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고은 조
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1 100 MeV 양성자가속기의미래 DOI: /PhiT 김귀영 Future of the KOMAC 100-MeV Proton Accelerator Ky KIM The 100-MeV proton accelerator at the KOMAC (Korea Multi-purpose Accelerator Complex) was successfully commissioned in July, 2013, and started operation as a national user facility providing users from a wide range of research fields with proton beams with only two beamlines (one for 20 MeV and the other for 100 MeV). This note reviews the philosophy behind and history of the project to develop the 100-MeV proton accelerator, as well as some goals of the project yet remain to be completed. Firstly, a long-waited plan to implement the remaining beamlines, which is required to utilize the full performance of the 100-MeV proton accelerator so that it becomes a flagship research facility to lead science and technology, will be discussed in detail. Secondly, an ambitious plan to upgrade the 100-MeV proton accelerator to a 1-GeV, 2-MW facility to drive pulsed neutron sources, which will help researchers access unexplored spatial-temporal domain, will be presented. 서 현재운용중이거나개발하고자하는양성자가속기는크게세가지부류로나눌수있다. 첫번째부류는 에너지프론티어형 (energy frontier) 으로고에너지로가속한양성자를충돌시켜우주의궁극적구성체, 우주의탄생과진화등을밝히고자하는고에너지물리학또는핵물리학연구에활용된다. 두번 저자약력 김귀영박사는고려대학교에서입자물리학으로박사학위 (1997 년 ) 를받았으며 2005 년부터한국원자력연구원에서책임연구원으로재직중이다.(ky@kaeri.re.kr) 론 Table 1. High-intensity proton accelerators in service or under development. 시설명 ( 국가 ) 에너지 평균빔전류빔파워활용입자 구축연도 SNS ( 미국 ) 1 GeV 1.0 ma 1 MW 중성자 2006 JSNS ( 일본 ) 3 GeV 0.3 ma 1 MW 중성자, 뮤온등 2008 ISIS ( 영국 ) 800 MeV 0.3 ma 240 kw 중성자, 뮤온등 1985 CSNS ( 중국 ) 1.6 GeV 0.3 ma 500 kw 중성자, 뮤온등 ESS ( 유럽연합 ) 2.5 GeV 2.0 ma 5 MW 중성자, 뮤온등 2018 ( 예정 ) 2020 ( 예정 ) 양성자가속기 100 MeV 1.6 ma 160 kw 양성자등 2012 째부류는 인텐시티프론티어형 (intensity frontier) 으로대량으로가속한양성자를표적과충돌시켜중성자, 뮤온, 중성미자, 중간자, 동위원소등다양한 2차입자 (secondary particles) 를생성하여고에너지물리학또는핵물리학연구는물론, 응집물리학, 재료과학, 화학, 생명과학, 에너지, 의학및산업분야등의연구개발에활용된다. 마지막으로 실용형 으로암치료또는의료및산업용동위원소생산등에활용되고있다. 이처럼양성자가속기는그활용분야가다양하여, 표 1에보인바와같이과학기술선진국은최근들어차세대산업기술을주도하기위하여재료과학, 생명과학, 의학, 에너지, 우주등의분야의연구개발을위하여인센시티프론티어형양성자가속기를경쟁적으로개발하여활용하기시작하였다. 차세대산업기술연구개발에이용되는양성자가속기의특징은양성자를이용하여중성자, 뮤온등의 2차입자를생성하여이용하는것으로 100 MeV 양성자가속기와큰차이를보이고있다. 100 MeV 양성자가속기는 2013년도시운전과시범운영기를거쳐, 2014년부터정상운영을시작하여우리나라과학기술사에한획을장식한 인센시티프론티어형 으로양성자뿐만아니라이를이용하여생성할수있는 2차입자인중성자, 동위원소등의이용을고려하여설계하고개발하였다. 그러나사업착수시계획하였던 10기의빔라인 (20 MeV 및 100 MeV 빔 물리학과첨단기술 JANUARY/FEBRUARY

Table 2. Characteristics and applicabilities of the KOMAC 100 MeV proton accelerator. 구분주요특성 (20/100 MeV) 활용성 인출빔특성 빔조절특성 High-intensity (ma) High-power (kw) Low-emittance (π-mm-mrad) 4.8 / 1.

