물질 구조 연구 효율성 100배 높일 수 있는 '중성자 검출기' 개발

연구용 원자로의 중성자를 이용한 물질 구조 연구에서 시료에서 반사된 중성자를 정밀 측정하고 측정 생산성을 크게 높일 수 있는 ‘대면적 곡면형 2차원 위치민감형 중성자 검출기’를 우리 연구진이 세계 3번째로 개발하는 데 성공했다. 개발과 함께 일본 측의 요청으로 일본원자력연구개발기구(JAEA)가 보유한 연구용 원자로에 이를 공급, 우리 원자력 기술의 우수성을 다시 한번 입증하게 됐다.

한국원자력연구원(원장 양명승) 중성자과학연구부 문명국 박사 팀은 교육과학기술부 원자력연구개발사업의 지원으로 2007년부터 3년에 걸쳐 연구용 원자로의 중성자를 이용해서 단백질과 같은 거대 분자의 구조를 해석할 수 있는 중성자 회절장치에 적용, 시료와 충돌한 뒤 반사되는 중성자 분포를 일거에 측정해서 측정 생산성을 획기적으로 높일 수 있는 ‘대면적 곡면형 2차원 위치민감형 중성자 검출기’를 개발하는 데 성공했다. 길이 1미터가 넘는 대면적 곡면형 중성자 검출기의 실용화에 성공한 것은 미국 BNL(브룩헤이븐국립연구소), 프랑스 ILL(Institut Laue-Langevin)에 이어 세계 3번째다.

• 위치민감형 중성자 검출기 : 검출기 내로 들어오는 중성자의 위치와 개수를 측정할 수 있는 검출기로, 측정하는 방법에 따라 1차원, 2차원으로 나누어진다. 1차원 검출기는 선형 검출기고, 2차원 검출기는 영상 검출기 형태이다.

• 대면적 곡면형 2차원 위치민감형 중성자 검출기 : 한쪽 방향의 길이가 50cm 이상인 검출기를 통상적으로 대면적 검출기로 칭하며, 평면형이 아니라 곡면형 구조를 가져 시료와 충돌 후 반사되는 중성자의 위치를 왜곡없이 측정할 수 있다.

• 중성자 회절장치 : 중성자를 시료에 충돌시켜 반사되는 중성자를 측정함으로써 물질의 원자 및 분자 수준의 미세 구조와 크기를 측정할 수 있는 장치

한국원자력연구원은 문 박사 팀이 개발한 ‘대면적 곡면형 2차원 위치민감형 중성자 검출기’를 일본 원자력연구개발기구(JAEA)의 요청으로 JAEA가 일본 토카이에서 운영 중인 연구용 원자로 JRR-3M에 공급하기로 했다. 일본 동북대학교 노다 유키오 교수와 협력으로 한국원자력연구원이 검출기 하드웨어와 계측회로를 제작하고, 노다 교수 팀이 데이터 전처리와 해석을 수행하는 데이터 분석 소프트웨어를 개발해 다음달 중 JAEA에 검출기를 공급하게 된다.

중성자 회절장치는 연구용 원자로에서 생산한 중성자가 시료에 부딪친 뒤 반사하는 중성자의 분포를 분석, 시료의 물질 구조와 성질 등을 파악하게 되는데 이때 여러 방향으로 반사된 중성자의 개수를 위치별로 정확하게 파악하는 것이 연구의 정확성과 효율성을 좌우하는 핵심 기술이다. 중성자는 전기를 띠지 않아 직접 검출할 수 없어 중성자와 헬륨-3(He-3)가 반응했을 때 생성되는 전자 신호를 검출하는 방식으로 중성자의 개수를 환산하게 되는데, 이 때 발생되는 전자 신호의 크기는 수만 개의 전자 수준으로 아주 약하기 때문에 이를 위치별로 정확하게 측정하는 것은 공학적으로 고난도의 기술과 정밀성을 요구한다.

문명국 박사 팀은 1997년부터 교육과학기술부 원자력연구개발사업의 지원을 받아 중성자 검출기 기반 기술 연구에 착수, 2000~2006년 중소형 검출기를 개발해서 연구용 원자로 하나로에 설치하고 러시아, 일본, 체코, 인도 등에 수출한 데 이어, 길이 1.2 m, 높이 60 cm의 대면적 곡면형 위치민감형 중성자 검출기를 개발하는 데 성공했다. 문 박사가 개발한 검출기는 알루미늄 재질의 검출기 내부에 중성자와 반응하는 헬륨-3 가스를 채우고, 10~30 마이크로미터(μm) 굵기의 금 도금된 텅스텐 전선 600여개를 촘촘히 배치한 뒤 수 천 볼트의 고전압 전류를 흘려 중성자와 헬륨-3이 반응해서 생성되는 전자 신호를 위치별로 정확하게 검출할 수 있다.

문 박사 팀은 공학적 난관을 극복하고 검출기를 대면적으로 만듦으로써 측정 생산성을 최대한 높이고, 검출기를 곡면형으로 설계함으로써 전방향으로 산란하는 ?鈒봉美? 좀 더 정밀하게 검출할 수 있게 했다. ‘대면적 곡면형 2차원 위치민감형 중성자 검출기’는 수평각 120도 이상, 수직각 60도 이상으로 중성자를 검출할 수 있다.

한국원자력연구원은 개발한 ‘대면적 곡면형 2차원 위치민감형 중성자 검출기’를 연구용 원자로 하나로의 중성자를 이용해서 단백질과 단결정 등 거대 분자의 구조를 연구하기 위해 구축하고 있는 ‘고성능 중성자 회절장치(Bio-D)’에 적용할 계획이다. ‘Bio-D' 구축을 이끌고 있는 이창희 한국원자력연구원 중성자과학연구부 실장은 “'대면적 곡면형 2차원 위치민감형 중성자 검출기'를 적용하면 회절장치의 측정 생산성을 최소한 수배에서 최대 100배까지 높일 수 있게 된다”고 말했다.

한국원자력연구원은 장기적으로는 현재 하나로에서 운영 중인 기존 중성자 산란/회절 장치를 보완하는 데도 ’대면적 곡면형 2차원 위치민감형 중성자 검출기’를 적용, 하나로의 중성자 물질 구조 연구를 세계적인 수준으로 끌어올린다는 계획이다.

출처 : 한국원자력연구원