40 │방사광과학과기술│

빔라인 소식

Infrared 분과

fs-THz 빔라인

fs-THz 빔라인에서 물질의 굴절

률, 흡광계수, 전도도 등의 변화를

측정하기 위한 THz time domain

spectroscopy (TDS)와 레이저 펌프

에 의한 광전도성 변화와 같은 물질

의 동력학적 정보를 얻는 UV/Vis/

IR/THz pump-UV/Vis/IR/THz probe

실험시 측정 오차를 줄이기 위한 가

장 기본이 되는 조건은 레이저의 안

정성 확보이다. 레이저가 공기의 흐

름이 자유롭고 먼지 등의 부유물이

떠다니는 곳을 지난다면 전송 중

에 출력의 감소와 함께 불안정해지

기 쉽게 된다. 따라서 본 빔라인 실

험실에서는 지난 2014년 초 800nm

레이저 및 파장변환기 (OPA)를 통

과하여 전송되는 주요 부분을 밀폐

하여 공기의 흐름을 차단하였고 시

분해 실험 장치 구성 및 변경 작업

을 마친 올 여름 휴지기 동안 나머

지 광학테이블 밀폐작업을 진행하

였다[그림 1]. 밀폐를 위한 encloser

는 지지대를 광학테이블 바깥쪽에

분리된 형태로 제작하여 필요에 따

라 조립 및 철거 시에 테이블에 영

향이 없도록 하였다.

박재헌 책임대우연구원

jaehunpa@postech.ac.kr

XRS 분과

3A MP-XRS Beamline

(2차 단색화장치 설치)

3A 빔라인의 DCM(Double Crystal

Monochromator)은 수

준의 에너지분해능(Si(111) Crystal)을

가지며, 새롭게 설치한 2차 단색화

장치를 통하여 이상의

분해능을 구현할 수 있게 되었다. 이

분야별 빔라인 소식

그림1.Opticaltableencloser

그림2.위의사진은3AHutch내에설치된2차단색화장치(왼쪽)와수평/수직방향을선택

하여설치할수있게디자인된2차단색화장치설계도(오른쪽)를보여주고있다.

VOL.23/NO.3/Autumn 2016

41

빔라인 소식

를 통해 (1) 고정도 X-선 반사율 측정

을 통한 박막의 전자밀도 분포 분석,

(2) X-ray Standing Wave 기법을 통한

박막의 구조분석, (2) Dynamic X-ray

Diffraction을 통한 단결정의 고정도

결정구조분석, (3) Resonant Inelastic

X-ray Scattering(RIXS) 실험기법 등

에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

감쇠효과를 없애기 위하여 10-3torr

가 유지되는 진공챔버에 2개의 Chan

nel Cut Crystal(CCM, Si(111), Si(220),

Ge(111), Ge(220))을 배치하였고, 빔세

기가 중요한 실험의 경우 1개의 Crys

tal만 사용할 수 있다. [그림 2(왼쪽)]

은 Si(111) CCM 2개를 설치한 2차 단

색화 장치를 보여주며, [그림 2(오른

쪽)]과 같이 실험 조건에 따라 설치방

향(수평/수직)을 선택할 수 있다. 구

동확인 및 손쉬운 변경을 위하여 아

크릴 도어와 오링을 사용하여 챔버를

제작하여 수분 이내에 CCM 교체 및

배치 변경이 가능하며, 2차 단색화장

치가 설치된 Translation Stage를 이

동(~10 mm)하면 진공도에 영향없이

2차 단색화장치의 bypass가 가능하므

로 손쉽게 실험 설정을 바꿀 수 있다.

김상우 연구원

physwkim@postech.ac.kr

3D X-ray Scattering 빔라인

3D X-ray scattering 빔라인은

2014년부터 진행되고 있는 빔라인

업그레이드 작업을 지속적으로 진

행하고 있다. 특히, 2016년 상반기

에 설치된 실시간 열처리용 히팅 챔

버는 점차 이용자들의 수요가 증가

하고 있다. 열처리용 챔버는 상온 ~

섭씨 500도까지가 가능하며, 박막

및 분말 형태의 시료를 대상으로 한

다. 이용자들의 수요에 맞게 다양한

기체 분위기가 가능하도록 정밀 유

량 제어 시스템을 설치, 테스트 완료

하여 2016년 2차 빔타임 이용자들에

게 지원하였다.