2 Table 2. Characteristics and applicabilities of the KOMAC 100 MeV proton accelerator. 구분주요특성 (20/100 MeV) 활용성 인출빔특성 빔조절특성 High-intensity (ma) High-power (kw) Low-emittance (π-mm-mrad) 4.8 / / 160 빔전류조절 (ma) 0.01 ~ 1.6 빔에너지조절 (MeV) 빔조사영역조절 (mmφ) 산업적활용 (RI, 반도체, 나노입자등 ) 2 차입자대량생성 ( 중성자, RI 등 ) 0.25 펜슬빔 (1~2mm) 3 ~ ~ 300 다양한시료처리 ( 재료, 생명, 우주등 ) 조사깊이, 반응단면적조절등 대면적조사 ( 반도체웨이퍼등 ) 라인각 5기 ) 중현재 2기 (20 MeV 및 100 MeV 각 1기 ) 만구축 운영하여이용자가요구하는빔타임 (beam time) 을충분히제공하지못하여그이용연구개발에제한이따르고있으나, 응집물리, 신소재, 나노, 생명, 의료, 에너지, 환경, 우주방사선환경, 원자력, 기초과학등다양한분야의기초및융복합연구개발에활용되기시작하였다. 100 MeV 양성자가속기가보유한잠재성능을효과적이고효율적으로활용하기위하여각이용연구분야에최적화된빔라인을조속히구축하여이용자가창조적인연구개발에활용할수있도록하고, 더나아가서과학기술선진국과경쟁할수있는명실상부한국가대형연구시설로서자리매김하기위해서는 100 MeV 양성자가속기의업그레이드계획에대한본격적인논의를시작할시기가되었다. 본특집은 100 MeV 양성자가속기개발사업을추진하게된배경과사업착수당시의계획을되돌아보고, 사업완료시구축하지못한빔라인의구축계획과에너지업그레이드에대한논의를하고자한다. 100 MeV 양성자가속기개발국내에서인센시티프론티어형양성자가속기개발을검토하기시작한것은 1990년대초반이다. 당시파쇄중성자원 (SNS, spallation neutron source), 가속기구동미임계원자로 (ADS, accelerator driven system), 가속기기반핵변환기술 (ADTT, accelerator driven transmutation technology) 등에관심이고조되어, GeV급대용량양성자가속기개발에대한심도있는검토와논의가진행되어한국형양성자가속기 (KOMAC, Korea multi-purpose accelerator complex) 개발프로젝트의개념이수립되었으며오늘날의영문명의유래가되었다. [1] KOMAC 개발프로젝트를추진하기위해대용량양성자가속 Fig. 1. Application fields of proton accelerators. 기설계, 기술적제작능력, 활용방안, 개발타당성등에대한심도있는검토및보완과실행가능성을위한원리실증연구등의선행연구가수행되었고. 그결과는 1 GeV, 20 ma 급선형양성자가속기에기반한파쇄중성자원을개발하고, 부수적으로 3 MeV, 100 MeV, 250 MeV 양성자빔을이용한신소재개발, 동위원소개발및생산, 암치료등다목적으로활용하기위한 KOMAC 개발계획 으로집약되었다. [2] KOMAC 개발계획은 1999년 21세기프론티어연구개발사업후보사업 의하나로선정되었으며, 2000년도에후보사업타당성검토와세부기획연구를통하여사업규모, 목표등을보완하여 양성자기반공학기술개발사업 으로재정립되었으며, 2002년부터 21 세기프론티어연구개발사업 으로착수하게되었다. [3] 양성자기반공학기술개발사업은나노, 신소재, 바이오, 에너지, 환경, 우주, 의료등국가전략과학기술분야의연구개발에활용할국가대형기반연구시설로서 100 MeV, 20 ma 양성자가속기를개발하여 를건설하고자추진하였다. 