Operational Status and Future Plan of Proton Linear Accelerator at KOMAC

Hyeok-Jung KWON and Han-Sung KIM

Since the second half of 2013, Korea Multi-purpose Accelerator Complex (KOMAC) has been supporting user beam service by using a 100-MeV proton linac and several beam line facilities. Proton beam service fields include various applications and research programs, such as material science, bio-medical science, semiconductor applications as well as nuclear physics and basic science. The 100-MeV linac is composed of an injector based on a 50-keV microwave ion source and two-solenoid LEBT (low energy beam transport), a 3-MeV RFQ with four-vane structure and conventional drift tube linac (DTL), where proton beam is accelerated from 3 MeV to 100 MeV. As the operation period of the proton accelerator exceeds 10 years and the cumulative operating time surpasses 30,000 hours, we judge that it is an opportune time to establish a long-term plan to prepare for the aging of the accelerator. To replace the currently operating RFQ, which shows degradation in performance (especially the beam transmission), we design a new RFQ with some modifications. For DTL, we are supposed to change the quadrupole magnet inside each drift tube from electromagnet type to permanent magnet type because the electromagnet has shown some trouble in view of long term stability. To leap forward in device and utilization technologies, we complete the construction of new facility of a Beam Test Stand (BTS) with a structure similar to the beam injection system (ion source, LEBT, RFQ) of the 100 MeV linear accelerator. We plan to actively conduct beam physics and accelerator research using this facility. Moreover, we are supposed to upgrade the proton linac to 1 GeV for spallation neutron source applications, which will be a long-term plan. In short term, we take phased approach with focusing the first phase at 200 MeV energy upgrade.

서 론

Fig. 1. Facility overview of KOMAC.

한국원자력연구원 양성자과학연구단은 100 MeV의 에너지를 가지는 고출력 양성자가속기를 개발하여 운영 중에 있다. 현재 운영 중인 고출력 양성자 가속기는 입자빔(양성자, 이온, 의료용 동위원소 등) 이용 연구개발 플랫폼으로서의 역할 수행 및 미래원천기술개발과 입자빔 기반산업체 육성에 기여하기 위해, 2002년 ‘21세기 프론티어 연구개발사업’으로 개발에 착수하여 2012년에 완공, 2013년부터 빔서비스 운영을 시작하였다.1)2)3)4) 현재 연구단은 100 MeV 양성자가속기와 이온빔장치 운영을 통하여 원자력, 나노, 생명, 정보/통신, 에너지/환경, 우주, 의료 및 기초과학 등 다양한 분야의 학제 간 융합·창조적 연구개발에 필요한 최적의 양성자 및 이온빔 서비스를 제공 중에 있으며, 기초원천 연구개발 성과와 가속장치 응용기술 등을 활용하여 산업 및 의료적 활용기반을 구축하고, 신산업 창출, 국민복지향상 및 국력 신장에 기여할 수 있는 다양한 연구를 지원하고 있다. 그림 1은 100-MeV 선형 양성자 가속기 및 저에너지 이온빔 장치 등을 비롯하여 시설 운영에 필수적인 유틸리티 설비 등 양성자과학연구단에 구축되어 있는 다양한 시설들의 전체적인 개요를 보여주고 있으며, 100 MeV 선형 양성자 가속기의 주요 제원은 표 1에 정리하였다.

[Table 1] Main specifications of 100-MeV Proton linac at KOMAC.

Fig. 2. Microwave ion source installed in the accelerator tunnel.

100 MeV 양성자가속기 개요

1. 이온원

이온원은 수소기체를 이용해서 플라즈마를 발생시키고 이로부터 양성자를 인출하는 곳으로 100 MeV 양성자가속기의 가장 처음 부분에 해당하며, 마이크로파 전력을 이용하여 수소를 방전시킨다. 마이크로파 이온원은 기존에 필라멘트를 이용한 이온원에 비해서 유지보수 없이 대전류 양성자 빔을 인출할 수 있는 운전시간이 길다는 장점이 있다. 양성자과학연구단에서 개발한 마이크로파 이온원은 한 개의 솔레노이드 전자석을 사용하여 크기를 줄였으며, 절연도파관을 이용하여 마이크로파 부품의 운전을 단순화하였다는 장점이 있다. 또한 플라즈마를 항상 운전하고 있는 상태에서 인출전원만 스위칭하여 빔을 인출하는 구조이므로, 양성자 빔 펄스폭을 자유롭게 바꿀 수 있는 특징이 있다.5)6) 다만, 플라즈마 방전에 따른 고주파창의 손상을 완화하고 양성자 분율을 높이기 위해 마이크로파를 펄스로 인가하는 방법 또한 고려되고 있다. 그림 2에 가속기 터널에 설치되어 운영 중인 마이크로파 이온원의 모습을 보였으며 주요 제원은 표 2에 정리하였다.

