| 상하이광학정밀기계연구소, 레이저 전자가속으로 세계 최고의 고휘도 고품질 전자빔 획득 | ||
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 최근 중국과학원 상하이광학정밀기계연구소 강장(high field)레이저 물리국가중점실험실의 쉬즈잔(徐至展) 원사, 리루신(李儒新) 연구원이 이끄는 연구팀은 초강(Ultra intense) 초단(ultra short) 레이저 구동 웨이크필드(Wakefield) 가속기술을 이용하여 고휘도 고품질 전자빔을 생성하는 연구에서 획기적인 성과를 거두었다. 연구팀은 캐스케이드 웨이크필드 가속의 새로운 방법을 제안함으로써 레이저 웨이크필드 가속과정에서 에너지 발산도 압축이 어려운 등 주요 기술적 어려움을 극복하였다. 실험에서 획득한 고휘도 고품질의 고에너지 전자빔의 6차원 위상 공간 밝기는 1015-16A/m2/0.1%에 달함으로써 현재 국제에서 보고한 동기 연구 결과보다 훨씬 높았고 국제 최초로 가장 선진적인 직선가속기에서 얻을 수 있는 전자빔 밝기에 가까웠다. 관련 연구 성과는 2016년9월 16일의 ‘Physics Review Letters(117, 124801(2016))’에 발표되었으며 하이라이트 논문으로 선택되었다. 초강 초단 레이저 구동 웨이크필드 전자가속기는 기존의 무선주파수 가속기보다 3개 수량급 더 높은 초고 가속 구배를 갖고 있으므로 소형화 고에너지 입자가속기 등을 구현하는데 새로운 기술적 경로를 제공하였고 또 미래 동기화 방사 장치, 자유전자레이저 및 고에너지 물리연구 등에 깊은 영향을 미칠 전망이다. 근 10년 동안, 레이저 웨이크필드 전자가속 연구는 다양한 진전이 있었으나 고품질 전자빔 생성 분야에서 아직도 에너지 발산도 압축과 안정성 향상 등과 같은 많은 어려움과 도전을 겪고 있어 그 응용분야 연구에서 제한을 받고 있다. 연구팀은 캐스케이드 웨이크필드 가속의 새로운 방법을 설계하였다. 두 구간 캐스케이드의 플라즈마 사이에 고밀도 플라즈마를 도입하여 전자빔의 안정상 가속 및 에너지 처프(chirp) 역전과 에너지 발산도 압축을 제어함으로써 일단(Single stage) 웨이크필드 가속 방법에서 에너지 발산도를 독립적으로 제어할 수 없는 기술적 어려움을 극복하였으며 실험을 통하여 고품질(200-600 MeV, 에너지 발산 0.4-1.2%, 전류 강도 1-8 kA, 발산각~0.2 rms mrad)의 고에너지 전자빔을 획득하였다. 3차원 입자 시뮬레이션 결과, 해당 캐스케이드 가속의 새로운 방법은 전자의 2차 주입을 효과적으로 억제할 수 있고 전자빔의 안정상 가속을 구현하며, 또 전자빔의 에너지 처프 제어와 에너지 발산도 압축을 구현하여 저에너지 발산도, 저발산각 및 고 전류강도의 고휘도 고품질 전자빔을 얻을 수 있다. 해당 방법으로 얻은 고휘도 고에너지 전자빔을 또 역콤프턴산란(inverse Compton scattering) 감마선원(gamma ray source) 생성 과정에 응용하여 획기적인 성과를 거두었다. 해당 전자빔과 초강 초단 레이저 충돌을 이용하여 초고휘도 준단색 MeV급 감마선원을 생성하였다. 그 휘도 피크 값은 3×1022 photons s-1 mm-2 mrad-2 0.1%BW에 달하여 국제적 동기 감마선원 밝기보다 1개 수량급이 더 높았으며, 기존의 감마선원 동기 에너지 구역의 휘도 피크 값보다 10만 배 향상하였다. 관련 연구결과는 최근 Scientific Reports(6, 29518(2016))에 발표되었다. 현재, 해당 연구팀은 소형화 전체 광자유전자레이저 장치의 연구개발에 추진하고 있다. 해당 캐스케이드 웨이크필드 가속의 새로운 방법으로 생성한 고휘도 고에너지 전자빔은 소형화 자유 전자 레이저 등 주요 분야의 연구 과정을 추진할 전망이다. 정보출처 : http://www.stcsm.gov.cn/xwpt/kjdt/345888.htm |
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