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물리학과 첨단기술의 세계 μsr 및 β-nmr: 물성연구를 위한 새로운 실험 기법 이주한 최광용 장지훈 서병진 DOI: 10.3938/PhiT.23.

provides new powerful tools to study materials.

msr (muon spin relaxation, rotation or resonance) and b-nmr (beta-radia- Fig. 1. Current msr facilities in the world.

Fortunately, the RAON(Korea heavy-ion accelerator) project was recently launched and msr and b-nmr facilities are considered to be main facilities for material science research at the RAON.

1 물리학과 첨단기술의 세계 μsr 및 β-nmr: 물성연구를 위한 새로운 실험 기법 이주한 최광용 장지훈 서병진 DOI: /PhiT μsr and β-nmr: New Experimental Techniques for Material Science Research Ju Hahn LEE, Kwang-Yong CHOI, Zeehoon JANG and Byoung Jin SUH The convergence of solid-state physics and nuclear physics provides new powerful tools to study materials. The application of extremely sensitive methods and devices developed by nuclear physicists has been shown to be advantageous for investigating the electromagnetic properties of materials. msr (muon spin relaxation, rotation or resonance) and b-nmr (beta-radia- Fig. 1. Current msr facilities in the world.[1] tion-detected nuclear magnetic resonance) are representative examples of the convergent techniques. Fortunately, the RAON(Korea heavy-ion accelerator) project was recently launched and msr and b-nmr facilities are considered to be main facilities for material science research at the RAON. We introduce the potential strength of msr and b-nmr techniques for material science research and report the current status of their developments at the RAON. 들어가며 중이온가속기를 이용하여 발생되는 희귀동위원소 이온빔은 더 이상 핵물리학 분야 연구만의 전유물이 아니고 물성 연구 분 Fig. 2. Bird s-eye view of Korea heavy-ion accelerator complex RAON.[2] 야에서도 아주 중요한 도구로서 주목받고 있다. 이는 기존의 물 relaxation, rotation or resonance) 및 b-nmr(beta-radia- 성 분석법에 비해 민감도가 매우 크기 때문에 박막은 물론 나노 tion-detected nuclear magnetic resonance)의 경우 공명 기법 미터 크기 물질의 물성 분석과 물성의 화학적 원인 규명을 가능 을 이용하여 Hz 주파수 영역 대에 걸쳐 자기장 변 하게 하기 때문이다. 대표적인 물성연구기법인 msr(muon spin 화를 측정하므로 중성자 산란이 탐지할 수 없는 에너지 영역에 서의 스핀 요동에 관한 정보도 제공한다. 실제로 물성 연구 분야 저자약력 에서의 중이온가속기의 역할은 캐나다의 TRIUMF, 스위스의 PSI, 이주한 박사는 중앙대학교 물리학과 박사(핵물리학 전공)로서, 현재 기초과 학연구원 중이온가속기구축사업단 연구위원으로 재직 중이다. 영국의 ISIS, 일본의 J-PARC 등 (그림 1) 세계 유수의 대형 연 최광용 교수는 독일 Aachen 공과대학 물리학과 박사(응집물리학실험 전공) 로서, 현재 중앙대학교 물리학과 교수로 재직 중이다. 며 그 역할이 점진적으로 확대되고 있는 추세이다. 장지훈 교수는 미국 아이오와 주립대학 물리학과 박사(응집물리학실험 전 공)로서, 현재 국민대학교 물리학과 교수로 재직 중이다. 서병진 교수는 미국 아이오와 주립대학 물리학과 박사(응집물리학실험 전 공)로서, 현재 가톨릭대학교 물리학과 교수로 재직 중이다. 34 물리학과 첨단기술 MARCH 구 시설에서의 연구 결과를 통해서 그 중요성이 입증되고 있으 [1] PSI ( TRIUMF ( ISIS (http: // J-PARC ( /MatLife/en/). [2] RAON (

현재 2020년 초 완공을 목표로 한국형 중이온가속기(RAON) 구축사업이 진행되고 있으며(그림 2) 물성과학 연구 시설로 msr 및 b-nmr 장치가 구성되어 있다. 이 글에서는 msr 및 b-nmr의 기본원리와 물성과학 분야 연구에서의 활용도를 순 서대로 소개하고 RAON에서의 개발계획과 지금까지의 진행상 황에 대해 알아보도록 하겠다.

