방사광 가속기 LCLS 업그레이드 마쳐

기존보다 8000배 빠르고 1만배 밝아

"화학반응 순간 전자의 움직임까지 포착"

미국이 세계에서 가장 강력한 엑스선(X-ray) 레이저(방사광 가속기)를 완성해 가동에 들어갔다. 화학 반응 순간 일어나는 원자의 움직임까지 포착해 이미지화할 수 있는 능력을 갖춰 관련 연구에 혁신을 가져올 전망이다.

미국 스탠퍼드대 선형가속기센터(SLAC)가 운영하고 있는 방사광가속기 LCLS. 사진출처=SLAC 홈페이지

미 스탠퍼드대 SLAC 국립가속기연구소는 지난 12일 11억달러를 들여 10여년간 진행해 오던 방사광 가속기 LCLS-I(Linac Coherent Light Source)의 성능 개량 사업을 마치고 첫 번째 빔 생산에 성공했다. 이번 업그레이드를 통해 개선된 LCLS-II는 X선 초당 펄스 수가 120개에서 무려 8000배 이상인 100만개로 늘어났다. 레이저의 밝기도 평균 1만배 이상 밝아졌다. 과학자들은 이를 통해 역대 최고의 선명도로 분자 운동을 촬영할 수 있고, 다른 장비로는 불가능했던 희귀한 분자 현상의 내부를 들여다볼 수 있을 것으로 보고 있다.

국제학술지 네이처(Nature)는 "화학 반응 도중 원자 주위를 맴도는 전자를 포함해 엄청나게 빠르게 일어나는 물질들의 운동을 이미지화할 수 있을 것"이라며 "이를 통해 광합성의 비밀을 밝혀내거나 컴퓨팅 시스템을 위한 새로운 전자 소자를 개발하는 데 도움이 될 수 있다"고 전했다.

업그레이드되기 전인 LCLS-I도 2009년 설치됐을 당시 엄청난 성능을 자랑했었다. 세계에서 처음으로 X선을 레이저 속도로 쏴 원자를 연구할 수 있는 방사광가속기였다. 약 3km의 길이의 구리선을 통해 전자를 가속시킨 후 자기장을 이용해 교란시켜 X선을 방출하도록 하는 원리다. 고에너지의 경질(투과력이 강한 단파장) X선과 저에너지의 연질 X선을 동시에 생산해낼 수 있다.

연구소 측은 이번 성능 개량을 통해 가속기 일부 구간의 구리선을 2켈빈(영하 271.5도 안팎)의 극저온 상태에서 전기 저항 '제로(0)' 상태, 즉 초전도 니오븀(Niobium) 전선으로 교체했다. 이로 인해 X선 펄스를 훨씬 더 빠르게 생산해 낼 수 있게 됐으며, 나머지 기존의 구리선 부분은 연질(투과력이 약한 장파장) X선만 생산하게 된다. 연구소 측은 업그레이드를 2020년 마무리할 계획이었지만 코로나19 팬데믹(세계적 대유행) 등 여러 이유로 이번에 마무리짓게 됐다.

우리나라도 1994년부터 3~4세대 포항 방사광가속기를 완공해 활용하고 있다. 방사광가속기는 전자를 빛의 속도에 가깝게 가속시켜 발생하는 빛을 이용해 원자-분자 단위의 이미지를 촬영할 수 있어 기초과학, 의학, 응용과학 등에 활용한다. 방사광가속기의 빛은 태양보다 훨씬 더 밝아 원자, 분자 수준의 관찰이 가능해 '초고성능 거대 현미경'으로 부른다. 현재 충북 오창에 1조원을 들여 4세대인 다목적방사광가속기를 구축 중이다. 피코미터급으로 4GeV(40억 전자볼트)로 전자를 가속해 태양보다 약 100억배 밝은 광선을 생산해낼 예정이다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr