μsr 및 β-nmr: 물성연구를 위한 새로운 실험...

물리학과 첨단기술의 세계

물리학과 첨단기술 MARCH 201 434

Fig. 2. Bird’s-eye view of Korea heavy-ion accelerator complex RAON.[2]

μSR 및 β-NMR: 물성연구를 위한 새로운 실험 기법DOI: 10.3938/PhiT.23.009 이주한 최광용 장지훈 서병진

Fig. 1. Current mSR facilities in the world.[1]

저자약력

이주한 박사는 중앙대학교 물리학과 박사(핵물리학 전공)로서, 현재 기초과

학연구원 중이온가속기구축사업단 연구위원으로 재직 중이다.

최광용 교수는 독일 Aachen 공과대학 물리학과 박사(응집물리학실험 전공)

로서, 현재 중앙대학교 물리학과 교수로 재직 중이다.

장지훈 교수는 미국 아이오와 주립대학 물리학과 박사(응집물리학실험 전

공)로서, 현재 국민대학교 물리학과 교수로 재직 중이다.

서병진 교수는 미국 아이오와 주립대학 물리학과 박사(응집물리학실험 전

공)로서, 현재 가톨릭대학교 물리학과 교수로 재직 중이다.

([email protected])

REFERENCES

[1] PSI (http://lmu.web.psi.ch/); TRIUMF (http://musr.ca/); ISIS (http:

//www.isis.stfc.ac.uk/groups/muons/); J-PARC (http://j-parc.jp

/MatLife/en/).

[2] RAON (http://risp.ibs.re.kr/).

μSR and β-NMR: New Experimental Techniques

for Material Science Research

Ju Hahn LEE, Kwang-Yong CHOI, Zeehoon JANG and

Byoung Jin SUH

The convergence of solid-state physics and nuclear physics

provides new powerful tools to study materials. The application

of extremely sensitive methods and devices developed by nu-

clear physicists has been shown to be advantageous for inves-

tigating the electromagnetic properties of materials. mSR (muon

spin relaxation, rotation or resonance) and b-NMR (beta-radia-

tion-detected nuclear magnetic resonance) are representative

examples of the convergent techniques. Fortunately, the

RAON(Korea heavy-ion accelerator) project was recently

launched and mSR and b-NMR facilities are considered to be

main facilities for material science research at the RAON. We

introduce the potential strength of mSR and b-NMR techniques

for material science research and report the current status

of their developments at the RAON.

들어가며

중이온가속기를 이용하여 발생되는 희귀동위원소 이온빔은

더 이상 핵물리학 분야 연구만의 전유물이 아니고 물성 연구 분

야에서도 아주 중요한 도구로서 주목받고 있다. 이는 기존의 물

성 분석법에 비해 민감도가 매우 크기 때문에 박막은 물론 나노

미터 크기 물질의 물성 분석과 물성의 화학적 원인 규명을 가능

하게 하기 때문이다. 대표적인 물성연구기법인 mSR(muon spin

relaxation, rotation or resonance) 및 b-NMR(beta-radia-

tion-detected nuclear magnetic resonance)의 경우 공명 기법

을 이용하여 104 1010 Hz 주파수 영역 대에 걸쳐 자기장 변

화를 측정하므로 중성자 산란이 탐지할 수 없는 에너지 영역에

서의 스핀 요동에 관한 정보도 제공한다. 실제로 물성 연구 분야

에서의 중이온가속기의 역할은 캐나다의 TRIUMF, 스위스의 PSI,

영국의 ISIS, 일본의 J-PARC 등 (그림 1) 세계 유수의 대형 연

구 시설에서의 연구 결과를 통해서 그 중요성이 입증되고 있으

며 그 역할이 점진적으로 확대되고 있는 추세이다.

물리학과 첨단기술 MARCH 201 4 35

REFERENCES

[3] S. H. Neddermeyer and C. D. Anderson, Phys. Rev. 51, 884

(1937).

[4] S. L. Lee, S. H. Kilcoyne, R. Cywinski eds, MUON SCIENCE:

MUONS IN PHYSICS; CHEMISTRY AND MATERIALS (IOP

Publishing, Bristol and Philadelphia, 1999).