100 MeV 양성자가속기는표 2에보인바와같이평균빔전류가 ma급인대전류 (high-intensity), 빔파워가 160 kw인고출력 (High-power), 그리고빔에미턴스가 0.25 π -mm-mrad 수준인 Low-emittance 의특성을갖추어설계하였 [1] B. H. Choi, Introduction to Accelerator and Transmutation Programs at KAERI", AOT-1 Seminar at LANL (1995). [2] T. Y. Um, B. H. Choi and C. K. Park, Development Plan and Conceptual Design of Proton Accelerators for Nuclear Industries (1997). [3] KISTEP, Division of R&D Planning & Support, 21C Frontier R&D Program Revisited Detailed Plans and Feasibility Study Reports of Candidate Projects to be Launched in 2001 (2000). 22 물리학과첨단기술 JANUARY/FEBRUARY 2016

Fig. 2. Layout of the KOMAC 100 MeV proton accelerator and beamlines. 다. 또한다양한연구개발분야의이용자의빔요구조건을충족시킬수있도록탄력적인빔조절특성을갖도록설계하여빔전류는 0.01 1.

3 Fig. 2. Layout of the KOMAC 100 MeV proton accelerator and beamlines. 다. 또한다양한연구개발분야의이용자의빔요구조건을충족시킬수있도록탄력적인빔조절특성을갖도록설계하여빔전류는 ma, 빔에너지는 3~100 MeV, 그리고빔조사면적은 mmf 영역에서조절가능하도록하여, 그림 1에나타낸바와같이다양한연구분야에서활용이가능하도록설계하였다. 100 MeV 양성자가속기는그림 2에보인바와같이 50 kev 입사기 (injector), 3 MeV 고주파 4중극가속장치 (RFQ), 20 MeV 선형가속장치 (DTL-I) 와 100 MeV 선형가속장치 (DTL-II) 로구성하였다. 양성자빔을이용하는연구개발을지원하기위한빔라인은잠재적이용자를대상으로한이용연구수요조사와연구개발동향을분석하여각분야별로요구되는최적의양성자빔을효과적으로제공하고, 양성자가속기의활용도를극대화하기위하여 20 MeV 빔라인 5기와 100 MeV 빔라인 5 기를구축하도록설계하였다. 특히, 20 MeV 빔라인 3기 (TR22, TR23, TR24) 와 100 MeV 빔라인 3기 (TR102, TR103, TR104) 는빔분배전자석을이용하여시분할방식으로빔을순차적으로제공할수있도록설계하여개발을추진하였다. [4] 양성자기반공학기술개발사업은추진과정에서 중저준위방사성폐기물처리장부지선정사업 과연계추진에따른사업지연등의난관을극복하고영향을최소화하여당초계획하였던빔라인 10기중 2기 (20 MeV 및 100 MeV 각 1기 ) 만구축하고, 8기는양성자가속기를운영하며순차적으로구축하도록계획을조정하여, 양성자가속기개발사업을 2012년 12월완료하였다. [5] 100 MeV 양성자가속기는 2013년상반기에시운전을완료하고그해 7월부터이용자에게개방되어연구개발을지원하기위한운영을시작하여우리나라의과학기술사에한획을장식하게되었다. 