[Table 2] Specifications of the microwave ion source for 100-MeV linac.

2. Radio-frequency Quadrupole

Radio-frequency Quadrupole (RFQ)는 이온원에서 인출한 50 keV 양성자 빔을 3 MeV까지 가속시키는 데 사용되며, 그 제원은 표 3에 있다. RFQ는 4개의 전극(베인)으로 이루어진 공동(cavity) 구조이며, 전극 끝이 sine 형태로 가공되어 있고, 이 구조의 주기 및 크기는 양성자 빔의 속도에 따라 변화한다. 이런 구조를 이용하여 RFQ는 양성자 빔을 가속할 뿐만 아니라 집속, 번칭시키는 역할을 동시에 수행하는 특징을 가지고 있다. 양성자과학연구단에서 개발한 RFQ는 네 개의 섹션으로 구성되어 있으며, 빔 동력학, 전자기 계산을 통해 얻어진 설계를 바탕으로 전극을 가공하고, 4개의 전극을 진공 브레이징 방법을 통하여 접합한 후 진공시험과 설계한 전자기적 특성을 갖도록 튜닝의 과정을 거쳐 완성되었다. RFQ 개발은, 전극을 20 μm 이내로 정밀하게 가공하는 기술과 약 80 cm 길이의 전극 4조각을 한꺼번에 브레이징하는 정밀 접합 기술의 개발을 통해 순수 국내기술로 이루어졌다.

[Table 3] Main specifications of the KOMAC Radio-Frequency Quadrupole.

3. Drift Tube Linac

[Table 4] Main specifications of the KOMAC Drift Tube Linac.

Fig. 3. 100-MeV Proton linac installed in the accelerator tunnel.

Drift Tube Linac (DTL)은 RFQ에서 가속된 3 MeV의 양성자 빔을 100 MeV까지 가속하는 데 사용되며, 총 11개의 탱크가 사용된다. 주요 제원은 표 4에 나타나 있다. DTL은 직경 약 540 mm의 진공탱크 내부에 drift tube를 연속적으로 배치하여 양성자를 가속하게 되며, drift tube 사이의 거리는 해당 위치에서 양성자가 가지는 운동에너지에 해당하는 속도로 고주파 한 주기 동안 진행하는 거리가 되도록 설정된다. DTL에 설치된 drift tube는 총 300여 개이다. DTL은 빔 동력학, 전자기 계산을 통해 얻어진 설계를 바탕으로 길이가 약 2.0 m인 실린더 형태의 탱크 한 섹션을 제작하고, 전기적 특성을 향상시키기 위해서 철로 가공된 탱크 내부를 구리로 도금한 후, 세 개의 섹션을 조립하여 한 개의 탱크를 완성한다. 이와는 별도로 빔 집속을 위해 Drift Tube 내부에 사극 전자석을 설치 후 Drift Tube를 제작하고 이를 탱크에 설치, 설계된 전자기적 특성을 갖도록 튜닝의 과정을 통하여 완성한다. DTL 개발 시에는 길이 2.0 m, 직경 50 cm의 실린더 내부를 균일하게 구리로 도금하는 기술과 drift tube 내부의 제한된 공간에 설치할 수 있는 소형 사극전자석을 제작하는 기술을 국내에서 개발할 수 있었다. 그림 3은 양성자과학연구단에 설치되어 운영되고 있는 100 MeV 가속기의 모습을 고에너지측에서 바라본 모습이다.