[5] μSR brochure by J. E. Sonier (2002). (http://musr.ca/intro/

musr/muSRBrochure.pdf).

[6] P. Bakule and E. Morenzoni, Contemporary Physics 45, 203

(2004).

[7] S. J. Blundell, Contemporary Physics 40, 175 (1999).

[8] A. Yaouanc and P. Dalmas de Reotier, Muon Spin Rotation,

Relaxation and Resonance: Applications to Condensed Matter

(Oxford University Press, Oxford, 2011).

Fig. 3. (a) Schematic diagram of μSR.[5] (b) Decay scheme of

positive muon. (c) Angular dependence of positron emission with

respect to the spin orientation of muon.

현재 2020년 초 완공을 목표로 한국형 중이온가속기(RAON)

구축사업이 진행되고 있으며(그림 2) 물성과학 연구 시설로

mSR 및 b-NMR 장치가 구성되어 있다. 이 글에서는 mSR 및

b-NMR의 기본원리와 물성과학 분야 연구에서의 활용도를 순

서대로 소개하고 RAON에서의 개발계획과 지금까지의 진행상

황에 대해 알아보도록 하겠다.

μSR (muon spin relaxation/rotation/resonance)

뮤온을 이용한 mSR은 자성 및 초전도를 비롯한 다양한 물

성연구에 활발히 사용되고 있는 거대 과학 시설의 하나이다.

뮤온은 기본입자의 하나로 무거운 전자라고 할 수 있다. 뮤온 입

자는 1936년 Anderson과 Neddermayer가 우주선 복사(cosmic

radiation)를 연구하다 처음 발견했다.[3] 뮤온 과학은 1950년

말 1세대 양성자 가속기의 출현으로 서막이 열렸고, 1970년대

중반 2세대 양성자가속기의 건설로 본격화 되었다.[4] 이 당시

지어진 대표적인 연구시설이 PSI와 TRIUMF로 현재 mSR을 활

용한 물성연구를 주도하고 있다.

뮤온은 사이클로트론이나 선형가속기를 이용하여 양성자를

400 MeV 이상 가속시켜 흑연 표적(graphite target)에 충돌시

킬 때 이차 빔에서 나타난다. 먼저, 핵자의 충돌로 양성 파이온

(positive pion)이 생성된다. 이렇게 생성된 파이온은 26 ns의

lifetime을 가지고 뮤온(사실은 반뮤온)과 중성미자로 붕괴한

다. 파이온의 스핀 값은 영이고 중성미자의 나사선성(helicity)

은 1이다. 이런 성질로 인해 생성된 뮤온은 100% 스핀 편

극이 되고 스핀과 운동량의 방향은 서로 반대가 된다. 물성연

구를 위해 주로 사용되는 뮤온은 흑연 표적의 표면에 정지한

파이온이 붕괴하며 방출하는 표면뮤온(surface muon)이다. 표

면뮤온은 비교적 낮은 에너지(E≅4.12 MeV)와 운동량(p≅29.8 MeV/c)을 가진다. 이는 대부분의 덩치시료의 물성연구에

적합하다. 또한, 생성된 표면뮤온을 조절기(moderator)를 이용

해 2 eV 30 keV 이하로 에너지를 낮출 수 있다. 매우 낮은

에너지 뮤온의 경우 물질에 입사되는 깊이는 대략 수 nm에서

수백 nm로 깊이에 따른 물성연구에 적합하다.[6]

표면뮤온의 경우 물질의 밀도에 따라 시료의 0.1 1 mm

깊이에 주입된다. 108개 정도의 비교적 적은 수의 뮤온이 주입

되기 때문에 방사(radiation)에 의한 물질의 손상은 제한적이

다. 뮤온 빔이 물질 안으로 주입이 되면, 열평형화(thermalization)

과정을 통해 뮤온이 가진 에너지를 2 3 eV 정도로 잃고 정

전기력에 의해 전기적 위치에너지가 최소값을 갖는 격자 틈새

에 들어가게 된다. 격자 틈새에 위치한 뮤온은 국소 자기장에

의해 세차운동(Lamor precession)을 하면서 양전자, 전자 중성

미자 및 반-뮤온 중성미자로 붕괴한다 [그림 3(a), 3(b)].