양성자기반공학기술개발사업의최대성과는세계적수준의 인센시티프론티어형 양성자가속기를구성하는핵심장치인입사기, RFQ, DTL 등을국내연구기관과산업체가협력하여개발하고실증을하였다는점이다. 이는파쇄중성자원, 고에너지물리학또는핵물리학연구에활용되는 MW급양 성자가속기개발에필요한기반기술과경험을확보하였음을의미한다. 그러나사업의본래의도와는다르게타국책사업과연계되어추진되는우여곡절로인하여당초설계한빔라인 10 기중 2기만구축하고사업을 미완료상태로완료 하여 100 MeV 양성자가속기의고유한특성을활용한창의적인연구를지원하는데제약을초래하게된부작용은극복해야할숙제로남아있다. 100 MeV 양성자가속기의개발철학을계승하고활용도를제고하기위해서는미구축상태로남아있는빔라인을조기에구축하여이용자가요구하는조건의양성자빔을실시간으로제공하여이용연구를활성화하고우수한연구성과를창출할수있도록할필요가있다. 또한, 과학기술선진국과의연구개발영역 ( 또는과학기술영토 ) 확장경쟁에필요한교두보확보를위하여 100 MeV 양성자가속기의업그레이드방안에대한심도있는논의를시작할때이다. 100 MeV 양성자가속기빔라인확충계획 100 MeV 양성자가속기의빔라인은가속기가제공하는양성자빔의 high-intensity, high-power, low-emittance 특성을효과적으로활용하여창의적인연구개발을지원하기위하여이용연구수요, 연구개발동향, 국가전략과학기술연구개발계획등을고려하여설계하였다. 이용연구수요및연구개발동향에대한조사와분석은 100 MeV 양성자가속기개발사업을추진하는과정에서총 4회 (2000 년, 2003년, 2007년, 2012년 ) 를실시하였으며, 2012년도의수요조사에서는총 139건의이용연구제안서를접수하였으며, 연구분야별로는생명의료 26 건 (19%), 재료나노 39건 (28%), 기초과학 34건 (25%), 우주항공 14건 (10%), 에너지 4건 (3%), 원자력 13건 (9%), 기타 10건 (7%) 이었다. 이용연구제안서에서요구하는양성자빔의조건 ( 에너지, 전류, 반복률, 조사량등 ) 과시편또는시료의특성 ( 고체, 액체, 분말, 연성재료등 ) 을고려하여빔라인을이용분야별로구분하여그림 3과같이구성 배치하였다. 100 MeV 양성자가속기의빔라인의설계특성을살펴보면 1 기초및탐색연구용범용빔라인, 2 대량의양성자를요구하는 high-intensity 빔라인, 3 2차입자 ( 중성자, 동위원소등 ) 을활용하기위한 high-power 빔라인, 4 국소적으로집속한펜슬빔을활용하기위한 high-brightness 빔라인, 그리고 5 저선량의양성자빔을장시간활용하기위한빔라인등으로 [4] K. Y. Kim, Y.-S. Cho, J. Y. Kim, K. R. Kim and B.-H. Choi, J. Korean Phys. Soc. 56, 1936 (2010). [5] K. R. Kim, K. Y. Kim, Y.-S. Cho, J. Y. Kim, J.-W. Park and B.-H. Choi, J. Korean Phys. Soc. 59, 521 (2011). 물리학과첨단기술 JANUARY/FEBRUARY

20 MeV 빔라인 100 MeV 빔라인 빔라인평균빔전류빔반복률빔파워활용분야 TR21 600 μa 60 Hz 12 kw 중성자원 TR22 60 μa 15 Hz 1.2 kw 반도체 TR23 600 μa 30 Hz 12 kw 기초 탐색연구 TR24 60 μa 15 Hz 1.2 kw 생명 의료 TR25 1.

