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무료 슬롯 게임 원리(일반)

개요

그림1. 전자기파 스펙트럼

빛은 자연의 신비를 밝히는 과학의 가장 중요한 도구이다. 먼 은하계로부터 세포, 분자, 원자의 세계까지 즉, 우주를 볼 수 있는 열쇠이다. 이러한 빛은 과학적으로 말해서 질량이 없는 입자의 흐름으로 보는 입자의 성질과 동시에 공간을 통해 전파하는 전자파의 이중성을 가진다.

일상 생활에서 우리 주위의 물체를 볼 수 있게 하는 가시광선(전자파 중에서 사람의 눈에 보이는 범위의 파장)은 쉽게 만들 수 있고 또 쉽게 감지할 수 있다. 태양, 전등과 불은 가시광선을 만드는 대표적인 예이다. 눈을 통해 가시광선을 볼 수 있고 사진필름으로 그것을 탐지할 수 있다. 그러나 전자파로 알려진 우주에 있는 빛의 전 영역 중에서 가시광선은 아주 작은 부분으로 구성되어 있다. 눈으로 볼 수 있는 파장의 범위는 사람에 따라 다소 차이가 있으나, 대체로 380～770 ㎚이다. 또 대기를 통해서 지상에 도달하는 태양복사의 광량은 가시광선 영역이 가장 많다.

단색광일 때 700 ~ 610 ㎚는 빨강, 610 ~ 590 ㎚는 주황, 590 ~ 570 ㎚는 노랑, 570 ~ 500 ㎚는 초록, 500 ~ 450 ㎚는 파랑, 450 ~ 400 ㎚는 보라색으로 보인다. 빨강보다 파장이 긴 빛을 적외선, 보라보다 파장이 짧은 빛을 자외선이라고 한다. 적외선 쪽으로는 마이크로파, 라디오파가 있고 자외선 쪽으로는 X-선과 감마선이 있다. (그림 1 참조). 이러한 영역의 빛은 우리 눈으로 볼 수 없고 특별한 장치가 있어야 볼 수 있다. 각 영역은 빛이 통과하고 물질과 상호 작용하는 정도를 결정하는 파장과 광자에너지 범위를 가진다.

포항방사광무료 슬롯 게임는 우리 나라 최초의 '거대과학' (Big Science)의 출현이다. 세계는 소위 말하는 거대규모의 연구를 바탕으로 하는 거대과학의 출현으로 개인이나 작은 집단에 의해서 수행되던 연구가 수십, 수백 명의 과학자가 연구팀을 짜서 서로 협동해서 연구하는 식으로 발전하여 왔다. 우리나라에서도 당시까지는 단일 과학 프로젝트로서 규모가 가장 큰 포항 방사광 가속기를 완공하여 운영함으로써 세계와 어깨를 나란히 할 수 있을 뿐만 아니라 포항 방사광 가속기가 과학의 메카의 역할을 담당하게 되었다. 포항 방사광 가속기는 주로 적외선에서부터 X-선 영역의 빛을 만들도록 설계되었는데, 다음과 같은 이유로 이 빛은 아주 유용하다.

방사광은 가시광선으로는 투과할 수 없는 물질을 투과할 수 있다. 예를 들면 병원에서 사용하는 X-선은 가시광선으로는 투과할 수 없는 피부나 근육을 투과하여 뼈의 형상을 얻을 수 있다. 특히, 차세대 방사광 X-선은 뛰는 심장을 찍을 수 있다. 심장의 운동과 근육의 미세한 진동을 동영상으로 촬영할 수 있을뿐더러 해상도는 1,000분의1 ㎛(마이크로미터) 단위로 초음파보다 1,000배나 뛰어나다.

포항방사광무료 슬롯 게임에서 나오는 방사광 파장의 영역은 10^-7 ~ 10^-10 m의 파장영역을 가진다. 이 영역의 빛으로는 고체의 원자구조, 분자 및 중요한 생물학적 구조를 탐구할 수 있다. 원자, 분자와 단백질의 크기뿐만 아니라 화학결합의 길이와 결정의 원자면 사이의 최소거리가 이 영역이다.
광자에너지로는 10～10,000 전자볼트 (1 전자볼트는 전자 한 개를 1볼트만큼 가속시키는데 드는 에너지)이다. 이 에너지 영역은 원자, 분자, 고체, 그리고 생물학계에 있는 많은 전자들의 결합에너지를 포함한다. 그래서 원자에 의해 흡수될 때 한 개의 광자는 원자로부터 한 개의 전자를 분리시키거나 다른 광자를 방출한다. 이러한 전자나 광자를 검출하여 분석함으로서 과학자들은 시료의 성질을 알게된다.

방사광의 장점

방사광이 다른 광원에 비해 우수한 이유는 다음과 같은 특성을 갖기 때문입니다.

높은 휘도의 광원
재래식 X-선 광원보다 밝기가 1만~1억 배 이상이므로 불가능했던 실험을 가능하게 합니다.
파장가변성
적외선에서부터 X-선까지 넓은 영역의 연속적인 광원을 제공하여 다양한 실험을 가능하게 합니다.
펄스적특성
10억~10조분의 1초의 빠르기로 물질의 급격한 변화 상태를 초고속으로 촬영이 가능합니다.
편광성
물질의 화학적 결합 또는 자기적 방향의 특성 연구에 용이합니다.

발생원리

방사광(synchrotron radiation)은 상대성 운동을 하는 가벼운 하전입자(charged particle)가 운동방향에 대하여 횡방향(transverse)으로 가속을 받으면 발생된다, 즉 저장링에서 전자(electron)나 양성자(positron)가 2극 자장(휨자석)에 노출되면 횡방향의 가속을 받아 궤도가 휘면서 발생된다. 방사광 가속기는 일반적으로 전자총(pre-injector), 선형무료 슬롯 게임(linear accelerator) 또는 가속링(booster)과 같은 가속부와 저장링(SR: storage ring)으로 이루어 져있다.

그림2. 극자석 (휨자석)에 의한 방사광의 발생

선형무료 슬롯 게임 및 입사관

선형무료 슬롯 게임의 시작점에서 전자총에 의해서 전자를 발생시키고 가속관을 통하여 고출력 고주파 발생장치를 이용하여 전자를 빛의 속도로 가속한다. 선형무료 슬롯 게임 끝단에서 빛의 속도에 도달한 전자는 전송관(BTL: beam transfer line)과 입사장치(injection system)을 통해서 저장링에 입사된다.

저장링

저장링에 입사된 전자를 저장링의 진공파이프 내에서 연속으로 회전시켜 위에서 설명한 메커니즘에 의해서 방사광을 만든다.
저장링은 전자의 궤도를 원형으로 만들어주고 (횡방향의 가속을 담당) 궤도를 조절하는 전자석들과 초고진공의 환경을 제공하는 진공장치, 방사광의 방사로 잃은 에너지를 보충해주는 고주파 공명장치(RF cavity) 등과 각종 제어장치들로 구성되어 있다.

3세대 방사광을 만드는 삽입장치

그림3. 보다 더 밝은 빛을 만드는 삽입장치

그림4. 저장링의 개념도

무료 슬롯 게임는 3세대 가속기로 방사광 이용만 목적으로 개발된 것이다. 2극 휨자석은 전자의 궤도를 유지하기 위한 것으로 오늘날의 첨단 연구에 필요로 하는 광을 제공하는데 제약이 있다. 즉 2극 전자석은 궤도 유지 및 조절이 우선이다. 따라서 삽입장치라는 특수한 자석을 저장링의 직선구간에 설치하여 2극 전저석이 가진 제약을 극복하고 매우 질이 우수한 방사광을 만든다.

삽입장치는 크게 언듈레이터(undulator)와 위글러(wiggler)로 구분한다. 2극 전자석은 N-S가 한쌍인데 비하여 삽입장치는 N-S를 여러 쌍을 번갈아서 배치하여 뱀이 운동하는 것처럼 전자를 흔들어 구부러진 산과 골에서 방사광을 발생시켜 빛을 더 밝게 한다.

또 자기장의 세기를 높여서 방사광의 에너지를 높여 주기도 한다. 삽입장치로부터 발생한 방사광은 휨자석의 그것에 비하여 더 밝고 에너지가 높으며 광의 크기가 작아서 집속의 효과가 높다.

이극 자석들은 다 함께 전자빔을 360도 휘게 해야 하는 조건이 있는데 이 조건에 따라 각 이극 자석의 자기장 세기가 결정된다. 일반적으로 그 세기는 그리 크지 않다. 그러나 삽입장치를 구성하는 자석들의 자기장 세기는 이극 자석과는 독립적으로 높일 수 있고 따라서 방사광의 에너지를 높일 수 있다. 결론적으로 삽입장치에서 나오는 방사광은 이극 자석에서 나오는 방사광보다 더 밝고, 더 에너지가 높으며, 더 집중된 빔이다.

빛의 세계

번개나 온세상을 밝게 비추는 태양, 그리고 인공광으로서 전등과 같은 것들을 떠올리게 된다. 자연의 힘이란 참으로 위대하여, 태양의 경우 1억 5천만 km의 거리에 있는 지구의 표면을 이토록 밝게 비추어주고 있으니 그 광원자체의 밝기란 대단한 것이다

사실 여기에서 말하는 빛이란 우리 인간 이 눈으로 볼 수 있는 광선, 즉 가시광선(visible light)을 의미한다. 가시광선은 무지개나 프리즘 실험등을 통해서 이미 잘 알려진 바와 같이, 진한 적색으로 부터 자색에 이르는 일곱가지의 다른 색깔을 나타내는 광들을 말한다. 이 광들을 모두 합치면 흰색으로 보이게 되는데 바로 이러한 이유 때문에 태양이 희게(白光) 보이는 것이다.

마찬가지로 태양광 아래서 하얀 색깔의 종이가 하얗게 보이는 이유는 일곱가지의 색을 다 반사하기 때문이고 파란 색의 종이가 파란것은 가시광선 중에서 파란 색만을 반사하여 그 색깔만 눈에 감지되기 때문이다.

그렇다면 도대체 이 빛의 본질은 무엇일까?

빛은 과학적으로 말하면 전자파(電磁波)의 일종이다.
전자와 같이 전기를 띠고 있는 입자들이 가속 운동을 할 때 그 주위로 파(wave)를 발생하는데 이것을 전자파(electromagnetic wave)라고 부른다. 잔잔한 연못에 돌을 던졌을 때 그 수면 위로 동심원 모양의 물결이 퍼져나가는 것과 비슷한 현상이다. 우리가 파동이라고 부르는 것은 무엇인가가 주기적인 진동 운동을 하고 그에 따라 주기적인 형태를 보이는 것이며, 그 주기적인 운동의 거리를 잰 값인 파장(wavelength) 이라는 것을 생각할 수 있게 된다. 위의 연못의 예에서 주기적인 진동을 하는 것은 매질인 물이며, 전자기파에서는 전기장(electric field) 및 자기장(magnetic field)이 주기적인 운동을 하게 된다.

따라서 전자파도 파장을 가지게 되며 파장이 길고 짧음에 따라 색깔을 포함한 성질이 달라지게 된다.

즉 가시광선 내에서는 파장에 따른 성질의 변화가 각각의 색깔로 나타나는 것이며 붉은 색으로부터 보라색으로 갈수록 파장이 짧아진다. 또한 양자역학에서 잘 알려진 바와 같이, 빛은 광자(photon)라고 부르는 알맹이들 (particles)의 흐름이기도 하다.

빛이 쪼이는 곳에 어떤 물체가 놓여서 그림자가 생기는 것은 광자의 흐름이 이 물체에 의해 차단되기 때문이다. 빛은 이렇게 동시에 두개의 서로 다른 얼굴을 가지고 있으므로 빛이 나타내는 어느 현상들은 파동의 원리에 의해서, 또 다른 현상들은 광자라는 입자의 관점에서 잘 설명이 된다.

앞에서는 전자파의 파장이 길고 짧음을 이야기하였는데 광자의 개념으로 보면 이는 광자의 에너지가 작다 혹은 크다 하는 것과 같은 의미이다. 즉, 빛의 파장이 짧아질수록 해당되는 광자의 에너지는 점점 커지게 되는데, 예를 들어 보라색은 붉은색보다 큰 값의 광자에너지를 가진다. 이제 가시광선의 파장보다 짧거나 긴 파장을 가지는 전자파를 살펴보기로 한다.

사실 가시광선은 전자파의 파장 전역에서 보면 극히 좁은 부분에 지나지 않는다. 우선 가시광선의 영역보다 긴 파장을 가지는 인간의 눈에는 감지되지 않는 전자파의 종류에는 흔히 전파라고 부른 라디오파, 전자렌지나 레이다 등에 이용되는 마이크로파, 적외선(infrared)등이 있다.

한편 가시영역보다 파장이 짧은 쪽을 보면, 역시 눈으로 감지되지 않는 자외선 (ultraviolet), X선 및 감마선 등이 있으며 이들 역시 전자파이다. 자외선의 파장 영역 중 파장이 200nm (1nm = cm, 즉 천만분의 1 cm)이하에 해당되는 부분을 진공 자외선이라고 하는데, 이 자외선은 공기에 의해서 흡수를 당하여 우주 공간과 같은 진공속에서나 전파(propagation)가 가능하다. 파장이 아주 짧은 쪽의 X광선은 병원에서 X선 사진등 진단용으로 사용되듯이 물체를 투과하는 성질이 있음은 잘 알려진 사실이다.

이와 같이 투과력이 강한 X선을 경 X선(hard Xray)이라고 부르며, 경 X선보다는 파장이 길고 진공 자외선의 일부 까지를 포함하는 투과력이 거의 없는 X선을 연 X선(soft X-ray) 이라고 부른다.

앞에서도 말하였듯이, 우리는 흔히 일상 생활에서 빛이라고 할때, 눈에 보이는 빛, 즉 가시광선만을 지칭하는데 여기에서는 가시광선 영역을 포함하는 좀더 넓은 파장 영역의 전자파(혹은, 넓은 에너지 영역의 광자의 흐름)를 빛이라고 부르기로 한다.

