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고객지원 / FAQ

1. 가속기(accelerator)란 무엇입니까?

원자핵의 구성물질인 전자, 이온 등의 하전입자를 DC 혹은 RF로 구동되는 전기장하에서 가속시키는 장치이다. 일반적으로 DC로 구동되는 정전형 가속장치로 Van de Graaff가속기가 대표적이며, 그 외 대부분의 가속기는 RF 전원을 이용하게 된다. 사이클로트론, 선형가속기, 싱크로트론, 베타트론, storage ring등 거대 가속장치의 대부분이 RF전원을 사용하는 가속기이다.

2. 한국에도 가속기가 있습니까?

물론 있습니다. 1970년대부터 서울대, 연세대 등에서 정전형 가속기의 자체적 제작이 시도되었습니다. 또한 500 kV급 single-ended 반데그라프 가속기가 서울대/부산대/전남대학교에 도입되어 핵물리실험에 사용되었습니다. 그 후 한국지질자원연구원과 전자통신연구원, 한국과학기술연구원 및 서울대학교에서 정전형 2단가속기를 도입하여 MeV급 이온의 활용을 시작하고 있습니다.

1988년부터 포항(전자)가속기가 건설되어 2GeV의 전자빔을 생산하였으며, 개량을 거쳐 현재 4세대 광원이라 불리는 free-electron 가속기를 건설하고 있습니다. 원자력연구소(경주소재)에서는 2000년대 초부터 10년에 걸쳐 100 MeV급 고전류 양성자가속기를 건설하였으며, 현재는 대전의 기초과학지원연구원에서 100 MeV/nucleon 의 선형이온가속기를 건설중이다. 그 외 원자력의학원을 중심으로 의료용 사이클로트론을 1985년부터 도입하여 의료용 동위원소생산에 이용중이며 치료용 중입자이온의 생산을 위하여 사이클로트론형의 가속기를 자체적인 기술로 건설하는 중이다.

3. 가속기는 어디에 사용됩니까?

네, 있습니다. 장비 측면에서 얘기하자면 입자가속기라 불리우며, 활용 혹은 응용측면에서는 다양한 이름으로 불리고 있습니다. 예를 들자면 대표적인 전자가속기로 포항가속기가 있습니다. 포항공대에서 건설했고 현제 운용중인 가속기로서 선형가속기로 전자를 수 GeV까지 가속하여 storage ring이란 장치로 입사하여 회전시키는 가속기입니다. 포항가속기는 포항광원(Pohang light source, PLS)라고도 불리우며 이는 PLS의 활용목적이 가속한 전자빔을 이용하고자 하는 것이 아니고 하전입자(즉, 전자빔)이 가속시 방출되는 “빛”을 생산하고자 했기때문입니다.

이 외 저에너지 이온가속기의 대표적 활용처는 반도체생산공정에서 고순도 반도체내부에 인위적으로 불순원소를 도입하는과정입니다. 저에너지 이온주입장치로 3족, 혹은 5족 원소를 도핑하는 공정을 이온주입공정이라고하며 이 장치의 실체는 정전형 이온가속기 입니다.

그외 연구용가속기로 정전형가속기가 연구소 및 대학에서 활용되고 있고, 경주에 건설된 양성자가속기는 100 MeV 양성자를 생산하고 이를 이용하여 동급에너지의 중성자를 생산하고 있습니다. 병원에서는 종양의 진단과 치료에 고속 이온입자를 생산하는데 사이클로트론 등을 사용하고 있으며, 수 십 MeV 전자빔은 화학폐기물의 처리와 물질의 변성, 개질 등에 이용되고 있습니다.

건설 중이지만 대전의 기초과학연구원에서는 희귀동위원소가속기라는 최첨단 이온가속기를 2021년 목표로 건설중입니다. 이는 기본적으로 선형가속기로 희귀동위원소 이온빔을 가속하는 시설입니다.

4. KIST의 가속기시설은 어떻게 이용되고 있습니까?

학국과학기술연구원(KIST)은 1997년 2MV tandem형 정전형가속기를 도입하여 이온주입 및 이온빔을 이용한 분석기술에 활용하고 있었습니다. 2013년 봄에 6 MV급 Dynamitron 가속기 및 400 kV급 이온주입용 가속기를 도입하여 국내 유일의 종합적 MeV급 이온생산시설을 구축하여 연구자들에게 시설 및 기술을 제공하고 있습니다.

