원자력/우주항공

중국 최대 에너지 양성자 사이클로트론으로 HI-13직렬가속기를 업그레이드

발행일 : 2019 / 05 / 26

중핵그룹중국원자력과학연구원에는 지름이 6.16m이고 무게가 435t인 세계 최대 컴팩트형 고강도 양성자 사이클로트론이 있는데 이는 현재 중국이 자체적으로 개발한 최대 에너지 양성자 사이클로트론이다. 2003년 7월에 가동된 거대과학 프로젝트인 HI-13직렬가속기 업그레이드 프로젝트는 기존의 HI-13직렬가속기의 전단에 100MeV 고강도 양성자 사이클로트론 1대 및 질량 분해능이 20,000에 달하는 온라인 동위원소 분리기 1대를 새로 구축하고, 후단에 중이온 초전도 직선부스터 1대를 새로 구축하는 등 성능 강화 프로젝트이다. 해당 프로젝트는 2018년 말에 검수를 통과해 다방면 과학연구 플랫폼을 형성했다.

양성자 사이클로트론은 여타 가속기와 달리 원자핵을 구성하는 양성자를 전기장의 힘으로 원형 라운드에서 끊임없이 가속시켜 최종적으로 고속 입자를 얻는다. HI-13직렬가속기는 1987년에 미국에서 도입했고 2011년 4월에 중간에너지 고강도 양성자 사이클로트론, 고분해능 동위원소 분리기, 초전도 중이온 직선가속기 등의 부재를 충당하기 위한 목적으로 HI-13직렬가속기 업그레이드 프로젝트를 가동했다. 100MeV 고강도 양성자 사이클로트론은 해당 프로젝트에서 가장 핵심적인 대형 주설비이자 최대 기술적 난제이다.

컴팩트형 및 고강도를 동시에 구현하기 위해 연구팀은 기존의 설계 아이디어에서 벗어나 세계 최초로 70MeV 이상 에너지의 AVF(교대집속) 사이클로트론에 직선변 부채꼴을 도입함으로써 메인 마그네트, 고주파 공동(RF cavity), 래디얼 프로브(Radial Probe) 등 주설비의 공사 난이도를 낮추었다. 수년 후 캐나다, 미국, 한국 등 국가도 중간에너지 컴팩트형 고강도 양성자 사이클로트론을 구축하면서 해당 방안의 타당성 및 전망성을 간접적으로 입증했다.

100MeV 사이클로트론 구축에 있어 성공적인 물리적 설계는 첫 단계에 불과하다. 그 다음으로 핵심적인 물리적 설계 구현 단계에서 연구팀이 제조한 메인 마그네트는 심사전문가로부터 순철(pure iron) 주조 및 사이클로트론 분야의 세계 넘버원이라는 평가를 받았다.

순철은 균일성 및 치밀성에 대한 요구가 매우 높다. 연구팀은 뤄양중신(洛陽中信)중형기계공장과 협력해 무게가 435t, 가공·조립 정밀도가 0.05mm인 메인 마그네트를 제조했다.

이외에 100MeV 고강도 양성자 사이클로트론의 대형 자기극과 진공 덮개판 사이 진공 배기통로가 없고 자기 에어갭이 작고 측량이 어려울 뿐만 아니라 가속기 진공실과 진공관로에는 수백 개 구멍 및 밀봉면이 존재하는 문제를 1년 만에 “거의 무공기” 표준에 달성했다.

현재 대다수 대·중형 병원은 컴팩트형 의료용 사이클로트론을 보유하고 있는데 주로 암증·심혈관질환 진단용 동위원소 약물을 생산한다. 100MeV 고강도 양성자 사이클로트론은 흔히 사용하는 의료용 방사선 동위원소뿐만 아니라 스트론튬-82, 요오드-123도 생산할 수 있다.

100MeV 사이클로트론은 부피가 크지 않지만 세계 동일 유형 장치에서 최대 빔 출력 및 최대 범위 빔 세기를 보유할 뿐만 아니라 중국 최초로 대형 양성자 가속기 빔의 양방향 도출을 달성하여 동시에 2명 사용자에게 빔을 제공할 수 있어 사용자의 사용시간을 배로 늘렸다.

설계에 따르면 동 프로젝트 완공 후 매년 3,000시간 이상 가동하고 또한 우주 전리방사 환경에서의 단일 입자 효과, 우주 양성자 탐사기 보정, 방사성 핵빔(nuclear beam) 붕괴 및 반응 연구, 핵 데이터 측정 등 핵물리 기초·응용 연구에 이용될 전망이다.