Construction and Operation Plan for the Second Hard X-ray Beamline at PAL-XFEL

Inhyuk NAM, Chi Hyun SHIM and Seongyeol KIM

The second hard X-ray beamline (HX2) at PAL-XFEL (Pohang Accelerator Laboratory X-ray Free Electron Laser) is currently in progress for construction to meet the increasing demands of researchers in various fields. With higher electron beam energy and a larger undulator parameter K, HX2 can deliver over twice the FEL intensity of the existing hard X-ray beamline (HX1) in the photon energy range of 2 to 7 keV. Consequently, HX1 will operate within the electron beam energy range of 7 to 10.5 GeV, providing FELs from 6.5 to 20 keV when both HX1 and HX2 are operated simultaneously. Most of the components have already been designed and prepared, enabling us to start construction as scheduled. Following this construction, we have also the upgrade plan for advanced operation of new extreme X-ray sources such as attosecond X-ray pulses and TW (1012 W, terawatt) scale X-ray pulses. In this report, we will introduce about construction and future upgrade plan of HX2 at PAL-XFEL.

들어가며

본 특집호에서는 국내 대형가속기 시설들의 운영, 구축 현황 및 미래 발전 계획들에 대해 소개하고 있다. 첫 번째 원고는 곧 구축이 시작될 예정인 포항가속기연구소 엑스선 자유전자레이저(PAL-XFEL) 시설의 두 번째 경엑스선 빔라인에 관한 운영, 구축 계획 및 미래 발전 방향에 대해서 소개하였고, 두 번째 원고는 기초과학연구원의 중이온 가속기(RAON)에서 최근 수행된 국내 최초 초전도 가속기 빔 시운전의 결과를 소개하고, 세 번째 원고는 한국원자력연구원의 양성자 가속기(KOMAC)의 최근 운전 현황과 향후 발전 계획에 대하여, 그리고 마지막 네 번째 원고는 충북 오창에 구축될 예정인 다목적 방사광가속기(4GSR)의 현황과 시운전 계획에 대해서 소개하였다.

소개된 가속기 시설들은 각 가속기의 이름에서 알 수 있듯이 중이온 가속기는 가속된 중이온 입자빔, 양성자가속기는 가속된 양성자 입자빔을 활용하고, 엑스선 자유전자레이저나 다목적 방사광가속기에는 이름에 들어 있지는 않지만 전자를 가속하여 발생되는 방사광을 활용하여 운영되고 있다. 이번 특집호를 통해서 우리나라의 대형가속기들의 현재와 미래를 둘러본 후에는, 각 가속기시설이 어떻게 서로 다르게 현재 운영이 되며 앞으로 미래의 발전 방향과 응용 가능한 분야를 전체적으로 파악할 수 있기를 기대한다. 또한 여기서 소개된 대형가속기 시설들이 기초과학의 대표적인 대형 연구시설로 기초과학뿐만 아니라 산업적 활용까지 다양하게 활용되어 국가적인 미래 과학기술 발전을 이끌어 갈 것임을 확신할 수 있기를 희망한다.

