Fig. 1. Bird's-eye view of Pohang Accelerator Laboratory.

PAL-XFEL은 2009년 미국의 SLAC National Accelerator Laboratory에 건설된 Linac Coherent Light Source(LCLS)와 2011년에 일본의 SPring-8 accelerator and synchrotron complex에 건설된 SPing-8 Angstrom Compact free electron LAser (SACLA)에 이어 세계에서 세 번째로 건설된 경 X-선 FEL이다.4)5)6) PAL-XFEL의 완공 이후 유럽연합이 독일의 Deutsches Elektronen-Synchrotron(DESY)에 건설한 European XFEL과 스위스의 Paul Scherrer Institute(PSI)에 건설된 SwissFEL이 서로 경쟁하듯 문을 열었다.7)8) PAL-XFEL은 2011년에 사업이 시작되어 2015년 건설공사를 마무리하였고 2016년 한 해 동안 시운전을 거친 후 2017년에 사용자 서비스를 시작하였다. [그림 1]은 하늘에서 본 포항가속기연구소의 전경이다. 긴 직선형의 PAL-XFEL과 원형의 PLS-II가 보인다.

Fig. 2. Inside of PAL-XFEL linac tunnel.

PAL-XFEL은 광음극 전자총에서 발생된 전하량 200 pC의 전자빔을 선형가속기를 이용하여 가속한다. 선형가속기에는 51개의 200 MW Modulator와 80 MW Klystron이 선형가속기 터널 내의 가속관에 연결되어 가속관 내부로 강력한 전자기파를 공급하면 이를 이용하여 전자빔이 10 GeV의 에너지로 가속된다. 선형가속기 터널 내에는 전자빔 가속을 위한 가속관에 더하여 3개의 빔 압축기가 있어서 전자빔의 길이를 20 fs 정도로 줄여준다. 가속이 완료된 전자빔은 20개의 Undulator를 지나면서 강력한 경 X-선 FEL을 발생시킨다. 한편 선형가속기 내의 전자빔 에너지 3 GeV 지점에는 연 X-선 빔라인으로 향하는 분기점이 있고 이후 7개의 Undulator를 지나면 연 X-선 FEL을 얻을 수 있다. [그림 2]는 PAL-XFEL 선형가속기 터널 내부의 모습이다.

Fig. 3. Measured FEL pulse energy at 9.7 keV photon energy.

PAL-XFEL은 2016년 시운전 완료 이후에도 그 성능을 개선하기 위한 운전 최적화를 계속해왔으며 그 목표는 주로 FEL 펄스 에너지 증가에 집중되어 왔다. FEL 펄스 에너지는 광자의 에너지와 광자의 수에 의해 결정되는데 빔라인 실험에 따라 필요한 광자 에너지는 정해져 있으므로, 결국 전체 FEL 펄스 에너지를 증가시키기 위해서는 광자의 수를 증가시켜야 한다. 이렇게 광자의 수를 늘려주면 실험에 더 강한 FEL을 사용할 수 있어서 X-선 이미지를 만들 때 선명한 이미지를 얻을 수 있고 이를 이용하여 더 정확한 시료 구조 분석이 가능하다. 2018년에는 실험에서 가장 많이 쓰이는 9.7 keV 광자 에너지에서 설계 시의 목표치인 1 mJ을 훨씬 넘는 1.5 mJ의 FEL 펄스 에너지를 얻을 수 있었다. 이에 더하여 2019년에는 전자빔의 전하량을 증가시켜 FEL 펄스 에너지를 증가시키는 시도를 하였다. FEL은 전자빔이 Undulator를 지나갈 때 발생하므로 전자빔의 전하량을 증가시키면 FEL의 광자수를 증가시켜 FEL 펄스 에너지를 증가시킬 수 있다. 그 결과 [그림 3]과 같이 전자빔의 전하량을 250 pC로 올려서 2.6 mJ의 FEL 펄스 에너지를 얻을 수 있었다.

Fig. 4. Measured saturation curve of 20 keV FEL.