다시 말하여 넓은 의미에서의 광이란 보통 적외선에서 경 X선에 이르는 파장 영역에 해당되며 광파란 이 부분에 해당되는 전자파를 일컫는 것이다. 실은 태양의 경우도 가시광선뿐만 아니라 강한 적외선, 자외선, 연한 X선에 이르는 넓은 영역의 광을 방출하는 광원이다. 태양으로부터 오는 광중에서 특히 강한 자외선, 진공 자외선, 연X선 등이 지구 표면에 그대로 도달한다면 지구상의 거의 모든 생명체는 얼마 견디지 못하고 사멸하고 말 것이다. 다행히도 우리 지구는 두꺼운 대기층과 오존층 등에 의해 이러한 생명체에 유해한 광선들이 지표에 도달하기 전에 흡수됨으로 하여 잘 보호되고 있다. 최근 자외선을 효과적으로 흡수하는 대기층 윗부분의 오존층이 인류가 급격히 많이 쓰기 시작 한 프레온 가스등에 의해서 파괴되는 것을 크게 우려하는 것도 이러한 이유 때문이다.

빛의 역할

빛은 과학에서 가장 중요한 도구 가운데 하나이다. 그것은 멀리 있는 은하에서부터 세포, 분자들, 그리고 심지어는 원자들에 이르기까지 우주를 들여다보는 열쇠이기도 하다.

우리는 가시광선을 우리들 자신의 눈으로 보기도 하고 그것을 사진필름으로 감지해내기도 한다. 그러나, 가시광선은 소위 전자기파의 스펙트럼으로 알려진, 즉 우주에 있는 모든 빛의 스펙트럼의 아주 작은 일부분에 지나지 않는다. 그 스펙트럼의 나머지 영역은 가시광선보다 파장이 길거나 짧은 빛들로 이루어 져 있다.

긴 쪽에는 라디오파, 마이크로 파, 그리고 적외선 등이 있고, 짧은 쪽에는 자외선, X선 그리고 감마선등이 포함되어 있다. 이러한 영역의 빛들은 우리의 눈으로 볼 수가 없으며 특별한 도구가 있어야 감지될 수 있으며, 각각의 빛의 영역에는 그 빛과 물질의 투과성과 상호작용을 결정하는 파장과 광자 에너지가 정해져 있다.

과학적인 이론으로부터 실제 현상을 확인하여 기술이 발전되기 까지의 이면에는 "관찰"이라는 중요한 수단이 있다. 다시 말하면, 사물과 현상의 정확한 관찰을 통해서 우리 주위를 둘러싸고 있는 자연계의 법칙에 대한 종합적인 이해가 증진되는 것이다.

예로부터 인간의 관찰에 대한 호기심은 천체의 운행과 같은 거시적인 것으로부터 세포, 분자, 원자 등과 같은 미세세계 로까지 옮겨져 왔다. 이때의 관찰이라 함은 눈으로 직접 보거나 망원경, 현미경 등의 광학적 보조수단을 사용하는 것 이외에 광을 물질에 쪼여서 일어나는 2차적인 현상을 토대로한 간접적인 수단으로써 그 내용을 진단하는 것을 모두 포함하는 것이 된다.

미세 세계에 대한 관찰은 생물체, 반도체, 초전도체, 재료과학 등 응용 및 기초과학 전반에 대한 이해를 증진시키는데 큰 역할을 하고 있다. 그러나 만일 미세 세계, 즉 금속이나 결정체 또는 단백질이나 바이러스 속에 원자나 분자가 어떻게 배열되어 있는가를 알고자 한다면 가시영역의 광파를 가지고는 관찰과 진단이 불가능하게 된다.

이는 다시 말하여 가시광선의 파장(400nm~700nm)이 원자나 분자의 배치를 보기에는 너무 길어서 분자나 원자를 인식하지 못하고 그냥 넘어가게 되므로 관찰에 필요한 아무 영향도 주지 못하기 때문이다. 예를 들어 원자나 분자가 어떻게 물질속에 배열되어 있는지를 관찰, 진단하려면 원자간 또는 분자간의 거리보다 짧은 파장의 광파, 즉 X선이 필요하게 되고 기타 미세구조에 관계된다면 그에 상당하는 파장의 광을 사용해야 하는 것이다.

빛의 이용

우리는 현재 세계 시장에서 치열한 경쟁을 벌리고 있는 첨단기술 분야인 반도체 전자부품, 종전의 재료와는 전혀 다른 신소재의 개발, 초전도체의 개발 등에 대한 이야기를 자주 듣고 있다. 원하는 특성을 가지는 신소재 및 새로운 반도체 전자제품을 만들기 위한 연구개발을 추진하기 위해서는 관련된 물질의 원자배열, 화학결합상태 등의 미세 구조를 정확히 알고 이것과 그 물질의 특성과의 관계를 파악, 이해하는 것이 필요하다. 그래야만 우리가 원하는 특성의 신소재가 어떠한 원자배열 혹은 어떠한 미세구조를 가져 야 한다는 것을 근본적으로 파악할 수가 있고 이러한 미세구조를 가지는 물질을 체계적으로 개발 해 낼 수 있기 때문이다.

예를 들면, 선진국의 방사광 연구소에서는 흑연(graphite)이 6만 기압, 1500℃에서 다이아몬드로 탈바꿈되는 과정들을 규명하기 시작하였다. 이러한 실험은 밀폐된 매우 작은 용기속에서 고온 고압을 유지하는 것이 필수적이므로 실험하는 도중에 시료의 구조를 파악한다는 것은 종전에는 거의 불가능했으나 방사광을 사용한 X선 회절 시험은 고압 하에서의 시료의 구조를 측정 가능하게 해주기 때문에 다이아몬드 생성공정 중의 시료구조의 변화를 파악할 수 있게 되었다. 이와 같은 고압 하에서의 물질구조에 관한 연구는 다이아몬드 형성 과정에 대한 이해만이 아니라 다른 신소재의 형성이라든지 지구 내각의 광물 형성의 과정 등을 이해하는데도 큰 도움이 되는 것이다.

이는 비단 신소재의 개발에 대한 연구 등에만 국한된 이야기가 아니다. 또 다른 예를 들어, 생물체의 소위 거대분자(macromolecule)의 경우를 생각해 보자. 지구상의 생체계에는 그 기능별로 구분해서 약 10만 정도의 단백질 종류가 있다고 한다. 이중에는 우리가 이용할 수 있는 우수한 기능을 갖고 있는 것들이 많이 있는데, 이러한 단백질들의 분자의 배열들과 같은 미세구조를 규명하고 그 기능과의 상관 관계를 안다는 것은 매우 중요한 일이다.

이와 더불어 세포핵내의 중요 부분인 세포분열 증식, 유전을 조정하는 핵산(RNA, DNA)의 구조라든지 바이러스의 구조 등도 방사광을 이용한 연구에 의해서 정확하게 밝혀 지기 시작하였다. 또한, 효소(酵素)가 어떻게 촉매(enzyme) 작용을 하는가를 미세구조의 시시각각의 변화를 통해서 자세히 연구할 수가 있다. 효소는 생물체내에 필요한 물질을 만드는 것을 돕는 단백질의 일종인데, 이 효소의 원자나 분자구조, 촉매작용을 하는 부분, 즉 활성중심(active center)의 역할 등 매우 중요한 사실들을 현재까지 모르고 있는 형편이다.

방사광을 이용하여 효소의 구조결정 및 활성중심의 역할을 규명하게 되면 생물학의 발전은 물론, 뛰어난 효력의 신약품, 세제, 식품 등과 같은 여러 제품의 개발에 공헌하게 될 것이다. 이는 생명의 여러 기능들을 분자의 수준으로부터 이해하고 그 비밀을 밝힌다는 기초 과학적인 연구 및 이를 바탕으로 하여 암과 같은 불치의 병에 대한 치료 및 새로운 특효약을 개발할 때 종전의 개발방식과는 달리 바람직한 구조를 지닌 물질을 체계적으로 합성을 하며 합성된 물질의 구조분석을 통하여 그 물질의 성능에 대한 평가를 조속히 수행함으로써 신물질 개발기간을 단축시키며 개발비용을 절감시켜 유전공학을 이용한 연구활동이 결국은 직접 또는 간접적으로 인간생활의 복지향상에 기여한다는 점을 의미하는 것이다.

방사광은 위에서 말한 바와 같이 물질의 미세구조를 규명하는데 사용되는 한편, 초고집적회로를 만들고 미세 구조물을 생산하는데도 이용된다. 미래의 고집적 회로의 생산을 위해서는 결국은 파장이 짧은 연X선을 사용해야만 될 것이라는 예견아래 일본, 미국, 유럽 등에서는 X선 리소그래피 (lithography)라고 불리우는 기술개발에 많은 투자를 하고 있다.

초고집적 회로보다는 스케일이 큰 편이지만 경X선의 투과력을 이용해서 좀더 입체적인 정밀 미세 구조물을 만들 수 있다. 100미크론 정도(머리카락 굵기정도)의 정밀기계, 예를 들면, 응력(stress), 진동, 빛 등의 감지장치(sensor)라든지 구동장치(actuator), 전자회로, 미세 로보트 등을 방사광을 이용해서 대량 생산할 수 있다는 것을 알고 있는 사람은 그리 많지 않을 것이다.

LIGA 기법이라고 불리우는 이 미세 기계제작 기술은 합성섬유의 실을 뽑는 여러 가지의 단면적을 가지는 방적 노즐, 광학 미세부품, 미세필터, 동위원소 분리장치 등에 유용하게 쓰일 수 있는 기술이다. 이 혁명적 미세 기계학은 멀지 않은 미래에 깨알보다 훨씬 작은 미세 로보트들이 인체에 들어가 환자에게 고통을 주지 않고, 진단과 수술을 대신하거나, 환경오염 물질 및 화학 폐기물을 처리/재생하거나, 비행기의 날개 등 요소에 장치된 미세 sensor로부터 각 부분의 응력을 감시하여 사고를 미연에 방지할 수 있게 할 것이다. 새롭고 획기적인 이 분야는 오로지 방사광 무료 슬롯 게임로부터의 강한 X선이 출현함으로써 가능해진 것이다.

또 한가지 의학분야에서 흥미 있는 예를 들자면, 앤지오그래피 (Angiography) 라는 경X선을 이용한 진단 방법으로서 이는 현재 선진 각국에서 활발히 연구 개발되고 있다. 관상동맥 (coronary artery)은 심장의 근육에 영양과 산소를 공급하는 중요한 혈관으로서 이 동맥이 막히면 심근경색 (myocardial infarction)이나 협심증 (angina)에 걸리게 되는데, 이러한 관상 동맥의 촬영은 대단히 어려워서 환자에게 큰 위험과 고통을 준다. 그러나 방사광을 이용하면 적은 X선량과 단시간의 노출로 선명한 투과사진을 얻을 수 있다. 이 방법은 인체에 거의 해가 되지 않는 양의 옥소(iodine)를 혈관에 주사하여 X선 투과 영상을 얻음으로써 심장의 여러 혈관 하나하나를 명백히 볼 수 있는 것으로 심장병 수술 전후의 뛰어난 진단 방법으로 부각하였다. 앞으로 이 방법은 의학계에서 임상에의 응용에 큰 기대를 걸고 있다.

이 앤지오그래피도 역시 원하는 파장의 강한 경X선을 마음대로 정확히 선택할 수 있는 방사광원의 특성 때문에 가능해진 과학기술 중의 하나이다. 이렇듯, 방사광의 출현에 의해 종래의 방사선원에서는 불가능했던 여러 분야로의 이용이 가능하게 된 것이다. 최근에는, 광학소자 모노크로메터 (Monochromator)의 진보에 따라 진공 자외선 (VUV)과 X선 사이의 파장영역(30300Å)에서의 방사광 이용도 열리게 되었고, 특히, 위글러 (Wiggler)와 언듈레이터 (Undulator) 채용에 의해 고출력 단파장의 연속광을 보다 편광성이 우수한 상태로 이용할 수 있게 되었다.

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방사광원의
연혁

그림 5. 초신성(supernova)에서 방출되는 방사광

자연계에는 방사광이 우주의 창생 초기부터 존재해 왔고 우주의 수많은 별에는 자연적으로도 방사광이 발생될 환경이 갖추어져 있다. 상대론적 속도로 운동하는 하전입자가 강한 자장에 의해서 휨운동을 하는 일은 천체에서 얼마든지 일어날 수 있는 현상이다.

예를 들면 그림 5은 초신성(supernova)에서 방출되는 방사광을 보여주고 있다. 그림 6는 20세기 후반부 50년 동안 X-선 영역의 광원이 어떻게 발전해 왔는가를 컴퓨터의 전산속도의 발전과 비교하여 보여주고 있다. 19세기 말(1897년) 뢴트겐에 의해서 X-선이 발견된 이래 1950년대까지 그 빛띠밝기 (spectral brightness)는 별로 크게 변하지 않았으나 제1, 2, 3세대 방사광원의 출현으로 엄청난 증가를 계속하고 있으며 회절에 의해 제한된 (diffraction limited) X-선 방사에 육박하고 있음을 볼 수 있다. 이것은 컴퓨터 전산속도의 발달에 비해 훨씬 빠르다는 것을 보여주고 있다.

인공적 방사광원의 연혁을 더듬어 보면 다음과 같다. 1943년에 소련의 이바노프와 포머란척은 상대론적 속도로 움직이는 전자들이 자기장에서 방출하는 방사광에 대한 이론적인 예측을 내놓았다. 이 이론은 1945년 미국의 General Electric Laboratory (GE 연구소)에서 당시 새로 만든 전자 가속장치인 100 MeV베타트론 (betatron)에서 전자의 궤도가 축소되는 것을 관찰하게 됨에 따라 확인되었다. 다만 이 베타트론의 가속관이 불투명한 재료로 만들어져 있었기 때문에 가시영역 방사광의 방출을 눈으로 확인할 수는 없었다.

그러던 중 최초의 싱크로트론(synchrotron)이라고 불리는 새로운 개념의 전자 가속장치(8MeV)가 1945년에 영국의 한 팀에 의해서 발명되었다. GE 연구소에서는 곧 70MeV의 싱크로트론의 건설에 착수하여 1947년에 완성하였는데, 이 당시에는 가속관이 투명한 유리로 되어 있었기 때문에 밝은 방사광을 처음으로 직접 관찰할 수 있었다.