3D 빔라인에 설치된 정밀 유량 제

어 시스템의 간략한 특징들을 언급

하고자 한다. 유량 제어 컨트롤러,

유량 디스플레이어, 전원 공급부로

구성되며, 총 4개의 가스 채널이 허

치 내 회절기 부근에 존재한다. 외부

에서 이용자 실험에 맞게 가스 종류,

유량, 기타 가스 입력이 가능하도록

구성되었다. 특이점으로는 각 채널

에 추가적인 가스 입력 포트를 설치

하여 자동 제어에서 수동 제어로 손

쉽게 변경이 가능하도록 하였다. 간

단한 특징들은 다음과 같다.

■유량 제어 채널 수: 4 (최대 유량

은 30sccm 3개, 500sccm 2개)

■분위기 가스 종류: 질소, 공기, 수

소(5 vol% + 질소), 기타

■특징: 각 채널마다 수동 가스 입력

포트가 존재, 1, 4번 채널 밸브로

개폐

■수소 검출기 1대

■배기 수소 연소 장치

위의 장치 구성을 통해서 알 수 있

듯이, 실험 안전을 위한 장치들도 구

비되었다. 2016년 3차 빔타임부터는

보다 더 편리하게 허치 밖에서 가스

분위기를 조절하면서 열처리 실험을

할 수 있게 되었다.

전태열 선임연구원

tjeon@postech.ac.kr

MX 분과

2D-Supramolecular

Crystallography(SMC)(MX그룹)

Cryojet은 단결정 시료를 액체질소

를 기화하여 다양한 온도에서 실험이

가능하도록 하는 장치이다. 단결정은

저온에서 결정성의 유지가 잘 되기 때

문에 결정학 실험에서는 반드시 필요

한 장치이다. 또한, 높은 온도를 가능

하게 하여 단결정의 상변화 관측 및

결정성의 변화 과정 등을 관측할 수

있는 기능을 한다. 2016년 7월, 실험

허치에 사용하고 있던 기존의 Cryojet

XL 모델의 잦은 고장 및 성능저하로

인하여 신형 Oxford Instrument 사의

Cryojet 5 모델로 교체를 진행하였다.

기존의 모델은 100~430 K의 운전만

가능하였으며, 상온에서 100K 도달시

간이 40분이 소요가 되는 단점이 있

42 │방사광과학과기술│

빔라인 소식

었다. 이를 대체하기 위한 신 모델은

85~500K의 넓은 온도 변화 범위, 그

리고 상온에서 100K 도달시간이 5분

정도만 소요가 되어 기존대비 실험대

기 시간이 줄어들었다. 빔라인 운영

소프트웨어(BL2D-SMDC)와 상호 연

동을 통하여 실험 허치를 개방하기

않고 외부에서 쉽게 온도 조정이 가

능하게 하였으며, 다양한 온도 변위

실험을 이용자가 쉽게 수행할 수 있

도록 하였다.

문도현 책임연구원

dmoon@postecch.ac.kr

BMI 분과

4B XMD 빔라인 (Imaging 그룹)

4B 빔라인의 4결정 채널컷 분광기

의 출력 강도를 향상시키기 위하여,

1) 분광기 내부의 전방 결정블록과

후방 결정블록 사이의 상대 피치각과

롤각을 조정하는 피코모터들을 제어

용 컴퓨터에서 제어 가능토록 하고,

2) 광학테이블과 독립적으로 분광기

전체의 위치 및 각도를 정밀 조정할

수 있도록 5자유도 정밀 조정장치를

개발하여 분광기 하부에 설치/운용

하며, 3) 기존의 Si(111) 채널컷 결정

블록을 에너지 대역폭이 큰 Ge(220)

채널컷 결정블록으로 교체한 후, 4)

기존의 피코암메터 대신 펨토 A까지

측정이 가능한 Keithley 사의 System

SourceMeter(2635B)로 이온화상자의

출력을 측정하는 네 가지 방안이 추

진되었다. 이에 대한 분광기 성능 시

험은 Si(111) 결정블록에 대한 1차 시

험(2015년 11월 말)과 분광기 결정블

록을 Ge(220)로 교체한 후의 2차 시

험(2016년 3월)이 수행되었다.