FEL 펄스 에너지는 FEL 발생 시 나타나는 전자빔 에너지 감소를 이용하여 측정하였다. 전자빔이 Undulator를 지나가면 FEL을 발생시키면서 에너지를 잃어버리게 되는데, 이때 전자빔이 잃어버린 에너지가 FEL 펄스 에너지에 해당한다. 전자빔이 잃어버린 에너지는 Undulator 끝의 방사광 분리용 이극자석을 이용하여 측정하였다. Undulator에서 FEL을 발생시킨 전자빔은 방사광 분리용 이극자석을 지나면서 자기장에 의해 궤도가 휘어지고 빔 덤프에 충돌한 후 사라진다. 이때 방사광 분리용 이극자석을 지나는 전자빔은 그 에너지에 따라 휘어지는 정도가 다르므로 이극자석 뒤에서 전자빔의 위치를 측정하면 전자빔의 에너지를 알 수 있다. 한편, Undulator 앞의 교정전자석을 이용하여 전자빔의 궤도를 약간 틀어주면 FEL이 발생되지 않도록 할 수 있고, 이때 전자빔의 에너지를 측정하면 FEL이 발생될 때와 발생되지 않을 때의 전자빔 에너지 차이를 정확하게 알 수 있다.

Fig. 5. Intensity comparison between SASE FEL and Self-Seeding FEL.

PAL-XFEL에서는 건설 당시부터 Spectrum이 매우 좁으면서도 강력한 FEL을 얻을 수 있는 Self-Seeding을 이용한 FEL 발생을 준비해왔다. Self-Seeding 장치의 준비는 미국 Argonne National Laboratory의 Advanced Photon Source(APS)와 협력을 통해 이루어졌는데 Self-Seeding에 사용되는 다이아몬드 크리스탈은 APS에서 설계한 후 러시아 회사(TISNCM)에서 제작되었고 주변 장치는 포항가속기연구소에서 기계 설계를 담당하여 2018년 초에 PAL-XFEL 내부에 설치되었다. 시운전은 LCLS와 협력을 통해 진행되어 2018년 말에 처음으로 Self-Seeding FEL을 발생시키는 것에 성공하였다. 이후 2019년에는 Laser Heater를 최적화하여 Self-Seeding FEL의 세기를 더욱 증가시킬 수 있음을 확인하였다. [그림 5]는 광자 에너지가 9.7 keV인 경우에 얻어진 Self-Amplified Spontaneous Emission(SASE) FEL과 Self-Seeding FEL의 세기를 비교한 결과이다. 그림에서 가로축은 FEL의 스펙트럼으로 SASE FEL에 비하여 Self-Seeding FEL은 그 스펙트럼이 매우 좁아 단색광에 가까운 것을 알 수 있으며 좁은 스펙트럼에 강력한 세기의 FEL이 집중되면서 Peak Brightness가 SASE FEL에 비하여 열 배 이상 향상되어 3.2\(\small \times\)10³⁵ photons/(s·mm2·mrad2·0.1 %BW)에 이르는 것을 확인하였다. 이렇게 뛰어난 성능이 확인된 Self-Seeding FEL은 2020년부터 사용자 서비스에 적용되어 이용을 원하는 사용자들의 실험에 제공되고 있다.9)10)

Fig. 6. FEL Intensity of two-photon-energy pulses.

FEL을 더욱 다양한 방법으로 제공하기 위하여 PAL-XFEL에서는 2020년에 하나의 전자빔을 이용하여 두 개의 다른 파장을 가지는 Two Color FEL 발생을 시도하였다. [그림 6]은 파장이 다른 두 FEL을 발생시키고 각각의 세기를 측정한 결과이다. 그림의 가로축은 FEL의 광자 에너지를 나타내는데 두 개의 FEL 펄스가 각각 다른 광자 에너지를 가지고 있음을 보여준다. 이러한 파장이 다른 FEL은 PAL-XFEL에 설치된 20개의 Undulator를 앞쪽과 뒤쪽의 두 그룹으로 나누고 각각의 그룹에서 서로 다른 Undulator Gap을 이용하여 발생시켰다. FEL의 광자 에너지는 Undulator의 Gap에 의하여 결정되므로 두 가지 Gap을 사용하면 광자 에너지가 다른 두 개의 FEL 펄스를 얻을 수 있다. 더욱이 두 Undulator 그룹 사이에는 Self-Seeding FEL 발생을 위해 사용되는 이극자석을 이용하여 전자빔의 시간 지연을 조절할 수 있어서 두 FEL 펄스 사이의 시간 간격도 바꿀 수 있다. 이러한 두 가지 파장의 FEL을 사용하면, 먼저 오는 X-ray를 이용하여 시료를 여기시키고 뒤에 오는 X-ray로 시료의 구조 변화를 분석하는 X-ray Pump & X-ray Probe 실험이 가능하다.