그림 6. 과거 100년 동안 X-선 영역의 광원의 발전과
컴퓨터의 전산속도 발전과의 비교

이것이 방사광을 싱크로트론 방사(synchrotron radiation)라고 부르게 된 연유이다. 처음에는 방사광은 입자물리학 실험을 위한 고에너지 가속장치에서 무시못할 에너지 손실과 가속관의 가열 등 몇몇 문제를 야기하는 귀찮은 존재였다. 그러다 응집물리학자들이 여기서 나오는 강력한 방사광을 물성 연구에 이용할 수 있다는 것에 착안하여, 입자물리 연구에 지장을 주지 않는 범위 내에서 기생(寄生)적으로 빙사광을 사용할 것을 제안하였다. 이때의 무료 슬롯 게임를 제1세대 방사광 무료 슬롯 게임라 부른다.

Stanford 대학 소재 SLAC (Stanford Linear Accelerator Center)에 있는 SPEAR 저장링은 입자물리 연구를 위한 positron-electron collider의 일부로서, 이 가속기를 이용한 대표적인 연구 결과로는 나중에 노벨 물리학상을 수상하게 되는 1974년의 입자의 발견과 1976년의 입자의 발견을 들 수 있다. 이처럼 SPEAR 저장링은 소립자 물리 연구용으로 건설되었음에도 불구하고 이 저장링의 건설 직후인 1973년부터 1979년까지 이 가속장치는 방사광 용도로서 기생적으로 이용되었다. 그러나 방사광 이용자가 급격히 증가함에 따라 그 이후 1990년까지는 방사광 용도로 50%의 운영 시간이 할애되었고, 1990년 이후로는 방사광 전용으로 활용되기까지 이르렀다.

더부살이식으로 시작된 방사광의 이용이 점점 활발해짐에 따라, SPEAR의 예 에서와 같이 1세대 방사광 무료 슬롯 게임에서의 방사광 이용비율을 높이거나 아니면 방사광 전용 목적의 무료 슬롯 게임를 건설할 필요성이 대두되어 결국 전세계적으로 방사광 전용의 제2세대 방사광 무료 슬롯 게임들이 건설되기에 이르렀다. 이미 몇개의 3세대 무료 슬롯 게임가 운영될 무렵인1996년 11월 현재, Photon Factory 및 NSLS를 위시하여 17기의 제2세대 방사광 무료 슬롯 게임가 건설되어 활용되고 있다. 이들 중 상당수는 3세대 무료 슬롯 게임로 업그레이드되어 현재도 운영되고 있다. 2세대 방사광 무료 슬롯 게임들은 그 자석 격자 (magnet lattice)가 보다 밝은 방사광을 만들어

내기에 적합하게 새 아이디어로 설계되었다. 밝은 방사광을 방출하기 위하여는 전자빔의 에미턴스를 작게 만들어야 한다. 에미턴스는 전자빔의 크기 및 운동량 분포와 관계 있는 물리량인데 이것이 작을수록 방사광이 밝아진다. 전자빔의 에미턴스를 줄이기 위하여 자석 격자의 단위인 하나의 cell에 2개의 휨자석을 배치하는 DBA (Double Bend Achromat) 방식과 3개의 휨자석을 배치하는 TBA (Triple Bend Achromat) 방식이 채택되었다.

제3세대 방사광 가속기는 기본적으로 2세대 가속기의 자석격자와 같은 것을 사용하였으나 다만 강한 사극자석(quadrupole magnets)을 많이 배치하여 전자빔의 에미턴스를 제2세대에 비해 크게 향상시켰다. 또한 저장링 둘레에 긴 직선부를 여러 개 두어서 위글러, 언듈레이터 등 삽입장치를 많이 설치할 수 있도록 하여 높은 밝기를 지닌 좋은 특성의 방사광을 얻을 수 있도록 하였다. 그래서 3세대 방사광 가속기의 주요 방사광원은 휨자석이 아니라 삽입장치들이다.

PLS (포항 방사광 무료 슬롯 게임)는 2.5 GeV의 전자 에너지를 가진 세계에서 다섯 번째로 건설된 제3세대 방사광무료 슬롯 게임로서 12개의 TBA 셀로 이루어져 있었으며 12개의 직선구간이 있었다. 설계 에미턴스는 약 18.2 nmrad이었다. 2011년 PLS는 더욱 작은 에미턴스와 더 많은 직선구간을 가진, 즉 더 좋은 성능의 PLSII로 업그레이드를 하게 되었다. PLSII는 12개의 DBA 셀로 구성되었으며 에미턴스는 5.8 nmrad이고, 24개의 많은 직선 구간을 두어 많은 수의 삽입장치를 사용할 수 있도록 하였다. 현재 19개의 삽입장치가 설치되어 활용되고 있다.

방사광 가속기의 발전은 여기서 멈추지 않았다. 2000년대 중반 경 이미 제4세대 방사광 가속기의 개념이 스웨덴의 MAX 연구소에 의해 표면에 올라온 바 있다. 이것은 3세대 가속기의 설계 철학을 극단으로 밀어 부친 결과이다. 4세대 가속기의 궁극적인 목표는 경 X-선을 방출할 수 있는 한계 에미턴스인 회절한계 에미턴스를 만들어내는 것이다. 이 에미턴스에 도달하면 방사광이 레이저의 성질인 spatial coherence를 가지게 되어 그 질이 더욱 좋아진다. 그리고 이것보다 더 작은 에미턴스로 줄인다고 해도 더 이상의 질적 향상은 없게 된다. 현재 존재하는 4세대 가속기 중 회절한계 에미턴스를 완전히 도달한 것은 아직 없고 다만 전자빔의 수직방향(y 방향)으로만 도달한 것이 있을 뿐이다. 4세대 가속기는 각종 기법을 적용하여 1 nmrad에 훨씬 못 미치는 작은 에미턴스를 만들어야 한다. 가장 중요한 기법은 자석격자 1 셀 당 N(최소 4개 이상)개의 휨자석을 놓는 NBA (N-Bend Achromat)방식의 자석격자이다. 이 방식을 적용하려면 저장링의 둘레가 3세대보다 훨씬 길어진다. 처음 건설된 4세대 방사광 가속기는 2015년에 스웨덴에 지어진 MAXIV이다. 한국에서는 포항가속기 연구소에서 설계한 Korea-4GSR이 건설될 예정이다. 포항가속기 연구소는 그 저장링과 빔라인의 제작을 책임지고 있다.

입자무료 슬롯 게임의 더부살이로 시작된 방사광무료 슬롯 게임는 독자적인 활용분야가 대두함에 따라 고유한 영역을 확보하게 되었다. 또한 방사광의 특성이 무료 슬롯 게임 물리학의 발전으로 급격히 향상됨에 따라 방사광의 활용분야도 하루가 다르게 새로이 개발되고 있다. 따라서 세계 각국에서는 앞다투어 방사광무료 슬롯 게임 건설에 착수하고 있으며 동시에 이미 건설된 종래의 방사광무료 슬롯 게임의 성능 향상을 위해 투자를 아끼지 않고 있다.

방사광원과
밝기

그림7. 광속에 가까운 속도로 운동하는 전자는 커브를 돌 때 그 접선방향으로 좁은 퍼짐각 의 강한 빛을 방사하는데, 이것을 방사광(synchrotron radiation)이라고 부른다.

방사광은 빛의 속도에 매우 가깝게 빠른 속도로 운동하는 하전 입자가 가속도에 의해서 방향을 바꿀 때, 운동궤도곡선의 접선방향으로 방출하는 좁은 퍼짐의 빛을 말한다. 빛 자체를 방출하기 위하여는 입자의 속도가 빛에 가까울 필요는 없다. 그러나 입자의 속도가 빛의 속도에 가까울 때, 그림과 같이 방출되는 방사광이 아주 작은 각으로 집속된다. 그래서 입자의 속도가 크면 클수록 방사광의 파워가 더 커지고 방사광의 퍼짐각은 더 작아진다. 또한 방사광의 파워가 m² (m은 입자의 질량)에 반비례하기 때문에 방사광을 얻으려면 전자와 같은 가벼운 전자를 사용해야 되며 양성자와 같은 무거운 입자를 사용해서는 안된다. 결론적으로, 방사광원(放射光源)이란 X-선, 자외선, 가시광, 적외선에 이르는 광범위한 파장영역의 강력한 빛을 마련하기 위하여 설계된 원형전자 가속장치를 뜻한다.

우리가 흔히 빛(光)이라 하면 파장이 약 4700Å에서 6500Å에 이르는 가시광선을 뜻하나 가시영역은 전자파 전체 스펙트럼의 극히 일부분에 지나지 않는다. 본 내용에서는 넓은 의미로서 적외선에서 X-선에 이르기까지의 전자파(눈에는 감지되지 않는 영역까지도)를 빛이라 부르기로 하고 이런 뜻에서 방사광이란 용어를 쓰고 있다.

빛의 파동적 성질 때문에 물체를 관찰하려 할 때는 식별 가능한 한계, 즉 분해도(resolution)가 존재하며 분해도는 전자파의 파장과 밀접한 관계가 있다. 예를 들면 항공기나 전함을 식별하는 데는 파장이 미터 단위의 마이크로웨이브를 이용한 레이더(radar)로도 관찰이 가능하지만, 세포를 관찰하려면 가시광선을 이용한 현미경을 사용해야 하며 원자 수준의 물질의 미세구조를 조사하기 위하여 파장이 더욱 짧은 전자파인 X-선이나 전자현미경을 이용해야 그 목적을 달성할 수 있다.

또 방사광원은 넓은 파장영역을 망라할 뿐 아니라 이 넓은 분광영역에서 원하는 파장의 강력한 단색광(monochromatic light)을 선택하여 시료에 쪼일 수 있는 파장 가변성(wavelength tunability)이란 특성을 갖는다. 이러한 특성 때문에 방사광은 빛과 물질과의 상호작용을 통해서 물질과 생체의 미세구조를 규명하는 데 매우 유용한 연구수단을 제공한다. 한편 광전효과 등의 실험에서 밝혀진 바와 같이 빛은 입자적 성질도 지닌다. 빛을 에너지 알맹이로 생각할 때 이를 광자(photon)라 부르며 광자의 에너지를 E, 빛의 속도를 c, 파장을 λ, 플랑크의 상수를 h라 하면 광자의 에너지는 E = hν이다. 여기서 ν는 파의 진동수이다. 흔히 광자의 에너지를 전자볼트(eV) 단위로서 나타내며, 이때 광자의 에너지와 Å (10^-10 m) 단위로 나타낸 파장과의 변환관계는 로 주어진다.

$E(eV)=1.24×10^4/λ(Å)$

표 1. 파장영역의 명칭 - 대역명칭, 광자에너지, 파장으로 나열
대역명칭	광자에너지	파장
경X-선(hard X-ray)	6.2keV～124keV	2Å～0.1Å
연X-선(soft X-ray)	413eV～6.2keV	300Å～2Å
진공 자외선 (VUV)	6.2eV～6.2keV	2000Å～2Å
극자외선 (EUV)	12.4eV～6.2keV	1000Å～2Å
가시광 (visible light)	1.65eV～3.1eV	7500Å～4000Å
적외선(infrared)	～1.24×10-3eV～1.65eV	～1000μm～0.75μm

표 1. 파장영역의 명칭

표 1에는 방사광과 관련하여 자주 나오는 몇몇 파장대역에 대한 명칭이 나와 있다. 연X-선, 극자외선과 진공 자외선 영역은 일부 중첩되지만 관례상 서로 다른 명칭으로 사용되고 있다. 진공 자외선은 공기 분자의 흡수 때문에 대기압의 공기층을 투과하지 못하고 진공하에서 통과 가능한 대역의 빛이라는 뜻에서 진공자외선(vacuum ultra-violet radiation 또는 VUV)이란 이름이 붙었다.

방사광 원들의 성능을 측정하기 위하여 밝기(brightness 또는 brilliance)를 다음과 같이 정의한다.

$밝기=(방출되는 광자의 수)/(단위시간)(단위면적)(단위입체각)$

따라서 통상 쓰이는 밝기의 단위는 광자수/(second)(mm²)(mrad²)이다. 광자수(flux)가 같더라도 빛을 발생시키는 광원의 크기가 작고 빛의 퍼짐이 작을수록 밝기는 큰 값을 갖는다. 한편 밝기와 함께 빛띠밝기(spectral brightness)라는 똑같이 중요한 용어를 많이 쓰는데 주어진 빛띠너비(spectral band width)당의 밝기를 말하며 관례상 0.1%의 빛띠너비 또는 파장폭에 속하는 빛의 밝기로 정의된다. 따라서 빛띠밝기는

$빛띠밝기=(방출되는 광자의 수)/(단위시간)(단위면적)(단위입체각)(빛띠너비 Δλ/λ=0.1%)$

이다. 빛띠밝기를 계산할 때는 $∆λ/λ$ 혹은 $(∆ω/ω)=0.001$ 에 해당하는 방출 광자의 수를 계산한다. 그래서, 주어진 밝기의 광원에서 방출 광자가 스펙트럼 중앙에 더 많이 집중될수록 빛띠밝기는 더 높아진다. 우리가 흔히 쓰는 He-Ne 레이저와 같은 레이저 광원은 단색광이므로 모든 방출 광자가 0.1% 빛띠에 속하기 때문에 레이저 광은 주어진 광자 수가 가질 수 있는 가장 높은 빛띠밝기를 갖게 된다. 방사광 가속기에서 휨자석에 의한 방사광은 넓은 스펙트럼에 걸쳐 있기 때문에 높은 빛띠 밝기를 줄 수 없다. 반면에 언듈레이터는 중앙의 파장에 집중된 방사광을 방출하기 때문에 높은 빛띠 밝기의 방사광을 방출하도록 설계된 장치이다. 빛띠밝기와 밝기는 각 방사광원의 특성을 나타내는 중요한 파라미터로서 그 분광 윤곽(spectral profile)은 어느 방사광 센터에서나 반드시 명시되어 있어 방사광 이용자들의 실험수행에 불가결의 참고자료가 된다. 예를 들어 어느 방사광 이용자가 A라는 방사광 가속기 시설을 이용하다가 B라는 방사광 가속기를 이용해야 할 때 A와 B 방사광원의 밝기를 비교하여 B 방사광원의 밝기에 알맞은 실험준비를 미리 함으로써 빔 타임을 절약할 수 있다.