4 Fig. 3. Layout of the KOMAC 100 MeV proton accelerator and beamlines installed in the accelerator building. Table 3. Designed characteristics and nominal application fields of beamlines of the KOMAC 100 MeV proton accelerator. 20 MeV 빔라인 100 MeV 빔라인 빔라인평균빔전류빔반복률빔파워활용분야 TR μa 60 Hz 12 kw 중성자원 TR22 60 μa 15 Hz 1.2 kw 반도체 TR μa 30 Hz 12 kw 기초 탐색연구 TR24 60 μa 15 Hz 1.2 kw 생명 의료 TR ma 60 Hz 24 kw 원자력재료 TR μa 60 Hz 60 kw 동위원소 TR μa 7.5 Hz 1 kw 우주방사선환경 TR μa 15 Hz 30 kw 기초 탐색연구 TR μa 7.5 Hz 6 kw 생명 의료 TR ma 60 Hz 160 kw 2차입자원 구분할수있다. 각빔라인이제공할수있는빔의특성을나타내는빔전류, 빔반복률, 빔파워의최대치와주요활용분야는표 3과같이요약할수있고, 각빔라인의빔파라미터는최대치를초과하지않는범위에서이용자의요구조건에따라조절할수있도록설계하였다. 100 MeV 양성자가속기의빔라인확충계획은이용연구수요와파급효과등을조사분석하여수차례보완되었으며, 가장최근에는 2013년도에양성자가속기이용자협의회가주도하여 100 MeV 양성자가속기이용연구현황과성과, 이용연구동향과전망등을종합적으로고려하여검토 보완하였다. 양성자가속기이용자협의회는그림 4와같이 2015년도부터 2023년도까지 9년간 100 MeV 양성자가속기빔라인 8기를연차적으로동위원소개발 생산용빔라인 (TR101, 100 MeV), 우주방사선환경연구용빔라인 (TR102, 100 MeV), 열및열외중성자 (thermal/epi-thermal neutron) 이용연구빔라인 (TR22, 20 MeV), 생명의료분야연구용빔라인 (TR104, 100 MeV), 반도체개발 연구용빔라인 (TR21, 20 MeV), 생명의료분야연구용빔라인 (TR24, 20 MeV), 2차입자원용빔라인 (TR105, 100 MeV) 그리고원자력재료연구개발용빔라인 (TR25, 20 MeV) 의순으로구축하여이용연구를지원하고활용분야를확대하는계획을제시하였다. [6] 양성자가속기이용자협의회가제시한빔라인구축계획은양 Fig. 4. Installation plan of beamlines of the KOMAC 100 MeV proton accelerator. 성자빔의활용분야를다변화시켰으며, 2차입자 ( 중성자, 동위원소등 ) 을이용한분석연구시설의확보필요성을강조하고순위를앞당겼다는것이다. 계획한빔라인을모두구축하면 100 MeV 양성자가속기의설계성능을최대한효과적으로활용할수있는세계최고수준의양성자이용연구개발시설이될것이다. 구축계획이제시한순서에따라각빔라인의특성과활용분야는아래와같이정리할수있다. TR101: 양성자를이용한동위원소개발과생산용빔라인으로빔에너지 MeV, 빔전류 600 ma, 최대빔파워 60 kw이며, 조사면적은 mmf 로빔전류밀도가약 na/mm 2 인고선량빔라인으로설계되었다. 특히, 다양한종류의동위원소를동시에생산할수있도록다른핵종으로구성된다층구조의표적을개발하고있다. 우선적으로개발하여생산하고자하는동위원소는의료계에서진단용으로이용하는양전자방출 (positron emitter) 핵종인 67 Cu, 82 Sr, 22 Na 등이다. TR101 빔라인은 2015년말현재구축을완료하였으며, 2016년상반기시운전을완료하고, 하반기부터운영하여목표로하고있는동위원소를시험적으로생산하여이론적인생산수율과비교연구를통하여최적화할계획이다. TR102: 양성자를이용하여우주방사선환경모사시험시설을구축하여우주방사선에의한위성부품 소자에대한영향평가, 특성시험등을연구하고, 고에너지물리학또는핵물리학연구용입자검출기특성평가, 내방사선시험등에활용하기위한빔라인으로빔에너지가 MeV, 빔전류 10 ma로최대빔파워는 1 kw이며, 조사면적은최대 300 mmf 로빔전류밀도가약 0.15 na/mm 2 인저선량빔라인으로설계되었다. 특히, 실시간데이터획득시스템 (on-line DAQ) 을구축하여우주방사선환경모사시험과검출기특성평가등을위한연구를실시간으로수행할수있는빔라인이다. TR102는 2016년도에 [6] KOPUA(KOrea Proton Users Association), Review of Beamline Installation Plan of the KOMAC 100 MeV Proton Accelerator (2013). 24 물리학과첨단기술 JANUARY/FEBRUARY 2016