붕괴과정에서 방출되는 양전자의 방향은 뮤온 스핀의 방향과

양전자의 에너지에 따라 그림 3(c)와 같이 비대칭적인 각분포를

갖는데 이러한 양전자의 비대칭적인 각분포를 시간의 함수로 측

정하면 붕괴시의 뮤온 스핀에 관한 정보를 알 수 있다. 시료에

서 뮤온스핀은 국소 자기장이나 전자 및 핵 스핀과 쌍극자-쌍극

자 혹은 페르미 접촉(Fermi contact)과 같은 초미세 상호작용을

하므로 궁극적으로 국소적 전자기 물성을 연구할 수 있다.

mSR 실험장치는 뮤온 빔의 시간적 구조에 따라 CW-mSR과

Pulse-mSR로 구별되며 (그림 1), 외부자기장 유무와 방향에 따라

세 가지로 분류된다: (1) 외부자기장이 없는 ZF(Zero Field)-mSR

(그림 4 참조), (2) 뮤온스핀과 외부자기장이 평행한 LF(Longitudi-

nal Field)-mSR, (3) 뮤온스핀과 외부자기장이 수직하는 TF(Trans-

verse Field)-mSR.[7,8] 시료에 주입되기 전에 뮤온은 계수기에 기록

이 되고 시료 안에서 붕괴된 양전자를 뮤온의 진행방향을 기준으

로 앞(Forward)과 뒤(Backward)에 쌍으로 놓인 양전자 검출기를

이용하여 측정한다. 이때, 각 검출기에 측정되는 시간에 따른 양전

자 개수에 관한 히스토그램 F()와 B()는 다음과 같다.

exp ±



REFERENCES

[9] O. Janson, I. Rousochatzakis, A. A. Tsirlin, J. Richter, Yu.

Skourski and H. Rosner, Phys. Rev. B 85, 064404 (2012).

[10] W. J. Lee et al., in preparation.

Fig. 4. (Left panel) Schematic diagram of the zero-field(ZF) μSR

setup. (Right panel) Histograms of detection events in the forward

and backward detectors and their asymmetry plot.[5]

Fig. 5. (a), (b) Spin topology and magnetic ordering pattern of

CdCu2(BO3)2.[9] (c) ZF-μSR spectra at various temperatures. (d), (e),

(f) Temperature dependence of order parameter, relaxation rate,

and magnetic volume fraction.[10]

여기서 지수함수는 뮤온의 lifetime(tm2.2 ms)에 의한 붕괴과

정을 의미하며 background는 시료에 주입된 뮤온과 붕괴된

양전자가 우연적 동시성을 가지는 배경신호로 시간에 무관하

다. 따라서 측정된 F( )와 B( )에서 background를 보정하

고 지수함수적 붕괴 항을 나누면 비대칭인자 ( ) 0()를

얻게 되는데 이 값이 시료 내에서 뮤온스핀의 시간에 따른 변

화를 나타내는 mSR 관측량이다 (그림 4 참조). 참고로 0의 이

론적 가능한 최대값은 1/3이나 검출기의 감도, 배열 입체각과

같은 실험장치적 요소에 의해 보통 0.23 0.28의 값을 갖는

다. 비대칭인자의 온도, 자기장 등에 대한 의존성을 ZF-, LF-

및 TF-mSR 실험을 통해 측정하여 뮤온스핀이 위치한 시료 내

의 국소 미세 자기장(local hyperfine field)의 공간적 분포와

동역학적인 요동을 이해하는 것이 뮤온을 이용한 물성연구의

목표이다.