방사광무료 슬롯 게임의
구성

방사광 발생장치는 크게 세 부분으로 구성되어 있다. 즉 전자빔을 거의 빛의 속도로 가속시켜 이것을 저장링으로 입사하는 전자 입사장치(electron injector), 입사된 전자빔을 정해진 궤도상에서 장시간 동안 계속 회전하도록 하여 전자빔이 커브를 돌 때마다 빛을 방출하게 하는 저장링(storage ring), 그리고 방출된 빛을 실험장치까지 이끌고 기타 필요한 장치들을 갖춘 방사광관(beamline)으로 구성되어 있다.

저장링을 단순화시켜서 과장되게 그리면 다각형 모양(예를 들면 12각형)이 된다. 휨자석들을 그림 4의 굽어지는 부분들에 놓고 전자빔의 진행방향을 휘게 하여, 작은 것은 수십 미터에서 큰 경우에는 수백 미터 이상에 달하는 폐궤도(closed orbit)를 형성할 수 있다. 다각형 모양이므로 그림 4에서 보는 바와 같이 상응하는 수의 직선 부위가 있다. 휨자석이 있는 곳에서는 휨자석 방사광이 방출되며 직선부위의 삽입장치(insertion device)로부터는 삽입장치 방사광이 방출된다.

전자총에서 나온 전자들을 저장링에 입사될 수 있을 정도로 가속하는 방법에는 몇 가지가 있다. 수 GeV 수준의 대형 방사광 가속기에는 하나의 선형무료 슬롯 게임를 채택하거나 선형무료 슬롯 게임 + 가속링(booster ring)의 조합을 채택하기도 한다. 두번째 경우에는 선형무료 슬롯 게임는 소형이며 보통 전자를 200~300 MeV정도까지 가속시켜서 가속링에 입사한다. PLSII (PLS 역시)는 첫째 옵션을 채택하고 있으며 Korea-4GSR은 두번째 옵션으로 설계되어 있다. 두 옵션 모두 가속된 전자들은 저장링에 입사된다.

선형무료 슬롯 게임에서 (또는 가속링에서) 입사된 전자들이 여러 토막의 뭉치가 되어 저장링의 폐궤도에 채워지고 전자빔이 만드는 전류가 어떤 목표치에 도달하면 선형무료 슬롯 게임(가속링)로부터의 입사는 중지된다. 그리고 전자뭉치들은 계속해서 궤도를 따라 돌게 된다. 이 전자뭉치들이 휨자석이나 삽입장치를 통과할 때마다 방사광의 짧은 펄스가 각 빔라인을 통해서 방출된다. 저장링 직선부위 중 한 곳 또는 몇 곳에 고주파공동 (RF cavity)들을 설치하여 고출력의 고주파를 공급함으로써 저장링을 돌고 있는 전자들의 에너지를 일정한 값으로 유지하게 한다. 그러나 전자전류는 같은 전자뭉치 안에서의 전자들의 산란이나 전자들과 저장링 속의 잔류기체와의 산란 등으로 점점 감소한다. 감소 속도는 뭉치 안의 전자 밀도, 저장링의 진공도, 전자빔의 에너지와 전류, RF 전압 등 여러 요인들에 의해 변한다. 이 상황을 해결하는 예전의 방법은 전류가 입사 직후의 전류보다 상당히 낮은 어떤 정해진 값에 도달할 때 입사를 다시 시작하는 것이다.

입사는 보통 10분 이상의 시간이 걸리며 입사 중에는 실험이 중단된다. PLS의 경우 입사 사이의 시간은 12시간으로 해서 하루에 두번씩 입사를 진행하였다. 오늘날 모든 방사광 무료 슬롯 게임는 top-off 방식의 입사를 행하는데, 이 방법에서는 전류가 최고 값에서 비교적 조금만 떨어져도 다시 입사를 개시하여 아주 빨리 그리고 자주 수행하는 방법인데 입사 중 실험이 계속 진행된다.

휨전자석(2극자석) 이외에도 4극전자석, 6극전자석, 교정전자석 등 많은 자석들이 들어가 정확한 위치에 설치되어 있다. 이들은 전자빔을 집속하고 색수차(chromaticity)를 교정하고 빔의 위치를 교정하여 설계된 폐궤도상에서 허용치 이상 벗어나지 않게 하기 위한 것이다. 저장링에서 가장 중요한 것의 하나는 방사광의 밝기를 될 수 있으면 크게 하는 것이다. 그러기 위해서 적어도 빔라인이 나가는 휨자석이나 삽입장치를 통과하는 곳에서는 전자빔의 단면적과 전자빔의 퍼짐이 적어야 하는데, 이 두 물리량은 서로 독립적으로 변하는 것이 아니라 연결되어 있다. 그래서 이 두 물리량의 효과를 함께 나타내는 적절한 파라미터를 에미턴스(emittance)라고 부르며 전자빔의 크기와 퍼짐 각을 곱한 것으로 정의된다. 이것은 전자빔의 운동방향(z-방향)에 수직인 횡단면 위에서 정의되며, 궤도면에 수직인 방향 (y-축)과 궤도면에 있는 방향(x-축) 에서의 폭이 서로 다르고 또 그들의 퍼짐각도 달라, x-방향의 에미턴스인 ε_x와 y-방향의 에미턴스 ε_y를 구별하여 다음과 같이 정의한다.

$ex=σx * σx' ez=σz * σz'$

여기서 $ℴ_𝑥$ 와 $σ_x$ 는 각각 x와 y방향의 빔의 폭을, 그리고 $σ_x^'′$ 과 $σ_y^'$ 은 각각 x와 y방향의 퍼짐각을 나타낸다. 에미턴스는 저장링의 전체 성질을 나타내는 글로벌 패러미터 이기 때문에 전체 저장링에 대해 한 값을 갖는다. 위에서 설명한 방사광의 밝기는 에미턴스가 작은 값을 가질수록 커지기 때문에 PLSII를 포함하여 저장링은 에미턴스를 줄이기 위해 많은 노력을 기울여 설계된다

휨자석에의한
방사광

전자나 양전자와 같이 전기를 띤 입자가 휨 자석을 통과할 때 방출하는 방사광은 그 스펙트럼이 매우 넓다. 앞서 지적하였듯이, 빛을 방출하기 위하여 입자의 속도가 상대론적일 필요는 없다. 그러나 방사광의 퍼짐 각, 세기, 그리고 그 스펙트럼은 방출 입자의 속도에 따라 크게 달라지며, 보통 입자의 속도가 상대론 적일 때 방출되는 빛을 방사광이라 한다. 밑에서 볼 수 있듯이 입자의 속도는 사실상 입자의 에너지를 나타낸다.

구체적으로 상대론 적인 전자가 휨 자석을 통과할 때 방출하는 방사광은 수평방향으로는 폭넓게 퍼지나 수직방향으로는 매우 좁은 각으로 모인다. 스펙트럼은 넓으며 짧은 파장 쪽으로 치우쳐 있다. 앞서 나온 바와 같이 수직 방향으로의 퍼짐 각은 약 $γ^(-1)=√(1-〖(v/c)〗^2 )=mc^2/E$ . PLSII의 경우, 전자의 E는 3.0 GeV, mc²은 약 0.5 MeV이므로, $γ≅6,000$ 따라서 퍼짐 각은 약 $γ^(-1)≈1.7$ rad이다. 이 각은 수직 방향의 퍼짐 각이고, 수평 방향으로는 전자들이 움직이면서 방출하는 모든 방사광이 합쳐져서 휨 자석의 휨 각만큼 퍼지게 된다. PLSII의 경우, 0.262 rad의 얇은 부채 모양의 방사광이 44개의 휨 자석에서 방출된다. 이중 약 30~40 mrad만을 사용하며 나머지는 photon stop에 의해 막힌다.

그림 8. 휨자석과 삽입장치로부터의 방사광과 그 퍼짐의 모양. (a) 휨자석 방사광, (b) 위글러 방사광, (c) 언듈레이터 방사광 (출처: DOI: 10.13140/RG.2.2.28752.02569 )

휨자석에 의한 방사광은 매우 넓은 파장영역, 즉 긴 파장으로는 적외선으로부터 짧은 쪽으로는 경X-선에 이르는 파장영역에서 방출된다. 전형적인 휨자석 방사광의 스펙트럼을 그림 8 (a)에서 볼 수 있다. 이 스펙트럼 중에서 좁은 빛띠 너비의 빛이 필요한 경우에는 적절한 단색화 장치(monochromator)를 써서 원하는 파장의 빛을 선택하여 실험할 수 있다. 이와 같은 파장 선택성 때문에 방사광원은 다른 광원과는 달리 광범위한 분야의 실험에 활용된다.

휨자석에 의한 방사광 스펙트럼 모양은 전자의 에너지에 따라 달라진다. 가속된 전자의 에너지가 클수록 밝기가 커지며 그 모양도 짧은 파장(광자의 에너지가 큰)쪽으로 이동한다. 이 관계를 나타내기 위해 임계에너지(critical energy) 또는 임계파장(critical wavelength)을 정의하여 사용한다. 임계에너지는 방사광 전 스펙트럼에서 임계에너지 이상의 출력(일률)과 그 이하의 출력이 같아지는 광자에너지를 말한다 (그림 9 참조). 임계 에너지 ε_c는 kev로 표현할 때 다음과 같다.

$ε_c (keV)=0.665B[T]〖E[GeV]〗^2=2.22〖E[GeV]〗^3/ρ[m]$

여기서 B[T]는 Tesla 단위로 된 자기장, E[GeV]는 GeV단위로 된 전자 에너지, ρ[m]는 m로 된 휨자석의 곡률 반지름이다. 한편, 임계파장 λc는 Å단위로.

$λ_c (Å)=5.59ρ(m)/〖E(GeV)〗^3 =18.6/(B[T]〖E[GeV]〗^2)$

전자에너지가 증가함에 따라 임계에너지는 급격히 증가함을 알 수 있다. 또한 아래 그림에서 보이듯이 휨자석의 세기에 따라서도 증가한다.

그림 9. 휨자석의 세기 (B)에 대한 임계에너지의 변화 (출처: DOI: 10.5772/intechopen.82202 )

임계에너지라는 것이 그보다 높은 에너지의 광자는 활용할 수 없다는 뜻이 아니다. 보통 임계에너지의 1.5에서 2배까지의 에너지를 갖는 광자들도 활용된다. 임계에너지는 여러 다른 방사광 가속기에서 방출되는 광자들을 같은 기준에서 비교하는데 유용한 패러미터이다. PLSII의 경우 임계에너지는 계 에너지 $ℰ_𝑐$ =8.719 keV (1.419 Å)로 주어진다.

삽입장치에
의한 방사광

삽입장치(揷入裝置; insertion device)는 그림 3에서 보는 바와 같이 N극 - S극의 극성이 반복해서 교대로 바뀌도록 일직선상에 배열된 많은 수의 자석들로 되어 있다. 이 장치를 저장링의 직선 부위에 설치하여 자석들의 자장이 전자 궤도에 수직이 되도록 정렬한 것이다. 전자들이 이 삽입장치를 통과하면 밑에 그림처럼 위글링(wiggling)을 하면서 방사광을 방출하는데, n주기의 위글링에서 방출되는 방사광이 합쳐져서 매우 밝은 방사광이 된다. 여기서 나오는 방사광의 성질은 휨자석에서 방출되는 그것과는 다른 특성을 갖는다.

삽입장치는 방출되는 방사광의 특성에 따라 두 종류, 즉 언듈레이터(undulator)와 위글러(wiggler)로 나눌 수 있으며, 그러한 특성의 차를 주는 두 장치의 물리적 구분은 deflection parameter라고 부르는 크기 없는 패러미터인 아래의 K에 의해서 결정된다.

$K=0.934B_0 [T] λ_u [cm].$

여기서 B₀[T] 는 Tesla (T)로 표시된 자장의 세기이며, λ_u[cm]는 cm로 표시된 삽입장치의 주기(그림 3. 참조)이다. K는 전자가 삽입장치 내에서 위글링하는 정도를 나타내는 데 K가 클수록 위글링이 크다. 삽입장치를 지나면서 전자는 주기 λ_u인 사인(sine)함수 모양을 그린다. 그러나 방출되는 방사광의 방향에서 전자의 운동을 바라본다면 상대론적 효과에 의하여 그 주기는 다음과 같이 매우 작게 보이게 된다:

$λ_1=λ_u/(2γ^2 ) (1+K^2/2).$

주기 뿐만 아니라, 전자의 운동도 완전한 sinusoidal이 아니고 K²/2에 의하여 변형되게 된다. 만일 K가 1보다 작다면, K²/2이 주요 항인 1보다 많이 작아지게 되고, 전자들의 궤도가 사인(sine)함수 모양에 가깝게 된다. 이러한 삽입장치를 언듈레이터라 한다. 이 경우 방출 방사광은 λ₁의 주기를 갖는 기본모드 (fundamental mode)와 그것의 높은 모드 (higher harmonics)로만 이루어지게 된다. 즉 구성 전자파 모드는 다음의 주기들로 주어진다.

$λ_n=λ_u/(2nγ^2 ) (1+K^2/2),n=1,2,⋯.$

전자의 운동이 사인 함수에 가깝거나 사인 함수가 가지고 있는 좌우 균형(symmetry)을 가지고 있는 경우, 높은 모드들은 n이 홀수인 경우뿐이다. 좌우 균형은 특히 언듈레이터의 축 방향에서 잘 지켜진다. 축 방향이 아니더라도 전반적으로 짝수 모드는 홀수 모드에 의해 작게 된다.