2 현재 2020년 초 완공을 목표로 한국형 중이온가속기(RAON) 구축사업이 진행되고 있으며(그림 2) 물성과학 연구 시설로 msr 및 b-nmr 장치가 구성되어 있다. 이 글에서는 msr 및 b-nmr의 기본원리와 물성과학 분야 연구에서의 활용도를 순 서대로 소개하고 RAON에서의 개발계획과 지금까지의 진행상 황에 대해 알아보도록 하겠다. μsr (muon spin relaxation/rotation/resonance) 뮤온을 이용한 msr은 자성 및 초전도를 비롯한 다양한 물 성연구에 활발히 사용되고 있는 거대 과학 시설의 하나이다. Fig. 3. (a) Schematic diagram of μsr.[5] (b) Decay scheme of positive muon. (c) Angular dependence of positron emission with respect to the spin orientation of muon. 뮤온은 기본입자의 하나로 무거운 전자라고 할 수 있다. 뮤온 입 자는 1936년 Anderson과 Neddermayer가 우주선 복사(cosmic [3] 붕괴과정에서 방출되는 양전자의 방향은 뮤온 스핀의 방향과 뮤온 과학은 1950년 양전자의 에너지에 따라 그림 3(c)와 같이 비대칭적인 각분포를 말 1세대 양성자 가속기의 출현으로 서막이 열렸고, 1970년대 갖는데 이러한 양전자의 비대칭적인 각분포를 시간의 함수로 측 radiation)를 연구하다 처음 발견했다. [4] 중반 2세대 양성자가속기의 건설로 본격화 되었다. 이 당시 정하면 붕괴시의 뮤온 스핀에 관한 정보를 알 수 있다. 시료에 지어진 대표적인 연구시설이 PSI와 TRIUMF로 현재 msr을 활 서 뮤온스핀은 국소 자기장이나 전자 및 핵 스핀과 쌍극자-쌍극 용한 물성연구를 주도하고 있다. 자 혹은 페르미 접촉(Fermi contact)과 같은 초미세 상호작용을 뮤온은 사이클로트론이나 선형가속기를 이용하여 양성자를 하므로 궁극적으로 국소적 전자기 물성을 연구할 수 있다. 400 MeV 이상 가속시켜 흑연 표적(graphite target)에 충돌시 msr 실험장치는 뮤온 빔의 시간적 구조에 따라 CW-mSR과 킬 때 이차 빔에서 나타난다. 먼저, 핵자의 충돌로 양성 파이온 Pulse-mSR로 구별되며 (그림 1), 외부자기장 유무와 방향에 따라 (positive pion)이 생성된다. 이렇게 생성된 파이온은 26 ns의 세 가지로 분류된다: (1) 외부자기장이 없는 ZF(Zero Field)-mSR lifetime을 가지고 뮤온(사실은 반뮤온)과 중성미자로 붕괴한 (그림 4 참조), (2) 뮤온스핀과 외부자기장이 평행한 LF(Longitudi- 다. 파이온의 스핀 값은 영이고 중성미자의 나사선성(helicity) nal Field)-mSR, (3) 뮤온스핀과 외부자기장이 수직하는 TF(Trans- 은 1이다. 