최종연구보고서 KAERI/RR-2576/2004 (PE-30000-RZ-P034) 양성자기반공학기술개발사업 Proton Engineering Frontier Project 중 에너지 가속장치 개발 Development of the Medium Energy Linac Systems 연구기관 한국원자력연구소 과 학 기 술 부 제 출 문 과 학 기 술 부 장 관 귀하 본 보고서를 “ 양성자기반공학기술개발사업” 과제 (세부과제 “중 에너지 가속장치 개발에 관 한 연구”)의 최종보고서로 제출합니다. 2005. 7. 연 구 기 관 명 : 한국원자력연구소 양성자기반공학기술개발사업단 연 구 책 임 자:장 지 호 연 구 원:권 혁 중, 김 용 환, 김 한 성, 박 미 영, 설 경 태, 송 영 기, 조 용 섭, 최 현 미, 한 상 효, 홍 인 석. 최종연구보고서 초록 과제관리 해당단계 A-6-1 한국원자력연구소 단계구분 1단계 / 3단계 번호 연구기관 연구사업명 양성자기반공학기술개발사업 대과제명 양성자기반공학기술개발사업 연구과제명 세부과제명 중 에너지 가속장치 개발 내부 : 2.8 M․Y 정부 : 2,258,000 천원 연구기관명 한국원자력 해당단계 연구소 외부 : 3.0 M․Y 연구비 민간 : -천원 (연구책임자) (장 지 호) 연구인력 계 : 5.8 M․Y 계 : 2,258,000 천원 위탁연구 해당사항 없음 국제공동연구 상대국명: 해당사항 없음 상대국연구기관명: 참여기업 해당사항 없음 색 인 어 한글 : 양성자, 선형가속기, 중에너지 가속기, 빔 정합, 빔 인출 (각5개이상) 영어 : PEFP, proton, linac, DTL, MEBT, DT 요약(연구결과를 중심으로 개조식 500자 이내) 면수 P. 224 1. 연구개발목표 및 내용 목표: 21세기를 이끌어갈 나노공학, 생명공학, 정보통신, 항공우주, 의료, 국방 등 첨단산업기술 분야 의 원천/응용 기술 확보 밑 기초 과학 연구에 필수적인 장비인 중 에너지 양성자 가속장치를 개발함. 내용: - 100 MeV 가속장치 설계 - DTL 가속공동 제작 - MEBT(medium energy beam transport) 설계 2. 연구결과 - 20~60 MeV 가속장치로 DTL을 선택하고 설계: 10개 DTL 탱크로 구성 - 20~100 MeV 가속장치를 DTL로 하는 경우에 대해 설계: 총 20개 탱크로 구성 - DTL 탱크 일부에 대한 상세설계(탱크 직경, DT 및 전자석, 냉각, 각종 포트 등) 후 첫 번째 탱크 를 제작. - MEBT 설계: 각각 3개의 셀로 이루어진 소형 DTL 탱크 2개로 구성됨. 빔 인출계에서 빔 손실을 최소화 하고, 20 MeV 양성자 빔이 다음에 오는 DTL에 정합 입력시키는 것이 목적임. 3. 기대효과 및 활용방안 - 중에너지 가속장치에 대한 기본설계를 완료함으로서 100 MeV 가속장치 제작의 토대를 마련하고, 가속기 터널 설계에 대한 자료를 제공함. - MEBT 설계를 통해 가속장의 빔 정합 문제와 빔 인출시스템의 빔을 공급함으로서 20 MeV 양성자 빔을 사용자에게 제공하기 위한 기초를 마련함. 요 약 문 Ⅰ. 제 목 : 중 에너지 가속장치 개발 Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성 가. 연구개발의 최종목표 및 단계별 목표 양성자기반공학기술개발사업단의 목표 중 하나는 빔 전류가 20mA이고 에너지 가 20 MeV와 100 MeV인 양성자 빔을 사용자에게 제공하는 것이다. “중 에너지 가속장치 개발”과제는 100 MeV 양성자 가속장치를 개발하는 것을 목표로 1단계 3 차년도에 시작한 과제다. y 최종목표: 100MeV 가속장치 개발 최종 목표를 달성하기 위한 단계별 목표는 아래 표와 같다. 