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GSI 헬름홀츠 중이온 연구소

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목차

1. 개요

GSI 헬름홀츠 중이온 연구소는 중이온 연구를 수행하는 독일의 연구 기관이다. 주요 연구 시설로는 UNILAC, SIS 18, ESR, FRS, nhelix 및 Phelix 레이저, LAND가 있으며, 이온 빔을 이용한 실험이 진행된다. GSI는 인공 원소 발견에 기여하여 보륨, 하슘, 마이트너륨, 다름슈타튬, 뢴트게늄, 코페르니슘 등을 발견했으며, 니호늄, 플레로븀, 모스코븀, 리버모륨, 테네신의 발견을 확인했다. 또한, 중이온 빔을 이용한 암 치료 기술을 개발하여 하이델베르크 이온 빔 치료 센터(HIT) 설립에 기여했다. GSI는 FAIR(Facility for Antiproton and Ion Research)라는 국제적인 시설로 발전할 예정이며, 2025년 완전 가동을 목표로 하고 있다.

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GSI 헬름홀츠 중이온 연구소
기본 정보
공식 명칭GSI 헬름홀츠 중이온 연구소 (GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung)
원어 명칭GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH (독일어)
이전 명칭중이온 연구 협회 (Gesellschaft für Schwerionenforschung) (독일어)
약칭GSI
유형연구소
설립1969년
본부 위치독일 헤센주 다름슈타트 플랑크슈트라세 1
웹사이트GSI 공식 웹사이트
조직
행정 책임 이사카타리나 슈투마이어
과학 책임 이사토마스 닐손
기술 책임 이사요르크 블라우로크
세부 정보
추가 정보
비고헬름홀츠 협회 회원

2. 역사

1969년 12월에 중이온 연구소가 설립되었으며, 그 이후 전 세계에서 연간 약 1,200명의 연구자가 연구 시설을 이용하고 있다.[9]

1975년에는 120미터의 선형 가속기UNILAC가 도입되었다. 이는 이온을 광속의 20%까지 가속할 수 있었다.[9] 1990년에는 중이온 싱크로트론(SIS 18) 및 실험 저장 링(ESR)이 추가되어 이온 가속 속도를 빛의 속도의 90%까지 향상시켰다.[6]

1997년부터 X선 대신 탄소 이온 빔을 사용한 악성 종양에 대한 중입자선 암 치료 장치를 도입하여 2000년부터 치료를 시작했다.[9] 탄소 이온 빔은 X선보다 더 선명하고 장기에 미치는 영향을 더 억제한다는 장점이 있다. 이 기술을 기반으로 하는 하이델베르크 이온 빔 치료 센터(Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum, HIT)는 하이델베르크 대학교 의료 센터에 건설되었으며, 2009년 11월에 환자 치료를 시작했다.[9]

향후, 가속기의 빔 강도를 높여 미지의 원자핵 합성, 반물질 빔 연구 등을 계획하고 있다.

장래에는 FAIR(Facility for Antiprotons and Ions Research, 반양성자 및 이온 연구 시설)라는 RI 빔의 13개국(오스트리아, 핀란드, 프랑스, 독일, 인도, 이탈리아, 루마니아, 러시아, 슬로베니아, 스웨덴, 영국, 스페인, 폴란드)이 참가하는 국제 기구를 구축할 계획이다.

3. 주요 연구 시설

GSI 헬름홀츠 중이온 연구소의 주요 연구 시설은 다음과 같다:


  • UNILAC(범용 선형 가속기): 핵자당 2~11.4 MeV의 에너지로 이온을 가속한다.
  • SIS 18 (중이온 싱크로트론): 핵자당 0.010 – 2 GeV의 에너지로 이온을 가속한다.
  • ESR (실험 저장 링): 0.005 – 0.5 GeV/u의 에너지를 가진 고도로 하전된 방사성 이온을 장기간 저장한다.
  • FRS (단편 분리기): 다양한 하전 입자 빔(주로 방사성 이온 빔)을 생성하고 분리한다.