서 론

PAL-XFEL (Pohang Accelerator Laboratory X-ray Free-electron Laser)은 2017년 6월부터 세계에서 세 번째로 유저서비스 운전을 시작한 이후 세계적으로 주목받는 FEL 성능을 달성해 오고 있다.1) PAL-XFEL은 FEL 빔의 타이밍 지터 성능이 20 fs (rms) 이하로 타 XFEL (미국 LCLS, 일본 SACLA, 독일 European XFEL, 스위스 SwissFEL)의 성능을 압도하는 세계 최고 성능을 보여주고 있고, FEL 빔의 세기 안정도 및 pointing 지터 성능도 가장 우수한 성능을 보여주고 있다. FEL 세기도 2.5 keV‒14.5 keV 범위에서 펄스 에너지가 1 mJ을 넘어서는 명실상부한 mJ-class 경엑스선 FEL 성능을 확보하여 운영 중이다.2)3) 이와 같은 우수한 FEL 성능에 힘입어 국내외 유저들의 PAL-XFEL 빔타임 신청이 증가하고 있고, 빔타임 경쟁률이 꾸준히 증가하고 있다. 빔타임 확보를 위해서 2018년 140일에서부터 꾸준히 증가해 현재는 190일 정도까지 늘였지만 매 빔타임을 위한 성능 최적화 시간과 장치의 성능 유지를 위한 보수 기간이 필요하기 때문에 더이상 빔타임을 늘리기는 한계에 도달했다. 이렇게 제한된 빔타임과 탁월성이 중시되는 빔타임 배정방식으로 인해, 빔타임이 국내 연구자들에게 폭넓게 제공되지 못하는 문제가 부각되고 있는 상황이다. 이러한 빔타임 부족 문제를 획기적으로 해결하는 방안으로써 두 번째 경엑스선 빔라인(HX2)의 구축이 2018년에 최초로 제안되었고, 2020년에는 HX2의 주요 설계를 완료하여 개념 설계 보고서를 발간하였다. 이후 국제자문위원회, PAL-XFEL 발전방향 공청회 및 각종 학회에서 발표를 통해 조언을 구하는 등 HX2 구축을 위해 꾸준히 노력을 해왔고, 올해 2024년부터는 본격적인 구축을 위한 기술 설계 보고서를 준비하고 있다. 본 글에서는 HX2의 기본 설계 및 계획 그리고 HX2의 성공적인 구축 이후에 수행될 빔라인 고도화 계획에 대해서 소개한다.

현재 XFEL 구조

Fig. 1. Schematic layout of PAL-XFEL with the second hard X-ray beamline (HX2).

현재 PAL-XFEL은 그림 1과 같이 11 GeV까지 가속 가능한 전자빔을 사용하는 경엑스선 빔라인(HX1)과 3.15 GeV까지 가속된 전자빔을 옆으로 분리하여 사용하는 연엑스선 빔라인(SX1)으로 구성되어 있다.2) 새롭게 구축하고자 HX2는 HX1과 마찬가지로 11 GeV까지 가속가능한 전자빔을 사용하게 된다.

HX2의 전자빔 동역학 전산모사 결과

Fig. 2. Layout of the electron beam transport line, the existing hard X-ray beamline (HX1) and the new second hard X-ray beamline (HX2). The electron beam propagates from right to left.

그림 2에서 보면 HX2를 위해서는 전자빔이 L4 가속관을 지나서 새롭게 분기된 전송 선로를 통해 두 번째 경엑스선 빔라인으로 입사되어 FEL을 발진하게 된다. 그러므로 해당 전송선로 구간에서 빔의 품질이 망가지지 않고 그대로 전송되는 것이 무엇보다도 중요하다. 이를 확인하기 위해서 전송선로의 비선형 효과 및 결맞은 싱크로트론 방사(Coherent Synchrotron Radiation, CSR) 효과에 의한 에미턴스 변화를 확인하기 위해 ELEGANT 코드를 활용한 전산모사를 진행하였다. 이때, 해당 빔 전송선로는 두 개의 DBA (Double-Bend Achromat)로 구성되어 있으며, DBA 사이의 위상 진전(phase advance)을 π로 하여 CSR에 의해 발생되는 전자 빔 에미턴스 증가를 최소화하는 방향으로 설계되었다. 전산모사에 사용된 전자 빔의 주요 파라미터는 HX1에서 주로 사용되는 값을 기준으로 하였다; 10 GeV의 빔 에너지, 200 pC의 전하량, 0.4 mm mrad의 횡방향 에미턴스가 있으며, 에너지 처프(energy chirp)와 슬라이스 에너지 퍼짐(slice energy spread)은 각각 20 MeV (빔 머리에서 꼬리까지의 에너지 차이), 1.5 MeV이다. 그림 3에서 확인할 수 있는 것처럼, 초기 전자 빔의 피크 전류가 2.4‒4.8 kA로 높아 CSR에 의한 에너지 변형이 발생함에도 불구하고, 전송선로를 통과한 이후의 수평방향 에미턴스가 초기값 대비 5% 미만으로만 증가하는 것을 확인하였다. 따라서 본 결과를 통해 현재 디자인된 전송선로가 최적화된 디자인임을 입자 추적 전산모사를 통해 확인하였다.

