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中, 초미세먼지 분석 가능한 첨단 방사광가속기 구축

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中, 초미세먼지 분석 가능한 첨단 방사광가속기 구축

2017.01.16 18:20
2015년 산둥 지역의 한 도로에서 중국인 아이와 부모가 뿌연 스모그를 뚫고 걷고 있다. 중국은 자유전자레이저(FEL)를발생시킬 수 있는 4세대 방사광가속기인 ‘다롄선형방사광가속기(DCLS)’를 이용해 스모그를 만드는 에어로졸 등 초미세먼지(PM2.5)의 생성과정을 규명할 계획이다. - 사이언스 제공
2015년 중국 산둥 지역의 한 도로에서 중국인 아이와 부모가 뿌연 스모그를 뚫고 걷고 있다. 중국은 자유전자레이저(FEL)를 발생시킬 수 있는 방사광가속기인 ‘다롄선형방사광가속기(DCLS)’를 이용해 스모그를 만드는 에어로졸 등 초미세먼지(PM2.5)의 생성과정을 규명할 계획이다. - 사이언스 제공

● 1분 요약

 

중국이 초미세먼지의 구조와 생성 과정 관측에 특화된 레이저를 발생시키는 장비를 개발했다. 선진국들은 고체 상태 물질의 분석에 쓰이는 4세대 방사광가속기를 운용 중이나, 이들 장비는 에너지가 높아 기체 상태 입자는 분해해 버리기 때문에 초미세먼지 관측에 쓰기는 어렵다. 중국은 본의 아니게 기체 상태의 물질을 분석할 수 있는 새로운 영역의 방사광가속기를 만든 셈이다.  

 

중국이 살인적인 스모그 문제를 해결하기 위해 첨단 과학분석 장비를 구축했다. 초정밀 레이저로 초미세먼지를 들여다보며 해결책을 찾는다는 목표다.

 

중국과학원(CAS)은 자유전자레이저(FEL)를 발생시킬 수 있는 방사광가속기 ‘다롄선형방사광가속기(DCLS)’를 베이징에 완공했다고 15일 밝혔다. DCLS로 스모그를 만드는 에어로졸 등 직경 2.5마이크로미터(㎛·1㎛는 100만 분의 1m) 이하의 초미세먼지(PM2.5)의 생성 과정 등을 규명해 대기 오염에 대응할 계획이다.

 

자유전자레이저를 이용하면 물질의 미세구조를 ㎚ 단위까지, 화학반응을 펨토초(㎰·1㎰는 10의 15제곱분의 1초) 단위까지 관측할 수 있다.

 

자유전자레이저는 ‘꿈의 빛’으로도 불리는 고에너지 방사광으로, 방사광가속기에서 전자를 빛의 속도에 가깝게 가속시켜 만든 운동에너지를 빛에너지로 변환해 얻는다. 파장의 길이는 0.01~10나노미터(㎚·1㎚는 10억 분의 1m)인 X선 영역부터 200㎚ 이하인 진공자외선(VUV) 영역까지 다양하다.

 

DCLS는 VUV 영역에서 에너지가 8~24eV(전자볼트)이고, 파장의 길이가 50~150㎚인 빛을 낼 수 있는 것으로 알려졌다. 이는 대기 중 기체 상태로 존재하는 분자나 원자를 관측할 수 있는 수준이다.

 

자유전자레이저를 생성하는 방사광가속기 중 VUV 영역의 빛을 만드는 것은 DCLS가 유일하다. 중국보다 앞서 건설된 미국의 LCLS와 일본의 SACLA, 한국의 PAL-XFEL 등 최첨단 4세대 방사광가속기들은 모두 파장 0.1㎚ 이하 X선 영역의 자유전자레이저를 생성한다. 이들은 10GeV(기가전자볼트) 이상의 높은 빔 에너지를 가져, 주로 단백질 같은 고체 상태 물질을 분석하는 데 쓰인다.

 

DCLS 개발을 주도한 양 슈밍 CAS 다롄화학물리학연구소 교수는 “다른 자유전자레이저는 기체 상태의 입자를 모두 분해해 버릴 정도로 에너지가 너무 높다”며 “스모그를 형성하는 에어로졸 같은 대기 중 입자와 화학물질을 관측하려면 이보다 에너지가 낮은 연질의 자유전자레이저가 필요하다”고 말했다. 심각한 초미세먼지 문제를 겪고 있는 중국이 대기오염물질 관측을 위해 일부러 더 낮은 에너지 영역의 자유전자레이저 장비를 만든 셈이다.

 

CAS 연구진은 연료가 연소될 때 화학 물질들이 어떻게 반응하는지, 생체분자들이 기체 상태에서는 어떻게 작용하는지, 고체상과 기체상의 경계에서는 어떤 화학반응이 일어나는지 등을 연구하는 데 DCLS를 활용할 계획이다. 알렉 워드케 독일 괴팅겐대 교수는 DCLS에 대해 “지금까지 관측할 수 없던 영역을 들여다 볼 수 있게 된 만큼 화학반응을 분석하는 새로운 도구가 될 것”이라고 평가했다.

 

중국은 VUV 영역보다 더 에너지가 높은 연질 X선 자유전자레이저용 방사광가속기도 개발 중이다. 이 가속기는 지난주 첫 연질 X선 자유전자레이저 발생에 성공했다. 왕동 중국 상하이응용물리학연구소 교수는 “성능시험을 거쳐 2019년경 본격적으로 가동에 들어갈 예정”이라며 “강질 X선 자유전자레이저를 생성할 수 있는 중국형 4세대 방사광가속기도 개발할 계획”이라고 밝혔다.

 

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