4. 빔라인

100 MeV 양성자가속기에 설치하여 운영 중인 빔이용 연구시설로는 범용 빔라인 2기(TR23과 TR103), 저선량 빔라인 1기(TR102), 동위원소 생산을 위한 빔라인 1기(TR101)가 있다. 2013년부터 운영하고 있는 범용 빔라인 2기는 나노․재료, 생명․의료, 환경․에너지, 원자력, 우주․기초과학 등 다양한 과학기술 분야의 이용연구 저변 확대를 위한 기초 및 탐색연구에 주로 활용하고 있다. 2018년부터 운영하고 있는 저선량 빔라인 TR102는 양성자빔을 이용한 반도체, 우주부품 등의 방사선조사 및 영향 평가에 이용하며, 최근 들어 가장 높은 이용률을 보이고 있다. 동위원소 생산 전용 빔라인인 TR101은 현재 내부 연구자에게만 개방해 운영하고 있는 상황으로, 동위원소 생산 전용구역 내 핫셀 및 차폐 퓸후드 등을 구비하여 Sr-82, Cu-67, Ge-68 등의 고에너지 양성자가속기 기반 동위원소 동시 생산 연구를 수행하고 있다. 또한, 꾸준히 상승하고 있는 국내 고에너지 중성자 이용 수요에 대응하기 위하여 양성자가속기 터널에 설치된 1 kW 빔 덤프를 이용하여 2024년 하반기부터 이용자에게 중성자 서비스를 제공할 예정이다. 100 MeV 빔라인 중 TR105는 고품질의 양성자빔을 제공하기 위한 빔계측 및 가속기연구용으로 내부적으로 활용하고 있으며, TR104에는 표적이온원을 설치하여 고에너지 양성자를 활용한 이차입자빔 생성 연구를 통해, 양성자가속기의 이용연구 분야 확장을 도모하고 있다. 현재 빔이용 연구자들의 이용이 활발한 빔라인 및 표적실을 그림 4에 정리하였다.

Fig. 4. Beam lines and target room for user beam service at KOMAC.

100 MeV 양성자가속기 운영 및 활용 현황

1. 가속기 운전 현황

2023년에는 양성자가속기를 3,254시간 운영하여 가동률 96.9%를 달성하였다. 2013년도 하반기 시범 서비스 이후 가동 10년만에 3만 시간 운전시간을 달성하였으며 총 누적 운영 시간은 2023년 말을 기준으로 33,341시간에 달한다. 또한, 양성자가속기 운영 체계와 장치의 지속적인 개선 및 선제적인 유지보수 등을 통해 가속기 가동률을 2013년도 82.0%에서 2023년도 96.9%로 향상시켰다. 최근에는, 고전압 방전이나 절연파괴에 따른 파손 등으로 인하여 장치의 안정적 운영에 영향을 미쳐왔던 이온원 시스템에 대하여, 장치의 개선 및 예비품 확보를 통해 이용자 서비스 제공을 제한하는 불시정지 시간을 크게 줄일 수 있었다. 최근 2년간 주요 장치별 불시정지의 경우, 모듈레이터로 인한 문제가 전체 불시정지 시간의 32%로 가장 큰 비중을 차지하며 이온원으로 인한 문제가 31%, DTL 및 DTL 고주파 시스템이 17% 비중을 각각 차지하는 것으로 나타났다.

Fig. 5. Surface damage on the RFQ electrodes after long-term operation.

양성자가속기의 정식 운영 기간이 10년을 상회하게 되고 또한 RFQ와 같은 일부 장치의 경우, 개발 이후 20년 이상 사용해 옴에 따라 장치의 노후화로 인한 성능 저하 및 장치의 불량률 증가에 대한 우려가 높아지고 있다. 이에 대한 대책 마련의 일환으로 장치 전반에 대한 형상관리의 필요성이 부각되고 있으며 현재 가속기 시스템의 성능 유지 및 향상을 위한 노후화 관리 프로그램을 계획 중이다. 특히, RFQ 가속기의 경우, 개발 완료 후 시운전 및 빔서비스 기간을 합하여 운전시간이 20년에 달하고 있으며 내부 검사 결과, 그림 5에 보인 것과 같이, 심각한 전극 손실 및 이에 따른 빔전송율의 저하를 보이고 있다. 전 세계적으로 20 mA 정도의 고전류로 운전되는 RFQ 가속기의 경우, 미국 SNS (Spallation Neutron Source, Oak Ridge National Laboratory), 일본 J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex, JAEA/KEK), 유럽의 CERN Linac4와 같은 시설에서도 장시간 운전된 RFQ를 새로운 RFQ로 교체, 업그레이드하여 사용 중에 있다. 양성자과학연구단에서도 현재 운전 중인 노후화된 RFQ를 대체하기 위해 새로운 RFQ를 개발 중에 있다.7)

Fig. 6. Corrosion of electromagnet yoke in the drift tube (left), permanent magnet assembly for the prototype of drift tube (right).

