[논문]전자빔 기반 고출력 테라헤르츠 기술

장규하

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문제 정의

테라헤르츠파 기술은 테라헤르츠 발생과 검출, 그리고 응용으로 나눌 수 있는데, 소재, 소자, 장치, 표준화까지 포함하는 매우 광범위한 기술 분야이다. 본고에서는 주로 대인용 보안검색의 현황과 전망을 살펴보고, 그 가능성의 하나로 전자빔 기반 고출력 테라헤르츠 기술에 관하여 기술한다.
지금까지 보안검색 기술의 현황과 전망을 통하여 테라헤르츠 기술이 미래의 보안검색에 유망함을 살펴보았다. 단지, 소형이면서도 고출력의 테라헤르츠 발생 기술이 확보되어야 하는데, 우리는 고출력 테라헤르츠 자유전자 레이저의 소형화로 접근하고 있다.

제안 방법

그림 7. 3차원 PIC 코드를 이용한 마이크로트론내의 전자빔 회전수에 따른 전자빔 가속 특성 분석.
전자빔을 사용하는 다른 종류의 테라헤르츠파원에 비해 자유전자레이저는 파장가변 영역이 넓고 고출력이며 성능이 검증된 파원이지만, 덩치가 큰 가속기를 사용해야하고 교번자장기 이외 주변 장치들로 인하여 고가이며 장치가 크고 기술의 난이도가 높다. 이러한 단점을 극복하기위해 본 연구팀은 주기가변 나선형 교번자장기를 고안하였으며, 저가의 마그네트론을 고출력 RF 파원으로 사용하는 소형 마이크로트론 가속기를 개발하였다. 현재 각종 부품들이 제작되어 성능 실험 중이다.
영구자석을 사용하는 경우 자기장 조절방법에 따라 자극가변형 (gap variable) 또는 주기가변형 (period variable) 교번자장기가 있다. 테라헤르츠 발진을 위하여 본 연구팀은 영구 자석을 이용하는 주기가변 나선형 교번자장기를 새로 고안하였다 [12]. 한 쌍의 N극 및 S극의 자석이 90도로 회전하는 구조로 4쌍이 한 주기를 이룬다 (그림 8).
공진기는 원형 도파관 양쪽을 막아서 사용한다. 테라헤르츠의 출력단은 얇은 메쉬 거울 (mesh mirror)을 사용하여 전자빔은 지나가되 테라헤르츠 파의 일부는 반사가 되도록 설계하였다. 전자빔 경로의 끝 부분은 금속판을 이용하여 전자빔 덤프와 전반사 거울의 역할을 수행하게 하였다 (그림 11의 위쪽).

대상 데이터

그림 4. 2.5 MW, 2.8GHz 마그네트론 및 변조기 테스트를 위한 실험 모습.
그림 8. 사극자석, 휨 자석 및 주파수 특성 실험 중인 빔위치 측정장치 (BPM).
3 mm에서 26 mm까지 가능하다. 총 주기 수는 30이다.
그림 2. 한국원자력연구원에서 2000년에 개발에 성공한 소형 테라헤르츠 자유전자레이저의 외관.

성능/효과

6.5 MeV (마이크로트론의 12번 회전 가속 에너지)의 전자빔 가속에너지와 교번자장기의 자기장의 세기 (~1 T) 및 가변 주기를 고려한 발진 파장은 400~600 μm이며, 메쉬 거울을 통한 출력 (ouput coupling: 8%)은 교번자장기의 주기에 따라 13 ~15kW 정도로 계산되었다.
대인용 보안검색과는 별도이지만, 2003년 일본이화학연구소는 테라헤르츠파를 이용하여 우편물 속의 마약을 정확히 검색해내는 기술을 발표하여 많은 관심을 모았다. 여러 가지 약품 속에서 검색 대상을 선택적으로 찾아서 보여주는 기술이 가능함을 확인시켜 주었다. 이 기술이 가능한데는 테라헤르츠 대역의 고유한 특성 때문이다.
주기가변형 임에도 불구하고 자기장의 분포가 균일하며 주기 오차도 (Δλ/λ < 1%) 충분히 작음을 확인하였다.
마그네트론의 출력 주파수가 다소 넓은 것은 마그네트론 공동 (cavity)의 낮은 Q (quality factor)값 때문인데, 본 연구팀은 주파수 안정화 문제를 마이크로트론 구조의 특성을 이용하여 해결한 경험이 있다 . 즉 마이크로트론 가속공동의 커플링(coupling) 계수 조절을 통하여, 고출력 RF 펄스의 일부를 마그네트론으로 되돌리는 방법으로 주파수를 안정화 시킬 수 있었다.

후속연구

현재 각종 부품들이 제작되어 성능 실험 중이다. 원활하게 장치 개발이 마무리되어 대인용 보안 검색과 함께 테라헤르츠의 여러 응용 분야에서 다양하게 활용될 것을 기대해본다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

테라헤르츠파란?

테라헤르츠파 (1 THz=1012 Hz)는 가시광선과 전자파의 중간에 해당하는 빛의 영역이다. 빛의 파장으로는 수십~수 백 마이크로미터 (μm)이며, 에너지로 표현하면 수 십 밀리 전자볼트 (meV)인 대역을 지칭한다.

엑스선은 어떠한 장점이 있는가?

인터넷에서 쉽게 검색하여 찾아볼 수 있는 ‘전신검색기’에 의한 투시 나체 영상은 대부분 엑스선을 사용한 것들이다. 잘 알고 있듯이 엑스선은 파의 에너지가 매우 높기 때문에 회절과 같이 본질적으로 영상의 질을 떨어뜨리는 물리적인 한계에서 자유롭다. 단지, 엑스선을 발생시키는 장치의 기술적인 특성에 의해서 해상도가 결정된다.

밀리미터파 검색기는 엑스선과 다르게 어떠한 방식으로 동작하는가?

밀리미터파 검색기는 엑스선과 다르게 두 가지 다른 방식으로 동작한다. 하나는 엑스선과 같이 밀리미터파 발생장치로 피사체에 파를 발사하고 그 중 일부가 몸에서 산란되어 돌아온 것을 측정하는 능동형 방식이다. 그리고 나머지 하나는 열 영상 카메라와 같이 몸에서 나오는 흑체복사 중에서 밀리미터파 대역을 측정하는 수동형 방식이다. 밀리미터파는 엑스선과 마찬가지로 옷이나 플라스틱, 나무 등은 잘 투과하지만 금속이나 물이 많은 소재는 잘 투과하지 못한다.

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