활용적인 측면에서 mSR의 장점을 기술하면 다음과 같다. 먼

저, 완전하게 편극된 뮤온스핀을 탐침으로 사용하기 때문에 외

부 자기장을 인가하지 않고 자성물성을 연구할 수 있고 뮤온

자체의 큰 자기 회전 비율 (m/2p = 135.53 MHz/T)로 인해

∼0.1 G 정도의 매우 약한 내부 자기장에 대해 민감하다. 이

는 자성물질에서 10-4 mB 크기의 정렬된 자기 모멘트를 관측할

수 있는 수준이다. 따라서 희석되거나 임의로 정렬된 자기 모

멘트를 가지는 계를 연구하기에 매우 적합하다. 뮤온 스핀 값

이 S 1/2이기 때문에 오직 자기장의 효과만을 측정한다. 그

리고, 0.1 ns에서 10 ms 대역의 시간 창을 가지기 때문에 105

1010 Hz의 스핀요동 측정이 가능하여 NMR과 중성자산란이

관측 불가능한 영역 대에 중요한 정보를 제공한다. 또한, 수

mm의 비교적 작은 시료는 물론 물질의 상태 (기체, 액체, 및

고체)에 무관하게 측정이 가능하다.

mSR이 가장 활발하게 적용되는 분야는 자성물질 연구이다.

특히, 비균질 자성체에서 비대칭인자의 진폭, 진동수 및 감쇠

율을 통해 서로 다른 상들의 부피비와 비균질 정도를 알아낼

수 있다. 유형 II 초전도체의 자기소용돌이 격자구조를 결정할

수 있고, 침투 깊이 및 초유체 밀도의 온도의존성을 알아낼 수

있다. 이외에도 (자성)반도체, 나노물질, 스핀유리, 스핀얼음,

산화물기반 전자소자, 이차전지물질, 위상절연체, 유기/무기 하

이브리드 물질, 액체결정, 무거운 페르미온계, 쩔쩔매는 양자자

성계, I-mSR (Integrated-mSR)을 이용한 분자 및 폴리머, 자유

라디칼 화합물연구, 에너지 및 환경분야와 생체물질에서 전자

전이 등 매우 광범위한 분야에서 그 활용도가 증가하고 있다.

일례로 그림 5에 본 연구팀에 의해 최근 PSI에서 수행된

CdCu2(BO3)2에서의 ZF-mSR 연구 결과를 소개하고자 한다. 2

차원적으로 결합된 사합체(tetramer)가 쩔쩔매는 스핀구조를

이루는 CdCu2(BO3)2 화합물은 중성자 회절실험에 의하면 N

9.8 K에서 반강자성 질서로의 상전이를 보인다.[9] 강한 이

합체 결합을 한 두 개의 Cu(1) 스핀의 정렬된 자기 모멘트는

0.4 mB이고 반강자성적으로 약하게 결합된 두 개의 Cu(2) 스

핀의 정렬된 자기 모멘트는 0.8 mB 값을 가진다 [그림 5(b) 참

조]. ZF-mSR 스펙트럼은 N 이하 온도에서 정렬된 자기모멘

트로 인한 진동을 보인다. 이를 분석하여 질서매개변수 (진동수

), 이완율과 자성체의 부피비의 온도의존성을 얻었다. 흥미로

운 결과는 Cu(1)과 Cu(2)의 정렬된 자기모멘트의 온도의존성

이 7 K 근처에서 변칙적이라는 것이다. 이완율과 자성체의 부

피비도 해당 온도에서 약간의 변칙성을 보인다. 이는 스핀 부

분격자가 재배열을 한 것으로 해석할 수 있고 Cu(1)와 Cu(2)

의 상호작용력이 위계질서를 가짐으로 해서 생겨난다. 위의 실

험결과는 자성적으로 상이한 스핀 부분격자의 질서 변수를 분

리하여 알아낼 수 있는 mSR의 장점을 보여준다.[10]


NMR mSR b-NMR

Polarization < 0.01 > 0.95 0.7 ‑ 0.8

Detection Method

electronic pick-up

anisotropic positron decay

anisotropic electron decay

Sensitivity 1017 spins 107 spins 107 spins

T1 Range (s) 10-5 ‑ 10-2 10-10 ‑ 10-5 10-3 ‑ 103

Table 1. Characteristics of μSR, β-NMR and conventional NMR

techniques.

핵종 스핀반감기

(s)gm/2p

(MHz/T)Decay

Asymmetry빔 세기(pps)

8Li 2 0.8 6.3 0.33 108

11Be 1/2 13.8 22 < 0.1 107

15O 1/2 122 10.8 0.66 108

17Ne 1/2 0.1 ? 0.33 108

m± 1/2 1.5×10-6 135 0.33 104 ‑ 109

Table 2. List of available radioactive isotopes for β-NMR study and

their specifications.

