그림1. 장치배치도
선형가속기는 3세대 방사광가속기인 PLS-II의 3.0 GeV 선형가속기와 동일한 주파수 대역인 S-band (2.856 GHz)를 사용하고, 펄스 반복률은 최대 60 Hz 까지 가능하며, 한 펄스내에 한 개 또는 두 개의 전자빔 번치를 가속 시킨다. 삽입장치는 외진공(out-vacuum) 형태이고, 한 모듈의 길이가 5 m로 그림의 경X-선(Hard X-ray) 삽입장치 1 (HX1)의 경우 총 20개의 삽입장치가 설치된다.
선형가속기는 크게 입사기(Injector), L1, L2, L3A, L3B, L4 로 구분된다. 입사기는 빔에너지가 139 MeV 이고, 0.2 nC 전하량 전자빔 에미턴스를 0.4 mm-mrad 미만으로 만들기 위해서 광음극고주파전자총을 전자빔원으로 사용한다. 전자빔이 고주파전자총에서 나올 때는 전류 25 A, 번치길이 7.3 ps (ps = 1×10-12 sec) 이고, 3개의 번치길이압축기(Bunch Compressor, BC1, BC2, BC3)를 거치면서 번치길이가 단계적으로 줄어들어, BC3를 지나면 번치길이가 60 fs 로 작아지고, 전류는 3 kA 로 크게 증가하게 된다. 이때 전자빔의 에미턴스는 전자빔의 에너지가 10 GeV 로 증가하고 전류가 3 kA로 높아져도 0.4 mm-mrad 미만으로 유지된다. L3A가 끝나는 3.0 GeV 에너지 위치에 설치되는 kicker와 septum 전자석을 사용하여 전자빔을 연X-선 빔라인으로 전송시킨다.
one bunch를 60 Hz 로 운전할 경우, kicker를 사용하여 경X-선과 연X-선 빔라인에 각각 30 Hz로 전자빔을 전송할 수 있고, two bunch의 경우는 두 개의 빔라인이 60 Hz 로 운전된다. two bunch 운전 모드에서는 번치 사이의 거리가 20 ns 에 불과하므로, 두 bunch 중 뒷부분에 위치하는 bunch를 연X-선 빔라인으로 인출하기위해서는 RF cavity 형태의 kicker를 사용한다.
입사기(Injector)
그림2. 광음극고주파 전자총
입사기는 S-band 광음극고주파전자총과 2개의 S-band 가속관으로 구성되고, 전자총에서 5.5 MeV 로 인출된 전자빔은 가속관에서 139 MeV까지 가속된다. 광음극고주파전자총은 RF가 인가된 고주파전자총에 10 ps 길이의 레이저빔을 조사하여 광전효과에 의해 금속표면에서 방출되는 전자빔을 이용하는데, 레이저빔이 조사되는 음극표면에서의 고주파전기장 세기가 120 MV/m 로 매우 높기 때문에 전자빔의 에미턴스를 매우 작게 만드는 게 가능하다. 빔물리 시물레이션을 통해서 입사기에서의 전자빔 에미턴스가 200 pC 전하량 조건에서 0.26 mmㆍmrad 까지 유지된다.
선형가속기(Linac)
그림3. 선형가속기 L2, L3, L4의 one unit 배치도
50 ppm 전압 안정도 시험용 모듈레이터
선형가속기 L2, L3, L4는 한 개의 클라이스트론이 4개의 S-band가속관에 RF를 공급하는 구조로 (그림 5), 200 MW 모듈레이터 (그림5의 청색), 80 MW S-band 클라이스트론, 에너지배가장치(SLED cavity) 로 구성된다. 전자빔을 가속시키는 가속관에서 고주파전기장의 세기는 20 MV/m 이고, 가속되는 전자빔의 에너지 안정도는 고주파전기장의 전압과 위상의 안정도에 비례한다. 고주파의 위상안정도는 0.05 degrees (rms) 미만이 요구되고, 전압안정도도 0.05% 미만이 요구된다. 이러한 고주파의 안정도는 LLRF 되먹임제어로 제어가 가능하나, 수 μs 길이로 최대 60 Hz 로 작동되는 펄스신호에서는 되먹임제어(Feedback control)의 대역폭이 수 Hz 미만으로 제한된다. 따라서 60 Hz 펄스 신호의 고주파 위상 안정도는 클라이스트론에 고전압 펄스를 인가하는 모듈레이터가 클라이스트론에서 증폭되는 고주파의 위상안정도를 결정짓게 된다. 고주파의 위상안정도 0.05 degrees 는 S-band 대역에서는 모듈레이터의 전압안정도 50 ppm 에 해당한다. 이러한 중요성 때문에 50 ppm 전압 안정도를 갖는 모듈레이터 연구개발이 진행 중이다.
삽입장치(Undulator)
그림4. 삽입장치 구조와 intersection 구간의 장치배치
삽입장치는 독일 DESY에서 개발된 EU-XFEL undulator 설계를 사용하고, magnetic geometry 는 4세대 방사광가속기(PAL-XFEL) 변수(최소 갭 및 주기)에 맞게 설계 되어 있다. 삽입장치는 외진공(out-vacuum) 형태이고, 주기가 2.44 cm, 최소갭은 7.2 mm 이다. 삽입장치 한 모듈의 길이는 5 m이며, 20개가 설치되는 경X-선 HX1 빔라인의 삽입장치 총 길이는 120 m이다. 삽입장치와 삽입장치 사이에는 그림과 같이 전자빔을 집속하기 위한 4극자석과 빔위치를 측정하는 빔위치 측정기(Beam Position Monitor), 그리고 전자빔과 전자빔의 위상을 조정하는 phase shifter, 기타 진공장치가 설치되는 intersection 공간으로 설계되어 있다.
빔라인 배치
4세대 방사광가속기의 빔라인은 크게 경X-선과 연X-선(Soft X-ray) 빔라인이 준비되어 파장 범위가 각각 1 ~ 0.06 nm, 10 ~1 nm 가 되도록 경X-선에는 HX1, HX2 및 HX3의 3개 빔라인, 연X-선에는 SX1, SX2 2개의 빔라인이 최종적으로 건설된다. 1단계 건설 프로젝트에서는 경X-선과 연X-선에 각각 1개씩의 빔라인(HX1 및 SX1)이 건설된다. 파장 0.1 nm 방사광의 첨두밝기 5.7×10+32 는 flux 로 1.0×1012 photon/pulse 에 해당하고, 이것은 60 fs (펨토초, 1 fs = 10-15 sec) 길이 방사광의 경우 30 GW에 해당하는 출력이다.
그림5. 빔라인 배치
