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Facility
 

Holidield Radioactive Ion Beam Facility (Oak Ridge National Laboratory)

2012년 현재 가동되고있는 방사성 동위원소 중이온가속기에는 Michigan State University의 National Super-conducting Cyclotron Laboratory(NSCL), Oak Ridge National Laboratory의 Holifield Radioactive Ion Beam Facility(HRIBF, 이상 미국), TRIUMF(캐나다), Grand Accélérateur National d'Ions Lourds(GANIL, 프랑스), GSI(독일), 이화학연구소(RIKEN, 일본) 등이 있다. 이들 가속기는 중이온의 가속 방식에 따라, 크게 Isotope Separation On-Line(ISOL) 방식과 In-Flight Fragmentation(IFF) 방식으로 나뉜다.

미국 Tennessee 주의 Oak Ridge National Laboratory 내에 위치한 HRIBF의 경우, ISOL 방식을 이용해 방사성 동위원소 빔을 생성하고 가속한다. 1차로 Oak Ridge Isochronous Cyclotron(ORIC)에서 가벼운 이온을(p, d, 3He) 가속하여 target ion souce에 위치한 표적에 입사시키는데, 그 결과로 방사성 동위원소들이 생성된다. 생성된 동위원소들은 이온화의 과정을 거쳐서 25 MV tandem 가속기에서 실험에 필요한 빔의 에너지를 갖도록 다시 한번 가속된다. 그림 1에 HRIBF에서 방사성 동위원소 빔의 생성과 가속 과정을 보여주는 그림을 개념적으로 보였다.

 

그림 1. HRIBF에서 방사성 동위원소 빔의 생성과 가속 과정을 보여주는 개념도.
출처: http://www.phy.ornl.gov/hribf/accelerators/

 

한국형 중이온가속기 라온 (RAON)

2021년 완공 예정인 한국형 중이온가속기 라온은 방사성 중이온 빔을 만드는 두 가지 방법인 ISOL 방식과 In-Flight Fragmentation 방식을 복합적으로 사용하여, 지금까지 지구상에서 생성해보지 못했던 희귀 동위원소 빔을 이용한 핵물리 실험이 가능하게 할 것이다. 대전광역시 신동지구에 들어서게 될 국내 최초의 중이온가속기 라온에서는 70 MeV, 0.75 mA의 상업용 사이클로트론, 초전도 가속관, high-power IFF 표적 등이 설치되어 완공과 동시에 세계적 수준의 중이온가속기 시설이 될 것으로 기대하고 있다.

본 연구실에서는 라온의 건설을 담당하고 있는 Rare Isotope Science Project(RISP)에 적극적으로 참여하여 2012년 gas jet target의 상세설계, 2013년 fast ionization chamber의 제작과[1, 2] Multi-Wire Proportional Chamber(MWPC)의 상세설계를 수행하였으며, 앞으로도 RISP와의 공동연구를 통해 라온에서 사용할 다양한 검출 시스템을 개발할 계획 중이다.

 

그림 2. 한국형 중이온가속기 라온의 조감도. (RISP 제공)

 

KOrea Broad acceptance Recoil spectrometer and Apparatus (KOBRA)

라온에서 저에너지 핵물리 기초실험은 주로 KOBRA 빔 라인에서 이루어지게 된다. KOBRA 시설 안에서 IF 방식을 이용하여 방사성 빔을 생성하고 불순물을 거르는 용도로 사용될 stage 1과 스펙트로미터의 역할을 담당하게 될 stage 2를 결합하여, 라온에서 생성된 다양한 종류의 방사성 동위원소빔으로 핵천체물리를 비롯한 저에너지 핵물리 실험들이 수행될 것이다.

본 연구실에서는 2012년부터 KOBRA에서 사용할 표적, 검출 시스템, 빔 추적 시스템 등의 장비에 관한 상세설계와 시작품 제작 등을 담당하여 supersonic gas jet target, fast IC, 그리고 MWPC 등에 관한 연구를 진행하였다.

 

참고 문헌

[1] K.Y. Chae et al., Nucl. Instrum. Methods A 751, 6 (2014).
[2] K.Y. Chae et al., J. Korean Phys. Soc. 64, 516 (2014).


Instruments
 

Silicon detectors

핵반응의 결과로 생성되는 입자들 중 전하를 띈 가벼운 이온들은 주로 실리콘 검출기를 이용해 검출을 한다. 핵반응의 이해를 위해서는 이들 입자들의 에너지, 입자들이 방출된 각도, 각분포 등등의 물리량들을 정확하게 측정하는 것이 무엇보다 중요한데, 실리콘 검출기의 경우 이런 조건들을 잘 만족한다. Oak Ridge National Laboratory의 핵천체물리 그룹에서 사용하는 실리콘 검출기는(SIlicon Detector ARray, SIDAR) 앞면에 16개의 p-type strip, 뒷면에 1개의 n-type pad를 갖고 있으며, p-type strip에서 얻은 정보로 입자들의 입사각을 비교적 정확하게 (통상 2도 내외) 측정해낼 수 있다. 이 검출기들은 실험의 특성에 따라서 평면으로 구성하기도 하고, '갓 모양'으로 구성을 하기도 하는데, 그림 1에는 '갓 모양'으로 구성한 SIDAR를 보였다.