특히 K≪1 에서는 전자들의 궤도가 사인(sine)함수 모양에 매우 가깝기 때문에, 기본모드가 전자들의 운동을 거의 다 설명할 수 있고, 따라서 방출되는 방사광 에너지 중 기본 모드(fundamental mode)가 대부분을 차지하고, 나머지 높은 모드 (higher harmonics)들은 매우 약하게 된다. K값이 커지면, 전자 궤도가 sine 함수에서 좀 더 벗어나게 되고 높은 모드들이 커지게 된다. 이런 모드들의 봉우리들 (peaks)이 아래의 undulator spectrum에 나타난다.

K값이 1보다 많이 커지면 전자의 운동이 sine함수에서 많이 벗어나기 때문에 많은 새로운 봉우리들이 나타나 그들 사이의 간격이 점점 좁아진다. 가장 강한 모드는 기본 모드에서 점점 차수가 높은 모드 쪽으로 이동하게 되고, 더욱 큰 K값에서는 각 모드의 봉우리들이 융합하여 하나의 연속 봉우리를 형성한다. 이런 상태의 삽입장치를 위글러(wiggler)라고 한다. 언듈레이터와 위글러가 하나의 경계로 나눠 진 것이 아니기 때문에, K값이 1보다 크면서도 언듈레이터의 특성을 보이는 경우도 많고 실제 그러한 언듈레이터가 많이 쓰이는 상황이다.

언듈레이터에서, 방출되는 원뿔꼴 방사광이 이루는 각의 절반인 θ는 대략 다음과 같이 주어진다.

$θ≅1/(γ√N).$

그림 10. 휨자석, 언듈레이터, 위글러의 방사 스펙트럼 비교

여기서 N은 언듈레이터 주기의 갯 수이다. 언듈레이터 주기 수 N이 클수록 θ는 휨 자석 방사광의 경우보다 훨씬 작아진다. 즉 언듈레이터 방사광은 휨 자석 방사광보다 그 퍼짐 각이 작고 더 집중되어 있다.

실제 언듈레이터의 방사광 퍼짐 각은 수십 마이크로 라디안에 못 미치곤 하기 때문에 매우 밝은 방사광을 얻을 수 있다. 관례적으로 PLSII의 언듈레이터는 U5, U7 등으로 표시하는데 5나 7은 언듈레이터의 주기를 cm로 잰 값이다.

n-차 모드의 빛띠 너비는 다음과 같다.

$∆λ/λ_n ~1/nN .$

앞에서 보았듯이 더 큰 빛띠 밝기를 얻으려면 빛띠 나비가 작아져야 한다. 따라서 많은 주기를 가진 (N이 큰) 언듈레이터는 더 작은 빛띠 너비의, 결국 더 밝은 방사광을 방출할 것이다. 또한, 높은 차수(n이 큰)의 모드는 더 작은 빛띠 너비의 방사광을 방출할 것이다. 즉 높은 빛띠 밝기 (spectral brightness)를 얻기 위해서는 빛띠 너비가 작아야 하며 따라서 주기의 총 수가 큰 언듈레이터가 필요하다.

설치된 언듈레이터 방사광의 파장을 변화시키려면 K값을 변화시킨다. 이것을 위하여 통상 자극 간의 간격을 좁혔다 넓혔다 한다. 즉 좁혔을 때는 더 긴 파장을, 또 넓혔을 때는 더 짧은 파장의 방사광을 얻을 수 있다. 이때 취할 수 있는 최소 최대의 자극 간 간격은 언듈레이터와 진공체임버의 크기 등에 의하여 제한을 받는다. 지극 간 간격을 넓힘으로 얻는 것보다 더 짧은 파장으로 가기 위해서는 높은 모드의 방사광을 이용할 수 있다.

식 (4)에서 알 수 있듯이, 언듈레이터에서 밝은 경X-선을 얻으려면 빔에너지(γ)를 크게 해야 한다. 예전에는 PLSII 및 그와 비슷한 크기의 다른 방사광 원의 전자 에너지인 3GeV는 언듈레이터에서 밝은 경X-선을 방출시키기에는 충분하지 않은 에너지였다. 나중에 언듈레이터 주기(λ_u)를 줄여서 3 GeV의 에너지에서도 밝은 경X-선을 만들어내자는 아이디어가 제안되었다. 이런 언듈레이터를 in-vacuum undulator라고 부르는 데 왜냐하면 이렇게 하려면 자기장의 왜곡을 방지하기 위하여 자극의 간격(magnetic gap)도 좁혀야 한다. 그런데 언듈레이터의 자석들을 저장링 진공체임버 밖에 위치시키는 대신에 내부에 위치시킴으로써 자극 간의 간격을 훨씬 좁게(수 mm 또는 그 이하) 할 수 있기 때문이다. in-vacuum undulator는 최근에 광범위하게 이용되고 있다. PLSII에는 여러 개의 in-vacuum undulator가 이미 사용되고 있다.

위글러는 주기의 수가 작으며 강한 자장을 이용하여 K값을 크게 한 삽입장치이며 강한 빛(high intensity)을 얻는 데 사용된다. 특히 매우 강한 자기장을 가진 소수의 자극(예를 들면 초전도 자석)을 이용하여 강한 빛보다 짧은 파장(높은 광자 에너지)을 얻기 위한 위글러를 wavelength shifter라고 부르며 강한 경X-선을 얻는 데 이용된다. 자극의 수가 작은 wavelength shifter와 구별하기 위하여 여러 개의 자극을 갖는 위글러를 다극 위글러(multipole wiggler)라고 부른다.

위글러가 언듈레이터와 다른 점은 각 주기의 자극에서 방출되는 빛이 서로 간섭을 하지 않는다는 것이다. 위글러의 주기 수를 N이라고 하면 위글러 X-선의 세기는 단지 각 자극에서 방출되는 방사광의 2N배 (2N번의 구부러짐이 있기 때문)가 되고 자장의 세기가 보통 휨 전자석 자장보다 크기 때문에 휨자석보다 훨씬 강한 경X-선을 방출한다.

방사광의 성질

방사광의 각 과학분야에의 응용원리는 방사광의 특성에 그 바탕을 두고 있고 따라서 방사광원의 특성을 잘 이해한다는 것은 기존의 응용분야를 소화하는 데는 물론 새로운 응용분야를 개척하는 데도 도움이 된다. 다음에 방사광의 네 가지 특성에 대해서 좀더 자세히 살펴보기로 한다.

넓은 파장영역을 방라하는 광원

종전의 X-선이나 진공자외선의 광원으로는 X-선관(X-ray tube)장치, 각종의 전기방전(즉 플라즈마) 광원, 레이저, 레이저-플라즈마 광원 등을 들 수 있지만 모두 쓸 수 있는 파장대역이 좁아서 파장가변성의 여지가 크지 않거나 광원의 세기가 약해서 이러한 종전의 광원으로는 실험수행에 큰 어려움이 있는 경우가 많았다. X-선 영역만이 아니라 현존하는 방사광원이 망라할 수 있는 파장범위는 대단히 넓다. 방사광원의 에너지 스펙트럼은 원적외선으로부터 경X-선에 이르기까지 연속적이므로 이러한 파장 가변성을 이용하여 수많은 종류의 실험이 가능하다. 원하는 빛띠를 선택하기 위해서는 적절한 단색화 장치를 쓰면 된다.

높은 전자에너지의 저장링을 갖는 ESRF, APS, SPring-8과 같은 광원은 경X-선 영역에서 매우 큰 빛띠밝기의 방사광을 방출한다. 반면 비교적 낮은 전자에너지 방사광원은 연X-선 영역에서 유용한 수준의 빛띠밝기를 가지나 경X-선이 필요할 경우에는 위글러 혹은 높은 차수의 언듈레이터 모드를 활용하면 된다.

광원의 밝기와 결맞음(혹은 간섭성)

방사광원의 밝기는 재래식 광원인 X-선 장치에 비해 최소 수천만 배에 달한다. 그 이유는 작은 에미턴스를 가진 상대론적 속도의 전자빔이 방출하는 방사광이기 때문이다. 제3세대 방사광 가속기는 제2세대 방사광 가속기보다 빔 에미턴스를 한 자리 이상 더 낮추기 위하여 설계되었으며 제4세대 방사광 가속기는 제3세대 가속기보다도 더 빔 에미턴스를 낮추기 위하여 설계되었다. 앞에 언급한 바와 같이 에미턴스가 작으면 방사광의 밝기는 높아진다.

작은 빔 에미턴스에서 오는 또 하나의 장점은 공간적(횡적) 결맞음이다. 공간적 결맞음이란 점 광원에서 오는 빛이 가지는 공간적 성질이다 (그림 11). 여기서 점 광원이란 0의 크기를 가지는 광원을 말한다. 점 광원에서 나오는 빛은 그 파장과 상관없이 다 공간적으로 결맞는다. 그러나 광원이 크기가 d이고, 그 퍼짐 각이 θ이면, 그 방출광은 다음의 관계를 만족시키는 파장에 한해서만 공간적으로 결맞을 것이다.

$λ/2π≥d∙θ$

방사광 가속기의 경우, 점광원은 0-에미턴스를 가진 전자빔을 의미할 것이다. 이 경우 위 관계는 다음과 같이 된다.

$λ/4π≥ε_x.$

여기서 ε_y는 ε_x보다 훨씬 작기 때문에, 위의 관계가 성립하는 경우, ε_y에 대해서도 성립한다. 그래서 만일 어떤 파장이 수평으로 결맞다면 그것은 수직으로도 결맞는다.

그래서, 빔 에미턴스가 작으면 위 관계를 만족시키지 못하는데 작은 파장은 결맞지 않다. 일부가 위 관계를 만족시키는 파장들은 부분적으로 결 맞는 빛이다. 방사광을 사용한 실험에서 선명도와 정확도를 향상시키기 위해서, X-선 마이크로스코프에서 고 선명도의 이미지를 얻기 위해서, X-선을 아주 작은 크기에 집속 하기 위해서, 그리고 X-선 영역에서의 모든 산란, 회절, 홀로그래피와 같은 간섭 효과를 활용하는 실험에서 부분적으로 라도 결 맞는 빛이 필요하다.

그림 11. 횡적 결맞음과 종적 결맞음. 횡적 결맞음은 광원의 횡적 크기를 극단적으로 줄여서, 종적 결맞음은 한가지 파장만을 골라내어 만들 수 있다.

경-선 영역에서 제3세대 방사광 가속기는 부분적으로 결맞는 빛도 제공하지 못한다. 이것이 제4세대 방사광 가속기가 개발된 이유이다. 제4세대 방사광 가속기를 개발하는 목적은 결맞는 방사광을 제공하는 것이다. 현실적으로 대부분의 4세대 방사광원은 수직방향(y-direction)으로만 결맞는 방사광을 제공할 수 있다. 수평 방향에서의 완전한 결맞음은 매우 커다란 규모의 4세대 방사광원 혹은 PAL-XFEL같은 설비에서만 제공할 수 있다.

결맞음을 빛의 전파방향과 그것에 직각인 방향의 두 방향으로 나누어 진다. 즉 종적 결맞음(longitudinal coherence) 또는 시간적 결맞음(temporal coherence)과 위에서 설명한 공간적 결맞음 혹은 횡적 결맞음이 그것들이다. 종적 결맞음은 두 광파 사이의 위상 상관관계를 말하고 있기 때문에 얼마나 좁은 진동수 폭 또는 빛띠 너비인가에 따라 달라질 수밖에 없다. 종적 결맞음의 정도를 결맞음 길이로 표현하는데 다음과 같이 정의된다.

$l_c=λ^2/∆λ.$

그래서, ∆λ/λ가 작을수록 결맞음 길이는 커진다. 따라서 3세대 혹은 4세대 방사광 가속기의 언듈레이터 방사광은 비교적 길다. 그러나 방사광은 완전한 종적 결맞음을 줄 수 없다. XFEL은 훨씬 더 큰 종적 결맞음을 줄 수 있다.

방사광의 편광성

방사광원의 빛띠밝기는 재래식 광원인 X-선 장치에 비해 최소 수천만 배에 달한다. 제3세대 방사광가속기는 제2세대 방사광가속기보다 빛띠밝기를 한 차원 높이기 위하여 특별히 설계되었다.

그림 12. 전자파의 전장과 자기장의 전파

그림 13. 오른손 (시계방향) 원편광

방사광의 성질 중 또 한 가지 중요한 것은 편광성이다. 빛의 편광에 따라 빛과 물질과의 상호작용이 다른 것을 이용한 것이다. 빛은 전자파로서 전기장과 자기장의 진동이 파동의 형태로 전파되어 나간다.

전자파(電磁波)는 주기적으로 그 세기가 변하는 전기장과 자기장이 동반하여 그림 12와 같이 파가 진행하는 방향에 대해 수직으로 진동하며 공간을 통해 전파해 나간다. 빛과 물질과의 상호작용은 주로 전자기장에 의해 영향을 받는 물질 내의 전자와의 작용으로 설명된다.

그림 14. 왼손 (반시계방향) 원편광

이때 전기장이나 자기장의 진동방향이 전자파가 전파되어 나가도 변하지 않고 같은 방향만을 향할 때, 즉 전기장이나 자기장의 진동평면이 변화하지 않을 때, 선편광(linear polarization) 또는 평면편광(planar polarization)이라 한다.

방사광은 빛을 유도해내는 방향에 따라 편광성이 달라진다. 방사광의 구성내용에서 보는 바와 같이 전자 궤도평면을 따라 유도하면 평면편광된 빛을 얻으며 궤도평면으로부터 작은 각도로 위, 아래 어느 방향으로 유도하느냐에 따라 오른손 또는 왼손 타원편광을 얻을 수 있다. 위글러나 언듈레이터에서는 원편광이나 타원편광을 얻기 위하여 특별히 설계된 삽입장치를 이용하기도 한다. 언듈레이터 자석들을 특별히 배열하여 전자가 나선 운동을 하게 하여 원편광의 방사광을 발생케 한다. 실제로 이러한 삽입장치를 나선형 언듈레이터(helical undulator)라고 부르며 손쉽게 편광의 방향(오른손 또는 왼손 편광)을 바꿀 수 있게 되어 있다. 이처럼 방사광은 실험 목적에 필요한 다양한 편광을 제공하기 때문에 물성 연구에 긴요하게 활용될 수 있다. 평면편광된 빛으로 물질의 화학적 결합을 밝힌다든지, 원편광된 빛으로 물질의 자기적 특성을 규명할 수 있는 것이다.

