초록 ▼

연구개요
본 연구에서는 기존의 가속기의 RF 광음극 전자총의 안정적인 전자빔을 레이저-플라스마 가속기에 주입시켜 안정적으로 고 에너지, 고 전류의 전자빔으로 가속시키고 이를 씨앗 빔으로 이용한 소형 Soft X-ray 자유전자레이저 (FEL) 응용가능성을 전산모사를 통해 연구한 것이다. 그리고 또한 레이저-플라즈마 실험에 사용될 핵심 장비인 안정적인 플라즈마 소스를 개발하는 것을 목표로 하였다.

연구 목표대비 연구결과
1차년도 (2019년)
⚫ 레이저-플라즈마 시뮬레이션 PIC 코드 수정 및 자체 개발함

연구개요
본 연구에서는 기존의 가속기의 RF 광음극 전자총의 안정적인 전자빔을 레이저-플라스마 가속기에 주입시켜 안정적으로 고 에너지, 고 전류의 전자빔으로 가속시키고 이를 씨앗 빔으로 이용한 소형 Soft X-ray 자유전자레이저 (FEL) 응용가능성을 전산모사를 통해 연구한 것이다. 그리고 또한 레이저-플라즈마 실험에 사용될 핵심 장비인 안정적인 플라즈마 소스를 개발하는 것을 목표로 하였다.

연구 목표대비 연구결과
1차년도 (2019년)
⚫ 레이저-플라즈마 시뮬레이션 PIC 코드 수정 및 자체 개발함.
⚫ PAL-ITF의 전자빔을 레이저-플라즈마 입사에 사용하기 위한 조건에 대한 빔 시뮬레이션 진행하여 외부 전자빔의 다양한 초기 조건을 도출하였음.
2차년도 (2020년)
⚫ 레이저 실험실 구축하여 capillary 플라즈마 개발 및 진단 실험을 성공적으로 수행함.
⚫ 앞단부의 밀도 기울기가 가능한 다양한 capillary 개발함.
⚫ 광음극 전자총에서 나온 전자빔을 플라즈마-플라즈마 가속에 외부 입사 후 가속되면서 변화되는 전자빔의 특성에 대해 연구하여 최적의 파라미터를 도출하였음.
3차년도 (2021년)
⚫ 외부 전자빔을 주입한 레이저-플라즈마 가속으로 3 GeV 이상의 전자빔 가속가능성을 확인함.
⚫레이저-플라즈마 가속으로 발생된 전자빔을 이용해서 Soft X-ray 자유전자 레이저가 수십 GW 파워 까지 발진 가능함을 FEL 시뮬레이션을 이용해 성공함.
⚫개발한 capillary gas-cell 을 이용한 전자가속 실험을 수행하여 고에너지 전자빔 발생을 성공함.

연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성)
본 연구결과를 활용하면 기존의 가속기의 안정적인 전자빔을 레이저-플라즈마 가속기 주입하여 레이저-플라즈마 가속기의 안정성에 대한 한계점을 극복할 것으로 기대 된다. 시뮬레이션 연구를 통해서 기존의 안정적인 가속기에서 발생된 전자빔을 레이저-플라즈마 가속기에 외부 입사 주입하여 3 GeV 급으로 가속하여 이를 활용해서 GW(Giga Watt) 급의 Soft X-ray 자유전자레이저가 발진 될 수 있음을 규명하였다. 이는 앞으로 소형 레이저-플라즈마를 활용한 차세대 자유전자레이저 개발를 위한 중요한 기초 연구가 될 것으로 기대된다. 본 연구를 통해 자체 개발한 레이저-플라즈마 가속기의 핵심장비인 One-body Sapphire Capillary plasma source는 앞으로의 실험에 있어서도 매우 중요하게 활용 될 수 있을 것이다. 본 연구결과를 활용하면 소규모 방사광 가속기가 실험실 규모로 설치될 수 있기 때문에 지금 보다 더 많은 실험기회가 유저들에게 주어지게 되어 나노과학, BT, IT 분야 및 신약 개발 등의 첨단 연구에 매우 중요하게 활용될 수 있을 것으로 예상된다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 7
• ● 레이저-플라즈마 시뮬레이션 PIC 코드 수정 및 자체 개발 결과 ... 7
• ● PAL-ITF의 전자빔을 레이저-플라즈마 입사에 사용하기 위한 조건에 대한 빔 시뮬레이션 결과 ... 8
• ● 연구 변경 사항: 고 전류 전자빔 발생 방법 변경 ... 10
• ● 레이저 진단 실험실 구축 ... 10
• ● Compact new capillary plasma source 설계 및 제작 ... 11
• ● 고 전류 전자빔을 씨앗 빔으로 한 레이저-플라즈마 가속 결과 ... 11
• ● 외부 전자빔을 주입한 레이저-플라즈마 가속으로 3 GeV 이상의 전자빔 가속 결과 ... 13
• ● Compact Soft X-ray free electron laser 발진 결과 ... 14
• ● 개발된 capillary 와 GIST-IBS 150 TW 레이저를 이용한 전자빔 가속 실험 ... 15
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 16
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 16
• 6. 참고문헌 ... 16
• [붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 18
• [붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 21
• 끝페이지 ... 28