제 1 단계에서는 100 MeV 가속장치 설계를 목표로 한다. 이를 바탕으로 100 MeV 가속장치 제작을 시작하게 된다. 가속장치의 설계와 제작은 1 단계에 걸쳐 수행한 “저 에너지 가속 장치” 개발에서 수행한 RFQ 및 DTL 설계, 제작 경험을 충분히 활용하여 효율적으 로 수행할 수 있다. 본 과제의 또 다른 세부목표는 20 MeV 양성자 빔을 사용자에 게 제공하는 동시에 다음에 오는 가속장치로의 정합입력을 목적으로 하는 MEBT 을 설계하는 것이다. 단계별 목표 1 단 계 ('02～'05) 2 단 계 ('05～'08) 3 단 계 ('08～'12) ∙20MeV 가속장치 이전 설치준비 완료 ∙100MeV 가속장치 설계 ∙60MeV까지 가속장치 ∙100MeV 가속장치 제작 본체 제작 완료 및 ∙20mA 빔 인출 시험 설치준비 완료 ∙100MeV 가속 장치 운영 ∙MEBT 및 빔 인출계 제작 및 설치준비 완료 - i - 나. 연구개발의 중요성 - 기술적 측면 21세기를 이끌어갈 나노공학, 생명공학, 정보통신, 항공우주, 의료 등 첨단 산업기술 분야의 원천/응용 기술 확보 및 기초연구에 있어서 양성자 가속기는 필수적인 장비다. 동시에 양성자 가속장치 개발 및 운용에 필요한 초고진공기 술, 고출력고주파기술, 초고정밀가공기술, 이온원개발 등 고부가가치 원천기술 을 개발하는 효과가 갖고 있다. 현재 미국 및 일본에서 추진 중인 대전류 양 성자 가속장치를 국내기술에 의해 자체 개발함으로써, 상기된 첨단산업기술을 조기에 자체기술로 확보가 가능함으로써 국가경쟁력 향상에 기여할 수 있다. - 경제·산업적 측면 중에너지 양성자 빔을 이용한 다양한 산업적 응용 및 가속장치 개발과 연 관된 첨단기술의 응용을 통한 고부가가치 창출 및 과학자/공학자 등의 고급두 뇌 직업 창출이 가능해진다. 구체적인 예로 다음과 같은 것들이 있다. 중에너지 양성자 조사시설을 이용하여 의료용 및 산업용의 다양한 방사성 동위원소 생산을 통한 고부가가치 창출 및 수입대체 효과를 기대할 수 있다. 또한 중에너지 양성자 가속장치를 이용하여 지구상에 인공 우주방사선 환경을 구현함으로써 항공우주산업에 쓰이는 내방사선 반도체 소자 개발, 인공위성 등에 쓰이는 부품의 우주방사선 영향 평가 및 생명체에 미치는 우주방사선 효 과 등의 평가에 사용하는 것이 가능해 진다. 그 외에도 중에너지 양성자 가속 장치에 필수적인 고출력 고주파 기술을 응용한 군사용 레이더/통신시설의 국 산화, 대전자전 등의 무기체계 개발, 원거리 통신시스템 개발 등에 활용이 가 능해지는 등의 매우 많은 경제·산업적 파급효과를 기대하고 있다. - 사회·문화적 측면 다양한 과학기술의 융합 장치인 양성자 가속기의 건설 및 운용에는 다양한 과학기술분야의 전공자의 협력이 필수적이므로 각 과학기술 분야의 활발한 교 류의 계기를 마련하고, 그 장비의 교육적 이용을 통한 고급 과학기술인재 양 성기반 확충하게 된다. 또한 미국, 일본등 선진국에서 현재 개발 중인 대전류 양성자 가속기를 비슷한 시기에 국내 기술로 건설함으로써, 해외의 우수한 과 학기술자와 대등한 교류가 가능해지게 된다. 이러한 대형 연구시설인 중 에너 - ii - 지 양성자 가속장치를 국내 기술에 의해 개발/운영함으로써 국내 과학기술을 한 단계 향상시킴으로써 자긍심 고취시키는 효과도 기대할 수 있다. Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위 “중 에너지 가속장치”의 1 단계 목표인 100 MeV 가속장치 설계를 달성하기 위 해 다음 표에 있는 바와 같이 네 가지 세부목표를 세웠다. 