펄스로 방출되는 방사광

그림 15. 저장링을 돌고 있는 전자뭉치와 방사광 펄스 (출처: G. Margaritondo et al., Synchrotron light: from basics to coherence to coherence-related applications)

저장링에서 나오는 방사광은 펄스의 형태로 방출된다. 저장링의 폐궤도를 따라 회전 운동하는 전자들은 여러 개의 뭉치(bunch)들로 되어 있다. 뭉치들 사이의 시간 간격이 방사광 펄스 사이의 시간 간격이다. 저장링 둘레에 들어갈 수 있는 최대 뭉치 수를 그 저장링의 어울림 수(harmonic number)라 부르는데 PLSII 저장링의 경우에는 어울림 수가 470이다. 보통은 모든 뭉치가 다 전자들로 채워지는 건 아니다. 어떤 뭉치는 전자들로 채워져 있고 어떤 뭉치들은 비워져 있다. 저장링에는 하나 혹은 그 이상의 RF(고주파, radio frequency) 공동(cavity)들이 하나 혹은 그 이상(경우에 따라서는 몇 개)의 직선 부위에 장치되어 정해진 주파수의 대출력 RF가 공급되고 있다. 이 RF 주파수는 그곳을 통과하는 각 전자 뭉치들과 동기화되어 있어 방사광 방출로 에너지를 잃은 전자 뭉치에 에너지를 공급해 준다. 따라서 RF 시스템은 저장링을 돌고 있는 전자빔의 에너지를 일정하게 유지하는 데에 핵심적 역할을 맡고 있다.

싱크로트론이란 용어는 바로 여기에 기인한다. PLSII의 경우에는 이 RF 주파수가 f= 499.973 MHz로 설정되어 있다. 전자 뭉치 사이의 시간 간격은 약 2 ns (2×10^-9초)가 된다 (그림 15. 참조). 방사광 펄스 사이의 간격은 저장링에 어떻게 전자 뭉치를 채우느냐에 따라 결정된다. 예를 들면, 저장링 둘레에 한 개의 뭉치 만을 채우고 운용을 했을 때는 거의 광속으로 운동하는 전자 뭉치가 281.82 m의 링 궤도를 도는 시간인 약 0.94 μs (0.94×10^-6)초)의 시간 간격으로 방사광 펄스가 방출된다.

이와 같은 방사광의 펄스적 특성은 빠르게 진행되는 현상의 동적 해석 등에 유용하게 활용되고 있다. 뭉치 수를 조절함으로써 펄스와 펄스 사이의 원하는 시간간격을 얻을 수 있다. 개개의 펄스폭은 PLS의 경우 30～50 ps (즉 3~5×10^-11초)이다. 펄스로 방출되는 방사광을 이용한 pump-probe 실험, 효소 단백질의 시시각각의 구조적 변화 등 각종 동적(dynamic) 연구 등이 가능하다.

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전자의 정체

그림 16. 진공관 내부의 양극(anode)과 음극(cathode)

일렉트로닉스 시대라는 말을 우리는 자주 듣는데 이는 전자라고 하는 것이 이미, 우리와 친근한 것임을 암시한다. 그러나 눈으로 볼 수도 없고, 만져서도 알 수 없는 전자가 확인되기까지는 오랜 시간에 걸쳐 많은 사람들의 실험과 연구가 있었다.

19세기 중반, 영국의 패러디와 맥스웰은 전기를 옮기는 것의 정체(전자)는 아직 알지못했으나 전기를 갖고 있는 것에는 어떠한 현상(전자기 현상)이 일어난다는 것을 알아냈다. 그러나 아직도 전자의 정체를 알 수 없는 상태이었다. 따라서 이를 좀 더 알아보기 위하여 영국의 크룩스와 톰슨은 그림11과 같이 극히 소량의 기체가 남아있는 유리관 양단에 금속조각을 부착하고 이것에 전압을 걸어주어 유리관내에서 아름다운 빛이 발생하면서 방전이 일어나는 실험을 하였다. 이때 회로에 전류계를 끼워 넣어 그 바늘이 흔들리는 것을 볼 수 있었다. 즉 전류가 흐르고 있는 것이었다. 다시 말하면 진공을 통하여 전기가 흐르고 있다는 것이 된다.

그러나, 금속 속에 전기가 흐르는 현상에 대해서도 금속의 정체를 모르고, 전기의 정체도 몰랐다. 그렇다면 아무것도 없는 진공 속의 전류를 조사하는 것이 전기의 정체를 아는 지름길이 아닐까? 하고 생각한 크룩스는 진공 방전을 사용하여 진공 속의 전류를 여러 가지로 조사하기 시작하였다. 마침내 그는 다음과 같은 결론을 내렸다. 즉, 전류는 마이너스의 전하를 가지고 음극에서 양극으로 날아가는 극히 작은 전기 입자의 흐름이라는 것이었다. 이것은 큰 발견이었다. 뒤를 이어 톰슨은 음극에서 튀어나온 전기 입자에 다시 전기장이나 자기장을 걸고 이것에 의한 입자의 흐름의 변화를 찾았다. 그 결과 나중에 밀리컨의 실험을 통해 전자는 음전하를 지니고 있고 그 질량은 수소 원자 질량의 1/1837밖에 안된다는 것이 밝혀졌다.

그 후 로렌쯔는 일반적으로 원자나 분자가 진공 방전에 의하여 전자를 방출한다는 것은 원자, 분자 가운데에 어떤 형태로서 속박된 전자가 들어있음이 틀림없다고 생각하였다. 로렌츠에 의하면 금속 속을 전기가 흐른다는 것은 금속 속에 자유롭게 움직일 수 있는 전자(자유 전자)가 있다는 것을 의미했다.

전자의 발생

그림 17. PLSII의 전자총

전자는 자외선 혹은 그보다 짧은 파장의 빛을 금속에 쪼이거나, 또는 어떤 일정한 온도 이상으로 가열된 금속면으로부터 발생하는데 방사광 가속기에서는 전자총이라고 하는 장치를 이용해서 전자를 발생시키고 있다. 이 전자총은 3극진공관과 마찬가지로 음극에 해당하는 열음극(필라멘트), 조절용그리드(Grid), 그리고 양극으로 구성된다. 열음극을 1050도까지 가열시키는 것은 바로 필라멘트 전류이다. 열음극에 전류가 흘러 계속 가열될 때 전자는 지속적으로 방출하게 된다.

방사광 가속기에서 전자가 방출되는 곳인 열음극은 스폰지같이 엉성한 구조의 텅스텐 모재에 알칼리 금속의 산화물을 일정한 비율로 섞어 만든 것이다. 포항방사광 가속기의 경우 열음극의 최대 방출전류는 15 암페어(A)이다. 열음극에서 뛰쳐나오는 전자의 속도는 매우 느리므로 적절한 고전압을 가해서 전자를 가속시킬 필요가 있다.

전자총은 열음극과 양극사이에 8만 볼트(V)의 고전압을 가해 초기에 열음극에서 튀어나오는 전자를 가속시킨다. 이 때 가해지는 전압만으로 전자는 이미 광속의 절반에 해당하는 속력을 얻는다.

가속 원리

어떻게 가속시키는가?

그림 18. 전압차에 의한 전자 가속

질량을 가지고 있는 모든 물체는 서로 잡아당기는 힘이 있다. 이 힘이 바로 뉴턴이 찾아낸 만유인력이다. 전기를 띤 입자 (하전 입자) 역시 상호간에 힘이 작용한다. 그러나, 이 힘은 만유인력과 달리 서로 다른 부호를 가진 하전 입자 사이에서는 끌어당기는 힘으로, 같은 부호를 가진 하전 입자 사이에는 서로 밀어내는 힘으로 작용한다. 하전 입자 간에 작용하는 이 힘을 쿨롱 힘(Coulomb force)이라고 한다. 따라서, 전자와 같이 음전기를 띤 입자는 양극으로, 양성자와 같이 양전기를 띤 입자는 음극으로 끌려가게 되는 것이다. 끌려간다는 것은 힘이 작용하고 있음을 나타내며, 힘이 작용한다는 것은 질량을 가진 물체가 가속되고 있음을 뜻한다.

즉, 가속장치의 원리는 이러한 성질을 이용한 것이다. 예를 들어 그림18에서 보는 바와 같이 전자가 1.5볼트 건전지와 연결된 두 금속판 사이를 지나간다고 한다면, 전자는 음극에서 반발하고 양극으로 끌려가게 된다. 이와 같이 약간의 가속에너지를 전자에 가하면 전자의 에너지는 1.5 일렉트론 볼트(eV)만큼 증가하게 되는 것이다. 따라서 이와 같은 가속을 무수히 반복하게 되면 전자는 높은 에너지를 얻게 된다.

그림 19. 전자 가속의 원리

포항 방사광 가속기에서는 전자를 가속하기 위해서 고주파 발생장치 (클라이스트론)에서 나오는 고주파를 이용하는데, 이 가속원리를 간단히 설명하면 다음과 같다. 고주파는 시간에 따라 전압의 부호가 바뀌므로 하전 입자가 가속되는 순간과 감속되는 순간이 한 주기에 한번씩 주기적으로 나타난다. 따라서 가속되는 순간에 하전 입자가 놓이게 하고 감속되는 순간은 적절히 피해간다면, 계속 가속되는 순간에만 하전 입자가 가속되므로 높은 에너지로 가속시킬 수 있는 것이다.

이것은 파도타기 선수가 파도에 밀려 가속되는 이치와 마찬가지로 하전 입자를 고주파의 파도에 실어 가속시키는 것이다. 그러나, 원통구조만으로 이루어진 원통형 도파관 자체의 문제점은 도파관을 지나는 위상속도가 광속보다 빠르기 때문에 하전 입자가 가속되어야 할 고주파의 가속지점을 제대로 따라가면서 가속될 수 없다는데 있다. 따라서 고주파의 위상속도를 강제로 늦추도록 원통내에 원판을 끼운 형태를 하고 있다.

X-선과 노벨상

X-선과 관련한 연구에 수여된 역대 노벨상

표 2. X-선과 관련한 연구에 수여된 역대 노벨상 년도, 수상내용 순으로 나역
년도	수상내용
1901년	W. C. Rentgen(물리학상): X-선의 발견
1914년	M. Von Laue(물리학상): 결정체로부터의 X-선 회절
1915년	W. H. Bragg and W. L. Bragg(물리학상): X-선 회절에 의한 결정구조
1917년	C. G. Barkla(물리학상): 원소의 특성 방사 (characteristic radiation)
1924년	K. M. G. Siegbahn(물리학상): X-선 분광학
1927년	A. H. Compton(물리학상): 전자에 의한 X-선 산란
1936년	P. Debye(화학상): 기체에서의 X-선과 전자의 회절
1962년	M. Perutz and J. Kendrew(화학상): 헤모글로빈(hemoglobin)의 구조 결정
1962년	J. Watson, M. Wilkins and F. Crick(의학상): DNA의 구조 결정
1979년	A. McLeod Cormack and G. Newbold Hounsfield(의학상): Computed axial tomography
1981년	K. M. Siegbahn(물리학상): 고분해능 전자분광학
1985년	H. Hauptman and J. Karle(화학상): X-선 물질구조 해석의 직접적인 방법
1988년	J. Deisenhofer, R. Huber and H. Michel(화학상): 광합성에 필수적인 단백질의 구조 결정
1997년	J. Walker, P. Boyer(화학상): 세포 에너지 생성에 결정적 역할을 하는 효소 F1-ATPase의 구조 결정

빔라인 원리

방사광과 광학계

휨자석이나 삽입장치에서 방출되는 방사광은 저장링의 차폐벽을 통해서 실험홀(experimental hall)로 나와 실험을 할 수 있는 곳까지 이끌어내야 한다. 이 사이에 여러 가지의 안전장치, 광학계, 단색화 장치 등을 걸친다. 사용하고자 하는 방사광 파장영역과 실험목적 등에 따라 다양한 종류의 방사광관 (빔라인; beamline)이 있고 거기에 따라 서로 다른 광학계와 단색화 장치를 이용하고 있다. 연X-선과 경X-선 영역의 광학계는 우리가 보통 알고 있는 가시광선영역의 광학계와는 다른 점이 있다. 예를 들면 스침각 입사의 정밀급 대형 거울, 여러층 거울, 브래그-프레넬 렌즈 등을 쓰기도 한다. 단색화 장치도 파장영역과 실험목적에 따라 다양한 종류의 것이 있다.

방사광관 주변장치의 구성

빔라인 주변장치는 세 부분, 즉 전단 (front end)과 빔라인(beamline), 그리고 실험공간 (end station)으로 나누어 생각할 수 있다.

전단(Front End): 첫 단계인 전단은 광원, 즉 저장링의 휨자석이나 삽입장치로부터 방출되는 빛을 저장링의 진공 체임버로부터 차폐벽 밖의 방사광관으로 연결하는 단계이다. 여기서 광원과 빔라인을 연결하는 동시에 장비와 실험자를 보호하는 등 매우 중요한 역할을 한다. 고정 광자 가리개(fixed photon mask)는 필요로 하는 방향으로만 방사광이 통과하도록 하고 그 이외의 것은 모두 차단함으로써 진공 체임버나 광학부품들이 강력한 X-선에 의해 가열되어 손상을 입는 것을 막고 실험자를 보호하기 위하여 설치된 것이다. 또 전단에는 납이나 텅스텐과 같은 제동복사 차폐 블록(Bremsstrahlung shielding block)으로 된 안전 셔터(safety shutter)가 설치되어 실험공간에서 실험수행을 하지 않을 때나 방사선이 안전수준을 넘을 때 자동적으로 X-선을 차단하게 되어 있다. 또 저장링의 진공 체임버와 빔라인 사이의 진공적 차단을 위하여 진공밸브가 설치되어 있다. 특히 불의의 진공사고로 인해 빔라인과 연결된 저장링에 공기가 새어 들어가서 발생하는 오염 등의 불상사를 최소한으로 방지하기 위하여 급속차단 셔터(fast closing shutter)가 설치되어 있다. 즉 빔라인 내의 진공도가 급격히 나빠지면 감지기가 이것을 즉시 감지하여 고속으로 작동하는 셔터와 짝을 이루는 진공밸브가 닫혀 저장링 진공 체임버를 빔라인으로부터 차단시킨다. 또한 공기유입을 지연시키기 위하여 흔히 음향지연장치(acoustic delay line)를 설치한다.