KIST의 전정형가속기 시설은 물질개질로 신기능성 소재를 개발하는 이온빔물질개질(ion beam material modification)과 이온빔분석(ion beam analysis) 그리고 최근 10년 사이에 연구수요가 급증하고 있는 가속기질량분석법(accelerator mass spectrometry, AMS) 분야에 활용하고 있다.

5. Accelerator mass spectrometry (AMS)

이단가속형 정전형가속기를 이용하는 질량분석방법이다. 일반적인 실험실용 저에너지 질량분석법은 원자 혹은 분자를 양이온 형태로 생산하고 인출하여 다양한 방법으로 질량분석하게 된다. 그러나 저에너지 양이온 질량분석과정은 분자이온 그리고/혹은 동중원소의 방해로 상당부분 관심 질량의 원자이온을 정량하기 불가능하거나 혹은 상당히 큰 값의 최소정량값을 가진다.

이러한 질량분석의 약점을 극복하는 방법으로 음이온을 생산하여 고에너지로 가속한 다음, 얇은 foil 혹은 가스 column의 통과과정에서 분자이온의 파쇄, 그리고 원자별 에너지 저지능의 차이를 이용한 동중원소의 분리 등의 기술을 사용하는 질량분석법이다.

일반적으로 화학적 성질이 동일한 동위원소의 비율을 측정하게되며, 특히 반감기가 존재하는 방사성동위원소와 안정동위원소의 비율을 초극미량으로 측정한다. 방사성탄소동위원소인 C-14와 안정동위원소인 C-12의 비율을 정밀하게 계측함으로서 유기물 시료의 생몰연대를 판정하는것이 방사성탄소동위원소 연대측정법이다. 일반적으로 자연계에는 안정동위원소인 C-12 1조개당 하나의 비율로 방사성탄소인 C-14가 존재하고 있다. 외부 생태계와 탄소평형상태를 이루고 있는 유기체가 사망하면 그떄부터 방사성탄소의 붕괴가 시작되면 따라서 개수의 변화가 없는 안정동워원소, C-12과의 비율을 계측하면 유기체가 외부 생태계와의 탄소교환이 멈춘 시간을 알 수 있다. 이것이 방사성탄소연대측정법의 원리이다.

6. Rutherford backscattering spectrometry (RBS)

수 MeV급 헬륨이온을 조사하면 입사이온이 시료의 원자핵과 쿨롱척력만으로 반응하여 후방으로 탄성산란되는 헬륨입자의 에너지를 분광함으로서 표적의 원소의 적층분석을 하게된다.

주로 2~3 MeV의 헬륨이온을 사용하게되며 이는 실질적으로 쿨롱포텐셜로 기술하는 이체탄성충돌모델과 일치하기 때문이다. MeV 헬륨이온을 생산하기위한 소형 정전형가속기와 실리콘 에너지 검출기 그리고 신호처리를 위한 NIM modul들이 소요된다. 입사이온과 표적원자핵의 후방산란은 정확히 쿨롱포텐셜에 지배받는 탄성산란으로 기술되므로, 질량별 위치별 에너지 신호의 크기 그리고 표적원자핵의 전하량에 따른 산란단면적등이 잘 알려져있다. 따라서 후방산란에너지스펙트럼을 해석하면 표적박막을 적층구조와 조성비를 정확이 알 수 있다.

7. Elastic recoil detection (ERD)

네, KIST가속기시설은 국내외 연구자들이 공동으로 활용하는 연구시설이어서 상시적으로 내외부 연구자들이 출입하고 있습니다. 또한 가속기는 기본적으로 방사선발생장치로 방사선안전규제의 대상이기도합니다. 하지만 당 연구시설은 국가의 예산지원으로 구축된 연구인프라이므로 연구자, 학생 그리고 일반인들의 방문을 환영하고 있습니다.

8. Medium energy ion scattering (MEIS)

가능합니다. KIST 가속기연구실에서는 3개의 정전형가속기를 사용하여 이온빔개질분야, 이온빔분석 그리고 가속기질량분석기술과 이의 활용기술개발을 연구하고 있습니다. 그러므로 상기 분야의 연구자로서 가속기, 이온빔 그리고 MeV급 이온빔 기술의 활용분야에 연구자는 환영합니다.