5 개발구축하여, 2017년도상반기시운전을완료하고, 하반기부터운영하여우주, 고에너지물리학및핵물리학분야의이용자의연구개발을지원할계획이다. TR21: 양성자를이용하여열중성자 (thermal neutron) 또는열외중성자 (epi-thermal neutron) 을생성하여활용하기위한빔라인으로빔에너지가 3 20 MeV, 빔전류 600 ma, 최대빔파워는 12 kw이며, 조사면적은최대 100 mmf 로빔전류밀도가약 75 na/mm 2 로설계되었다. 펄스폭 ms, 최대반복률 120 Hz인양성자빔으로 7 Li(p,n) 7 Be, 9 Be(p,n) 9 B 등의반응으로펄스중성자빔 ( 선속 n/ma/s 수준 ) 을발생시켜중성자이미징 (neutron imaging), BNCT(borone neutron capture therapy) 등의연구에활용할계획이다. 펄스중성자이미징은소재 부품의비파괴검사, 물질의조성성분, 결정성등의분석이가능하여연료전지, 리튬전지, 문화재, 복합물질검사, 기계구성부품의피로도검사등다양한분야의분석서비스에활용할예정이다. TR104: 양성자를이용하여생명및의료분야연구용빔라인으로빔에너지가 MeV, 빔전류 60 ma로최대빔파워는 6 kw이며, 조사면적은최대 300 mmf 로빔전류밀도가약 0.8 na/mm 2 인저선량빔라인으로설계되었다. 양성자를이용한식물과미생물의돌연변이연구, 생체조직의방사선영향평가및방사선손상에의한복구기능연구, 세포수준에서암치료메카니즘연구등에활용할계획이다. TR22: 양성자빔의산업적인활용을위한빔라인으로빔에너지가 3 20 MeV, 빔전류 60 ma로최대빔파워는 1.2 kw이며, 조사면적은최대 150 mmf 로빔전류밀도가약 3.5 na/mm 2 로설계되었다. 양성자빔을이용하여 IGBT 등의 minor-carrier 수명제어, field-stop layer 형성, super-junction 소자구현등을통한전력반도체의성능및신뢰성향상, 반도체공정용리소그래피용마스크제작기술개발, 다공성폴리머멤브레인형성등산업공정개발에활용할예정이다. TR24: 양성자를이용한생명및의료분야연구용빔라인으로빔에너지가 3 20 MeV, 빔전류 60 ma로최대빔파워는 1.2 kw이며, 조사면적은최대 300 mmf 로빔전류밀도가약 0.8 na/mm 2 인저선량빔라인이다. 식물과미생물의돌연변이연구, 생체조직의방사선영향평가및방사선손상에의한복구기능연구등에활용할계획이다. TR105: 양성자를이용하여 2차입자 ( 중성자, 동위원소등 ) 빔을생성하여활용하기위한빔라인으로최대빔에너지 100 MeV, 빔전류 1.6 ma로최대빔파워는 160 kw이며, 조사면적은 100 mmf 로빔전류밀도가약 200 na/mm 2 인고선량빔라인이다. 최대펄스폭 1.3 ms, 반복률 60 Hz인양성자빔을이용하여생성한펄스중성자 ( 기대선속 n/ ma/s) 빔을이용한 radiography, reflectometry, time-of-flight 등의기법으로물성및구조분석연구, 핵자료 (nuclear data) 생산, 중성자검출기개발등에활용할계획이다. 또한, 동위원소 ( 8 Li, 11 Be, 31 Mg 등 ) 빔을생성하여 b-nmr 등의기법으로물성분석연구등에활용할계획이다. TR25: 양성자를이용한원자력재료연구개발용빔라인으로빔에너지가 3 20 MeV, 빔전류 1.2 ma로최대빔파워는 24 kw이며, 조사면적은최대 100 mmf 로빔전류밀도가약 150 na/mm 2 인고선량빔라인이다. 양성자를이용하여다양한합금류의방사선영향에따른경화, 취화, 성장, 팽윤등을평가하고 DB를구축하여원자력재료개발에활용할계획이다. 100 MeV 양성자가속기업그레이드계획 100 MeV 양성자가속기의업그레이드계획은양성자기반공학기술개발사업이후반부로접어든 2008년도에검토되기시작하였다. 