이런 성질로 인해 생성된 뮤온은 100% 스핀 편 verse Field)-mSR.[7,8] 시료에 주입되기 전에 뮤온은 계수기에 기록 극이 되고 스핀과 운동량의 방향은 서로 반대가 된다. 물성연 이 되고 시료 안에서 붕괴된 양전자를 뮤온의 진행방향을 기준으 구를 위해 주로 사용되는 뮤온은 흑연 표적의 표면에 정지한 로 앞(Forward)과 뒤(Backward)에 쌍으로 놓인 양전자 검출기를 파이온이 붕괴하며 방출하는 표면뮤온(surface muon)이다. 표 이용하여 측정한다. 이때, 각 검출기에 측정되는 시간에 따른 양전 면뮤온은 비교적 낮은 에너지(E 4.12 MeV)와 운동량(p 자 개수에 관한 히스토그램 F( )와 B( )는 다음과 같다 MeV/c)을 가진다. 이는 대부분의 덩치시료의 물성연구에 적합하다. 또한, 생성된 표면뮤온을 조절기(moderator)를 이용 해 2 ev 30 kev 이하로 에너지를 낮출 수 있다. 매우 낮은 에너지 뮤온의 경우 물질에 입사되는 깊이는 대략 수 nm에서 수백 nm로 깊이에 따른 물성연구에 적합하다.[6] 표면뮤온의 경우 물질의 밀도에 따라 시료의 mm 깊이에 주입된다. 108개 정도의 비교적 적은 수의 뮤온이 주입 되기 때문에 방사(radiation)에 의한 물질의 손상은 제한적이 다. 뮤온 빔이 물질 안으로 주입이 되면, 열평형화(thermalization) 과정을 통해 뮤온이 가진 에너지를 2 3 ev 정도로 잃고 정 전기력에 의해 전기적 위치에너지가 최소값을 갖는 격자 틈새 에 들어가게 된다. 격자 틈새에 위치한 뮤온은 국소 자기장에 의해 세차운동(Lamor precession)을 하면서 양전자, 전자 중성 미자 및 반-뮤온 중성미자로 붕괴한다 [그림 3(a), 3(b)]. exp ± [3] S. H. Neddermeyer and C. D. Anderson, Phys. Rev. 51, 884 (1937). [4] S. L. Lee, S. H. Kilcoyne, R. Cywinski eds, MUON SCIENCE: MUONS IN PHYSICS; CHEMISTRY AND MATERIALS (IOP Publishing, Bristol and Philadelphia, 1999). [5] μsr brochure by J. E. Sonier (2002). ( musr/musrbrochure.pdf). [6] P. Bakule and E. Morenzoni, Contemporary Physics 45, 203 (2004). [7] S. J. Blundell, Contemporary Physics 40, 175 (1999). [8] A. Yaouanc and P. Dalmas de Reotier, Muon Spin Rotation, Relaxation and Resonance: Applications to Condensed Matter (Oxford University Press, Oxford, 2011). 물리학과 첨단기술 MARCH