(1) Darwin width 측정

[그림 4]는 1차 시험과 2차 시험을

통하여 측정된 분광기의 전방 결정

블록(1차 및 2차 결정면)에 대한 후

방 결정블록(3차 및 4차 결정면)의

Darwin width(FWHM)의 측정 그래

프이다. Si(111)에 대해서는 37 μrad

으로, Ge(220)에 대해서는 47 μrad

으로 측정되었다.

그림3.신형Cryojet5설치모습

그림4.1차시험(a)과2차시험(b)을통하여측정된Darwinwidth

(a)Si(111)결정블록의Darwinwidth (b)Ge(220)결정블록의Darwinwidth

VOL.23/NO.3/Autumn 2016

43

빔라인 소식

(2) 기존 Si(111) 결정블록에 의한 분

광 스펙트럼

[그림 5(a)]는 저장링 전류가 400

mA이었던 1차 시험 기간 증, Si(111) 결

정블록에 대해서 측정된 4B 빔라인 분

광기의 스펙트럼을 보여주고 있다. 이

스펙트럼은 허치슬릿을 100 μm (H) ×

100 μm (V)만큼 개방한 상태에서 K-B

거울시스템을 거친 분광 빔을 시편이

송기 후방에서 이온화상자 출력의 5회

평균으로 측정한 스펙트럼이다.

(3) 신규 Ge(220) 결정블록에 의한 분

광 스펙트럼

[그림 5(b)]는 저장링 전류가 300 mA

이었던 2차 시험 기간 증, Ge(220) 결

정블록에 대해서 측정된 4B 빔라인

분광기의 스펙트럼을 보여주고 있다.

Ge은 10982.10 eV에서 Kβ1 형광선이

존재하므로 4B 빔라인 에너지 스펙트

럼의 중간 부분에 흡수단 효과가 나타

나 있다.

분광기의 두 결정블록 간의 상대

피치각을 어떤 에너지에 맞추느냐에

따라서 스펙트럼 모양은 현저하게 변

화한다. [그림 5(b)]는 상대 피치각을

10 keV의 에너지에 맞추었을 때, 허치

슬릿을 120 μm(H) × 120 μm(V)만큼

개방한 상태로 시편이송기 후방에서

측정한 스펙트럼을 보여주고 있다.

(4) 결론

시편이송기 후방에서 측정된,

Si(111)에 대한 Fig. 2(a)의 스펙트럼

과 Ge(220)에 대한 Fig. 2(b)의 스펙

트럼을 비교해보면, Fig. 2(a)에 비해

서 Fig. 2(b)의 스펙트럼이 3배 이상

분광 강도가 상승하였으며, Fig. 2(b)

의 스펙트럼은 분광기 직후에서의 스

펙트럼 모양을 유지하고 스펙트럼 곡

선이 연속적임을 알 수 있다. 따라서

분광기의 분광 빔이 K-B 거울시스

템을 거쳐 시편이송기에 도달함은 물

론, 에너지 주사를 통하여 유효한 분

광 스펙트럼을 구할 수 있게 되었음

을 알 수 있다.