Fig. 3. (a) Beam emittance along HX2 dog-leg branch line where CSR ON indicates that the CSR effects are considered. (b-e) Beam phase space after propagating through the HX2 dog-leg branch line.

HX2의 엑스선 에너지 범위 및 FEL 전산모사 결과

HX1과 HX2의 가장 큰 차이점은 언듈레이터 주기와 그에 따른 최대 언듈레이터 파라미터 K이다. HX2에서는 언듈레이터 주기와 파라미터 K (35 mm, max. K = 3.4)를 HX1 (26 mm, max. K = 1.87)보다 길고 크게 사용함으로써 2‒7 keV의 광자에너지 영역에서 HX1 대비 2배 이상의 FEL 세기를 제공할 수 있도록 설계하였다.4) 또한 HX1과 HX2의 동시 운전이 가능해야 하므로, HX1은 7‒10.5 GeV의 전자빔 에너지 범위에서 6.5‒20 keV의 광자 에너지를 가지는 FEL을 제공하도록 설계되었다.

Fig. 4. (a) Electron beam energy, (b) undulator parameter K, and (c) final radiation power at the end of undulator line according to the photon energy of HX1 (black) and HX2 (red). FEL power along the undulator line with photon energy of (d) 4 keV, (e) 11 keV, and (f) 15 keV.

HX1은 약 14 keV보다 낮은 광자 에너지의 FEL을 발생시키기 위해서는 언듈레이터 파라미터를 최대 K로 맞춘 다음, 전자빔 에너지를 낮춰야 하지만 HX2는 긴 언듈레이터 주기와 큰 언듈레이터 파라미터 K 덕분에 약 4 keV 광자 에너지부터 최대 전자빔 에너지를 사용할 수 있게 된다(그림 4(a), (b)). 따라서 HX1과 HX2 모두 5 m 길이의 언듈레이터를 20개 사용했을 때, FEL 전산모사 결과에서 볼 수 있는 것처럼 10 keV 보다 낮은 광자 에너지 영역에서 HX1보다 높은 출력을 얻을 수 있다(그림 4(c)).

언듈레이터 주기가 길어지면 FEL의 출력이 포화상태에 이르는 순간까지의 거리가 길어져서 HX2의 FEL 세기는 HX1의 경우보다 늦게 증가하기 시작하지만, 높은 전자빔 에너지 덕분에 포화상태 이후 구간에서는 하나의 언듈레이터를 지날 때마다 더 크게 증가하는 것을 확인할 수 있다(그림 4(d), (e)). 다만 15 keV보다 높은 광자 에너지에서는 HX1과 HX2에서 사용하는 전자빔의 에너지가 동일해져서 언듈레이터 주기가 짧아 빠르게 포화상태에 도달하는 HX1에서 더 높은 FEL 세기를 얻을 수 있다(그림 4(f)). 따라서 HX2는 낮은 광자 에너지 영역에서 HX1보다 더 높은 출력을 제공하고 높은 광자 에너지 영역은 기존의 HX1을 활용하면 모든 광자 에너지 영역에서 PAL-XFEL의 최대 전자빔 에너지를 충분히 활용할 수 있게 된다.

Fig. 5. Plan for HX2 construction.

구축 준비 상황

HX2는 이미 성능이 검증된 HX1 및 SX1의 설계와 제작 기술을 그대로 적용할 예정이다. HX2에 사용하는 언듈레이터가 HX1과는 다르지만, SX1에서 현재 사용 중인 언듈레이터와 동일한 사양이며 진공, 진단 및 제어 등 거의 모든 장치 또한 현재 PAL-XFEL에서 사용하는 것과 동일한 사양을 적용할 예정이다. 따라서 HX2는 예산이 확보된 이후 빠른 시일 내에 구축 및 시운전이 가능하다. 그림 5와 같이 2차년도 말까지 모든 장치의 설치 준비를 완료한 뒤, 3차년도의 PAL-XFEL 유지보수 기간에 장치 설치를 진행하여 장치구축 기간 동안 정상적인 유저서비스 운전이 가능하다. 장치구축 완료 후 HX2의 시운전 및 빔라인 시운전을 3차년도 말까지 완료하여 4차년도 초에 유저서비스를 시작할 수 있다.