UNILAC은 1975년에, SIS 18과 ESR은 1990년에 가동되어 이온 가속 속도를 빛의 속도의 10%에서 90%로 향상시켰다.[6]

GSI에는 다음과 같은 시설도 갖추고 있다.

  • nhelix (중이온 실험용 나노초 고에너지 레이저)[10]와 Phelix (중이온 실험용 페타와트 고에너지 레이저)[11] (두 개의 고에너지 레이저)
  • LAND (대면적 중성자 검출기)[12]


GSI는 보륨(1981), 마이트너륨(1982), 하슘(1984), 다름슈타튬(1994), 뢴트게늄(1994), 코페르니슘(1996) 등의 원소를 발견했다.[7] 또한, 니호늄(2012), 플레로븀(2009), 모스코븀(2012), 리버모륨(2010), 테네신(2012) 등의 원소도 확인했다.[8]

3. 1. UNILAC

UNILAC(범용 선형 가속기, Universal Linear Accelerator)은 핵자당 2~11.4 MeV의 에너지로 이온을 가속하는 장치이다.[6] 1975년에 가동을 시작했으며, 이온을 광속의 20%까지 가속할 수 있었다.[7] 1997년부터는 X선 대신 탄소 이온 빔을 사용한 중입자선 암 치료 장치를 도입하여 2000년부터 치료를 시작했다. 탄소 이온 빔은 X선보다 더 선명하고 장기에 미치는 영향을 더 억제한다는 장점이 있다.

3. 2. SIS 18

SIS 18은 중이온 싱크로트론(Schwer-Ionen-Synchrotron)으로, 핵자당 0.010 – 2 GeV의 에너지로 이온을 가속한다.[6] 1990년에 SIS 18과 ESR이 추가되어 이온 가속 속도를 빛의 속도의 10%에서 90%로 향상시켰다.[6]

3. 3. ESR

ESR 시설의 일부


실험 저장 링(ESR)은 0.005~0.5 GeV/u의 에너지를 가진 다수의 고도로 하전된 방사성 이온을 장기간 저장할 수 있는 시설이다.[13] 이 시설에서는 붕괴 모드를 정밀하게 측정할 수 있다.[14] 이 과정에서 발견된 신비로운 새로운 현상은 GSI 이상 현상으로 알려져 있다.

3. 4. FRS

FRS는 1990년에 건설된 시설로, 다양한 하전 입자 빔(일반적으로 방사성 이온의 빔)을 생성하고 분리한다. 이 과정은 UNILAC과 SIS에 의해 가속된 안정적인 빔이 생성 표적에 충돌하면서 이루어지며, 이 때 많은 단편들이 생성된다. 2차 빔은 이온의 자기 선택에 의해 생성된다.[13]

3. 5. 기타 시설


  • nhelix (중이온 실험용 나노초 고에너지 레이저)[10]와 Phelix (중이온 실험용 페타와트 고에너지 레이저)[11]는 두 개의 고에너지 레이저이다.
  • LAND(대면적 중성자 검출기)[12]

4. 인공 원소 발견

GSI 헬름홀츠 중이온 연구소는 가속기를 이용하여 새로운 원자핵을 합성하고 발견하는 연구로 인정받고 있다. 이 연구소에서 발견된 원소들 중 하슘(헤센주)과 다름슈타튬(다름슈타트)은 연구소 소재지의 이름을 따서 명명되었다.

4. 1. 발견된 원소 목록

발견년도원소 이름원자 번호화학 반응식
1981년보륨107209Bi + 54Cr → 262Bh + 1n
1982년마이트너륨109209Bi + 58Fe → 266Mt + 1n
1984년하슘108208Pb + 58Fe → 265Hs + 1n
1994년다름슈타튬110208Pb + 62Ni → 269Ds + 1n
1994년뢴트게늄111209Bi + 64Ni → 272Rg + 1n
1996년코페르니슘112208Pb + 70Zn → 277Cn + 1n

[7]

4. 2. 확인된 원소 목록

니호늄(2012년), 플레로븀(2009년), 모스코븀(2012년), 리버모륨(2010년), 테네신(2012년)이 GSI에서 확인되었다.[8]