길계환 책임연구원

khgil@postech.ac.kr

7C X-ray Nano Imaging 빔라인

7C 빔라인은 고해상도 X-ray 광

학계를 이용하여 신소재, 생명과학,

연성물리소재 연구를 위한 나노 스

케일 촬영을 기반으로 하며 3차원

tomography를 이용한 내부 구조 파

악이 가능하다. 선도 그룹인 APS,

SSRL 등의 transmission X-ray

microscopy(TXM) 빔라인과 같은

30nm 수준의 우수한 해상도의 이미징

이 가능하며, contrast가 우수한 phase

영상과 넓은 field of view(FOV: 최대

DH=150um)는 연구자들에게 더 나은

그림5.Si(111)및Ge(220)결정블록에의한분광스펙트럼비교

(a)Si(111)결정블록에의한분광스펙트럼 (b)Ge(220)결정블록에의한분광스펙트럼

그림6.리튬이온배터리의양극소재인

NMC(LithiumNickelManganeseCobaltOxide)

의4Dtomography측정예.(2016년8월)

44 │방사광과학과기술│

빔라인 소식

실험 환경을 제공하고 있다.

최근에는 물질의 화학 조성 정보

를 포함하는 tomography 에 성공하

여 4D imaging 이 가능하게 되었다.

Spectroscopic tomography 기법의

개발을 통해 구조체 내의 각기 다른

원소 분포를 영상을 통해 확인할 수

있게 되었으며, 이미지 내의 각각의

pixel마다 고유의 화학적 정보를 추

출할 수 있게 되었다. 이는 XANES

기법을 이미징에 적용한 것으로 추

후 이차전지, 에너지 저장 소재 개발

및 첨단 기능성 소재 개발에 큰 도움

이 될 것으로 기대된다.

이상설 선임연구원

sangsul@postech.ac.kr

그림7.Lithiumironphosphate(LFP)리튬이온배터리양극소재의spectroscopicimaging결과.각

각의pixel에대한화학조성분석을통한phasetransformation을고해상도영상으로확인가능하며

약106개의chemicalinformation을포함함.(2016년8월)

VOL.23/NO.3/Autumn 2016

45

빔라인 소식

3세대 가속기 운전

2016년 3분기 가속기 운전은 9

차에서 12차 이용자 기간까지 4차

례 이용자 기간이 있었고 이 기간 동

안 Top-up mode를 기본으로 350 ~

400mA로 빔 제공을 하였다. Top-

up mode 운전시 빔 제공 입사 간격

은 190초이며 입사 전하량은 10 Hz

로 평균 22.6 pC이다. 이기간 동

안 입사 효율은 평균 89.5%를 유

지했다.

이 기간 동안 사용자에게 빔을 제

공한 전체 시간은 896시간으로 예

정은 912시간이어서 평균 가용율은

98.2%이었다. 이 기간에는 저장링

SRF system으로 인한 fault가 횟

수로는 8회, 시간으로는 465분으로

많은 부분을 차지하였다. SRF 냉

각부분 부품들의 열화와 고장 등으

로 추정되어 부품 교체작업이 이루

어졌다. 또한 이기간에는 지진에 의

한 fault와 한전 전송선 이상에 따

른 전압 강하로 정전이 발생하는 등

기타 원인에 의한 fault가 413분 등

큰 비중을 차지하였다. 이기간 동안

평균 fault recovery에 걸린 시간

(MTTR)은 0.9시간이며, fault 사

이의 평균 시간(MTBT)은 49.0시

간이다.

이용자 기간별 저장전류와 입사

가속기 운전 소식

표1.이용자기간별최고저장전류및입사전하량,입사효율,빔저장모드.FillingPattern

에서+1은Hybridmodeoperation을나타낸다.

표2.이용자기간별빔제공시간과가용률

그림1.이용자기간중빔제공실패횟수(좌)와시간(우)

Number (19) Time (993 min)

46 │방사광과학과기술│

빔라인 소식

전하량, 빔 수명 등이 [표 1]에 나타

나 있다.

이용자 기간별 운전 시간과 가용

율 등이 [표 2]에 나와있다. 그림 1에

는 이용자 기간 중의 저장링 운전 실

패 원인이 발생한 횟수와 소요된 시

간 별로 분석되어 있다.

