중국 SHINE X선 레이저 첫 빛 구현…상하이, 2027년 가동 목표

4 GeV 빔으로 가동에 한 걸음 다가선 상하이 대형 프로젝트

중국 상하이의 SHINE 연구시설이 완공된 가속기에 계획된 에너지의 절반인 4기가전자볼트(GeV) 전자빔을 이용해 첫 자유전자레이저 빛을 만들어냈다. 상하이테크대학교는 10월 21일 이 성과를 발표하며, 2027년 말까지 프로젝트를 완공하고 가동한다는 목표에 중요한 진전을 이뤘다고 밝혔다.

첫 빛은 길이 4m인 언듈레이터 모듈 18개를 사용해 만들어졌다. 각 모듈에는 55mm 간격으로 반복되는 자기 패턴이 들어 있다. 이 모듈들은 총 72m 길이의 자기 구조를 이루며, 빠른 전자를 구불구불한 경로로 유도해 빛을 방출하게 한다. 이렇게 생성된 빛은 증폭돼 강력한 레이저 펄스를 만든다.

SHINE은 Shanghai High repetition rate XFEL and Extreme light facility의 약자로, 과학자들이 나노미터 규모의 구조와 펨토초 동안 일어나는 변화를 살펴볼 수 있도록 설계됐다. 나노미터는 10억분의 1m이고, 펨토초는 1초의 10억분의 1을 다시 100만분의 1로 나눈 시간이다. 이 시간·공간 규모에서 연구자들은 원자와 분자의 미세한 구조와 빠른 움직임을 조사할 수 있다.

건설은 2018년 4월 시작됐다. 완공되면 초전도 선형가속기는 8 GeV에 도달할 전망이며, 일부 운전 모드에서는 초당 최대 100만 개의 X선 펄스를 낼 수 있다. 첫 두 언듈레이터 라인은 광자 에너지 0.2~15킬로전자볼트(keV) 범위를 다룰 것으로 예상된다.

이번에 이룬 직접적인 성과는 시운전 과정에서 레이저 빛을 만들어낸 것이다. 시운전은 장비를 작동 가능한 상태로 만들고 성능을 점검하는 과정이다. 외부 연구자를 위한 정기 실험은 2027년 가동으로 이어지는 계획의 일부다. 상하이테크대학교는 정확한 개관일이나 연구자 신청 일정을 발표하지 않았다.

움직이는 전자가 X선 레이저를 만드는 원리

SHINE은 익숙한 레이저 다수에 들어가는 발광 물질 대신 전자를 이용한다. 선형가속기가 전자에 에너지를 공급한 뒤 언듈레이터로 보내면, 교대로 바뀌는 자기장이 전자를 좌우로 움직이게 해 빛을 방출하도록 한다.

전자는 연속된 모듈을 통과하면서 방사선과 상호작용한다. 적절한 조건에서는 전자가 미세한 무리를 이루고 함께 빛을 방출해 빛을 강력한 펄스로 증폭한다. 전자의 에너지와 자기 구조의 간격은 빛을 구성하는 개별 입자인 광자의 에너지를 결정하는 데 영향을 준다.

4 GeV는 첫 빛을 만드는 데 사용한 전자빔의 에너지를 뜻한다. 0.2~15 keV 범위는 첫 두 라인에서 나올 것으로 예상되는 광자의 에너지를 가리킨다. 서로 다른 장치 부분을 측정한 값이다. 여기서 GeV는 과정을 구동하는 입자의 에너지이고, keV는 실험에 제공되는 X선의 에너지다.

SHINE은 연속파 초전도 가속기를 사용한다. 초전도 부품은 매우 낮은 온도에서 작동하며 전기 저항이 거의 없는 상태로 전류를 전달한다. 연속파 운전은 가속기의 고주파장을 계속 작동시켜, 간격이 큰 버스트에 의존하지 않고 전자 다발을 자주 공급할 수 있게 한다.