당시, 100 MeV 양성자가속기의업그레이드방안을도출을위한기본경계조건 (boundary conditions) 은 100 MeV 양성자가속기의고유한특성인 high-power 를유지하고사업부지 (400 m 1,100 m) 내에구축이가능한규모의시설이었다. 기본경계조건을만족하는범위에서 1 파쇄중성자원 (spallation neutron source), 2 고에너지물리학또는핵물리학연구시설 (high energy physics or nuclear physics facility), 3 동위원소및의료연구용시설 (RI & medical research facility), 그리고 4 가속기구동로연구시설 (accelerator driven reactor experimental system) 등 4가지확장방안을중점적으로검토하였다. 4가지확장과활용방안을구현하기위한가속기의제원으로빔에너지 1 2 GeV, 빔전류 ma, 빔듀티 8 10%, 빔파워 kw가도출되었고, 가속기의구성과형태는 MeV급선형가속기와 1 2 GeV RCS(rapid cycling synchrotron) 의결합형과 GeV급선형가속기와저장링 (accumulator ring) 의결합형이도출되었다. 도출된 4가지확장방안은 2008년한국과학기술정책연구원이수행한정책연구와 [7] 2010년교육과학기술부가수행한정책연구를 [8] 통하여, 첫번째확장안으로 1 GeV, 2 MW급선형양성자가속기기반펄스중성자원그리고두번째확장안 [7] STEPI, Long-term Planning for Proton Engineering Frontier Project (2009). [8] Ministry of Education, Science and Technology, Efficient Management and Development Scheme for Proton Accelerator Research Center (2010). 물리학과첨단기술 JANUARY/FEBRUARY

Fig. 5. Schematic layout of a 1 GeV, 2 MW proton accelerator and spallation neutron sources, which is an upgrade plan of the KOMAC 100 MeV proton accelerator. 으로 400 MeV 선형양성자가속기와 2 GeV RCS에기반한 0.

이후 100 MeV 양성자가속기를확장하여 1 GeV, 2 MW급선형양성자가속기기반펄스중성자원을구축하는방안은 2010년과 2012년판 국가대형연구시설구축지도 (NFRM, national large research facilities roadmap) 에 강력펄스중성자원 ( 업그레이드 )(strong pulsed neutron source (upgrade))

6 Fig. 5. Schematic layout of a 1 GeV, 2 MW proton accelerator and spallation neutron sources, which is an upgrade plan of the KOMAC 100 MeV proton accelerator. 으로 400 MeV 선형양성자가속기와 2 GeV RCS에기반한 0.5 MW급펄스중성자원을개발하는방안으로정리되었으며, 이용연구수요충족도, 해외유사시설과차별성, 개발비용대비목표성능을비교한경제성, 기술적실현가능성 등을종합적으로심층비교분석하여 첫번째확장안 을우선적으로고려할것을제시하였다. 이후 100 MeV 양성자가속기를확장하여 1 GeV, 2 MW급선형양성자가속기기반펄스중성자원을구축하는방안은 2010년과 2012년판 국가대형연구시설구축지도 (NFRM, national large research facilities roadmap) 에 강력펄스중성자원 ( 업그레이드 )(strong pulsed neutron source (upgrade)) 구축계획으로반영되어있다. [9] 강력펄스중성자원 ( 업그레이드 ) 은그림 5에개략적으로보인바와같이 1 GeV, 2 MW 초전도선형양성자가속기와장펄스 (long-pulse) 및단펄스 (short-pulse) 중성자원으로구성되어있다. 각각의중성자원표적에전달되는양성자빔파워는 1 MW로생성되는열중성자선속은 n/cm 2 -s 이상을목표로하고있다. 