GIST, 레이저 기반 고에너지 입자빔 발생 기술 개발

왼쪽부터 김형택, 김이종 박사

아주경제 이한선 기자 = 국내 연구진이 레이저 기반 고에너지 입자빔 발생 기술을 개발했다.
 
광주과학기술원(GIST)은 고등광기술연구소(APRI) 김형택, 김이종 박사 등 연구진이 펨토초 초강력 레이저를 이용해 하전입자(전자양성자)를 소규모 실험실 수준에서 수 기가전자볼트(GeV) 및 수십 메가전자볼트(MeV)까지 가속할 수 있는 기술을 개발했다고 3일 밝혔다.
이번 성과는 향후 소형 입자 가속기 개발, 양성자 암 치료 및 의료 영상기술 개발에 활용될 것으로 기대된다.
 

연구팀은 물리학 분야 전문학술지 피지컬 리뷰 레터스 18일자 2편의 논문을 동시에 게재했다.
 
이 중 제1논문은 성과의 우수성을 인정받아 편집자 추천 논문으로 소개됐다.
 
펨토초 페타와트 레이저 기반 하전입자 가속은 지난 10년 간 전 세계적으로 고에너지 입자빔을 얻기 위해 연구 경쟁이 치열한 분야로 소형 입자가속기 및 의료용으로 활용하기 위해서는 전자의 경우 10GeV, 양성자의 경우 200MeV까지 가속하는 것이 필요하다.
 
그동안 안정적으로 동작하는 고성능의 펨토초 페타와트 레이저가 없었고 레이저 빔 표적 제작 기술의 한계로 인해 전자빔 및 양성자 빔의 에너지를 증대시키는 데 한계가 있었다.

연구진은 고등광기술연구소가 보유한 30펨토초 1페타와트 레이저를 2단 기체 표적과 박막형 플라스틱(F8BT) 표적에 조사해 전자 및 양성자 빔의 에너지를 크게 높일 수 있었다.
 
연구진이 개발한 방법인 페타와트 레이저빔과 2단 기체 표적을 사용하였을 때 얻어진 전자빔의 에너지는 3~4GeV로 기존 방법과 비교할 때 2배 이상 에너지 증대가 일어난다.
 
페타와트 레이저 빔을 박막형 플라스틱 표적에 조사했을 때 최고 45MeV의 에너지를 갖는 양성자 빔을 얻었으며 이 방식을 이용할 경우 집속된 레이저 빔의 에너지 증가를 통해 100MeV 이상의 양성자를 쉽게 얻을 수 있을 것으로 예상된다.
 
이번에 실현한 2단계 레이저 전자 가속 기술은 향후 다단계 가속을 이용하면 10GeV급 전자빔 발생용 레이저 기반 전자가속기를 개발할 수 있음을 실험적으로 보여줬다.
 
연구는 페타와트 레이저 펄스와 박막 표적을 이용하면 레이저 기반 양성자 에너지를 효율적으로 증대할 수 있음을 세계 최초로 보고했다.
 
레이저 기반 입자빔 가속 기술은 실험실 규모의 소규모 공간에 설치가 가능한 레이저 기반 소형 입자가속기 및 레이저 기반 차세대 탁상형 암 치료기 개발 등에 활용할 수 있다.
 
이번 연구 결과는 국제적으로 연구 경쟁이 치열한 분야에서 세계 최우수 연구그룹을 제치고 국내 토착 연구를 통해 세계 최초로 우수한 연구 결과를 산출했다는 점에서 우리나라의 연구 능력이 진일보한 것으로 평가되고 있다.
 
남창희 초강력레이저과학연구단 단장은 “이번 연구를 통해서 레이저 기반 입자빔 발생 및 가속기술 개발뿐만 아니라 초강력 레이저장 하에서의 일어나는 상대론적 물리현상을 규명할 수 있었다”며 “앞으로 레이저 기반 소형 입자 가속기 개발이 현실화되고 이를 이용한 산업적, 의료적 응용도 확대될 것”이라고 밝혔다.