 X선 등 빛을 얻어내는 장치를 전자 가속기 또는 방사광 가속기라고 한다. 

방사광 가속기는 양성자 가속기나 중이온 가속기처럼 입자를 충돌시켜 쪼개는 것이 아니라 말 그대로 빛을 만들어내는 입자를 가속시키는 장치다. 

빛(광자) 에너지는 가속된 입자의 운동 에너지에 비례하고, 광자의 개수도 에너지와 밀접하기 때문에 빠른 속도로 가속시킬수록 넓은 영역의 고휘도 빛을 얻을 수 있게 된다. 

방사광 가속기는 주로 빛을 이용해 원자, 분자 수준의 구조를 살피기 위해 이용하는데, 우리나라에는 90년대 중방 완공된 포항 방사광 가속기가 있다. 

포항 방사광 가속기는 3세대 가속기로 현재는 4세대 가속기로 업그레이드를 한 상태이다. 

4세대 방사광 가속기는 현재 쓰고 있는 3세대 가속기보다 100억배 이상 밝은 방사광을 만들어 낼 수 있고, 방출되는 전자빔의 길이가 머리카락 굵기보다 짧아 매우 짧은 시간에 방사광이 방출될 수 있다. 순간적으로 일어나는 물질 내부의 화학반응까지 포착해낼 수 있다는 것이다. 

방사광 가속기의 활용

연X-선 및 경X-선 영역의 고출력 결맞음 광원의 활용은 기존의 방사광원과 일반 레이저 광원을 이용하는 연구와 함께 원자 및 기초물리학, 응집물리학 및 재료과학, 펨토 화학, 구조 생물학, 그리고 다양한 기술 분야와 같은 순수 기초 및 응용 과학연구의 새로운 지평을 열어 매우 광범위하고도 심오한 과학 탐구가 가능하며, 방사광 활용 기술과 직결되는 근본 물리변수인 에너지, 운동량, 공간, 시간 그리고 이들 각각에 해당하는 실험기법인 분광학(spectroscopy), 산란(scattering), 이미징(imaging), 동역학(dynamics)과 관련된 통합적인 연구 환경이 자유전자 레이저광원 구축을 통해서 이루어질 수 있다. 

■ 연구분야

원자물리학 : 뭇겹(multiple) 이온화, 다광(multiphoton)이온화 현상연구

분자물리학 : 뭇겹 이온화 현상, 공명 탄성산란, 비선형 효과 연구

송이(cluster) 연구 : 쿨롱 폭발, 실시간 구조분석, 진동 및 반응, 상전이 현상

플라즈마 물리학 : 광-플라즈마 상호작용 및 산란연구, 비평형 플라즈마, warm dense 플라즈마연구

응집 물리학 : 자기구역, 나노 지성체의 극단초 특성연구, 집단 자기 들뜸, 자성완화

표면 및 계면 연구 : 실시간 고출력 레이저에 기인하는 표면상 변형연구, 저차원 집단 들뜸 현상 연구

재료 과학 : 초경물질, 실시간 스트레스 연구, 실시간 용접연구, 침전, 동공, 결정 경계 퍼짐 실시간 연구

화학 : 펨토화학, 여기상태의 분자구조분석, 광화학반응연구, 비균질 촉매반응, 교질입자 특성 분석

생명과학 : 구조생물학, 단분자 산란, 생체구조 및 반응의 동역학적 연구, X-선 광학장치 연구개발

■ 활용연구

<신약개발>

많은 병의 원인은 단백질의 기작과 관련이 있다. 외부 침입 병원균, 다양한 유전병 등 생명을 위협하는 이들 질병들은 고나련된 단백질에 대한 정확한 구조정보가 필요하다. 자물쇠를 여는데 그 자물쇠 내부구조를 알아야 꼭 맞는 열쇠를 만들 수 있는 것처럼, 정확한 단백질 구조정보는 생명과 질병치료에 직결된다. 그러나 불행하게도 알려진 단백질의 5% 정도만 정확안 구조를 알 뿐이다. 여기에 새로운 돌파구를 마련해 줄 수 있는 것이 4세대 방사광원이다. 세포 속에서 작동하는 구조체들의 3차원 영상도 원리적으로 가능하여 신약개발의 신기원이 될 것이다.

<환경>

환경물질은 극소량이지만 장기적으로 축적되어 인체에 영향을 미치므로 실험이 용이하지 않다. 또한 최근 환경물질로 위험성이 대두되고 있는 탄소, 산소, 질소 등은 중금속과는 달리 가벼운 원소로 구성되어 있다. 이들 물질이 극소량 인체에 일으키는 변화를 추적하는 것은 대단히 어려운 일로서 방사광원과 같은 아주 강력한 엑스선이 아니라면 빠른 연구결과를 제공하기 힘들다.