REFERENCES

[11] W. A. MacFarlane, G. D. Morris, FRIB Symposium, 240th

National Meeting of the American Chemical Society (2010).

[12] G. D. Morris, R. F. Kiefl, β-detected Nuclear Magnetic

Resonance at ISAC, 1999 TRIUMF Annual Report (1999).

[13] D. Connor, Phys. Rev. Lett. 3, 429 (1959).

[14] H. Rauch, Z. Phys. 197, 389 (1966); H. Ackermann, D.

Dubbers, J. Mertens, A. Winnacker and P. yon Blanckenhagen,

Phys. Lett. 29B, 485 (1969).

[15] M. Keim et al., Eur. Phys. J. A 8, 31 (2000).

[16] T. A. Keeler et al., Physica B, 374-375, 79 (2006).

[17] T. A. Keeler et al., Phys. Rev. B 77, 144429 (2008).

[18] Z. Salman et al., Phys. Rev. Lett. 98, 167001 (2007).

[19] Z. Salman et al., Nano Lett. 7, 1551 (2007).

β-NMR (beta-radiation-detected nuclear

magnetic resonance)

mSR 및 b-NMR은 원리적인 측면에서 자기 공명 현상을 이용하

여 물성을 분석하는 NMR(Nuclear Magnetic Resonance) 기술과

동일하다. 하지만, NMR의 경우에 비해서 mSR 및 b-NMR에서는

핵자의 스핀 편극도가 매우 높다. 예를 들면 상온, 4.1 T 외부자기

장 하에서 8Li 핵자의 편극도는 대략 5×10-6 정도이나[11] 8Li b-NMR

에서의 편극도는 70 % 이상이고 뮤온의 경우는 100 %이다. 핵자

자기모멘트의 요동으로 인한 자기유도(magnetic induction)를 검

출기 코일(detection coil)로 측정하는 NMR에 비해서 mSR 및

b-NMR은 방사성 동위원소 핵자의 b 붕괴를 이용하여 신호를 측정

한다. 이러한 이유들로 인하여 mSR 및 b-NMR의 민감도는 NMR에

비해서 최대 1010배 이상 높다.[12] 표 1은 기존의 NMR 기술과 mSR

및 b-NMR 기술을 간략히 비교하여 정리한 것이다.

b-NMR은 원래 핵물리학에서 방사성 핵자의 핵 g-인자,[13] 핵

자기모멘트[14] 등을 측정하기 위하여 1950년대 후반부터 실험 방

법이 개발되었다. 하지만 물성연구에의 응용은 ISOL(Isotope

Separation On-line) 기법을 통해 높은 세기의 8Li 빔 공급이 가능

해진 이후부터라고 할 수 있다.[15] 그 이후에도 물성 연구용

b-NMR에 사용할 수 있는 정도의 측정 정밀도를 만족시킬 수 있는

빔의 안정성과 편극도 등의 문제로 인해 현재 가동 중인 물성연구

용 b-NMR 시설은 캐나다의 TRIUMF 한 곳에 불과하다.

b-NMR은 국소 자기장 내에서 b 붕괴하는 방사성 동위원소의

붕괴 비대칭 측정을 통해서 시료의 미시적 전자기적 특성을 측정

한다는 점에서 mSR과 그 원리가 동일하고, 특히 Pulse-mSR과

b-NMR은 측정 방식 자체도 거의 동일하다. 따라서 측정 원리에

대해서는 별도로 언급하지는 않겠다. 다만, mSR과 달리 b-NMR

시설에서는 공급된 희귀동위원소 빔을 편극 시키기 위한 장치가

추가로 필요하며 8Li의 경우 OPM(optical pumping method)을

이용하여 70 % 이상의 높은 편극도의 편극빔을 만들 수 있다.