장펄스중성자원은펄스폭이 2 ms인중성자빔을이용한분석연구를위한 20여개의빔라인을구축하여, mm~nm 영역의공간분석과 ms~ns 영역의시간분석기능을제공하도록할계획이다. 단펄스중성자원은 accumulator ring을이용하여양성자빔을압축하여펄스폭이 ms급인중성자빔을이용한분석연구를위한 20여개의빔라인을구축하여 0.01~10 nm 영역의공간분석과 ns~fs 영역의시간분석기능을제공할계획이다. 장 단펄스중성자원을구축하고 SANS, holography, phase shift interferometry, static & dynamic tomography, spin echo, elastic scattering, diffraction, neutron resonance transmission, neutron resonance capture analysis, neutron spectroscopy, neutron stimulated emission CT 등다양한분석연구시설을구축하여그림 6에보인바와같이 X-선, NMR, X-선, 전자현미경등으로기존의연구수단으로는접근할수없는새로운시 공간영역을개척하여우리나라의 과학기술영토 를확장하는데일조할수있는첨단연구시설로서의역할을할것이다. 한편, 펄스중성자원운영시부수적으로생성되는뮤온 (muon), 중성미자 (neutrino), 파이온 (pion), 케이온 (K-중간자 ) 등의 2차입자를활용한연구도가능하다. 뮤온은 msr을이용한물성분석연구, 고에너지물리학연구등에활용할수있으며, 중성 Fig. 6. Accessible spacial-temporal domain by using a pulsed neutron source driven by a MW-class proton accelerator. [10] 미자는중성미자진동 (neutrino oscillation) 등의연구에활용가능하고, K-중간자는기묘핵 (strange-nuclei) 등의연구에활용할수있을것이다. 결언 2002년부터 2012년까지수행한양성자기반공학기술개발사업을통하여개발한 100 MeV 양성자가속기는 2013년부터국가대형공동이용연구시설로서운영을시작하여물리학뿐만아니라재료, 나노, 바이오, 에너지, 환경, 우주, 의료등다양한분야의연구개발과산업적응용연구에활발히활용되고있다. 그러나 100 MeV 양성자가속기의설계성능을효율적이고효과적으로활용하기위해서는미구축빔라인 8기를조속히구축하여창의적인연구개발에이용할필요가있다. 또한, 100 MeV 양성자가속기에잠재되어있는확장성과활용성을고려하여세계적최고수준의연구시설로업그레이드하는계획에대한관심과논의를시작할때가되었다. 앞서제시한 100 MeV 양성자가속기의미구축빔라인확충계획과 1 GeV, 2 MW급선형양성자가속기로의업그레이드계획에는지난 20여년동안국내외의수많은전문가의고견이녹아들어있으나, 창의적인이용연구와새로운연구개발영역을개척하는선도적연구시설로자리매김하기위해서는다양한분야의이용자의지속적인관심과아이디어제안이필요하다. 보다더많은연구자가양성자가속기를이용한연구에관심과흥미를가지고창의적인연구를통해우수한성과를창출하길기대한다. [9] National Science & Technology Commission, National Large Research Facilities Roadmap (2012). [10] D. Marquardt, R. J. Alsop, M. C. Rheinstadter and T. A. Harroun, J. Cardiovasc. Dev. Dis. 2, 125 (2015). 26 물리학과첨단기술 JANUARY/FEBRUARY 2016

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<313630313032C6AFC1FD28B1C7C7F5C1DF292E687770> 양성자가속기연구센터 양성자가속기 개발 및 운영현황 DOI: 10.3938/PhiT.25.001 권혁중 김한성 Development and Operational Status of the Proton Linear Accelerator at the KOMAC Hyeok-Jung KWON and Han-Sung KIM A 100-MeV proton linear accelerator