물리학과첨단기술의세계 Fig. 4. (Left panel) Schematic diagram of the zero-field(zf) μsr setup. (Right panel) Histograms of detection events in the forward and backward detectors and their asymmetry plot.

따라서측정된 F ( ) 와 B ( ) 에서 background를보정하고지수함수적붕괴항을나누면비대칭인자 ( ) 0 ( ) 를얻게되는데이값이시료내에서뮤온스핀의시간에따른변화를나타내는 msr 관측량이다 ( 그림 4 참조 ). 참고로 0 의이론적가능한최대값은 1/3이나검출기의감도, 배열입체각과같은실험장치적요소에의해보통 0.23 0.28의값을갖는다.

3 물리학과첨단기술의세계 Fig. 4. (Left panel) Schematic diagram of the zero-field(zf) μsr setup. (Right panel) Histograms of detection events in the forward and backward detectors and their asymmetry plot. [5] 여기서지수함수는뮤온의 lifetime(t m 2.2 ms) 에의한붕괴과정을의미하며 background는시료에주입된뮤온과붕괴된양전자가우연적동시성을가지는배경신호로시간에무관하다. 따라서측정된 F ( ) 와 B ( ) 에서 background를보정하고지수함수적붕괴항을나누면비대칭인자 ( ) 0 ( ) 를얻게되는데이값이시료내에서뮤온스핀의시간에따른변화를나타내는 msr 관측량이다 ( 그림 4 참조 ). 참고로 0 의이론적가능한최대값은 1/3이나검출기의감도, 배열입체각과같은실험장치적요소에의해보통 의값을갖는다. 비대칭인자의온도, 자기장등에대한의존성을 ZF-, LF- 및 TF-mSR 실험을통해측정하여뮤온스핀이위치한시료내의국소미세자기장 (local hyperfine field) 의공간적분포와동역학적인요동을이해하는것이뮤온을이용한물성연구의목표이다. 활용적인측면에서 msr의장점을기술하면다음과같다. 먼저, 완전하게편극된뮤온스핀을탐침으로사용하기때문에외부자기장을인가하지않고자성물성을연구할수있고뮤온자체의큰자기회전비율 ( m /2p = MHz/T) 로인해 0.1 G 정도의매우약한내부자기장에대해민감하다. 이는자성물질에서 10-4 m B 크기의정렬된자기모멘트를관측할수있는수준이다. 따라서희석되거나임의로정렬된자기모멘트를가지는계를연구하기에매우적합하다. 뮤온스핀값이 S 1/2이기때문에오직자기장의효과만을측정한다. 그리고, 0.1 ns에서 10 ms 대역의시간창을가지기때문에 Hz의스핀요동측정이가능하여 NMR과중성자산란이관측불가능한영역대에중요한정보를제공한다. 