Fig. 7. Beam Test Stand (BTS) for accelerator and beam physics study.

DTL의 경우 drift tube 내부에 설치된 전자석의 불량 및 탱크 외벽의 냉각 채널 누수 문제가 빔서비스의 안정적 제공에 장애 요인이 되고 있다. 전자석 불량의 경우 철심 부식 및 코일의 절연파괴가 주요 원인이다. 그림 6의 좌측 그림은 부식된 철심의 손상 모습을 보이고 있다. 이에 대한 대책으로 drift tube 내부의 전자석을 영구자석으로 교체하기 위한 연구가 진행되고 있다. 영구자석으로 교체하였을 경우에도 저전류에서부터 고전류 전송까지 빔동력학적으로는 문제가 없음을 확인하였고, 그림 6의 우측 그림에 보인 것과 같이, 16개의 영구자석을 자화방향을 고려하여 원형으로 배열하면 기존 전자석에 비해 자기장의 고차항 성분을 줄일 수 있음을 알 수 있었다. 현재, 영구자석 기반의 drift tube prototype 제작을 통해 제작성 및 성능 확인을 완료하였다.8)9)

양성자과학연구단에서는 양성자가속기 노후화 관리 이외에 고주파시스템 성능향상을 위한 고주파 제어기 시뮬레이터 구축, 이온원 테스트 스탠드 구축, 빔 진단 연동 물리 모델 개발 및 진단 기법 연구 등 다양한 양성자가속기 연구개발을 수행 중에 있다. 특히, 2022년도에는 가속기 장치 기술 연구 및 운전기법 등을 포함한 빔물리 연구를 위해, 그림 7에 보인 것과 같이, Beam Test Stand (BTS) 시설의 구축을 완료하였다. BTS는 100 MeV 양성자가속기와 동일한 이온원 및 LEBT로 구성된 입사기와 양성자 뿐만 아니라 헬륨 2가 이온까지 가속이 가능한 200 MHz RFQ, 그리고 두 개의 빔라인으로 구성되어 있다. BTS를 활용하여 현재까지 Machine learning 기반의 빔튜닝 기법 연구, 에미턴스 증가 억제 연구, 그리고 빔위상 공간 재구성을 위한 다차원 빔진단 연구 등 다양한 연구가 활발하게 진행되었다.10) 그림 8은 BTS를 활용하여 이루어지고 있는 다양한 빔물리 실험의 몇 가지 예를 보여주고 있다.

Fig. 8. Examples of beam physics study by using Beam Test Stand (BTS).

2. 가속기 이용 실적

2023년 한 해 31개 기관에서 총 295명의 연구자들이 양성자가속기 이용을 위해 양성자과학연구단을 방문하였다. 양성자가속기를 활용하여 지원한 연구과제 수는 87건이며 빔서비스 신청 대비 빔타임 배정 경쟁률은 3대 1을 상회하고 있는 실정이다. 2013년도 하반기 시범운영을 포함하여 2023년 말까지 양성자가속기가 지원한 누적연구과제수는 1065건, 누적이용자수는 3141명에 달한다(표 5 참조).

[Table 5] Beam utilization statistics of KOMAC Accelerator.

2023년 양성자가속기의 이용연구 분야별 과제 수 분포를 살펴보면 반도체·재료 분야가 46%로 가장 높은 비율을 차지하고 있고, 그다음 기초과학·핵물리 분야 20.7%, 생명·의료 분야 18.4%, 원자력·중성자 분야 13.8% 등이다. 최근 5년간 이용자의 소속 기관별로는 학계 40.3%, 산업계 33.9%, 연구기관 25.8% 순이다. 또한, 2018년 이후 산업계의 연구과제수가 크게 증가하였는데, 이는 반도체 방사선 영향평가에 대한 산업체의 관심 및 수요가 크게 증가하였기 때문이다. 2023년도 양성자가속기 이용자 만족도는 93.0점으로 우수하였으나 빔서비스 시간 부족에 대한 불만족은 계속 제기되고 있으며, 이를 위하여 2024년도 하반기부터는 24시간 빔 서비스 시범운영을 통하여 빔 서비스 시간을 늘릴 예정이다.