 

그림 1. '갓 모양'으로 구성한 SIlicon Detector ARray(SIDAR)의 모습.

 

Gas-filled ionization chamber

실리콘 검출기의 경우, 하전 입자를 검출하기에 좋은 특성들을 많이 갖고 있기는 하지만, 짧은 시간에 많은 양의 입자를 검출할 수 없는 점과, 입자에 장기간 노출될 경우 검출기 자체가 손상 받는 점 등은 단점으로 꼽힌다. gas-filled ionization chamber의 경우, 에너지 분해능은 실리콘 검출기에 비해서 낮지만, 위에 열거한 실리콘 검출기의 단점들을 상당 부분 보완할 수 있다.

전통적 방식의 ionization chamber는 검출기의 디자인 특성상 초당 100,000개 정도의 하전 입자를 검출하는 것이 그 최대 능력이다. 이 수치는 라온과 같은 차세대 중이온가속기 시설에서 사용하기에는 부족하기 때문에 검출기의 반응속도를 높여 보다 많은 개수의 입자를 검출할 수 있는 새로운 디자인이 필수적이다. 본 연구실에서는 이러한 점에 착안하여, 다수의 양극과 음극을 배열하는 방식으로 반응속도를 획기적으로 줄이는데 성공하였다. 새로운 디자인의 ionization chamber는 (그림 2 참조) 중이온 빔을 이용한 성능테스트 실험에서 초당 약 700,000개 정도의 하전 입자를 검출하는 성능을 확보하여 실험 결과를 Nucl. Instrum. Methods A 751, 6 (2014)에 발표하였다.

 

그림 2. Fast gas-filled ionization chamber의 내부 모습.


Experiments
 

[1] 18F(p,a)15O - Phys. Rev. C 74, 012801(R)

신성(nova)은 그 폭발 이후 감마선을 방출하는데, 폭발 이후 처음 수 시간 동안의 감마선 방출은 18F의 베타 붕괴와 잇따른 전자-양전자 소멸에 상당부분 의존한다. 신성 폭발 당시 생성되는 많은 양의 18F은 대부분이 18F(p,a)15O 반응을 통해 소진되기 때문에, 이 핵반응의 반응속도를 정확하게 측정해야 베타 붕괴를 할 수 있는 18F의 양을 추산할 수 있게된다. 이런 이유로, 18F(p,a)15O 반응을 이해하려는 시도들이 여러번 있었지만, 아직까지도 이 핵반응에 대해 알려지지 않은 특성들이 많이 존재한다.

18F+p (19Ne) 시스템 에서 스핀과 패러티가 3/2+인 상태들 사이의 간섭현상이 대표적인 예이다. 18F(p,a)15O 반응은 18F+p인 19Ne의 들뜬 상태를 거쳐 a+15O로 변환되는데, 이때의 반응단면적(reaction cross section)은 공명상태(resonance)의 특성들에의해 대부분 결정된다. 하지만, 공명상태와 다른 공명상태 사이에서는 상태들 사이의 간섭현상에 더 큰 영향을 받는데, 이 간섭현상은 이론적으로 도출해낼 수 없고 오직 실험을 통해서만 결정할 수 있다. 18F(p,a)15O 반응의 경우, 신성 폭발 온도에서 중요한 역할을 하는 상태들 중 8, 38, 665-keV의 상태들이 2/3+의 스핀과 패러티를 갖는 것으로 알려져있다. 이 세 상태들의 간섭효과를 연구하기위해 미국 오크리지 국립 연구소(Oak Ridge National Laboratory)의 방사성 중이온 가속기(Holifield Radioactive Ion Beam Facility)에서 방사성 원소인 18F를 빔으로 만들어 18F(p,a)15O 반응을 측정했다.

 
  위의 그림에, 실험에서 측정한 데이터(점)와 각 상태들 사이의 간섭현상을 이론적으로 계산한 값들(빨간색 실선과 검은색 점선)을 보였다. 빨간색 실선의 경우 실험 데이터를 잘 기술해 주지만, 검은색 점선은 그렇지 못하다는 것을 쉽게 알아낼 수 있다. 이와 같이, 총 여덟 개의 가능성 중에서 네 가지 경우는 가능성에서 제외할 수 있었고, 실험 결과는 Phys. Rev.C 74, 012801(R) (2006)에 발표되었다.