또한, 수 mm의비교적작은시료는물론물질의상태 ( 기체, 액체, 및고체 ) 에무관하게측정이가능하다. msr이가장활발하게적용되는분야는자성물질연구이다. 특히, 비균질자성체에서비대칭인자의진폭, 진동수및감쇠율을통해서로다른상들의부피비와비균질정도를알아낼 Fig. 5. (a), (b) Spin topology and magnetic ordering pattern of CdCu 2(BO 3) 2. [9] (c) ZF-μSR spectra at various temperatures. (d), (e), (f) Temperature dependence of order parameter, relaxation rate, and magnetic volume fraction. [10] 수있다. 유형 II 초전도체의자기소용돌이격자구조를결정할수있고, 침투깊이및초유체밀도의온도의존성을알아낼수있다. 이외에도 ( 자성 ) 반도체, 나노물질, 스핀유리, 스핀얼음, 산화물기반전자소자, 이차전지물질, 위상절연체, 유기 / 무기하이브리드물질, 액체결정, 무거운페르미온계, 쩔쩔매는양자자성계, I-mSR (Integrated-mSR) 을이용한분자및폴리머, 자유라디칼화합물연구, 에너지및환경분야와생체물질에서전자전이등매우광범위한분야에서그활용도가증가하고있다. 일례로그림 5에본연구팀에의해최근 PSI에서수행된 CdCu 2 (BO 3 ) 2 에서의 ZF-mSR 연구결과를소개하고자한다. 2 차원적으로결합된사합체 (tetramer) 가쩔쩔매는스핀구조를이루는 CdCu 2 (BO 3 ) 2 화합물은중성자회절실험에의하면 N 9.8 K에서반강자성질서로의상전이를보인다. [9] 강한이합체결합을한두개의 Cu(1) 스핀의정렬된자기모멘트는 0.4 m B 이고반강자성적으로약하게결합된두개의 Cu(2) 스핀의정렬된자기모멘트는 0.8 m B 값을가진다 [ 그림 5(b) 참조 ]. ZF-mSR 스펙트럼은 N 이하온도에서정렬된자기모멘트로인한진동을보인다. 이를분석하여질서매개변수 ( 진동수 ), 이완율과자성체의부피비의온도의존성을얻었다. 흥미로운결과는 Cu(1) 과 Cu(2) 의정렬된자기모멘트의온도의존성이 7 K 근처에서변칙적이라는것이다. 이완율과자성체의부피비도해당온도에서약간의변칙성을보인다. 이는스핀부분격자가재배열을한것으로해석할수있고 Cu(1) 와 Cu(2) 의상호작용력이위계질서를가짐으로해서생겨난다. 위의실험결과는자성적으로상이한스핀부분격자의질서변수를분리하여알아낼수있는 msr의장점을보여준다. [10] [9] O. Janson, I. Rousochatzakis, A. A. Tsirlin, J. Richter, Yu. Skourski and H. Rosner, Phys. Rev. B 85, (2012). [10] W. J. Lee et al., in preparation. 36 물리학과첨단기술 MARCH 2014