에너지 범위가 다른 세 개의 빔라인

첫 번째 단계의 전체 규모는 첫 빛 성과에 사용된 장비보다 크다. 국제입자가속기학회에서 발표된 프로젝트의 2024년 진행 보고서는 언듈레이터 라인 3개, X선 수송 빔라인 3개, 실험 스테이션 10개를 설명하며, 기준 광자 에너지 범위를 0.4~25 keV로 제시한다.

FEL-I의 설계 에너지 범위는 3~15 keV, FEL-II는 0.4~3 keV, FEL-III는 10~25 keV다. FEL-II는 에너지가 가장 낮은, 즉 가장 부드러운 X선을 만든다. 나머지 두 라인은 광자 에너지가 더 높고 파장이 더 짧은 경X선을 만든다.

최근 발표된 0.2~15 keV 범위는 첫 두 라인에 해당한다. 더 넓은 0.4~25 keV 기준 범위에는 FEL-III가 포함된다. 2024년 보고서는 5 GeV 전자빔을 FEL-II로 보내 출력 범위를 0.2 keV까지 확장하는 추가 우회 경로도 설명한다.

같은 보고서는 FEL-I에 평면형 언듈레이터 42개, FEL-II에 32개를 명시하고, 빛의 전기장이 진동하는 방향인 편광을 조정할 수 있는 하류 언듈레이터 4개도 제시한다. 첫 빛에 사용된 18개 모듈은 전체 설치 계획 가운데 하나의 시운전 구성에 해당한다.

성능은 라인마다 다르다. 설계상 FEL-I와 FEL-II의 펄스 지속 시간은 약 30펨토초이며 반복률은 최대 1MHz, 즉 초당 100만 회다. 2023년 기술 연구는 FEL-III의 반복률을 최대 0.1MHz, 즉 초당 10만 회로 제시한다.

아주 짧은 펄스로 과학자들이 관찰할 수 있는 것

생명과학, 양자 소재, 미래 에너지 연구는 SHINE의 주요 활용 분야다. 작은 공간 규모와 매우 짧은 노출 시간을 결합하는 것은 이런 목표의 핵심이다. 연구자들은 물질의 배열뿐 아니라 그 배열이 어떻게 변하는지도 알아내려 한다.

짧은 X선 펄스는 빠르게 진행되는 과정의 한 순간을 포착할 수 있다. 과정을 시작한 뒤 측정하는 시점을 달리해 실험을 반복하면, 서로 다른 장면을 이어 영화처럼 변화의 순서를 재구성할 수 있다. 펄스가 자주 발생하면 측정 데이터를 모을 기회가 늘어나며, 개별 신호가 약한 경우 특히 유용할 수 있다.

초기 실험 스테이션에는 결맞음 회절 이미징, 초고속 X선 분광법, 광전자 측정, 직렬 펨토초 결정학이 도입될 예정이다. 회절 이미징은 X선이 시료에서 산란할 때 나타나는 패턴을 토대로 구조를 재구성한다. 분광법은 물질이 방사선을 흡수하거나 방출하는 방식을 조사해 전자 구조에 관한 정보를 얻는다.

직렬 펨토초 결정학은 매우 짧은 펄스에 노출된 다수의 미세 결정에서 회절 패턴을 수집한다. 광전자 기법은 빛에 의해 방출된 전자를 측정해 물질 내부에서 전자가 어떻게 움직이는지 조사하는 데 도움을 준다. 이런 방법을 함께 활용하면 SHINE에서 미시적 구조와 빠른 물리·화학적 변화를 연결해 살펴볼 수 있다.

빛 자체를 더 정밀하게 제어

SHINE의 연X선 라인은 하나의 펄스 유형만 제공하는 대신 여러 운전 모드를 갖도록 설계되고 있다. 2023년 빔라인 연구는 Frontiers in Physics에 게재됐으며, 자체 증폭 자발 방출, 자기 시딩, 외부 시딩, 편광 제어를 기본 운전 방식으로 설명한다.

일반적으로 SASE라고 줄여 부르는 자체 증폭 자발 방출에서는 전자 자체에서 나온 초기 방사선이 레이저를 증폭한다. 시딩은 더 정밀하게 제어된 시작 신호를 사용한다. 자기 시딩은 X선 방사선 일부를 걸러내 추가 증폭에 활용하고, 외부 시딩은 별도의 레이저로 시작한다. 이런 방식은 스펙트럼과 시간 구조를 더 정밀하게 제어한 빛을 만드는 것을 목표로 한다.