김문경 선임연구원

mungyung@postech.ac.kr

VOL.23/NO.3/Autumn 2016

47

빔라인 소식

1차 시운전을 6월말에 성공적으로

완료한 후에, 7월 한 달은 하계정비

기간으로 언듈레이터를 포함한 가속

장치 정렬 작업 및 가속장치 유지보

수 작업을 수행하였다. 진단장치 중

YAG 크리스탈의 두께 영향이 확인된

스크린 모니터는 새로운 설계의 광학

구조로 모두 교체하였으며, 언듈레이

터와 언듈레이터 챔버의 정렬을 정교

화함으로써, 언듈레이터 최소 갭을

8.6 mm 까지 좁히는 게 가능하게 되

었다.

8월 16일부터 시작된 2차 시운전

도 순조롭게 진행되어 8월 30일에 1

차 시운전 때 달성한 0.5 nm FEL을

재현하는 데 성공하였고, 9월 1일부

터는 빔라인에 XFEL 빔을 제공하

기 시작하여 빔라인의 테스트가 마

무리되는 9월 9일까지 제공되었다.

입사기 레이저 빔의 프로파일을 cut

gaussian 형태로 바꾼 결과, 200

pC 전하량 조건에서 전자빔 에미턴

스가 수평 방향 0.48 mm-mrad,

수직방향 0.42 mm-mrad 수준으로

PAL-XFEL 이 달성한 에미턴스 중

가장 작은 에미턴스를 달성하였다.

빔라인에서는 지난 6월 4째 주에

진행된 1차 시운전을 통해서 4 GeV

전자빔 에너지와 9.5 mm 언듈레이

터 갭 조건하에서 발생된 XFEL의

3rd Harmonics에 해당되는 7.0 keV

X-선 빔을 Si(111) DCM(Double Crystal

Monochromator)을 통해서 처음으로

확인하였다[그림 1]. 이후 광자빔 감

쇄기, 빔 세기(PD)와 위치(QBPM) 및

윤곽(YAG Screen)을 확인할 수 있는

진단장치, 에너지 calibration을 위한

standard filter가 보완되어 장착되었

으며, 단일 XFEL 펄스 스펙트럼 분석

을 위한 분광기도 설치하였다. 아울러

주요 광학장치인 DCM도 Hardware 및

Software의 많은 부분에서 수정 보완

되어 1차 시운전 과정에서 발생한 문

제점들을 완전히 해결하였고, X-선

미러도 표면 특성측정을 마친 후 광

학 허치에 장착하여 2차 시운전 기

간에 X-선을 이용한 성능 테스트를

성공적으로 수행하였다. 9월 1일부

터 시작된 일주일 가량의 2차 시운전

기간에는 빔라인 대부분의 장치들이

4세대 가속기 소식

그림1.1차시운전을통해측정한XFEL3rdHarmonics스펙트럼(左)과DCM2ndCrystal의

RockingCurve실험결과(右)

그림2.2차시운전을통해DCM으로측정한XFEL3rdHarmonics스펙트럼(左)과Single

ShotSpectrometer로측정한단일펄스스펙트럼(右)결과

48 │방사광과학과기술│

빔라인 소식

성공적으로 작동하였으며, 0.565nm

로 레이징된 XFEL의 3rd Harmonics

에 해당되는 6.583 keV의 X-선으로

DCM과 Offset Mirror를 이용해서 마

지막 경 X-선 실험허치까지 빔을 성

공적으로 정렬하였다. 이 과정에서

DCM 정렬 및 표준 Mn 필터를 이용

한 에너지 보정이 0.01%의 정밀도를

가지고 이루어졌으며, 단일 펄스 단

위의 스펙트럼도 Bend Si(111) Sliver

와 두 종류의 검출기 PyLoN/MPCCD

를 이용해서 성공적으로 측정하였다.

또한 에너지 보정된 DCM을 이용해서

언듈레이터 K값 교정도 성공적으로

이루어졌다. 11월 말까지 0.1 nm 급

X-ray 레이징이 이루어지면, 12월부터

는 본격적으로 경 X-선 빔라인 실험장

치(X-ray Scattering & Spectroscopy,

Nano-Crytallography & Coherent

Imaging)의 시운전 및 데모실험을 진

행할 예정이다.

4세대 방사광가속기 추진단