일본산업뉴스요약

Start Up Innovation / Science
초전도 장치 효율화의 열쇠
공동(空洞) 1개로 초 고전압 가속 실현

일본으로의 유치가 논의되고 있는 차세대 가속기 ‘국제 선형 충돌기(International Linear Collider, ILC). 그 거액의 건설비에만 이목이 집중, 그 핵심부가 어떠한 최첨단 장치인가에 대해서는 별로 알려져 있지 않다. 초전도기술을 이용한 하전입자(Charged particle)를 높은 효율로 가속화하는 장치를 ‘초전도 가속공동’이라고 한다. 이것은 각국이 개발 경쟁을 벌이고 있는 차세대 산업기반기술로 일본에서는 고 에너지 가속기연구기구가 거점이다.

-- 다분야 응용에 기대 --
초전도 가속공동은 최첨단 기술로 만들어진 장치답지 않게 유머러스 한 형태를 가지고 있다. 직경 약 20 cm의 불룩한 돌출부가 9개 이어진 큰 아령과 같은 형태로 한쪽 끝에서 보면 안은 공동이고 반대쪽 끝이 보인다.

고순도 나이오븀으로 만들어진 초전도 가속공동은 공동 안을 진공화해 극저온으로 냉각, 전기 저항이 제로인 초전도 상태로 만든 다음 마이크로파로 공동 안을 채운다. 공동의 한쪽 끝에서 하전입자를 절묘한 타이밍으로 내보내면 마이크로파의 전장으로 인해 연속적으로 가속되어 다른 한쪽 끝에서 튕겨나간다.

길이 약 1m의 공동을 빠져나가는 동안 실효적으로 3,150만 볼트라는 초고전압으로 인한 가속이 실현된다. 유럽에서 실용화되고 있는 타입보다도 현격하게 가속 성능이 높다. 또한 ILC에서는 이것을 8,000대 사용한다.

-- 내부를 평활화 --
가속공동은 프레스 성형을 한 부재(部材)를 용접해 만들지만 공동 내면이 거울처럼 매끄럽고 깨끗하지 않다면 초전도 상태가 성립되지 못한다. 부재의 용접과 공동 내면 처리는 고도의 기술이 요구되지만 양산 비용은 최대한 낮출 필요가 있다.

고 에너지기구와 교토대학 등 연구그룹은 지금까지 검출할 수 없었던 공동 내면의 미세한 요철을 표면에 떠오르게 해 이것을 평활화(Equalization)하는 기술을 고안해내었다. 말하자면 가속공동의 진단∙치료시스템이다.

이 기술을 다수의 가속공동에 적용하는 과정에서 얻은 노하우를 제조 프로세스에 피드백 해 고성능 장치의 양산 기술이 세계적 수준으로 크게 향상되었고 이것이 ILC의 일본 유치를 구미 각국이 지지하는 기술적 베이스가 되었다.

가속공동장치 개발은 주로 미∙일 협력을 통해 이어지고 있으며, “현재 계획을 상회하는 3,500만 볼트의 가속 실현에 대한 가능성이 보이고 있다”라고 고 에너지기구의 하야노(早野) 교수는 말한다.

계획에 따르면 ILC는 기타카미(北上)산지에 약 20km의 직선 터널을 만들어 초전도 가속공동을 설치. 한쪽 끝에서 전자를, 다른 한쪽에서 양전자(전하 부호가 반대인 것 외에는 전자와 동일한 입자)를 주입해 터널의 중간 지점에서 충돌시켜 모든 입자에 질량을 부여하는 힉스(Higgs) 입자를 만들어낸 다음, 힉스 입자가 붕괴되는 모습을 분석해 물질 및 우주의 기원을 밝힌다.

계획을 실현하는데 최대의 걸림돌은 건설비이다. 초전도 가속공동 등 가속기 하나에 4,000억엔이 넘는다. 하지만 유치 성사 여부에 관계 없이 초전도 가속공동은 다양한 분야에서의 이용이 기대되고 있다.

그 중 하나는 X선 레이저 발생 장치로 이용. 초전도 가속공동으로 만들어낸 초고속 전자를 자석을 이용해 구불구불한 모양으로 이동시켜 X선 레이저를 만들어낸다. 일반 레이저보다도 훨씬 파장이 짧아 단백질 및 신소재 구조를 훨씬 상세하게 분석해 순식간에 일어나는 화학 반응에 대한 세부 사항을 밝히는데 매우 유용하다.

-- X선 발생에 활용 --
초전도를 이용하지 않는 가속공동이 도입된 시설이 일본과 미국에서 가동 중이지만, 초전도 타입을 이용한다면 보다 큰 강도의 X선 레이저를 만들어낼 수 있다. 올 봄, 초전도가속공동 800대가 도입된 시설이 독일에서 가동, 미국도 2020년의 완성을 목표로 건설이 추진되고 있다.

“초전도 가속공동으로 만든 고속 전자를 중금속과 충돌시켜 중성자를 발생하도록 하는 장치도 유망하다”(하야노 교수). 중성자는 X선 및 전자로는 얻기 힘든 물질의 미세 구조 정보를 밝히는 수단으로 주목도가 높다.

현재는 거대한 가속기 시설에서 만들어낸 양자를 이용해 중성자를 만들고 있어 이용 기회가 매우 제한되어 있다. 초전도 가속공동을 이용한다면 시설이 현격히 간소화되어 중성자 이용이 활성화될 수 있을 것이다.

최근 높은 관심을 끌고 있는 것은 암 진단 등에 이용되는 의료용 방사성 물질의 구조 장치에 이용되는 것. 현재는 연구용 원자로에서 만들어내고 있지만 초전도 가속공동을 이용한다면 중성자와 마찬가지로 훨씬 간편하게 제조할 수 있게 된다.

방사선 폐기물 처리에 응용될 가능성도 있는 등, 앞으로 초전도 가속공동의 응용 분야가 확대될 전망이다.

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