액체 시트 제트 표적을 이용한 레이저 구동 양성자 빔의 특성화와 자동 최적화

초록

본 연구는 다중 Hz 레이저-액체 시트 제트 표적 시스템을 구축하고, 다양한 레이저·표적 파라미터에 대한 양성자 빔 특성을 온라인 진단으로 정량화하였다. 또한 베이지안 최적화를 이용해 실시간으로 레이저 파면을 조정함으로써 최대 양성자 에너지를 11 % 향상시켰다.

상세 분석

이 논문은 고반복률(최대 5 Hz) 레이저 시스템과 연속 흐르는 물( H₂O) 얇은 시트 제트 표적을 결합한 새로운 이온 가속 플랫폼을 제시한다. 레이저는 200 mJ, 75 fs 펄스를 3 × 10¹⁹ W/cm²까지 집광하며, 30° 입사각으로 표적에 충돌한다. 표적 두께는 600 ± 100 nm로, 백색광 간섭계로 실시간 측정한다. 주요 진단 장비는(1) 전자 스펙트로미터(자석 기반, Lanex 스크린 + CCD), (2) 1.1 MeV 이하 양성자에 민감한 스크린형 프로파일러, (3) 357 mm 거리의 다이아몬드 검출기 TOF 스펙트로미터, (4) 800 nm, 40 fs 프로브 레이저를 이용한 초고속 섀도우그래피이다.

프로브 섀도우그래피를 통해 레이저-플라즈마 상호작용 직후(0–30 ps) 과밀 플라즈마 영역이 약 9.4 × 10⁷ m/s(≈0.3c)로 급팽창하고, 100 ps 이후에는 재결합·희박화로 축소되며, 300 ps 이후에는 충격파 전파가 관찰된다. 이는 고에너지 전자가 충돌 이온화와 플라즈마 불안정성을 유발한다는 기존 이론과 일치한다.

양성자 빔 특성에서는 p-편광 펄스가 s-또는 원형 편광에 비해 최대 에너지를 3배, 피크 선량을 10배 향상시켜 단일 샷당 30 Gy까지 도달한다. 이는 전자 온도와 전자 밀도 분포가 편광에 민감하게 변함을 시사한다. 또한, 연속 50샷씩 4번(총 200샷) 수행한 실험에서 총 양성자 플럭스의 변동계수(CV)는 50 % 이하로, 고반복률에서도 안정적인 가속이 가능함을 보여준다.

자동 최적화 부분에서는 레이저 파면을 10개의 Zernike 계수로 파라미터화하고, 베이지안 최적화 알고리즘을 1 Hz 루프에서 실행하였다. 목표 함수는 TOF 검출기의 최대 양성자 에너지이며, 30 회의 시도 후 최적 파면이 도출되어 기존 수동 최적화 대비 11 % 에너지 상승을 달성했다. 파면 최적화는 초점 내 에너지 집중도를 높여 전자 온도를 상승시키고, 결과적으로 전자 쉐어 전압이 강화되어 양성자 가속 효율이 개선된다.

이 연구는 (1) 액체 시트 제트가 고밀도·초박막 표적으로서 debris가 거의 없고 연속 공급이 가능함, (2) 다중 진단을 통한 실시간 플라즈마·입자 모니터링이 가능함, (3) 머신러닝 기반 폐쇄 루프 최적화가 고반복률 레이저-표적 시스템에 적용될 수 있음을 입증한다. 향후 kHz 레이저와 결합하면 의료용 방사선 치료, 방사성 동위 원소 생산, 하이브리드 가속기 등 실용 응용에 필요한 평균 플럭스와 에너지를 달성할 수 있을 것으로 기대된다.