4 Table 1. Characteristics of μsr, β-nmr and conventional NMR techniques. NMR msr b-nmr Polarization < 0.01 > Detection Method electronic pick-up anisotropic positron decay anisotropic electron decay Sensitivity spins 10 7 spins 10 7 spins T 1 Range (s) Table 2. List of available radioactive isotopes for β-nmr study and their specifications. 핵종 스핀 반감기 (s) g m /2p (MHz/T) Decay Asymmetry 빔세기 (pps) 8 Li Be 1/ < O 1/ Ne 1/2 0.1? m ± 1/ β-nmr (beta-radiation-detected nuclear magnetic resonance) msr 및 b-nmr 은원리적인측면에서자기공명현상을이용하여물성을분석하는 NMR(Nuclear Magnetic Resonance) 기술과동일하다. 하지만, NMR 의경우에비해서 msr 및 b-nmr 에서는핵자의스핀편극도가매우높다. 예를들면상온, 4.1 T 외부자기장하에서 8 Li 핵자의편극도는대략 정도이나 [11] 8 Li b-nmr 에서의편극도는 70 % 이상이고뮤온의경우는 100 % 이다. 핵자자기모멘트의요동으로인한자기유도 (magnetic induction) 를검출기코일 (detection coil) 로측정하는 NMR에비해서 msr 및 b-nmr 은방사성동위원소핵자의 b 붕괴를이용하여신호를측정한다. 이러한이유들로인하여 msr 및 b-nmr 의민감도는 NMR 에비해서최대 배이상높다. [12] 표 1은기존의 NMR 기술과 msr 및 b-nmr 기술을간략히비교하여정리한것이다. b-nmr 은원래핵물리학에서방사성핵자의핵 g-인자, [13] 핵자기모멘트 [14] 등을측정하기위하여 1950년대후반부터실험방법이개발되었다. 하지만물성연구에의응용은 ISOL(Isotope Separation On-line) 기법을통해높은세기의 8 Li 빔공급이가능해진이후부터라고할수있다. [15] 그이후에도물성연구용 b-nmr 에사용할수있는정도의측정정밀도를만족시킬수있는빔의안정성과편극도등의문제로인해현재가동중인물성연구용 b-nmr 시설은캐나다의 TRIUMF 한곳에불과하다. b-nmr 은국소자기장내에서 b 붕괴하는방사성동위원소의붕괴비대칭측정을통해서시료의미시적전자기적특성을측정한다는점에서 msr과그원리가동일하고, 특히 Pulse-mSR과 b-nmr 은측정방식자체도거의동일하다. 따라서측정원리에대해서는별도로언급하지는않겠다. 다만, msr과달리 b-nmr 시설에서는공급된희귀동위원소빔을편극시키기위한장치가추가로필요하며 8 Li의경우 OPM(optical pumping method) 을이용하여 70 % 이상의높은편극도의편극빔을만들수있다. b-nmr 에서탐침역할을하는원자핵은다음과같은네가지조건을만족해야한다. 기본적으로 1 베타붕괴를하는방사성원소 이어야하고, 물질과의미세상호작용을위해 2 고유모멘트를가지고있어야하며, 3 고유모멘트가모두한방향으로정렬되도록편극이가능해야하고, 물질내국소미세자기장을정확히측정하기위해서 4 탐침원자핵의존재로인한자기장혹은전기장의섭동이최소화되어야한다. 지금까지알려진다양한방사성핵종가운데이러한조건에적합한핵종은 8 Li, 11 Be, 15 O, 17 Ne 등이있으며, 이가운데 8 Li만이현재유일하게 b-nmr 의탐침기로개발되어이용되고있는상태이다. 표 2에이들핵종의특징과요구되는빔세기를나타내었다. 사실전술한이유들로인해서 b-nmr 실험기법은아직도태동기라고할수있다. 하지만 TRIUMF 에물성연구용 b-nmr 장치가구축된이후현재까지자성체, 초전도체, 금속, 반도체, 유전체등고체물리전분야에서다양하고새로운연구결과가지속적으로발표되면서그중요성및응용잠재력이점진적으로인정받고있다. 그중입사에너지를변화하여주사깊이를조절하는소위깊이분해능은박막및나노스케일시료의물성연구에매우유용한능력으로자성다중박막연구, [16,17] 초전도체표면에서의자기소용돌이연구 [18] 및그림 6에보이는것처럼분자자성체단층박막연구 [19] 등에서그능력이검증되었다. 물론아직도체계적인깊이조절능력이미흡하고시료의존도가높기는하지만이러한깊이분해능은저에너지-mSR(LE-mSR) 과 b-nmr 만의독보적인능력으로무한한응용잠재력을내포하고있다. [11] W. A. MacFarlane, G. D. Morris, FRIB Symposium, 240th National Meeting of the American Chemical Society (2010). [12] G. D. Morris, R. F. Kiefl, β-detected Nuclear Magnetic Resonance at ISAC, 1999 TRIUMF Annual Report (1999). [13] D. Connor, Phys. Rev. Lett. 3, 429 (1959). [14]H. Rauch, Z. Phys. 197, 389 (1966); H. Ackermann, D. Dubbers, J. Mertens, A. Winnacker and P. yon Blanckenhagen, Phys. Lett. 29B, 485 (1969). [15] M. Keim et al., Eur. Phys. J. A 8, 31 (2000). [16] T. A. Keeler et al., Physica B, , 79 (2006). [17] T. A. Keeler et al., Phys. Rev. B 77, (2008). [18] Z. Salman et al., Phys. Rev. Lett. 98, (2007). [19] Z. Salman et al., Nano Lett. 7, 1551 (2007). 물리학과첨단기술 MARCH