<광합성>

에너지 고갈에 대한 우려와 저탄소 녹색성장 대책으로 태양에너지를 이용하려는 노력이 전 세계적으로 진행되고 있다. 그러나 대표적인 태양전지는 최고의 기술로도 효율이 25%를 넘기 힘들다. 반면에 광합성은 효율이 거의 100% 가까이 되는 것으로 알려져 있다. 광합성이 처음 과정은 가시광선을 받아 식물의 잎에 에너지로 저장하는 것으로 시작되고 이 과정은 1ps보다 빨리 일어난다. 

4세대 광원은 시공간적 과정에 대한 상세한 정보를 알 수 있을 것으로 예상하며, 자연이 만든 광합성 기술을 쉽게 적용하여 에너지 문제를 해결하는데 큰 역활을 할 것이다.

<화학>

화학반응 과정에서 대부분의 경우 열의 발생과 흡수가 일어난다. 열의 발생이 폭발적으로 일어나면 TNT와 같은 강력한 폭탄이 된다. 에너지의 또 다른 형태인 빛의 발생 또한 가능하다. 다양한 화학물질은 인간이 자연계에 없는 것을 창조할 정도로 진보했지만, 화학반응 시 일어나는 미세한 과정은 측정보다는 예측으로만 제한되었다. 화학반응은 원자핵이 움직이는 시간 즉 1 피코초 정도의 극히 짧은 시간에 일어나 3세대 방사광으로는 이러한 과정에 대한 연구를 하기 힘들었다. 또한 화학반응시 극히 짧은 순간에 존재하는 중간체 물질들에 대한 관심이 컸는데 이 또한 4세대 방사광으로 확인이 가능하다. 연료전지, 태양에너지 이용 소자, 촉매제 연구 등이 여기에 포함된다.

<신물질>

에너지 관련 신물질은 바이오 에너지, 수소저장, 유기물 디스플레이, 나노윤활유, 고온 초전도체 등 다양한 영역에 걸쳐있다. 바이오 에너지는 관련 단백질과의 상호작용, 수소저장은 저장체와 수소와의 구조결합 및 분리 특성, 유기물 디스플레이는 신물질 개발 및 계면에서의 특성, 나노윤활유는 나노간격에서 윤활액체 구조, 고온 초전도체는 격자와 전자의 상호작용을 이해해야 한다. 기존의 지식으로 이들에 대한 이해가 조금씩 진행되고 있으나 한계에 부딪히고 있는 실정이다. 4세대 방사광원은 아주 밝은 결맞는 빛을 제공함으로써 나노(10-9)크기이하에서 일어나는 원자거동에 대해 어떤 도구보다도 정확한 답을 제공하여 새로운 돌파구를 열 것으로 예측한다.

<전자소자>

고성능 신물질을 개발하여 속도를 개선하는 면도 중요하지만, 전자가 서로 다른 접합면을 통과할 때 생기는 문제점을 해결하는 것도 아주 중요하다. 4세대 방사광은 다양한 접합면을 이해하고 개발하는 과정은 시료 속에 들어 있는 빠른 전자의 흐름과 순간순간 전자분포 변화에 대한 연구와 휘어지는 전자소자에 대한 연구가 가능하다.

경제효과

다목적 방사광 가속기는 건립비용만 1조원.

생산유발 효과는 6조 7000억원, 연구시설 유치만으로 부가가치는 2조 4000억원.

고용효과로만 13만여명 창출이 전망되는 거대 프로젝트.

지난달 29일 경북 포항, 전남 나주, 충북 청주, 강원 춘천 등 지방자치단체 4곳이 유치계획서를 제출.

경북 포항 : 기존 방사광가속기와 연계로 효율성을 극대화한다는 전략

전남 나주 : 지역 균형 발전과 재단에 대비한 안전성 차원에서 연구시설 분산의 필요성 주장

충북 청주 : 중부고속도로와 KTX 오송역, 청주국제공항 등을 통한 수도권과의 접근성

강원 춘천 : 수도권과 최인접 도시 강조, 춘천 가속기 혁신도시 조성 계획을 발표

과기정통부는 심사를 거쳐 나주와 청주를 1, 2위로 선정.

청주시가 다목적 방사광가속기 신규 설치 최종 부지로 확정되었다. 

최종 부지 선정되면 과기정통부는 해당 부지를 기반으로 예비타당성조사(예타)에 나선다.

과기정통부는 늦어도 2022년에는 다목적 방사광가속기 구축에 착수해 2028년에는 완공한다는 목표.