중에너지 가속장치 설계 는 100 MeV 가속장치의 물리설계를 수행함으로써 100 MeV까지 양성자를 가속시 키 위한 효율적인 장치의 제작을 위한 기초를 마련하는 것이다. 가속공동 제작은 그 중 첫 번째 DTL 탱크를 제작하는 것이다. 이를 위한 보다 구체적인 공학설계를 수행한다. MEBT 설계의 목표는 빔 인출과 빔 정합이라는 두가지 목적을 효율적으 로 달성하기 위한 MEBT의 물리설계를 수행하는 것이다. 빔 에너지 측정시스템 제 작은 Time of flight방법에 의해 양성자 빔의 에너지를 측정하는 장치를 설계, 제작 하는 것이 목표다. 이 방법은 gas scattering에 의한 에너지 측정장치와 상보적인 관계에 있다. 연구개발 내용 및 범위 구 분 연구개발목표 연구개발 내용 및 범위 제 1 차년도 - - 제 2 차년도 - - - 중에너지 가속장치 설계 제 3차년도 - 가속공동 제작 100MeV 가속장치 설계 (‘04.7.2～’05.7.1) - MEBT 설계 - 빔 에너지 측정 시스템 제작 다음은 연구개발 내용 및 범위를 보다 구체적으로 기술한다. ①. 중에너지 가속장치 설계 여기에는 100 MeV 가속장치의 물리설계가 포함된다. 전 세계에서 개발되었 거나 현재 개발 중인 100 MeV급 양성자 가속장치를 조사하여, 최적의 가속장 치를 선택하고 이에 대한 물리설계를 수행함으로써 100 MeV 양성자 빔을 제 - iii - 공하기 위한 기초를 마련하게 된다. 물리설계는 빔동력학 계산을 기본으로 하 며, 효율적인 가속장치 제작을 위한 기초자료 조사를 바탕으로 전체 가속장치 의 틀을 잡게 된다. 이를 통해 전체 길이, 필요한 클라이스트론 수 등이 결정된 다. 이러한 연구결과를 두 번째 연구범위인 가속공동 제작을 수행하게 된다. ②. 가속공동제작 가속장치의 물리설계를 바탕으로 제작을 위한 공학설계에 들어간다. 공학 설계에서는 slug tuner, post coupler, stem 등이 주파수에 미치는 영향을 고려 하여 제작을 위한 가속장치의 치수를 결정한다. 이를 바탕으로 오차분석과 열/ 구조 해석을 수행한다. 또한 각 구성요소의 상세한 설계를 수행한 후 제작하게 된다. 기초적인 조사에 의하며 양성자 빔의 에너지가 60 MeV까지 가속시키는 데 최적화된 가속장치는 DTL이다. 이 장치는 “저에너지 가속장치 개발”과제에 서 국내 기업체를 통해 제작한 경험이 있기 때문에 제작 기술은 이미 확보되었 다. 이 과정에서 외국의 전문가의 물리적/기술적인 조언을 얻는 TRM (Technical Review Meeting)를 통해 설계를 검증받았다. ③. MEBT 설계 외국에서 제작되는 MEBT은 RFQ와 DTL 사이에 오며, 저장링에 빔을 입 사시키기 위해 빔을 chopping하는 동시에 RFQ와 DTL 사이의 빔 정합을 수행 한다. 사업단에서 제작하려고 하는 MEBT(Medium Energy Beam Transport) 는 20MeV DTL 이후에 설치되며, 빔 인출 시스템과 같이 있다. 따라서 MEBT 은 20 MeV 양성자 빔을 인출하는 동시에 다음 단계의 가속장치로 정합된 빔 을 입사시키기는 것이 목적이다. 빔 인출 시스템을 통과하는 비의 크기를 조절 하고, 연직방향으로 빔을 정합시키기 위한 사극전자석의 사양과 빔 진행 방향 에서의 빔 정합을 위한 buncher cavity의 사양을 결정하는 것이 목표다. 이를 통해 원하는 빔을 20 MeV 이후의 가속장치에 입사시킬 수 있는지 조사할 것 이다. ④. 빔에너지 측정시스템 제작 에너지가 20 MeV인 양성자 빔의 에너지를 측정하는 시스템을 설계, 제작하 는 것이 목표다. 여러 가지 면을 고려할 때 analyzing magnet을 사용하는 에너 지 측정시스템보다는 TOF(Time of Flight)를 이용한 방법이 타당한 것으로 보 인다. 