물리학과첨단기술의세계 Fig. 6. (a) Stopping profiles of 8 Li ion for two different values of implantation energy. (b) Simulation of dipolar fields for two different implantation depths.

RAON 의활용시설은희귀동위원소질량측정, 특이핵구조연구, 천체핵합성연구, 기본대칭성연구등을수행하기위한기초핵물리학시설과물성과학, 바이오 -의학및고속중성자핵반응률측정등을위한응용과학시설로구성되어있다. 이가운데물성과학시설은초전도및스핀동역학과같은특이자성연구를목표로 b-nmr 과 msr이주요장치로구성되어있다.

5 물리학과첨단기술의세계 Fig. 6. (a) Stopping profiles of 8 Li ion for two different values of implantation energy. (b) Simulation of dipolar fields for two different implantation depths. (c) 8 Li β-nmr spectra for two different implantation depths. [19] 한국형중이온가속기 RAON의물성과학연구시설한국형중이온가속기 RAON 은 2020년초완공을목표로하여작년 9월초기버전의 TDR(Technical Design Report) 을발표하면서그본격적인개발작업이진행되고있다. RAON 의활용시설은희귀동위원소질량측정, 특이핵구조연구, 천체핵합성연구, 기본대칭성연구등을수행하기위한기초핵물리학시설과물성과학, 바이오 -의학및고속중성자핵반응률측정등을위한응용과학시설로구성되어있다. 이가운데물성과학시설은초전도및스핀동역학과같은특이자성연구를목표로 b-nmr 과 msr이주요장치로구성되어있다. b-nmr 은고순도및고휘도의편극희귀동위원소빔을요구하므로 RAON의 ISOL 시설로부터빔을공급받아편극시킨후이용하게된다. 그러므로 b-nmr 시설은 ISOL 과가장근접하게위치한 lowenergy experimental hall 에설치될예정이며, 파이온의붕괴로생성된뮤온을이용하는 msr은효과적인파이온생성을위해고에너지양성자빔이요구되므로 RAON의 driver linac인 SCL2의끝인 high-energy experimental hall에설치될예정이다 ( 그림 7). (1) 8 Li 빔을이용한 b-nmr 시설현재전세계적으로물성연구전용의 b-nmr 장치를가동중인곳은캐나다 TRIUMF 가유일하다. TRIUMF에서물성연구용 b-nmr을위해사용하고있는희귀동위원소는 8 Li으로서 500 MeV 양성자빔을 Ta foil에충돌시켜핵파쇄반응 (spallation reaction) 을통해생성하고있다. RAON 의물성연구용 b-nmr 장치는 TRIUMF 시설을모델화하여 8 Li 빔을이용한장치로의개발을진행하고있다. 현재 RAON 의 ISOL 시설은전용의사이클로트론에서인출되는 70 MeV 양성자빔을이용하므로 8 Li 빔의생성을위해서는 TRIUMF 와는다른새로운생성반응을이용해야한다. 가능한핵반응은 9 Be(p, 2p) 8 Li Fig. 7. Conceptual scheme and beam specifications of Korea heavyion accelerator complex RAON. 반응으로서 R. Silberberg 와 C. H. Tsao 가이론적으로제시한고에너지양성자빔에의한핵분리반응 (nuclear breakup reaction) 단면적계산식 [20] 에따르면 10 9 /s/ma/g/cm 2 의 8 Li 을얻을수있으며, 표적의두께와빔세기를최적화하면 10 8 pps 세기의빔확보가충분히가능하다. 앞으로이를구현하기위한연구가진행될계획이다. 생성된 8 Li 빔을 70 % 이상편극시키기위하여 OPM(Optical pumping method) [21] 을이용한편극화장치인 APOLRO (Apparatus for POLarization of Rare isotopes using Optical pumping) 를설계하였고현재 80 % 의편극도와 35 % 이상의전송률로편극된 8 Li 빔을전송하기위한 APOLRO의개발이진행되고있다. 스펙트로미터의경우우선적으로구조가간편하고사용이용이하며활용빈도가가장높은사양 ( 자기장 0.5 T, 온도범위 : K) 의범용스펙트로미터구축을목표로설계하였다. 한편, 베타검출시스템은실리콘광전자증배관을이용하여 segment type의검출기를구성함으로써구조를단순화하고데이터수득률을높이도록설계하였다. 그림 8 은현재개발중인 APOLRO 와범용스펙트로미터 GEUSS (GEneral USe Spectrometer) 의개요도이다. (2) 뮤온빔을이용한 msr 시설 msr은역사가오래되고기술적으로나시설면에서완성도가높은물성연구기법이어서뮤온생성이가능한가속기시설만 [20] R. Silberberg and C. H. Tsao, The Astrophysical Journal Supplement Series No. 220(I), 25, 315 (1973). [21] C. D. P Levy et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 204, 689 (2003). 38 물리학과첨단기술 MARCH 2014

Illustrations of the beam polarizer APOLRO and the general-use spectrometer GEUSS designed for β-nmr study at RAON. 갖춰진다면그리큰어려움없이구축할수있는시스템이다.

