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지난호





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특집

빛처럼 빠른 입자, 우리 손으로 만들다

이용자 서비스 시작 이후의 PAL-XFEL 성능향상

작성자 : 김창범·심치현·남인혁·양해룡·민창기·허훈·강흥식 ㅣ 등록일 : 2021-06-02 ㅣ 조회수 : 191 ㅣ DOI : 10.3938/PhiT.30.015

저자약력

김창범 박사는 2005년 포스텍 물리학과에서 박사학위를 받고 현재 포항가속기연구소에서 빔 진단 분야를 연구하고 있다. (chbkim@postech.ac.kr)

심치현 박사는 2018년 포항공과대학교 물리학과에서 박사학위를 받고 현재 포항가속기연구소에서 박사후연구원으로 재직 중이며, X-선 자유전자레이저 빔물리 분야를 연구하고 있다 (sch0914@postech.ac.kr)

남인혁 박사는 2015년 광주과기원 물리광과학과에서 박사학위를 받고, 미국 SLAC 국립연구소의 LCLS에서 박사 후 연구원을 거쳐 현재 포항가속기연구소에서 자유전자레이저 및 차세대 가속기 분야를 연구하고 있다. (ihnam@postech.ac.kr)

양해룡 박사는 2013년 포스텍 물리학과에서 박사학위를 받고 현재 포항가속기연구소에서 빔물리 분야를 연구하고 있다. (highlong@postech.ac.kr)

민창기 박사는 2006년 포스텍 화학과에서 박사학위를 받고 현재 포항가속기연구소에서 레이저 및 타이밍 분야를 연구하고 있다. (minck@postech.ac.kr)

허훈 박사는 2002년 경북대학교 물리학과에서 박사학위를 받고 현재 포항가속기연구소 XFEL가속장치부 가속기제어팀에서 근무하고 있다. (heohoon@postech.ac.kr)

강흥식 박사는 1998년에 서울대 원자핵공학과에서 박사학위를 받고 현재 포항가속기연구소에서 빔물리 분야를 연구하고 있다. (hskang@postech.ac.kr)

Recent Progress of the PAL-XFEL after User Service Start

Changbum KIM, Chi Hyun SHIM, Inhyuk NAM, Haeryong YANG, Chang-Ki MIN, Hoon HEO and Heung-Sik KANG

The X-ray Free Electron Laser of the Pohang Accelerator Laboratory (PAL-XFEL) was open to the public in 2017 and started user service. Even after the user service had started, improvement of beam quality was continuously attempted, and several meaningful results were achieved. In this paper, we present recent progress in the PAL-XFEL, including the present status of its operation. The increase in the FEL pulse energy is explained, and the generation of a self-seeding FEL is described. In addition, the generation of a two-color FEL is mentioned.

들어가며

물리학과 첨단기술은 포항가속기연구소의 경 X-선 Free Electron Laser(XFEL)을 건설 이전부터 지금까지 지속적으로 자세히 소개해 왔다. 지난 2005년 포항가속기연구소의 PLS가 사용자서비스를 시작한 후 10주년을 기념하여 특집호를 내었는데 이때 이미 XFEL에 관한 내용을 담아 포항가속기연구소가 나아갈 방향을 제시하였다.1) 포항가속기연구소에서 본격적으로 정부에 PAL-XFEL의 건설을 제안한 후 2009년 10월에 다시 특집으로 다루어 PAL-XFEL 장치와 응용에 관하여 상세히 설명하였다.2) 이후 2011년부터 본격적인 건설 사업을 시작한 PAL-XFEL은 2017년에 처음으로 사용자 서비스를 시작하였는데, 물리학과 첨단기술에서는 이를 기념하기 위하여 PAL-XFEL을 이용한 다양하고 혁신적인 실험들에 관하여 특집 기사를 마련한 바 있다.3) 그 후 4년이 지난 지금, PAL-XFEL은 현재 어떠한 모습이고, 어떻게 운용되고 있으며, 사용자 서비스 이후에 더 좋은 성능의 FEL을 제공하기 위하여 어떤 노력을 기울여 왔는지 알아보고자 한다.

PAL-XFEL

XFEL은 펄스 당 1012개 이상의 광자를 가지고 있으면서도 에너지 대역폭이 10‒2 이하이고 Self-Seeding을 이용할 경우 10‒4 이하의 에너지 대역폭도 얻을 수 있다. 이 경우 빔 크기를 광자의 손실 없이 100 nm 이하로 집속시킬 수 있어 하나의 펄스만으로도 매우 작은 결정의 X-선 산란 데이타를 얻을 수 있다. 또한 결맞음이 매우 우수하여 위상정보 획득에 특히 유리하다. 3세대 방사광가속기의 Undulator에서 얻어지는 X-선의 경우 빔 진행 방향에 수직인 횡방향에서 결맞음 특성이 유지되는 크기는 수평 방향으로는 10 μm, 수직 방향으로는 100 μm 정도이지만 XFEL의 경우 수 mm2에 달해 전제 빔 단면적에서 결맞음 특성이 유지된다. 더욱이 XFEL에서 나오는 X-선의 펄스 길이는 수십 fs 정도로, 현재 3세대 방사광가속기에서 얻을 수 있는 펄스 길이보다 1000배 이상 짧아서 시간 분해능을 크게 높일 수 있다. 물질에 화학반응이 일어나면 기존의 분자가 새로운 구조를 가진 분자로 변화하게 되는데 이 과정에서 나노미터 크기의 원자들이 피코초 이하의 짧은 시간 동안 결합의 분해, 형성, 재배치가 이루어지므로 3세대 방사광가속기를 이용한 실험에서는 이러한 현상의 관찰이 어렵지만 XFEL을 이용하면 가능하다.