b-NMR에서 탐침역할을 하는 원자핵은 다음과 같은 네 가지 조

건을 만족해야 한다. 기본적으로 ①베타 붕괴를 하는 방사성 원소

이어야 하고, 물질과의 미세 상호작용을 위해 ②고유 모멘트를 가

지고 있어야 하며, ③고유 모멘트가 모두 한 방향으로 정렬되도록

편극이 가능해야 하고, 물질 내 국소 미세 자기장을 정확히 측정하

기 위해서 ④탐침 원자핵의 존재로 인한 자기장 혹은 전기장의

섭동이 최소화되어야 한다. 지금까지 알려진 다양한 방사성 핵 종

가운데 이러한 조건에 적합한 핵 종은 8Li, 11Be, 15O, 17Ne 등이

있으며, 이 가운데 8Li만이 현재 유일하게 b-NMR의 탐침기로 개발

되어 이용되고 있는 상태이다. 표 2에 이들 핵 종의 특징과 요구되

는 빔 세기를 나타내었다.

사실 전술한 이유들로 인해서 b-NMR 실험기법은 아직도 태동

기라고 할 수 있다. 하지만 TRIUMF에 물성연구용 b-NMR 장치

가 구축된 이후 현재까지 자성체, 초전도체, 금속, 반도체, 유전체

등 고체물리 전 분야에서 다양하고 새로운 연구 결과가 지속적으

로 발표되면서 그 중요성 및 응용잠재력이 점진적으로 인정받고

있다. 그 중 입사에너지를 변화하여 주사 깊이를 조절하는 소위

깊이분해능은 박막 및 나노스케일 시료의 물성연구에 매우 유용

한 능력으로 자성 다중박막 연구,[16,17] 초전도체 표면에서의 자기

소용돌이 연구[18] 및 그림 6에 보이는 것처럼 분자자성체 단층박

막 연구[19] 등에서 그 능력이 검증되었다. 물론 아직도 체계적인

깊이 조절능력이 미흡하고 시료의존도가 높기는 하지만 이러한

깊이분해능은 저에너지-mSR(LE-mSR)과 b-NMR만의 독보적인 능

력으로 무한한 응용잠재력을 내포하고 있다.



Fig. 6. (a) Stopping profiles of 8Li ion for two different values of im-

plantation energy. (b) Simulation of dipolar fields for two different

implantation depths. (c) 8Li β-NMR spectra for two different im-

plantation depths.[19]

REFERENCES

[20] R. Silberberg and C. H. Tsao, The Astrophysical Journal

Supplement Series No. 220(I), 25, 315 (1973).

[21] C. D. P Levy et al., Nuclear Instruments and Methods in

Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials

and Atoms 204, 689 (2003).

Fig. 7. Conceptual scheme and beam specifications of Korea heavy-

ion accelerator complex RAON.한국형 중이온가속기 RAON의 물성과학연구시설

한국형 중이온가속기 RAON은 2020년 초 완공을 목표로 하

여 작년 9월 초기 버전의 TDR(Technical Design Report)을 발

표하면서 그 본격적인 개발 작업이 진행되고 있다. RAON의 활

용 시설은 희귀동위원소 질량측정, 특이 핵구조 연구, 천체 핵

합성 연구, 기본 대칭성 연구 등을 수행하기 위한 기초핵물리학

시설과 물성과학, 바이오-의학 및 고속 중성자 핵반응률 측정

등을 위한 응용과학 시설로 구성되어 있다. 이 가운데 물성과학

시설은 초전도 및 스핀 동역학과 같은 특이 자성 연구를 목표

로 b-NMR과 mSR이 주요 장치로 구성되어 있다. b-NMR은 고

순도 및 고휘도의 편극 희귀동위원소 빔을 요구하므로 RAON의

ISOL 시설로부터 빔을 공급받아 편극시킨 후 이용하게 된다.

그러므로 b-NMR 시설은 ISOL과 가장 근접하게 위치한 low-

energy experimental hall에 설치될 예정이며, 파이온의 붕괴

로 생성된 뮤온을 이용하는 mSR은 효과적인 파이온 생성을 위

해 고에너지 양성자 빔이 요구되므로 RAON의 driver linac인

SCL2의 끝인 high-energy experimental hall에 설치될 예정이

다 (그림 7).