6 Transverse-field coil Logitudinal-field coil Backward detector Cryostat Forward detector Beam Beam Sample Fig. 9. Beam envelope and track calculated for the surface muon beam line of RAON with the TRANSPORT code [22] and the G4beamline code. [23] Fig. 8. Illustrations of the beam polarizer APOLRO and the general-use spectrometer GEUSS designed for β-nmr study at RAON. 갖춰진다면그리큰어려움없이구축할수있는시스템이다. RAON의 msr 시설을설계함에있어서동일한 CW(continuous wave) 뮤온빔시설인 PSI ( 스위스 ) 의 msr 시설을벤치마크하였으며, 장치의사양설정에있어서는전세계 msr 시설의사용빈도를고려하여결정하였다. 뮤온빔은 msr 연구에서가장활용도가높은표면뮤온 (surface muon, 4 MeV) 빔으로설정하였으며, 빔세기는추후빔라인의확장과초저에너지 (Ultra-slow, 30 kev) 뮤온빔생성, 그리고뮤온물리에서의활용을고려하여 10 8 pps 이상으로설정하고이에맞춰빔표적을설계중이다. 표면뮤온전송용빔라인은표적에서발생된표면뮤온을수집하는수집용솔레노이드와파이온및고속뮤온, 전자등을분리하기위한두개의이중극자석 (dipole magnet), 표면뮤온과동일한운동량의양전자를분리하기위한속도분리기 (Wien filter), 그리고집속을위한사중극자석 (quadrupole magnet) 으로구성된다. 주로전방각방향으로방출되는다량의중성자에의한영향을줄이기위해양성자빔방향에대해수직인방향으로빔라인을배치하였다. 속도분리기는동일운동량의양전자를분리하기위한목적으로쓰이기도하지만, 표면뮤온의스핀방향을회전시키기위해서도사용된다. Transport code [22] 와 G4beamline code [23] 를이용하여빔라인을설계하였으며 [ 그림 9], 그결과표면뮤온에대한전송률 ( 수집률포함 ) 이 2% 로서 600 MeV, 660 ma 양성자빔과 6 cm 길이의 graphite 표적을이용할경우시료위치에서약 pps 세기의표면뮤온을얻을수있었다. msr용스펙트로미터는그기본구조와원리가 b-nmr 용스펙트로미터와동일하지만펄스빔형태로이벤트를처리하는 b-nmr 과는달리, 입사되는각각의뮤온이붕괴되어방출되는양전자 ( 또는전자 ) 의개별적인계측을통해각이벤트를구성하게된다. 그러므로입사뮤온을독립적으로 tagging하기위한뮤온검출기와뮤온이시료이외의위치에서붕괴하여만 들어지는이벤트를제거하기위한 background 검출기가추가로요구된다. RAON 에서첫번째개발을목표로하는 msr용스펙트로미터역시 b-nmr 스펙트로미터와동일한사양 ( 자기장 0.5 T, 온도범위 : K) 의범용스펙트로미터이며, 실리콘광전자증배관을이용하여구조를단순화하고 msr 전용의이벤트로직회로를구성하여데이터획득불감시간을줄임으로써측정시간을최소화하는방향으로설계되고있다. 맺음말 세계적으로매우활발히진행되고있음에도 msr 및 b-nmr 을이용한물성연구가국내에서는생소하다고할수있다. 이는결코물성연구를위해중이온가속기가제공하는 msr 및 b-nmr 시설들의중요도나공헌도가낮아서가아니라지금까지국내물성연구전문가들에게접근이용이하지않았기때문이다. 따라서 ( 물론아직도홍보가부족한점은있지만 ) 한국형중이온가속기 RAON 구축사업이진행되고있다는사실에대해국내물성과학분야에서도많은기대를하고있다. 이는단순히상징적인의미만은아니며 RAON이세계적으로가장다양한종류의이온들과세계최고의이온빔세기를구현하는것을개념설계단계에서부터지향하고있기때문이다. 물론빔의안정성등기술적인부분이뒷받침되어야하지만일차적으로이온빔세기가높을경우측정감도를높이는데유리하며따라서세계적으로경쟁력있는물성연구용 msr 및 b-nmr 시설이구축될것이기대된다. 특히, b-nmr 의경우물성연구시설로는현재 TRIUMF 에서만구현되고있는실정으로물성분야에서는태동기라고볼수있는데국내에서차별화된빔세기를토대로구축될경우명실공히세계적으로독보적인위치의물성연구시설이될가능성이매우높다고할수있다. [22] A charged particle beam transport code ( ch/urs_rohrer/myweb/optics.htm). [23] A particle tracking simulation program based on Geant4, ( 물리학과첨단기술 MARCH

rientation of Nuclear Spins in an Applied Magnetic Field 수소핵에외부자기장을걸어주면수소핵은전하를띠므로핵자기모멘트가유도 됨 Figure 13.1 : Spin states of 1 and 13 nuclei in t

47 hap 13 Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 13.1 Nuclear spin states 13.2 rientation of nuclear spins in an applied magnetic field 13.3 Nuclear magnetic resonance 13.4 An NMR spectrometer 13.5 Equivalent