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<2단 가속을 이용한 3-GeV 전자빔 개발>

Phys. Rev. Lett. 111, 165002 (2013) Editor suggestion paper

레이저 전자 가속은 상대론적 영역의 초강력 레이저가 저밀도 플라즈마를 진행하면서 플라즈마 파동을 여기시키고, 이 플라즈마 파동 내의 강력한 전기장에 의해 전자가 매우 높은 에너지로 가속되는 방법을 말한다. 이론적으로 페타와트 레이저를 이용하면 Multi-GeV 영역의 전자빔 발생이 가능한 것으로 예측되었으나, 레이저의 펌핑 에너지를 늘리더라도 전자 뭉치 유입 및 가속 거리 확보 등의 문제를 해결해야만 Multi-GeV 영역의 전자빔 개발이 가능하다. 이에 본 연구단은 길이과 밀도가 다른 두개의 가스젯을 이용하여 2단계 전자 가속을 구현하여, 첫번째 가속단에서 전자 뭉치 유입을 일으키고, 두번째 가속단에서 3 GeV까지 전자빔 에너지를 향상시키는 연구에 성공하였다.

본 연구진은 30 펨토초의 펄스폭을 가지는 페타와트 레이저 시스템을 이용하여, 3 GeV 이상의 고에너지 전자빔을 발생시키는 연구를 수행하였다.  본 연구에서는 전자빔을 발생시키고 수백 MeV까지 가속시키는 4 mm 헬륨 젯 가속 부분과 전자빔의 에너지를 3 GeV 영역까지 가속시키는 10 mm 헬륨젯 가속 부분을 구분하여 2단계 가속 기술을 구현하였다. 2단계 가속은 전자의 발생 단계와 가속 단계를 구별하여 조정함으로서 전자 뭉치 유입과 가속 부분 특성을 각각 조절할 수 있어, 전자 가속의 품질을 적절하게 조절할 수 있는 장점이 있다. 아래 그림은 2단 전자 가속의 실험장치 개략도와 2단계 전자가속 기술을 구현한 결과를 보여주고 있다. 실험에서는 1단 가속 부분에는 2.1x1018 cm-3의 비교적 높은 밀도의 4-mm 헬륨 가스 젯을 사용하여 전자뭉치의 자가 유입이 원활하게 일어나도록 하였다. 1단 가속부에서 나온 전자빔은 400 MeV의 에너지를 가지고 있었다. 2단 가속부분은 0.8x1018 cm-3의 낮은 밀도의 매질을 사용하여 추가적인 전자뭉치의 유입이 없이 균일한 가속이 가능하도록 하였다. 이렇게 2단 가속을 통하여 전자의 에너지는 획기적으로 증가하여 3 GeV 영역까지 전자빔의 에너지가 증가한 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 2단 가속에 의한 Multi-GeV 전자 가속 기술은 향 후 다단계 가속으로 확장하여 10 GeV 영역의 전자빔 가속 기술 개발의 기반이 될 것으로 기대된다.

그림. (좌) 페타와트를 이용한 2단계 전자가속 실험장치
(우) 2단 가속을 이용한 3 GeV 전자빔 에너지 스펙트럼