멀티 번치 모드: 빠른 킥커와 나노초 간격 멀티 번치 운전

Fig. 6. Schematic layout of repetition rates for beamlines (HX1, HX2, SX1) at PAL-XFEL by utilizing fast kicker and multi-bunch with ns separation.

PAL-XFEL의 빔 반복률은 최대 60 Hz로 HX1과 SX1의 동시운전 시 60 Hz로 동작하는 느린 킥커(slow kicker)와 셉텀 전자석(septum magnet)을 활용하여 각각 30 Hz의 반복률로 빔을 제공하고 있다. HX2 또한 느린 킥커와 셉텀 전자석을 활용하여 HX1과 HX2의 동시운전을 진행하고자 한다. 다만 세 빔라인(HX1, HX2, SX1)에 모두 빔을 제공하는 경우에는 반복률이 줄어들 수밖에 없다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 나노초 간격으로 위치한 전자빔의 방향을 제어할 수 있는 빠른 킥커(fast kicker)의 개발과 전자총에서 수십 나노초 간격으로 두 개의 빔을 한 번에 발생시키는 연구를 진행하고자 한다.5) 그림 6과 같이 한 번에 두 개의 빔을 가속시켜서 빠른 킥커를 사용하여 하나는 SX1으로, 다른 하나는 HX 방향으로 진행시킨 뒤, 느린 킥커를 통해 HX1과 HX2로 나누게 된다. 이 경우 세 빔라인에 모두 빔을 제공하더라도 SX1의 최대 반복률은 60 Hz가 되며, HX1과 HX2는 각각 30 Hz의 반복률을 가지게 되어 반복률 감소 문제를 해결할 수 있다. 또한 추후 높은 빔 에너지에서 사용할 수 있는 빠른 킥커와 한 번에 세 개의 빔을 발생시키는 방법을 개발하여 HX1과 HX2 또한 60 Hz로 반복률을 올리고자 한다.

강화된 자가 증폭 자발 방출 방법을 이용한 PAL-XFEL 성능 고도화

Fig. 7. (a) Schematic layout of Enhanced Self-Amplified Spontaneous (E-SASE) method. (b) Energy modulation induced by interacting the external laser and the electron beam in the wiggler. (c) Density modulation converted from the energy modulation from the chicane. (d) Energy distribution at the center of current spike. (e) Current profile of the electron beam with density modulation.

HX2에는 HX2의 기본 SASE 성능을 달성한 이후 PAL-XFEL의 성능 고도화를 위해 강화된 자가 증폭 자발 방출(Enhanced Self-Amplified Spontaneous Emission, E-SASE) 방법6)을 사용할 수 있는 장치 공간이 배정되어 있다. E-SASE 방법은 그림 7과 같이 외부 레이저(external laser)와 위글러(wiggler), 시케인(chicane)으로 구성되어 있다. 외부 레이저와 전자빔이 위글러에서 상호작용을 통해 전자빔 내부에 에너지 변조를 유도할 수 있고, 이렇게 에너지 변조가 포함된 전자빔이 시케인을 통과하게 되면 에너지 변조는 전자 밀도 변조로 전환되어 전자빔 내부에 전류 스파이크를 생성할 수 있게 된다.

Fig. 8. (a) Schematic layout for generating hard X-ray attosecond pulse with TW-level power by using irregularly-spaced current spikes in the electron beam. (b) Current profile of the electron beam. (c) Final power profile of XFEL pulse at the end of undulator line.