Fig. 9. KOMAC beam users and research field distribution.

Fig. 10. Space environment simulation chamber installed in low-flux beam line.

그림 9에 나타나 있듯이 최근 양성자가속기의 대표적인 이용분야로는 우주 방사선(고에너지 양성자)에 의한 반도체 영향평가 분야이다. 우주방사선 영향 평가에 대한 표준이나 절차는 미국이나 유럽 등 과학기술 선진국을 중심으로 확립되어 있는데 특히, 유럽의 European Space Agency (ESA) 규격이나 미국의 MIL-STD, 그리고 국제반도체표준협의기구(Joint Electron Device Engineering Council, JEDEC)의 규격이 대표적이다. 특히, 양성자과학연구단에서 운영 중인 100 MeV 양성자가속기가 2021년 9월, 15년 만에 개정된 JEDEC의 반도체 방사선 영향평가 표준인 JESD89B에 등재되어 국제적인 시험평가 시설로 인정을 받았다. 또한 우주방사선 연구에 최적화된 저선량 빔라인 구축에 이어, 2023년에는 그림 10에 보인 것과 같이 우주방사선 영향 평가를 위한 전용 우주환경모사장치 구축을 완료하여 앞으로의 활용이 더욱 기대된다.11)12)

양성자가속기 향후 발전 계획

2002년부터 2012년까지 수행한 양성자기반공학기술개발사업을 통해 국내 독자적 기술로 구축된 경주 양성자가속기는 초기부터 고출력 중성자원을 염두로 개발된 대용량 양성자가속기이다. 100 MeV 양성자가속기의 1 GeV 에너지 업그레이드를 통해 세계 최고 수준의 펄스 중성자원 구축이라는 장기 비전을 실현하기 위하여, 다양한 기술적, 정책적 검토를 포함하는 기획연구를 수행 중이며 최적의 방안(현재 100 MeV → 200 MeV → 1 GeV 단계적인 에너지 확장방안 검토 중)을 마련하여 파쇄 중성자원 구축을 위한 연구를 추진할 계획이다. 또한, 에너지 업그레이드에 필요한 초전도 가속장치 기술, 양성자 싱크로트론 설계 및 장치 기술, 고출력 표적 기술 등 기반기술에 대한 연구를 지속적으로 수행해 나가고자 한다.

Fig. 11. Mid and long-term plan for KOMAC upgrade.

맺음말

양성자과학연구단의 100 MeV 양성자가속기는 2002년부터 개발을 시작하였으며, 개발과정을 통해 RFQ, DTL 그리고 초전도 가속기의 설계, 제작, 설치, 시험까지 일련된 기술을 보유할 수 있었으며, 이온원, 고주파, 제어 등 양성자가속기 관련 핵심기술을 개발할 수 있었다. 2013년부터 이용자에게 빔 서비스를 시작하였고, 해를 거듭할수록 가속기 운영시간 및 가동률이 증가하고 있으며, 이를 통해 점차 안정적인 운영단계로 진입하고 있음을 알 수 있다. 앞으로도 한국원자력연구원 양성자과학연구단은 100 MeV 양성자가속기를 안정적이고 효율적으로 운영하여 국가대형연구시설로서 기능과 역할을 다할 수 있도록 양성자가속기의 운영기술과 장치기술을 지속적으로 보완해나가며 이를 통해 고품질의 이용자 빔서비스를 제공할 계획이다. 특히, 양성자가속기의 이용 연구 저변 확대를 위한 기초연구 지원은 물론, 중점 지원과제 선정 등을 통해 우수한 성과 창출이 기대되는 빔이용 연구과제를 계속 발굴하여 지원할 예정이다. 또한, 양성자가속기 운영기간이 10년을 넘어가고, 누적운영시간도 3만 시간을 상회하는 현 시점에서, 가속장치의 노후화에 대비하는 장기계획을 수립하는 한편, 그동안 축적된 가속기 운영기술 및 장치기술을 활용하여 장치 및 빔서비스 수준을 한 단계 높일 수 있는 적기라고 판단된다. 향후 다양한 기술적, 정책적 검토를 통해 최적의 양성자가속기 업그레이드 플랜을 수립하고 관련 연구를 지속적으로 수행하여 우리나라의 과학기술 역량의 도약에 일조하고자 한다.