이때는 빔 진단 장비로 제작된 BPPM을 신호를 얻는 장비로 사용할 수 있다. 이러한 pickup 및 측정을 위한 시스템을 설계 및 제작을 수행하게 된다. - iv - Ⅳ. 연구개발결과 1. 중에너지 가속장치 설계 z 중에너지 가속장치 설계는 100MeV 가속기를 설계하는 것이 목적이다. { 특히 60MeV DTL(Drift Tube Linac)의 경우, 이 설계를 바탕으로 하여 두 번 째 세부 목표인 가속공동제작에 이용할 예정이다. z 여기서는 20MeV에서 100MeV까지의 가속기를 DTL로 하는 경우에 대해서 요약 하였다. 100MeV 가속기를 DTL로 채택하는 경우, 가속장치개발팀에서 현재 보유 하고 있는 기술을 활용할 수 있다는 장점이 있다. 현재 빔동력학을 바탕으로 한 물리설계가 완성되었다. 이 설계에 사용된 기본사항은 다음과 같다. { 20MeV에서 100MeV까지 총 20 개의 DTL 탱크를 사용한다. { 한대의 클라이스트론으로 4대의 DTL 탱크를 운용할 것이다. 따라서 총 5 개 의 1MW 클라이스트론이 필요하다. 또한 제작상의 문제를 해결하기 위해서 각 DTL 탱크의 길이는 5m를 넘지 않도록 했다. { 가속전기장은 1.3 V/m를 사용하였다. { 탱크 직경, DT 직경, bore radius, DT face angle, DT flat length, corner radius, inner nose radius, outer nose radius등 가속효율을 결정하는 여러 변 수에 대한 정량적인 효과를 조사하였다. 이를 통해 결정된 DTL parameter는 다음 표와 같다. 단 탱크 직경과 탱크에 들어가는 셀의 보다 제세한 치수는 “나) 가속공동 제작”의 공학설계를 통해 결정된다. 변수 값 변수 값 운전온도 40 도 corner radius 5 mm 공진주파수 350 MHz inner nose radius 2 mm synchronous phase -30 도 outer nose radius 2 mm 탱크 지름 540 mm DT flat length 3 mm DT 지름 135 mm lattice FFDD bore radius 10 mm E0 1.3 MV/m Transverse DT face angle 40 도 0.23 pi mm-mrad emittance Longitudinal stem diameter 38 mm 0.12 deg-MeV emittance - v - z 100 MeV DTL을 구성하는 20개의 탱크 중 8개는 face angle을 40도, 다음에 오 는 8개는 50도, 나머지 4개는 60도로 한 100 MeV DTL 사양은 다음과 같다. 탱크 출력빔 에너지 total power 셀 수 길이(m) Klystron 수 번호 (MeV) (kW) 1 26 4.77 24.4 223 2 24 4.82 29.2 224 1 3 22 4.76 33.6 220 4 21 4.83 38.1 222 5 20 4.86 42.4 222 6 19 4.84 46.7 220 1 7 18 4.79 50.9 216 8 18 4.97 55.1 223 9 17 4.86 59.4 217 10 16 4.73 63.5 210 1 11 16 4.87 67.6 215 12 15 4.69 71.5 206 13 15 4.81 75.5 211 14 15 4.92 79.5 215 1 15 14 4.69 83.3 204 16 14 4.79 87.1 208 17 14 4.88 91.1 209 18 14 4.98 95.1 212 1 19 13 4.71 98.9 200 20 13 4.78 102.7 203 합계 96.35 5 - vi - 2.