<사진. 162.5MHz@2.1MeV ADS 연속 빔 양성자 RFQ 가속기
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

10mA 연속 양성자 빔 수준에 도달하는 RFQ 가속기 개발

중국과학원 근대(近代) 물리 연구소 허위안(何源) 연구원 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 `ADS 선행 전문 프로젝트`인 `강한 흐름 연속 양성자 빔 초전도 직선 가속기` 연구개발에 성공하여 이슈가 되고 있다. 지난 7월 17일부터 19일까지 `ADS 선행 전문 프로젝트`인 `강한 흐름 연속 양성자 빔 초전도 직선 가속기`의 주입기 II 이온 소스, 저 에너지 전송 라인과 162.5MHz@2.1MeV ADS RFQ(RF 4극) 가속기가 중국과학원 `중대 과학기술 임무국`에서 조직, 실행한 `기술 평가` 및 `현장 기술 측정 테스트`에 통과되었다.

이번에 개발된 RFQ 가속기는 `ADS 선행 전문 프로젝트`인 `양성자 초전도 직선 가속기`의 주입기 II 프로토타입에 사용되었는데 디자인 송출 에너지량은 2.1MeV에 달하고, 흐름 강도는 10mA에 달하고, 주파수는 162.5MHz에 달하고, 총 길이는 4.3m에 달한 것으로 나타났다.

중국과학원 근대 물리 연구소 허위안 연구원 연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 미국 로렌스 버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL) 연구팀과 협력하여 공동으로 디자인 작업을 실행하였다. 그 외, 중국 란저우(蘭州) 커진타이지(科近泰基) 신기술유한책임회사(중국과학원 근대 물리 연구소가 설립한 벤처기업임)와 중국과학원 근대 물리 연구소가 공동으로 가공, 용접, 시준기 설치(Collimator installed) 및 디버깅(Debugging) 작업을 완성하였으며, 중국과학원 근대 물리 연구소에서 독자적으로 디자인하고 연구 개발한 하이 파워 RF 커플러(High Power RF couplers)를 사용하였다.

지난 2014년 4월에 연구팀은 이온 소스, 낮은 에너지 전송 라인, RFQ 가속기 및 빔 흐름에 대한 측정 테스트 플랫폼의 총체적인 설치 작업을 완성한 상황이다. 연구팀은 고 출력 및 빔 흐름 실험을 통해 현재 이미 10mA 연속 양성자 빔의 안정적인 운행을 실현한 상황이며 이미 디자인 지표에 도달한 것으로 나타났다. 동 RFQ는 2-10mA 연속 양성자 빔 조정 테스트는 지금까지 이미 1개월 넘게 실행되었으며 그 중 10mA 연속 양성자 빔은 이미 여러 차례 시범 운행을 실행하였으며 매번 마다 2~5시간 연속 운행되었는데 중복성과 안정성이 매우 이상적인 것으로 나타났다.

지난 7월 18일, 베이징(北京)대학, 칭화(淸華)대학, 중국과학원 하이 에너지 물리 연구소와 중국과학원 상하이(上海) 응용물리 연구소에서 온 6명 과학자들은 측정 테스트팀을 구성하여 RFQ 빔 흐름 강도 및 안정성, 빔 흐름 에너지와 에너지 분산 정도, 빔 흐름 발사 정도, 전송 효율 등 핵심 기술 지표에 대해 현장 측정 테스트를 실행하였다. 측정 테스트 결과 동 RFQ는 10mA 양성자 연속 빔 모델 하에서 지속적이고 안정적인 운행을 실행할 수 있으며 빔 흐름 강도가 10mA 수준 하에서 지속적으로 110분 운행한 후 큰 폭의 파동이 존재하지 않는다는 점이 입증되었다.

측정 테스트팀은 기타 빔 흐름 매개 변수의 측정 테스트를 편리하게 추진하기 위해 측정 테스트를 펄스 모델 운행으로 전환시켰다. 관련 측정 테스트 결과, RFQ 송출 에너지는 2.165MeV 수준에 달하고, 에너지 분산은 1.90% 수준에 달하는 동시에 수평과 수직 방향이 일치화된 발사 정도(RMS)는 모두 0.33pmm.mrad 수준에 달하고, RFQ 전송 효율은 95.3% 수준에 달하는 것으로 나타났다.

RFQ의 10mA 연속 양성자 빔의 안정적인 운행을 실현하는 것은 `ADS 선행 전문 프로젝트`인 `양성자 초전도 직선 가속기`의 3대 이정표 중의 첫 번째에 속한다. 이번 RFQ는 미국 로스알라모스 국립연구소(LANL) LEDA RFQ 다음으로 세계 두 번째의 10mA 수준에 도달하였거나 초월한 연속 파 양성자 빔 RFQ 가속기에 속하는 동시에 현재 국제적으로 운행 중에 있는 연속 파 이온 빔 RFQ 가속기 중의 빔 흐름 강도가 제일 높은 가속기에 속하는 것으로 나타났다.

강한 흐름 연속 양성자 빔 RFQ 가속기는 많은 분야에서 폭넓게 응용되고 있으며 현재 국제적으로 이슈 연구 분야로 떠오른 상황이다. 강한 흐름 연속 양성자 빔의 핵심 기술 면에서 아직 완전한 돌파적인 성과를 달성하지는 못한 상황이지만 미국 LEDA RFQ는 90~100mA 상황 하에서 비교적 긴 시간의 조정 테스트를 실행하였다. 하지만 부분적인 부품이 손상되어 현재 이미 운행되지 못하고 있는 상황이다.

이번 측정 테스트팀 팀장을 맡은 천자얼(陳佳?) 원사(院士) 주도 하에 측정 테스트 팀은 중국과학원 근대 물리 연구소 `ADS 선행 전문 프로젝트` 연구팀이 취득한 중대 성과에 대해 높이 평가하면서 연구팀은 기술 상에서 거대한 도전에 직면하였지만 짧은 시간 내에 혁신적인 성과를 달성하여 중국 내 최초로 국제 선진 수준에 도달한 중대 성과를 달성하였다고 강조하였다.

지난 7월 19일 현장 측정 테스트 회의에서 이번 연구를 주도한 중국과학원 근대 물리 연구소 허위안 연구원은 RFQ 가속기 연구개발과 빔 흐름 테스트에 대해 상세한 설명을 하였다. 이번 측정 테스트에 참석한 과학자, 전문가들은 현장에서 정밀 분석과 측정 테스트를 실행하고 관련 기술 지표에 대한 비교, 분석을 실행하였다. 이번 측정 테스트 회의에는 `중국과학원 중대 임무국`, 중국과학원 근대 물리 연구소와 중국과학원 하이 파워 물리 연구소 관련 담당자와 전문가들이 참석하였다.

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