FRIB RISE 실험실 구축 및 초기 성능 검증

초록

본 논문은 FRIB의 BECOLA 설비에 새롭게 추가된 Resonance Ionization Spectroscopy Experiment(RISE) 장치를 소개하고, 전자식 빔벤더와 초고진공 이온 검출기, 그리고 고출력 Ti:Sapphire·Nd:YAG 레이저 시스템을 이용한 시운전 결과를 보고한다. 오프라인 27Al 이온을 이용해 하이퍼파인 구조를 측정함으로써 RISE가 단일 이온 검출 효율 80 % 이상, 배경 잡음 최소화, 그리고 짧은 수명 핵종에 대한 고감도 동시 이온화·분광이 가능함을 입증하였다.

상세 분석

RISE는 기존 BECOLA 빔라인에 전자식 30° 빔벤더와 초고진공(5 × 10⁻⁹ mbar 이하) 상호작용 구역을 추가함으로써, 콜리니얼 레이저 분광의 한계를 극복하고 직접 이온 검출 방식을 구현한다. 전통적인 형광 검출은 광산란에 의한 배경이 크고, 수집 효율이 5 % 이하에 머물러 짧은 수명 전이만을 다룰 수 있었다. 반면 RISE는 중성 원자 빔을 레이저로 선택적으로 여기시켜 재이온화한 뒤, MagneTOF(시간비행형 전자증배기) 검출기로 전송한다. 이 검출기는 80 % 이상의 계수 효율과 20 cpm 이하의 다크 카운트를 제공해, 몇 개 이하의 이온 신호도 신뢰성 있게 측정할 수 있다.

레이저 시스템은 두 가지 핵심 요소로 구성된다. 첫 번째는 연속파 Ti:Sapphire 레이저(Matisse)와 이를 주입시드로 사용하는 인젝션 시드형 Ti:Sapphire 캐비티이며, 10 kHz 반복률, 20 MHz 라인폭, 200 µJ 펄스 에너지를 제공한다. 이 레이저는 비선형 결정(BBO, BiBO)을 통해 2·3·4차 고조파를 생성해 350 nm 이하의 파장까지 확장한다. 두 번째는 고출력 Nd:YAG 기반 Merion 시스템으로, 100 Hz에서 266 nm까지 30 mJ 수준의 펄스를 제공해 최종 이온화 단계에 사용된다. 다중 전이(다중 레조넌스) 스킴을 적용하면, 첫 번째 레조넌스 단계는 좁은 라인폭 레이저로 하이퍼파인 구조를 해상도 있게 탐색하고, 이후 넓은 라인폭 펄스 레이저(펄스 염료 레이저 또는 광대역 Ti:Sapphire)로 보조 전이를 유도해 배경 이온화를 최소화한다.

중성화 과정은 알칼리 금속(예: Na) 증기를 이용한 전하 교환 셀(CEC)에서 수행되며, 전압 스위핑을 통해 이온 빔의 속도를 미세 조정한다. 이는 레이저 주파수를 고정한 채 도플러 시프트를 변조해 전이 스캔을 가능하게 하여, 레이저 주파수 안정화 요구를 크게 낮춘다. 또한 CEC 출구에 배치된 디플렉터 전극은 남은 이온을 제거하고 순수 중성 원자만을 레이저와 겹치게 함으로써, 불필요한 비레조넌스 이온화를 억제한다.

시운전 결과는 오프라인 27Al 이온을 이용한 하이퍼파인 구조 측정에서 확인되었다. 측정된 전이 주파수와 하이퍼파인 상수는 기존 문헌값과 일치했으며, 검출 효율과 신호 대 잡음비는 형광 검출 대비 10배 이상 향상된 것으로 보고되었다. 이는 RISE가 짧은 반감기와 낮은 생산량을 가진 방사성 핵종에도 적용 가능함을 시사한다. 향후 연구에서는 중성 원자와 이온 상태를 동시에 조사할 수 있는 복합 스킴, 베타-감쇠 스테이션과 연계한 핵 붕괴-레벨 연계 측정, 그리고 다중 동시 이온화(다중 종) 실험을 통해 원자핵 구조와 기본 대칭성 검증에 새로운 도구로 활용될 전망이다.