이 연구는 길이 4m인 모듈 32개로 구성된 연X선 방사기를 설명한다. 주 자기 주기는 55mm다. 상류 모듈 14개는 55mm와 75mm 주기를 전환할 수 있도록 설계됐다. 이 유연성은 다양한 운전 조건과 시드 레이저 방사선을 더 짧은 파장으로 변환하는 기법을 지원한다.

관련 기술 가운데 일부는 별도의 상하이 연X선 자유전자레이저 시설인 SXFEL에서 이미 시험된 바 있다. 이 연구는 에코 지원 고조파 발생 기법을 이용해 47차 및 54차 고조파에서 레이저 발진을 기록했다. 이 기법은 전자를 일정한 구조로 배열해 시드 레이저 주파수의 배수에 해당하는 주파수로 빛을 방출하게 한다. 61차 고조파에서 신호가 나온 것도 기록됐다.

광자 에너지의 좁은 범위를 선택하는 광학 기기인 단색화 장치는 2022년 말 SXFEL에서 시험됐다. 520전자볼트에서 분해능은 5,300을 넘었다. 이러한 개발은 SHINE에서 더 정밀하게 선택된 X선 펄스를 제공하려는 작업을 뒷받침한다. 연구는 펨토초보다 1,000배 짧은 아토초 지속 시간의 펄스 같은 미래 가능성도 다룬다.

극한 조건을 위한 100페타와트 레이저

SHINE은 자유전자레이저와 출력 100페타와트급 초단펄스 레이저를 결합하는 극한광 연구 스테이션도 계획하고 있다. 프로젝트는 이를 해당 출력의 레이저와 자유전자레이저를 결합한 세계 최초의 실험 스테이션으로 소개한다.

페타와트는 1,000조 와트다. 100페타와트라는 수치는 극히 짧은 펄스가 정점에 이르렀을 때의 출력이다. 에너지를 이처럼 짧은 시간에 집중하면 강력한 전자기장이 형성돼 극한 조건의 물질을 실험할 수 있다.

2024년 진행 보고서는 이 스테이션의 연구 목표로 강장 양자전기역학을 꼽는다. 양자전기역학은 빛과 전하를 띤 입자의 상호작용을 설명한다. 극도로 강한 장을 이용하면 일반적인 실험실 환경을 훨씬 뛰어넘는 조건에서 이 상호작용을 조사할 수 있다.

이 복합 시설은 높은 에너지 밀도 물리학 연구도 지원할 예정이다. 높은 에너지 밀도 물리학은 작은 부피에 많은 에너지가 집중된 물질을 연구한다. 강력한 광학 레이저와 X선 탐침을 같은 실험에 활용하면 극한 조건을 만들고 그 안에서 일어나는 현상을 관찰할 수 있다.

3km가 넘는 장비의 조율

SHINE은 약 3.1km에 걸쳐 뻗어 있으며 지하 약 29m에 건설되고 있다. 규모가 큰 만큼 타이밍, 장비 제어, 신속한 보호 기능은 가속기와 자석뿐 아니라 과학 장비의 필수 요소다.

Nuclear Engineering and Technology에 게재된 제어 시스템 논문은 최대 1만 대의 장치를 제어하도록 설계된 시스템을 설명한다. 여기에는 가속기 단지 곳곳에 설치된 전원 공급 장치, 레이저, 진공 장비와 기타 부품이 포함된다.

이 시스템은 실험물리 및 산업 제어 시스템(EPICS) 프레임워크를 사용해 장비 제어를 작업자 인터페이스, 데이터 수집, 모니터링과 연결한다. White Rabbit 기술 기반 타이밍 네트워크는 시설 전반에 클록 신호를 분배한다. 인젝터 타이밍 시스템은 설치 후 성공적으로 사용됐으며 1.003086MHz의 신호를 분배했다.