E-SASE 방법에서 전류 스파이크를 생성하는 방법에 따라 다양한 응용이 가능하며 대표적으로 아토초 FEL 펄스를 만들어 낼 수 있다. 그림 8과 같이 전자빔 내부에 비등간격 전류 스파이크를 만들고, 여러 단계로 이루어진 언듈레이터 구간을 통과하면 TW급 출력을 가지는 경 X-선 아토초 펄스를 만들 수 있다.7) 또한 장파장 적외선 레이저를 이용하여 그림 9와 같이 두꺼운 전류 스파이크를 만들어 낸다면, 셀프 시딩 방법을 통해 기존의 SASE FEL보다 펄스 길이는 짧으면서 펄스 에너지는 크게 증가시킬 수 있다. PAL-XFEL에서도 HX2 구축 이후 E-SASE 장치 구축을 추진하여 이러한 XFEL 성능 고도화 R&D를 진행할 계획이다.

Fig. 9. (a) Current profile generated by using long wavelength infrared (LWIR) laser at E-SASE section. (b) Pulse energy along the undulator line for self-seeded FEL (black) and SASE FEL (red). (c) Power profile and (d) spectrum of the final pulse of self-seeded FEL.

Machine Learning/AI 이용 운영 계획

포항가속기연구소 XFEL의 기본 FEL 모드는, start-to-end 전산모사 사전 연구를 통한 가속기/빔 최적화를 통해 얻은 것이다. 이때, 1 km에 걸쳐 수십 개의 가속관 및 수백 개의 집속 자석을 조정해야 하기 때문에, 전산모사 최적화 과정에도 상당한 시일이 걸린다. 기존의 방식으로는 유저가 요구하는 새로운 모드의 즉각적인 제공에 어려움을 갖는 요인이 바로 이 때문이다. 이 외에도, 일반적인 빔 진단 방식은 빔을 물리적으로 막거나 변형시키기 때문에, 사용자 서비스 도중에는 빔 진단이 제한적이다. 위 한계점을 극복하고자, 최근 가속기 커뮤니티에서 활발히 연구가 진행되고 있는 인공지능/기계학습(Artificial Intelligence/Machine Learning, AI/ML) 기법을 활용하여 더욱 빠르고 효과적으로 가속기 최적화를 진행할 계획이다. 또한, AI/ML 기법을 활용해 실시간으로 빔 진단이 불가능한 곳의 전자빔 위상공간 진단을 가능하게 하는 surrogate model을 개발하고 운전에 도입할 계획이다. 이를 통해, 사용자에게 FEL을 제공하며 동시에 빔 진단을 진행하고, 변화하는 빔 파라미터에 대한 실시간 빔 최적화를 구현할 계획이다.

맺음말

포항가속기연구소의 엑스선 자유전자레이저(PAL-XFEL) 시설에서 현재 두 번째 경엑스선 빔라인(HX2)의 건설 준비 중이다. 이는 다양한 연구 분야의 연구자들의 증가하는 수요를 충족시키기 위한 것이다. 대부분의 구성 요소는 이미 설계되어 있고 준비되어 있어, 예정대로 건설을 시작하여 계획한 대로 구축을 마칠 수 있다. HX2 구축에 이어서, 아토초 엑스선 펄스와 테라와트 규모의 엑스선 펄스와 같은 새로운 극한의 엑스선 FEL 모드 제공을 위한 업그레이드 구축 계획도 준비하고 있다. 이렇게 PAL-XFEL에서 HX2의 건설 및 향후 업그레이드 계획에 대해 소개하였다. 지금 시기는 세계적으로 다른 XFEL 시설에서 서로 다양한 모드를 제공하기 위해 다양한 시도를 하고 있고, 이를 활용해 새로운 엑스선 영역의 연구 분야가 개척되고 확장되고 있는 시점이다. 그러므로 지금 이 시기에 적절하게 HX2가 건설되어 기존의 연구자들의 요구도 맞추어 다양한 연구 기회를 제공하고, 또한 아토초 엑스선과 같은 최첨단 연구 분야를 열어주어 우리 과학자들이 최첨단 과학 분야에서 들려올 선점 소식이 기대된다.