빔라인(Beamline): 다음에는 차폐벽 밖의 빔라인으로서 이것은 단색화 장치를 위시로 빛의 집속, 수송이동 등을 위한 광학계로 되어 있다. 빔라인은 사용하고자 하는 파장영역과 또 실험목적에 따라 여러 종류의 것이 있지만 크게 구별해서 진공 자외선 빔라인(VUV beamline)과 X-선 빔라인(X-ray beamline)으로 나눈다. 공기에 의한 흡수와 산란을 최소화하기 위하여 빔라인은 진공으로 유지하며, 특히 진공 자외선 빔라인의 경우에는 10^-10 torr 이하의 초고진공을 유지해야 한다. 저장링과 빔라인 사이는 VUV의 경우 그대로 통해 있어 전체가 초고진공으로 유지되고 있다. 경X-선에서는 X-선의 흡수계수가 극히 낮은 얇은 베릴륨 창(Be window)이 설치되어 두 부분은 격리시키지만 X-선 빔라인도 10^-7 torr 이하로 유지하여 잔류기체에 의한 X-선의 산란 등을 방지한다.

실험 공간(End Station): 마지막 단계인 말단 실험 공간은 방사광이 시료에 쪼여 여러 가지 실험을 하기 위한 실험장치와 데이터 취득장치(data acquisition system) 등이 있는 실험공간이다. X-선 빔라인의 경우에는 안전을 위하여 철판으로 둘러싸인 실험칸막이(experimental hutch)를 마련해야 한다.

X-선을 위한
광학계

여기서 X-선이라 함은 대체로 연, 경X-선 영역의 빛을 뜻한다. 방사광관은 저장링의 휨전자석이나 삽입장치로부터의 방사광을 빛모으개(condensing)와 집속, 광학경로 구부리기, 분광단색화 장치에 의해서 실험목적에 적합한 파장의 빛을 시료가 있는 실험공간까지 보내는 역할을 한다. 방사광관에서 우리는 극자외선이나 경X-선 영역의 빛을 가지고 상(image)도 맺게 하고 시료 위에 작은 집속도 해야 하는데 가시영역에서와는 매우 다른 광학계를 이용하지 않으면 안 된다. X-선에서는 가시광에서와 같은 렌즈를 쓸 수 없고 또 거울에서도 계면에 직각으로 입사한 빛에 대한 반사율(normal incidence reflectivity)이 매우 낮아져 전반사를 이용하거나 특별한 광학계를 필요로 한다. 여기에서는 방사광관에 이용되는 X-선을 위한 광학부품인 거울, 렌즈계, X-선 창, 여러켜판과 위상판에 대해서 살펴보기로 한다.

X-선의 굴절과 전반사

X-선 광학이 가시광학과 서로 다른 큰 이유의 하나는 그 굴절률이 매우 다른 양상을 보이는 데 있다. 일반적으로 굴절률 n은 파장의 함수이다. 그림 20은 파장에 따라 굴절률이 어떻게 달라지는가를 보여주고 있는데, 적외선, 가시, 자외선, X-선 영역을 통해서 상당한 변화가 있음을 볼 수 있고, 특히 근적외선(near IR)과 근자외선과 X-선에서의 공명 (흡수끝머리) 에너지에서는 급격한 변화가 있다.

그림 20. 적외선, 가시광, 자외선, X-선 영역에서의 굴절률의 변화

가시광의 굴절률이 1보다 큰 값을 갖는 반면 진공 자외선과 X-선 영역에서는 원자 공명 부근을 빼놓고는 1에 대단히 가까운, 그러나 1보다 약간 작은 값을 갖는다. 전반사는 입사 X-선의 편광 여하를 막론하고 가장 효율적인 반사이다.

거울

반사 거울에 큰 스침 입사각 (θ≫ 0)으로 들어오는 X-선의 반사율은 거의 0이기 때문에 X-선 영역에서는 전반사를 이용해야 그 목적을 달성할 수 있다. 스침 임계각이 너무 작아지면 불편한 점들이 많다. 우선 정렬(alignment)이 힘들다. 입사 X-선을 많이 받아들이기 위하여 매우 긴 거울을 사용해야 하기 때문이다. 한편, 임계각 이상의 스침 입사각에서 어느 파장 이하의 방사광이 반사를 거의 하지 않는다는 사실을 이용하여 거울을 단파장 X-선을 걸러내는 목적을 겸하도록 하기도 한다.

X-선 여러층(Multilayer) 거울

연X-선 및 경X-선 광학부품 중에서 또 한 가지 주목할 만한 것은 효율적인 수직 입사 여러층 (다층박막) 거울이라 할 수 있다. 직각 입사한 X-선을 반사할 수 있고 분해도가 뛰어난 연X-선 렌즈의 역할을 한다. 연X-선 영역에서의 홀로그래피나 간섭계 등 극도의 정밀도를 요하는 광학계에 쓰일 수 있다. 여러층 판은 여러 층의 박막으로 되어 있으며, 각 층은 표면이 균일한 기판에 X-선을 잘 흡수하는 물질 (예를 들면 텅스텐과 같은 높은 원자번호 물질)과 X-선을 덜 흡수하는 물질 (예를 들면 탄소나 실리콘과 같이 원자번호가 낮은 물질)의 박막을 한 층 걸러 교대로 입힌 것이다. W/Si, W/B4C, Mo/Si, Mo/B4C 등이 그 대표적인 예이다.

여러층 박막은 평면과 곡면에 모두 적용될 수 있어 직각 입사(normal incidence) 렌즈로 쓰인다. 매우 고르고 조도 (roughness)가 작은 기판 표면이 필요하며 원하는 박막층의 두께와 매우 고른 계면을 유지해야 하기 때문에 그 제작은 고도의 정밀도를 필요로 한다. 방사광은 흔히 선편광 되어 있다. 따라서 빔라인 관련 거울의 경우 이 점을 유의할 필요가 있다. 그것은 거울이 편광을 변질할 수도 있고 반사율이 약화되기 때문이다. 일반적으로 입사광선과 반사광선이 만드는 평면에 평행인 전장벡터의 편광은 π-편광, 이 면에 수직인 경우는σ-편광이라고 한다. σ-편광일 때가 π-편광일 때보다 반사손실이 작고 보다 좋은 편광도 (degree of polarization)를 유지한다.

앞서 살펴본 것과 같이 방사광은 흔히 저장링 궤도면에 평행방향으로 선편광되어 있다. 따라서 거울의 축 (거울면에 수직)은 저장링 궤도면에 수직방향을 가리키도록 위치시켜야 한다. 파장이 짧은 광일수록 거기에 이용되는 광학부품의 정밀도도 높아야 한다. 거울면의 질, 즉 평면도(flatness), 곡면의 정밀도, 조도(roughness) 등이 파장이 긴 쪽의 VUV광에 비하여 월등 좋아야 한다. 재료로 이러한 정밀도로 제조 가능한 물질, 즉 유리, 실리콘, 실리카, 실리콘 카바이드 등을 기판으로 해서 적절히 코팅한다. 방사광에 쓰이는 다른 광학부품과 같이 거울도 강력한 방사광에 의한 노출로 큰 열부하를 받게 된다. 정밀도를 요하는 거울이 열에 의해서 조금이라도 왜곡된다면 당연히 지장이 생긴다. 특히 고휘도 방사광의 경우 열부하 문제에 각별한 유의가 필요하다. 발생하는 열을 분산시키고 제거하기 위한 냉각 시스템이 필요하며, 특히 전단부의 거울은 더욱 많은 열부하가 걸리기 때문에 매우 효율적인 냉각계를 설계해야 한다.

X-선의 렌즈계

방사광을 이용하는 실험에는 시료 위에 X-선을 될 수 있으면 작은 크기로 집속해야 하는 경우가 많다. 앞으로 다루게 될 분광법, 회절법, 영상법 등의 실험에서는 마이크론이나 또는 그 이하로 빛다발의 집속이 요구된다. 이 목적을 위하여 앞 절에서 알아본 거울을 이용하는 방법도 있고 또 새로이 개발된 X-선 렌즈를 이용하기도 한다. 이 절에서는 몇몇의 X-선 렌즈계를 살펴보기로 한다.

그림 21. Kirkpatrick-Baez 거울렌즈계 (출처: DOI:10.1021/ac035037r )

커크패트릭-배즈(Kirkpatrick-Baez) 거울렌즈계

커크패트릭-바에즈 거울 혹은 간단히 KB거울은 X-선을 반사하기 위하여 중금속의 층으로 코팅을 한 곡면에서 스침 입사각으로 반사를 시킨다.

슈월츠차일드 거울렌즈계

위에서 설명한 여러 층 거울을 이용하여 공간 분해가 뛰어난 직각 입사의 X-선 렌즈를 형성할 수 있다. 이것을 슈월츠차일드(Schwarzschild)의 거울이라고 부르는데, 이 렌즈는 여러 층의 코팅을 한, 두 개의 정밀 급 여러층 거울, 즉 하나는 볼록 거울, 다른 하나는 오목 거울로 되어 있다. 연X-선 영역의 렌즈로서 X-선 마이크로스코피, 리소그래피 등에 활용되고 있다.

그림 22. Schwarzschild 거울 (출처: DOI:10.5203/THESIS_FINDLAY_1 )

프레넬 회절 존플레이트

프레넬 회절 존플레이트 (Fresnel diffraction zone plate) 역시 직각 입사가 가능하며 공간 분해도 월등히 좋은 X-선 렌즈로 중요한 X-선 광학부품의 하나로 각광을 받고 있다. 프레넬 존플레이트는 그림 23 (a)에서 보는 바와 같이 여러 개의 동심원 모양의 띠로 되어 있으며, 연X-선에 대해 투명한 띠와 불투명한 띠가 하나 걸러서 반복하도록 되어 있다. 이것은 연X-선을 잘 투과시키는 얇은 Si 또는 SiN와 같은 재료의 막 (두께1000Å) 위에 금(Au)과 같은 중금속의 박막 동심원 띠들이 형성되도록 만든 것이다. 투명 띠들을 통과한 연X-선은 회절에 의해 초점거리 f에 집속을 하게 된다. 프레넬 회절 존플레이트 렌즈는 X-선 현미경에 많이 활용되고 있다. 이 렌즈는 크기가 매우 작아서(지름이 약 0.2mm 내외) 지나치게 강한 방사광에 의해서 파손될 수도 있고 또 쉽게 분실될 위험이 있으므로 취급에 각별한 주의를 요한다.

브래그-프레넬 렌즈

브래그-프레넬 렌즈(Bragg-Fresnel lens; B-F lens) 는 경X-선을 위한 프레넬 렌즈이다. 위에서 설명한 프레넬 회절 존 플레이트 렌즈가 입사 X-선을 존플레이트에 투과를 시켜서 집속하는 것에 반하여 B-F 렌즈에서는 Bragg 반사한 빔을 집속한다. 이것은 실리콘이나 게르마늄의 단결정(single crystal) 웨이퍼 위에 에칭 (etching) 또는 전자나 이온에 의한 리소그래피에 의해서 일정한 깊이의 선형 또는 동심원형의 규칙적인 일련의 홈을 만들어 홈바닥과 높은 부분의 띠가 교대로 나타나도록 한 것이다. 그림 23(b), (c)는 원형 B-F 렌즈를 보여주고 있다. Si(또는 Ge) 단결정 웨이퍼 면에 어떠한 각으로 입사한 X-선은 높은 띠면에서 Bragg 조건을 만족하는 파장에 대해서 보강 및 회절에 의한 거울 반사를 한다.

또한, 홈의 낮은 부분에서의 Bragg 반사도 높은 띠 부분에서의 집속 점에서 같은 파장에서 진폭 증강이 되도록 홈의 깊이를 조절하여 제작한 것이다. 홈의 깊이는 전형적으로 1 내지 3μm 정도이다. B-F 렌즈는 집속과 단색화의 기능을 겸한다는 특징이 있다. 입사각을 변화함으로써 파장을 변화시킬 수 있어 선형 B-F 렌즈는 6~100 keV의 넓은 경X-선 에너지 영역에서 이용할 수 있다. 선형 B-F 렌즈는 선집속(line focus)을 한다. 점집속을 원할 때는, 위에서 언급한 K-B 거울 배열의 B-F렌즈를 이용하거나 원통형으로 휜 것을 쓴다. 원형의 B-F 렌즈는 큰 각 입사에만 이용할 수 있고 1 마이크론 미만의 점집속을 얻을 수 있다. 이 경우에도 존플레이트 제일 바깥쪽의 띠 폭이 분해 폭을 결정한다. 이것은 단색 X-선 빔을 수 마이크론 또는 그 이하의 크기로 집속할 수 있기 때문에 큰 빛 다발을 필요로 하는 미세 회절(microdiffraction)이나 미세 탐침(micro-probe) 실험에 활용된다.

그림 23. 프레넬 존 플레이트와 브래그 프레넬 렌즈 (출처: DOI:10.1063/1.1149082 )

X-선 굴절 복합렌즈

위에서 살펴본 렌즈계는 거울 전반사나 회절을 이용한 방법들이다. 그러나 최근에는 굴절을 이용한 새로운 집속기법이 개발되어 이미 경X-선의 렌즈로 쓰이고 있다. 이것은 주로 언듈레이터에서 나오는 퍼짐이 작은 경X-선 다발에 쓰이는 매우 간단한 구조의 렌즈이며 표면조도 (surface roughness)와 열부하에 거울계보다 덜 민감하다는 장점을 갖는다. X-선에 대한 매질의 굴절률 (1-)는 1에 대단히 가까운 그러나 1보다 약간 작은 값을 갖는다. 가시광의 집속용 볼록렌즈(convex lens)와는 달리 굴절률이 1보다 작기 때문에 (Snell의 법칙에서) X-선 집속용 렌즈는 오목렌즈(concave lens)여야 한다. X-선이 렌즈를 투과할 때 흡수에 의한 손실을 방지하기 위하여 Be, B, Mg, Al과 같이 원자번호가 낮은 물질 중에서 심한 열부하에 견딜 수 있는 재료를 이용한다. 그러나 오목렌즈 하나로는 충분한 굴절이 되지 않아 원하는 초점거리를 얻을 수 없으므로 여러 개의 오목렌즈로 된 복합렌즈를 쓴다.