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

[Table 1] User service time of 2018, 2019, and 2020.

Table 1. Phases for the dissemination of the kilogram.
구분
계획된 빔 제공 시간실제 빔 제공 시간
빔 제공율
2018년2012 h1921 h95.5%
2019년2503 h2409 h96.2%
2020년2910 h2819 h96.9%

2017년 사용자 서비스를 시작한 이후 PAL-XFEL은 더 많은 사용자가 빔을 이용할 수 있도록 빔 제공시간을 늘리기 위하여 계속해서 노력해왔다. [표 1]은 2018년부터 2020년까지 계획된 빔 제공시간과 실제 빔 제공시간을 보여준다. 2020년에 계획된 빔 제공시간은 2910시간이며, 실제 빔 제공시간은 2819시간으로 96.9%의 빔 제공율을 기록하였다. 이는 2018년의 빔 제공시간인 1921시간에 비하여 크게 증가한 것으로 그만큼 사용자들에게 빔을 더 많이 제공할 수 있었다.

PAL-XFEL 성능향상

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

지금까지 PAL-XFEL에서 사용자 서비스를 위하여 제공되는 가장 높은 광자 에너지는 14.5 keV였으나 더 다양한 실험이 가능하도록 FEL의 광자 에너지를 증가시키는 노력을 기울여 왔고, 2020년에는 20 keV 광자 에너지를 가지는 FEL 발생에 성공하였다. 발생된 FEL 펄스 에너지는 0.408 mJ이었고 측정된 스펙트럼의 반측폭은 25.3 eV였다. 사용된 전자빔의 에너지는 10.4 GeV이고 Undulator k값은 1.4였다. [그림 4]는 FEL 발생에 사용되는 Undulator를 하나씩 늘려가면서 측정된 20 keV FEL 세기를 보여준다. FEL 세기는 Undulator 10개까지 약하게 증가하다가 그 이후에 본격적으로 증가하기 시작하여 20개 Undulator가 모두 사용되면 FEL 세기가 포화되어 그 이상 증가하지 않는 것을 볼 수 있다.

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

맺음말

포항가속기연구소는 세계에서 다섯 번째로 PLS를 건설하여 한국의 방사광을 이용한 연구 환경을 처음으로 제공한 이후, 2011년 PLS의 성능향상 사업인 PLS-II를 성공적으로 마무리하여 사용자들이 실험할 수 있는 환경을 크게 개선하였다. 그리고 2017년에는 PAL-XFEL을 세계에서 세 번째로 건설하여 방사광을 이용한 실험을 한 차원 더 높은 영역으로 확장하였다. PAL-XFEL은 사용자 서비스를 시작한 이후 실험을 위한 빔 제공시간을 지속적으로 늘려왔으며 앞으로도 빔 제공시간을 늘려서 더 많은 사용자들이 실험을 할 수 있는 환경을 제공할 예정이다. 이에 더하여 기존 SASE FEL의 발생 및 제공에만 머물지 않고 FEL 펄스 에너지를 더 증가시킬 수 있는 방법을 다각도로 연구하는 한편, Self-Seeding을 이용한 FEL 발생에 성공하여 이를 빔 실험에 적용하였으며, Two Color FEL 발생을 시도하는 등 다양한 사용자 요구를 만족시키기 위하여 노력해왔다. PAL-XFEL은 앞으로도 경 X-선과 연 X-선의 동시 운전을 적용하는 등 그 성능향상을 위한 노력을 끊임없이 전개하여 한층 더 좋은 품질의 FEL을 사용자들에게 제공할 것이다.

각주
1)M. Ree et al., Phys. High Technol. 3(3), 2 (2005).
2)S. Nam et al., Phys. High Technol. 10(10), 2 (2009).
3)D. Y. Noh et al., Phys. High Technol. 26(6), 2 (2017).
4)P. Emma et al., Nature Photonics 4, 641 (2010).
5)T. Ishikawa et al., Nature Photonics 6, 540 (2012).
6)H.-S. Kang et al., Nature Photonics 11, 708 (2017).
7)W. Decking et al., Nature Photonics 14, 391 (2020).
8)C. Milne et al., Appl. Sci. 7, 720 (2017).
9)C.-K Min et al., J. Synchrotron Rad. 26, 1101 (2019).
10)I. Nam et al., Nature Photonics 15, 435 (2021).
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