장비 보호도 까다로운 과제다. 설계 시스템은 약 5,000개의 고장 신호를 모니터링하고, 장비 상태에 따라 빔을 줄이거나 중단하는 프로그래밍 가능 전자장치를 사용한다. 논문에 따르면 반응 시간은 스테이션 내부에서 1마이크로초 미만, 스테이션 사이에서는 30마이크로초 미만이다. 신속한 보호 기능은 강력한 빔이 의도된 조건에서 벗어날 경우 피해를 줄이는 데 도움이 된다.

논문 제출 당시에는 인젝터만 실제 운전이 가능했고 전체 가속기 제어 시스템은 여전히 개발 중이었다. 이후 발표된 첫 빛 성과는 시운전이 다음 단계에 진입했음을 보여준다. 가속기, 방사선 수송, 보호 시스템, 실험 스테이션을 통합하는 작업은 정기적인 과학 연구로 전환하는 데 여전히 핵심 과제로 남아 있다.

SHINE 건설 주체와 향후 계획

상하이테크대학교는 건설을 책임지는 법인이다. 프로젝트 계획, 엔지니어링 감독, 품질·안전 관리, 향후 운영 및 개방형 이용을 담당한다. 토목 공사와 실험 스테이션 5곳, 빔라인 건설 일부도 맡고 있다.

중국과학원 상하이첨단연구원은 가속기, 언듈레이터, 유틸리티, 일부 빔라인을 담당한다. 상하이광학정밀기계연구소는 극한 광물리학 빔라인 스테이션을 건설하고 있다. 이에 따라 가속기, 실험 장비, 향후 사용자 운영 업무는 여러 기관에 나뉘어 있다.

프로젝트가 발표한 주요 일정은 지하 건설에서 빔 시운전으로 이어지는 진행 과정을 보여준다:

• 2018년 4월: 상하이에서 토목 공사 시작.
• 2022년 말: SXFEL에서 단색화 장치를 시험해 520전자볼트에서 5,300 이상의 분해능 달성.
• 2023년 4월: SHINE 인젝터 설치 시작.
• 2023년 말: 2024년 진행 보고서에 따르면 수직갱과 터널 공사 모두 완료.
• 10월 21일 발표: 상하이테크대학교가 4 GeV 전자빔과 언듈레이터 모듈 18개를 이용한 첫 빛 성과 공개.
• 2027년 말: SHINE 완공 및 가동 목표.

건설이 진행되면서 초기 기술 일정은 조정됐다. 2023년 빔라인 연구는 FEL-II 시운전을 2025년 봄으로 예상했다. 2024년 진행 보고서는 2025년 말 첫 레이저 발진이 가능하지만 쉽지 않을 것으로 내다보면서, 2027년 사용자 실험을 예상했다. 최근 발표에서는 2027년 말 완공과 가동을 목표로 제시했다.

SHINE은 높은 반복률과 경X선 자유전자레이저 기능을 결합하는 유형의 시설 두 곳 가운데 하나로 소개된다. 다른 하나는 미국에서 건설 중인 Linac Coherent Light Source II 고에너지 업그레이드 시설이다. 연구자에게 상하이 프로젝트의 실질적인 가치는 시운전이 완료된 뒤 계획된 에너지 범위, 펄스 모드, 실험 스테이션을 이용할 수 있게 되는 데서 나올 것이다.

핵심 내용

• SHINE이 4 GeV 전자빔과 언듈레이터 모듈 18개를 사용해 상하이에서 첫 빛을 구현했다.
• 완공된 가속기는 8 GeV에 도달하도록 설계돼 이번 성과에 사용된 전자 에너지의 두 배를 낸다.
• 첫 두 라인은 0.2~15 keV 범위를 다룰 전망이며, 세 라인의 더 넓은 기준 범위는 25 keV까지다.
• 일부 운전 모드는 수십 펨토초 지속 시간의 X선 펄스를 초당 100만 개까지 제공하는 것을 목표로 한다.
• 첫 단계에는 실험 스테이션 10곳이 계획돼 있으며, X선과 100페타와트 레이저를 결합하는 스테이션도 포함된다.
• 상하이테크대학교가 프로젝트를 주도하며, 2027년 말 완공과 가동을 목표로 한다.