[물리학] 소형 X 밴드 포토인젝터

 

 

 

SLAC(Stanford Linear Accelerator Center, 스탠퍼드 선형 가속기 센터)의 물리학자들이 세계에서 가장 작은 포토인젝터를 개발하고 있다. 이 장비는 빛에 부딪힐 때 전자를 내보내는 것으로서, 선형 가속기 응집 광소스와 같이 자유 전자 레이저(FELs)를 위한 전자를 생성하는 데 사용된다. 이들의 연구는 가속기 기반의 다른 설비와 마찬가지로 좀 더 작은 FELs를 가능케 한다. 현재 SLAC 연구진은 상대론적인 속도로 선형 가속기에서 전자를 증폭시키고 있는 S-밴드 파장보다 “X-밴드”의 마이크로파를 이용하여 전자를 가속할 수 있는 방법을 찾고 있다. X-밴드 마이크로파는 S-밴드 파보다 4배나 더 짧으며, 높은 에너지에서 더욱 빠르게 전자를 가속할 수 있다.

이 장비들은 차세대 선형 가속기를 위한 연구의 일환으로서, SLAC 연구진이 이십 년 이상 연구했다. “SLAC 연구진은 X-밴드 기술에 대해서 세계적인 전문 지식을 가지고 있다”고 X-밴드 시험 구획(XTA)의 가속기 물리학자인 Cecile Limborg는 말했다. SLAC는 또한 SLAC X-밴드 기술을 산업체에 이전하기 위해 많은 노력을 하고 있다. 이 기술은 2007년 주요 양전자와 전자 선형 가속기 기술을 받아들인 CERN의 선형 가속기 프로젝트뿐만 아니라, 스위스 광원과 FERMI@Elletra와 같은 FEL 설비에도 많이 필요하다.

SLAC의 전문성은 소형 포토인젝터의 설계에도 귀중하게 쓰이고 있다. 넓이 약 2인치, 그리고 길이 4인치의 이 장비는 LCLS에 전자를 제공하는 장비의 3분의 1 크기이다. S-밴드보다 더 정확한 요구 사항과 더 강력한 기계 내구성에 맞추어 설계되었음에도, 이 장비는 부품 배열에서 더 정밀하고 강렬한 X- 밴드에도 마모되지 않는 강한 내부 표면을 가지고 있다.

18개월 전에 Limborg는 전체 X-밴드 조립품을 포함하여, X-밴드 클라이스트론, 그리고 X-밴드 가속기가 있는 차세대 선형 가속기 시험 장비 스테이션 B의 시험 설비 연구진을 포함한 여러 연구진의 지원을 받았다. “레이저 부서와 실험 부서, 그리고 LCLS 제어 시스템 부서 또한 도움을 주었다”고 그녀는 말했다. Limborg는 S-밴드로 구동되는 LCLS 포토인젝터를 설계한 부서의 수장이었다. 그녀는 LCLS 프로젝트 동안에 광범위한 실험 경험을 쌓을 수 있었다. 이 포토인젝터는 10년 전 SLAC에서 개발되었던 것의 수정판이다. 연구진의 최근 실험에서, 포토인젝터의 전자를 1.8미터로 이동시키며 50MeV의 에너지를 가속하는 동안 오직 1클라이스트론만을 사용했다. 이것은 연구가 시작된 지 겨우 며칠이 지난 뒤의 일”이라고 그녀는 말했다.

LCLS 전자들은 5미터 이내에서 에너지를 50MeV까지 내는데 2클라이스트론을 사용했다. Limborg는 다음 시험에서는 같은 1.8미터 거리에서 전자가 100MeV에 도달할 수 있으리라고 확신했다. 이들 실험에서는 준비가 완료된 고급 버전의 포토인젝터가 사용될 것이다. 현재의 X-밴드 기술 연구진은 미래의 선형 가속기를 위한 준비에 들어갔다. SLAC의 고에너지 물리 일반 가속기 프로그램의 지원을 받고 있는 포토인젝터 연구는 로렌스 리버모어 국립 연구소와 공동으로 이루어지고 있다. 이들의 목표는 역 컴프턴 산란을 기반으로 하는 감마선 소스를 개발하는 것이며, 이들은 감마선 에너지에 광자를 증폭하기 위하여 전자빔을 이용할 것이다. 만약 그들의 계획이 경제적 지원을 받는다면, SLAC는 소형 포토인젝터와 전자를 가속하고 생성하는 가속기를 제공할 것이며, LLNL은 감마선 에너지에 빛을 증폭시키는 레이저를 제공할 것이다. 그러나 연구진은 다른 계획도 가지고 있다. “X-밴드 인젝터는 LCLS 같이 X-선 자유 전자 레이저를 위한 드라이버로 사용되는 등 많은 잠재력이 있다. 사실, 180미터 길이의 설계 또한 우리의 계산대로 실행 가능할 것”이라고 Limborg는 말했다.

(그림1) 세계에서 가장 작은 포토인젝터