(1) 8Li 빔을 이용한 b-NMR 시설

현재 전 세계적으로 물성연구 전용의 b-NMR 장치를 가동

중인 곳은 캐나다 TRIUMF가 유일하다. TRIUMF에서 물성연

구용 b-NMR을 위해 사용하고 있는 희귀동위원소는 8Li으로

서 500 MeV 양성자 빔을 Ta foil에 충돌시켜 핵파쇄반응

(spallation reaction)을 통해 생성하고 있다. RAON의 물성연

구용 b-NMR 장치는 TRIUMF 시설을 모델화하여 8Li 빔을 이

용한 장치로의 개발을 진행하고 있다. 현재 RAON의 ISOL 시

설은 전용의 사이클로트론에서 인출되는 70 MeV 양성자 빔을

이용하므로 8Li 빔의 생성을 위해서는 TRIUMF와는 다른 새로

운 생성 반응을 이용해야 한다. 가능한 핵반응은 9Be(p, 2p)8Li

반응으로서 R. Silberberg와 C. H. Tsao가 이론적으로 제시한

고에너지 양성자 빔에 의한 핵 분리반응(nuclear breakup

reaction) 단면적 계산식[20]에 따르면 109 /s/mA/g/cm2의 8Li

을 얻을 수 있으며, 표적의 두께와 빔 세기를 최적화하면 108

pps 세기의 빔 확보가 충분히 가능하다. 앞으로 이를 구현하

기 위한 연구가 진행될 계획이다.

생성된 8Li 빔을 70 % 이상 편극 시키기 위하여 OPM(Opti-

cal pumping method)[21]을 이용한 편극화 장치인 APOLRO

(Apparatus for POLarization of Rare isotopes using Optical

pumping)를 설계하였고 현재 80 %의 편극도와 35 % 이상의

전송률로 편극된 8Li 빔을 전송하기 위한 APOLRO의 개발이

진행되고 있다. 스펙트로미터의 경우 우선적으로 구조가 간편

하고 사용이 용이하며 활용 빈도가 가장 높은 사양(자기장

0.5 T, 온도범위: 1.5 400 K)의 범용 스펙트로미터 구축을

목표로 설계하였다. 한편, 베타 검출시스템은 실리콘 광전자 증

배관을 이용하여 segment type의 검출기를 구성함으로써 구조

를 단순화하고 데이터 수득률을 높이도록 설계하였다. 그림 8

은 현재 개발 중인 APOLRO와 범용 스펙트로미터 GEUSS

(GEneral USe Spectrometer)의 개요도이다.

(2) 뮤온 빔을 이용한 mSR 시설

mSR은 역사가 오래되고 기술적으로나 시설 면에서 완성도가

높은 물성연구기법이어서 뮤온 생성이 가능한 가속기 시설만


Fig. 8. Illustrations of the beam polarizer APOLRO and the gen-

eral-use spectrometer GEUSS designed for β-NMR study at RAON.

Fig. 9. Beam envelope and track calculated for the surface muon

beam line of RAON with the TRANSPORT code[22] and the G4beam-

line code.[23]

REFERENCES

[22] “A charged particle beam transport code” (http://aea.web.psi.

ch/Urs_Rohrer/MyWeb/optics.htm).

[23] “A particle tracking simulation program based on Geant4”,

(http://www.muonsinternal.com/muons3/G4beamline).

갖춰진다면 그리 큰 어려움 없이 구축할 수 있는 시스템이다.

RAON의 mSR 시설을 설계함에 있어서 동일한 CW(continuous

wave) 뮤온 빔 시설인 PSI (스위스)의 mSR 시설을 벤치마크하

였으며, 장치의 사양 설정에 있어서는 전 세계 mSR 시설의 사

용빈도를 고려하여 결정하였다. 뮤온 빔은 mSR 연구에서 가장

활용도가 높은 표면뮤온(surface muon, ∼4 MeV) 빔으로 설

정하였으며, 빔 세기는 추후 빔 라인의 확장과 초저에너지

(Ultra-slow, ∼30 keV) 뮤온 빔 생성, 그리고 뮤온 물리에서

의 활용을 고려하여 108 pps 이상으로 설정하고 이에 맞춰 빔

표적을 설계 중이다.

