중이온가속기연구소

- 짧은 반감기 희귀동위원소 핵 구조 연구 새 장 열어 -

[그림 1] RAON의 CLaSsy 빔라인과 레이저 시스템.

기초과학연구원(IBS, 원장 장석복) 중이온가속기연구소(IRIS, 소장 직무대행 권면)는 희귀동위원소 빔을 활용한 레이저분광 실험을 국내 최초로 성공하였다. 중이온가속기연구소(IRIS/IBS), 공군사관학교(ROKAFA), 희귀 핵 연구단(CENS/IBS), 고려대학교(KU) 가속기과학과, 한국교원대학교(KNUE) 물리교육과, 한국원자력연구원 첨단방사선연구소(ARTI/KAERI) 공동 연구팀은 유기적인 협력을 통해 동축 레이저 분광장치 `CLaSsy(Collinear Laser Spectroscopy)’를 이용하여 ISOL(온라인 생성분리) 방식으로 생성된 소듐(Na) 동위원소 빔 활용 레이저분광 실험을 국내 최초로 성공했다.

희귀 핵종 연구의 최대 난제는‘짧은 반감기’이며 생성된 희귀 핵종을 비행 상태 그대로 측정하는‘인-빔(In-beam) 레이저 분광학’기반인 CLaSsy 장치는 이러한 문제를 해결하는 핵심 역할을 한다. CLaSsy 장치는 초고속(약 40만 m/s)으로 날아가는 이온 및 원자 빔과 레이저를 일렬로 일치시켜, 희귀 핵종이 사라지기 전에 레이저분광 수행을 가능하게 한다. 레이저 분광을 통해 희귀 핵종의 에너지 구조를 측정할 수 있으며 이로부터 핵 모델 수립에 요구되는 주요 핵 정보들을 측정할 수 있다.

이번 연구를 통해 CLaSsy 장치의 성능을 성공적으로 검증했으며, 짧은 반감기를 갖는 다양한 희귀 핵종에 대해 레이저분광 실험을 수행함으로써 고정밀 핵 구조 연구가 가능함을 입증했다는 점에서 의미가 크다. 연구 결과는 가속기 및 검출기 분야의 국제 SCI(E) 학술지 ‘Journal of Instrumentation’에 게재됐다.

IBS 중이온가속기연구소 CLaSsy 장치 담당자인 실험장치팀 박성종 연구위원은 “이번 성과는 중이온가속기의 핵심 실험장치 중 하나인 CLaSsy 장치의 성능 검증에 머무르지 않고, 중이온가속기에서의 다양한 레이저 기술 활용 확장 가능성을 입증하는 사례”라며, “현재 준비 중인 레이저이온원(RILIS)-레이저분광장치(CLaSsy) 연계 알루미늄(Al) 동위원소 레이저분광 실험의 토대가 될 것이며, 앞으로 레이저 활용장치가 RAON의 희귀동위원소 연구를 위한 핵심 장치가 될 것”이라고 설명했다.

이번 실험의 책임자인 공군사관학교 유훈 교수는 “가속기 시설에서 레이저 기반 원자물리 기술의 활용도가 매우 높다”며, “레이저 이온원 기반 `인-소스(In-source) 레이저 분광학’그리고 CLaSsy 장치를 이용한 `인-빔(In-beam) 레이저 분광학’기술이 차차 정립되고 나아가서 `인-트랩(In-trap) 레이저 분광학’까지 활용된다면, 향후 측정 정밀도를 높일 수 있으며 희귀동위원소 생성 및 활용시설인 RAON은 레이저기술 기반 초정밀 측정 시험 시설로 도약은 물론 신소재 물성 탐색, 방사선 반응 검출 등의 목적으로의 연구 확장도 가능할 것”이라고 밝혔다.

또한, “이번 연구는 원자물리 기반 CLaSsy 장치가 핵구조 연구에 활용된 의미 있는 과학적·기술적 성과”임을 밝히고, “CLaSsy 장치는 희귀동위원소에 대한 레이저분광 수행뿐만 아니라, 광펌핑(optical pumping) 방법을 적용하면 핵스핀 편극자(nuclear spin polarizer)로 활용될 수 있기 때문에 핵물리, 물성과학, 의생명 등 미래 원천 기술 전반에 활용도가 높다”는 것이 교신저자인 IBS 중이온가속기연구소 실험장치팀 송재현 박사후연구원의 설명이다.

IBS 중이온가속기연구소 권면 소장 직무대행은 “이번 성과는 중이온가속기 시설에서 레이저기술이 희귀핵 연구에 활용된 국내 첫 사례이며, 향후 중이온가속기 RAON 시설이 첨단 레이저 기술이 접목된 선진 가속기 시설로 도약하기 위한 중요한 토대가 될 것으로 기대된다.”고 말했다.

한편, 본 연구는 기초과학연구원의 지원(IBS-I001-D1, IBS-R031-D1, IBS-R031-Y3)과 과학기술정보통신부 및 한국연구재단의 지원(No. 2013M7A1A1075764)을 받아 수행되었다.

[그림 2] RAON 레이저 활용장치 (레이저 분광 장치 CLaSsy와 레이저 이온원 RILIS).