5. 기술 개발

GSI에서 개발된 중요한 기술 중 하나는 1997년부터 시작된 중이온 빔을 이용한 암 치료 기술이다. 이 기술은 X선 대신 탄소 이온을 사용하여 환자를 치료한다. 탄소 이온의 브래그 피크는 X선 광자의 피크보다 훨씬 날카롭기 때문에, X선으로는 치료가 어려운, 중요한 장기 근처의 종양을 치료할 수 있다.[9]

이 기술을 바탕으로 하이델베르크 대학교 의료 센터에 하이델베르크 이온 빔 치료 센터(Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum, HIT)가 건설되었으며, 2009년 11월부터 환자 치료를 시작했다.[9]

6. 미래 발전

GSI는 앞으로 FAIR(Facility for Antiproton and Ion Research)라는 국제적인 시설로 발전할 것이다. FAIR에는 새로운 싱크로트론(각각 100T⋅m의 자기 강성), '슈퍼-FRS', 반물질 연구에 사용될 수 있는 링 등 여러 새로운 링이 포함된다.[15] 이 시설의 주요 부분은 2022년에 시운전될 예정이며, 2025년에 완전 가동될 예정이다.[16]

2007년 11월 7일, 핀란드, 프랑스, 독일, 인도, 루마니아, 러시아, 슬로베니아, 스웨덴, 영국, 폴란드 등 10개국이 FAIR 설립에 공동 서명했다. 대표자로는 독일 연방 과학부 장관 아네테 샤반과 헤센 주 주지사 롤란트 코흐가 참석했다.[17]

앞으로 가속기의 빔 강도를 높여 미지의 원자핵 합성, 반물질 빔 연구 등을 진행할 계획이다.

장기적으로는 FAIR(Facility for Antiprotons and Ions Research, 반양성자 및 이온 연구 시설)로 불리는 RI 빔 연구에 13개국(오스트리아, 핀란드, 프랑스, 독일, 인도, 이탈리아, 루마니아, 러시아, 슬로베니아, 스웨덴, 영국, 스페인, 폴란드)이 참여하는 국제 기구를 구축할 계획이다.

참조

[1] 웹사이트 Management Board of FAIR and GSI https://fair-center.[...] 2024-07-26
[2] 웹사이트 Pressemitteilung des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung vom 20. Oktober 2008 http://www.gsi.de/po[...]
[3] 웹사이트 GSI und TU Darmstadt setzen ihre wissenschaftliche Partnerschaft fort – Echo Online https://www.echo-onl[...] 2019-07-30
[4] 웹사이트 Universität Heidelberg und Partner schließen mit GSI Vereinbarung über strategische Zusammenarbeit in Wissenschaft und Forschung – Pressestelle der Universität Heidelberg https://www.uni-heid[...] 2019-07-30
[5] 웹사이트 Kooperation mit neuer Energie https://www.tu-darms[...] 2015-12-18
[6] 웹사이트 One facility, thousand possibilities https://www.gsi.de/e[...] GSI 2014-12-22
[7] 뉴스 Wanted: Suitable name for unstable, heavyweight element https://www.theguard[...] 2014-12-22
[8] 웹사이트 Discovery of new elements https://www.gsi.de/e[...] GSI Darmstadt
[9] 웹사이트 History of HIT https://www.klinikum[...] Heidelberg Ion-Beam Therapy Center (HIT) 2014-12-22
[10] 웹사이트 nhelix http://www.gsi.de/fo[...]
[11] 웹사이트 PHELIX laser facility https://www.gsi.de/e[...] 2012-03-29
[12] 웹사이트 LAND http://www.gsi.de/fo[...]
[13] 웹사이트 The Heavy Ion Storage Ring ESR https://www.gsi.de/e[...] GSI 2017-02-19
[14] 간행물 Between atomic and nuclear physics: radioactive decays of highly-charged ions
[15] 웹사이트 Accelerators http://www.fair-cent[...] FAIR 2014-12-22
[16] 웹사이트 Accelerators https://www.gsi.de/e[...] GSI 2016-09-06
[17] 웹사이트 FAIR partner countries http://www.fair-cent[...] FAIR 2014-12-22


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