표면뮤온 전송용 빔 라인은 표적에서 발생된 표면뮤온을 수집

하는 수집용 솔레노이드와 파이온 및 고속 뮤온, 전자 등을 분리

하기 위한 두 개의 이중극 자석(dipole magnet), 표면뮤온과 동일

한 운동량의 양전자를 분리하기 위한 속도 분리기(Wien filter),

그리고 집속을 위한 사중극 자석(quadrupole magnet)으로 구성

된다. 주로 전방각 방향으로 방출되는 다량의 중성자에 의한 영

향을 줄이기 위해 양성자 빔 방향에 대해 수직인 방향으로 빔 라

인을 배치하였다. 속도 분리기는 동일 운동량의 양전자를 분리하

기 위한 목적으로 쓰이기도 하지만, 표면뮤온의 스핀 방향을 회

전시키기 위해서도 사용된다. Transport code[22]와 G4beamline

code[23]를 이용하여 빔 라인을 설계하였으며 [그림 9], 그 결과 표

면 뮤온에 대한 전송률 (수집률 포함)이 2%로서 600 MeV, 660

mA 양성자 빔과 6 cm 길이의 graphite 표적을 이용할 경우 시료

위치에서 약 1.9×108 pps 세기의 표면뮤온을 얻을 수 있었다.

mSR용 스펙트로미터는 그 기본 구조와 원리가 b-NMR용 스

펙트로미터와 동일하지만 펄스 빔 형태로 이벤트를 처리하는

b-NMR과는 달리, 입사되는 각각의 뮤온이 붕괴되어 방출되는

양전자(또는 전자)의 개별적인 계측을 통해 각 이벤트를 구성

하게 된다. 그러므로 입사 뮤온을 독립적으로 tagging하기 위

한 뮤온 검출기와 뮤온이 시료 이외의 위치에서 붕괴하여 만

들어지는 이벤트를 제거하기 위한 background 검출기가 추가

로 요구된다. RAON에서 첫 번째 개발을 목표로 하는 mSR용

스펙트로미터 역시 b-NMR 스펙트로미터와 동일한 사양(자기장

0.5 T, 온도범위: 1.5 400 K)의 범용 스펙트로미터이며,

실리콘 광전자 증배관을 이용하여 구조를 단순화하고 mSR 전

용의 이벤트 로직 회로를 구성하여 데이터 획득 불감시간을

줄임으로써 측정시간을 최소화하는 방향으로 설계되고 있다.

맺음말

세계적으로 매우 활발히 진행되고 있음에도 mSR 및 b-NMR

을 이용한 물성 연구가 국내에서는 생소하다고 할 수 있다. 이

는 결코 물성 연구를 위해 중이온가속기가 제공하는 mSR 및

b-NMR 시설들의 중요도나 공헌도가 낮아서가 아니라 지금까지

국내 물성 연구 전문가들에게 접근이 용이하지 않았기 때문이

다. 따라서 (물론 아직도 홍보가 부족한 점은 있지만) 한국형 중

이온가속기 RAON 구축사업이 진행되고 있다는 사실에 대해 국

내 물성 과학 분야에서도 많은 기대를 하고 있다. 이는 단순히

상징적인 의미만은 아니며 RAON이 세계적으로 가장 다양한 종

류의 이온들과 세계 최고의 이온빔 세기를 구현하는 것을 개념

설계 단계에서부터 지향하고 있기 때문이다. 물론 빔의 안정성

등 기술적인 부분이 뒷받침 되어야 하지만 일차적으로 이온빔

세기가 높을 경우 측정 감도를 높이는데 유리하며 따라서 세계

적으로 경쟁력 있는 물성연구용 mSR 및 b-NMR 시설이 구축될

것이 기대된다. 특히, b-NMR의 경우 물성연구시설로는 현재

TRIUMF에서만 구현되고 있는 실정으로 물성분야에서는 태동

기라고 볼 수 있는데 국내에서 차별화된 빔 세기를 토대로 구

축될 경우 명실공히 세계적으로 독보적인 위치의 물성연구시설

이 될 가능성이 매우 높다고 할 수 있다.

Transverse-field coil Logitudinal-field coil Cryostat

Forwarddetector

Sample

Backward detector

Beam

Beam

μsr 및 β-nmr: 물성연구를 위한 새로운 실험...

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