그림 24. X-선 굴절 복합 렌즈의 개념도

Windows and Filters

전단부와 X-선 빔라인 사이에 X-선 창(X-ray window)을 설치하여 두 부분을 차단한다. 이것은 저장링의 진공도는 10^(-10) torr (저장링 가동 시)인 데 비해 X-선 빔라인에서는 10^(-7)torr여서 여기에 창을 설치하여 양 부분을 차단하기 위해서이다. 헬륨(He)과 같은 기체는 그 흡수 끝머리 파장인 539Å (23eV)보다 긴 파장에서 상당히 높은 투과율을 보인다. 그러나 한편 질소나 산소(또는 공기)와 같은 2원자 분자 기체는 2000Å 이하의 진공 자외선이 투과하지 못한다. 따라서 창은 진공 자외선, 연·경X-선 빔을 대기압이나 기체로 채워진 공간으로 보내기 위하여 양쪽을 격리시키는 역할을 한다. 이런 곳에 쓰이는 창은 투과를 시키고자 하는 광의 파장에서 흡수가 작은 재료를 택한다. 2000Å 이하 대략 1200Å까지의 VUV광에서는 LiF, Mg2F, CaF2 결정체 등에서 최적의 재료를 선택해서 쓸 수 있다.

한편 1000Å 이하에서는 매우 얇은 금속막, 예를 들면 1000Å 두께의 알루미늄, 게르마늄 등의 박막은 좋은 창이 될 수 있다. 그러나 이렇게 얇은 막은 쉽게 파손되어 그대로 쓸 수는 없기 때문에 좁은 실 같은 틈이나 작은 구멍 뒤에 설치하거나 고운 매시 스크린에 코팅을 해서 쓰고 있다.

알루미늄(Al)은 700Å과 170Å (L-흡수끝머리) 사이에서 (17.7eV～73eV), 탄소 박막은 각각 그 K-끝머리인 43.6Å (284eV)까지의 영역에서 창으로 쓸 수 있다. Be과 Al 박막은 단파장 쪽의 창으로 가장 많이 쓰이고 있는 재료이다. 연X-선의 경우에는 될수록 얇은 창이 필요하지만 창 안팎의 압력 차에 견딜 만한 충분한 기계적 강도가 필요하므로 양자 간에 절충이 요구된다. 필요한 강도를 주기 위하여 마일라(mylar)나 폴리프로필렌 (polypropylene) 등의 얇은 막에 금속을 코팅해서 쓰기도 한다. 이러한 EUV의 창들은 서로 다른 원소로 된 박막의 흡수 끝머리 곡선을 잘 이용하면 넓은 빛띠 너비의 필터로 이용될 수 있다.

X-선 위상판(Phase Plate)

방사광의 편광성은 그 응용면에서 매우 중요한 특성의 하나일 것이다. 휨자석에서 방출되는 방사광에서 선 편광, 타원 편광을 얻기 위하여 적절한 실험수단이 필요했고 또 삽입장치의 경우에는 이러한 목적을 위하여 특수한 설계의 언듈레이터나 위글러를 필요로 하였다. 그런데 때에 따라서는 가시영역의 레이저 광학 실험의 경우와 같이 편광을 원하는 방향으로 자주 조절해서 사용해야 하는 경우가 있다. 이런 목적을 위하여 경X-선 위상판이 많이 이용되고 있다.
결정체는 그 Bragg 회절 각 부근에서 복굴절(birefrigence)을 한다. 즉 입사하는 X-선 빔이 투과하면, 산란면에 평행인 전기장과 수직인 전기장 벡터가 복굴절을 하며 그들 사이에 위상차가 생긴다. 이 위상차는 결정체의 두께에 비례하며 Bragg각으로부터의 차(差)에 반비례한다. 주어진 두께의 결정판을 조절 동조함으로써 양자 간에 위상차가 생기도록 하면 선편광을 원편광으로 전환하는 4분의 1 파장판(quarter wave plate)이 되며 또 위상차가 π가 되도록 조절할 경우에는 선편광의 방향을 90˚ 회전하는 반파장판(half-wave plate)이 된다.

광자에너지 4 keV 내지 17 keV의 영역에서 다이아몬드 결정은 훌륭한 X-선 위상판이 된다. 다이아몬드는 완전한 결정체이며 흡수가 적어 투과율이 크고 열분산이 우수하여 큰 열부하에 견딜 수 있다는 장점이 있다. 예를 들면 언듈레이터로부터 잘 묶인 선편광 X-선 빔 다발을 다이아몬드 위상판을 이용하여 원 편광으로 만들 수 있다. 뿐만 아니라 Bragg각으로부터의 차를 빠른 속도로 조절하여 위상차가 교대로 +π/2와 -π/2가 되도록 위상판을 왕복 운동시키면 회전방향이 교대로 바뀌는 원 편광을 얻을 수 있다. M. Suzuki 등은 이런 방법으로 0.5mm 두께의 다이아몬드 (111) 위상판에 입사광을 투과(Laue geometry에서 220 대칭 반사면을 이용)시켜 상지연(phase retarder)으로 회전방향이 교대로 바뀌는 원 편광을 얻었다. 또한 그들은 입사 빔의 편광 평면으로부터 45˚ 기울인 위상판을 Piezo 구동(±300 arcsecond)을 사용하여 40Hz의 주파수로 진동을 시켰다.

진공자외선 빔라인

회절 격자(Diffraction Grating)

VUV영역에서는 입사광을 파장에 따라 분산시키고 그 중에서 원하는 단색광을 얻기 위하여 회절 격자 (diffraction grating)를 사용한다. 반사 회절격자(reflecting grating)과 투과 회절 격자(transmission grating)가 있지만 원리는 동일하다. 반사 회절 격자는 비교적 파장이 긴 쪽의 VUV영역에서는 수직 입사 단색화 장치(normal incidence monochromator)로, 또 연X-선 영역에서는 스침각 입사 단색화 장치(grazing incidence monochromator)로 사용하는데 이것은 효율적인 반사를 위하여 연X-선 영역에서는 스침 각 입사가 필수적이기 때문이다. 이러한 단색화 장치들은 빔라인의 다른 부분과 같이 반드시 초고진공으로 유지해야 하는데 이것은 잔류기체에 의한 광의 흡수와 산란 그리고 광학부품의 오염을 방지하기 위함이다. 회절 격자는 여러 개의 선(lines)이 일정한 간격을 두고 그어진 기판으로 되어 있다. 그어진 기판의 홈과 홈 사이의 간격 d는 주기(period)의 길이로서 매우 중요한 회절 격자의 파라미터인데 통상 1 mm당 그어져 있는 홈의 수로 표시된다. 예를 들면 2000 lines/mm의 회절 격자에 있는 홈의 주기 거리는 d=500 nm (5×10^-7 m)이다.

구면 오목 회절 격자(concave spherical grating)을 이용한 구면 회절 격자 단색화 장치(spherical grating monochromator; SGM)가 널리 쓰이고 있는데 이것은 구면 오목 회절 격자가 빛의 집속을 겸하고 있기 때문이다. 그림 25에는 곡률 반지름이 R인 구면 회절 격자와 입사 광선, 회절 광선이 표시되어 있다. 구면 오목 회절 격자를 그 중심부가 반경이 R/2인 원에 접하도록 위치시키면, 이 원 위에 있는 한 조명점 (E)으로부터 나오는 빛이 회절 격자에 의해 분산된 후 이 원 위에 집속되는 매우 바람직한 특성을 가지고 있다. 1882년 이러한 특성에 처음으로 착상하고 장치를 발전시킨 H. A. Rowland 교수의 이름을 따서 이 원을 Rowland원이라고 부르며 오늘날 수많은 VUV 분광기/단색화 장치의 기초를 이루고 있다.

그림 25. 구면 오목 회절 격자에 의한 분광 (출처: DOI: 10.1364/AO.51.006855 )

근래에 와서 점차 홀로그래피 회절 격자(holographic grating)가 많이 사용되는데 그 이유는 제작과정이 덜 어렵고 또 몇몇의 장점을 가지고 있기 때문이다. 이런 회절 격자를 만들기 위하여 고도의 결맞음이 있는 레이저빔을 이용하여 간섭무늬(interference fringe)를 기판 위에 맺게 한다. 이 기판 위에는 미리 포토레지스트 (photoresist)라고 불리는 물질을 입혀 빛이 쪼인 부분은 화학적 성질이 변하여 이것을 에칭(etching)하면 간섭무늬의 빛이 닿은 부분의 레지스트와 그 바로 아래 기판이 부식되어 규칙적으로 그어진 홈을 만들게 되는 것이다. 레지스트를 이용한 이러한 기법을 리소그래피(lithography)라고 하며 X-선 리소그래피도 바로 이러한 기술을 이용한 것이다. 홀로그래피 회절 격자는 홈내기 기계에 의한 회절 격자와는 달리 구면, 기타의 곡면 모양의 기판 위에 쉽게 회절 격자를 형성할 수 있을 뿐만 아니라 회절 격자의 크기도 훨씬 크게 할 수 있다는 절대적인 장점을 가지고 있다. 또 홈내기 기계로 제작된 회절 격자에서는 홈과 홈 사이의 간격에 약간의 주기적인 불규칙성이 생겨 좋지 않은 효과(ghosts effect)를 나타내는 반면에 홀로그래피 회절 격자에서는 이런 일이 없고 또 홈의 밀도, 즉 1mm당 선의 수를 훨씬 크게 할 수 있다. 어떠한 오목 곡면 모양의 기판 위에도 회절 격자를 형성할 수 있으므로 집속이나 수차(aberration) 수정 등의 성질을 겸해서 갖게 할 수 있다.

X-선 빔라인

파장이 짧아져서 대충 12Å 이하(또는 ＞1keV)가 되면, 홈 간의 간격 d가 매우 작은 회절 격자를 쓰거나 높은 차수를 택해야 하고 입사 스침 각이 극도로 작아지고 반사 효율도 나빠진다는 어려움이 있어 회절 격자 단색화 장치를 이용하기가 거의 불가능해진다. 이런 X-선 영역에서는 결정체의 원자살창 (atomic lattice) 면에 의한 회절을 이용하며 따라서 X-선 빔라인에서는 결정 X-선 단색화 장치(crystal X-ray monochromator)를 이용하게 된다. 그림 26은 결정체의 어떤 원자 면들을 보여주고 있으며 이들 인접한 원자 면 사이의 거리가 d인 결정 면에 대하여 X-선이 (원자면과의 각으로 입사하였을 때 서로 보강하는 간섭은 광 경로 차가 파장의 정수 배일 때 일어남을 알 수 있다. 즉

$nλ=2d sin⁡θ$

이다. 이것이 유명한 Bragg의 식이다. 주어진 결정체에 여러 파장의 X-선이 입사하였을 때는 긴 파장의 X-선은 결정의 법선에 가까운 쪽으로, 그리고 짧은 파장의 X-선은 결정 면에 가까운 방향으로 회절 반사함을 알 수 있다. 따라서 2d는 단색화 하려고 하는 파장보다는 작아야 하고 그러나 너무 작아서는 안 되는 그런 결정체를 택해야 하고 회절 반사율도 고려해야 한다. 2d 간격(2d spacing)이 서로 다른 상당수의 단색화 장치용 결정체가 있으나 빔라인의 X-선 단색화 장치에 많이 쓰이고 있는 결정체로는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 그리고 다이아몬드를 들 수 있다.

2d sin⁡θ = nλ

그림 26. 결정면에서의 X-선 Bragg 반사

그림 26에서 보는 것과 같은 단순한 X-선 회절계는 빔라인 용의 단색화 장치로는 적당치 못하다. 광자 에너지를 바꿀 때마다 회절된 X-선 빔의 방향이 크게 달라지기 때문이다. 그래서 서로 평행인 두 개의 결정체를 쓰는 이중 결정 단색화 장치(double crystal monochromator)를 통상 이용한다. 이것을 위하여 하나의 결정체에 홈을 내서(channel cut) 두 개의 서로 평행인 결정 면을 만든다. 그러면 들어오는 빔과 나가는 빔의 방향은 평행이 되나 두 결정 면의 간격이 일정하므로 출구 실틈의 위치는 고정시킬 수 없다. 따라서 파장을 바꿀 때 출구 실틈의 위치가 움직이게 된다. 두 결정체의 거리가 고정되어 있는 channel-cut 배열 대신에 제1의 결정체가 회전하여 파장을 변화시킬 때 제2의 결정체도 회전하여 평행은 유지하되 이 결정체를 나가는 빔쪽으로 또는 그 반대쪽으로 이동하게 함으로써 출구 실틈의 위치가 항상 고정될 수 있게 하는 설계가 많이 쓰이고 있다. 이러한 이중 결정 단색화 장치는 물론 초정밀급의 연동장치를 필요로 한다.

X-선 빔라인의 길이는 대개 30, 40m가 넘는다. 방사광의 퍼짐이 작다고 하더라도 이 정도의 거리에서는 적지 않은 빔의 손실이 있고 또 많은 경우에 시료에 집속을 요하는 실험이 대부분이라 스침각 원통형 거울이 단색화 장치 이전에 또는 이후에 쓰이는 때도 있다. 그러나 거울에서의 빔의 손실이 만만치 않기 때문에 큰 빛다발을 필요로 하는 실험에서는 될 수 있으면 거울의 수를 줄이는 것을 고려하게 된다.

이러한 어려움을 덜기 위해서 최근에 와서는 이중 결정 단색화 장치의 두 결정체 중 두 번째 결정체를 휨 결정체 (곡률반지름 가변)로 하여 수평방향의 집속(sagittal focusing)을 겸하게 하는 단색화 장치가 많이 쓰이고 있다.

PLS-II 원리소개