입자가속기 [粒子加速器, particle accelerator]

 

입자가속기 [粒子加速器, particle accelerator] 

 
요약 : 전자나 양성자 같은 하전입자를 강력한 전기장이나 자기장 속에서 가속시켜 큰 운동 에너지를 발생시키는 장치이다. 원자핵이나 소립자와 같이 작은 입자의 미세 구조를 밝히기 위한 기계로, 구동하는 데에 매우 큰 에너지를 필요로 하는 거대과학 영역에 속한다. 
 
 
본문
원자핵이나 소립자(素粒子)에 관한 물질의 심층 구조를 탐구하는 물리실험에 사용되며, 암치료에 응용하는 방법도 연구되고 있다. 원자핵파괴장치·이온가속기·선형가속기 등으로 부르며, 간단히 가속기·가속장치라고도 한다. 입자검출용 안개상자(cloud chamber), 기포상자(bubble chamber), 방전상자(spark chamber)와 실험정보처리용 컴퓨터 등은 중요한 가속기의 부대시설들이다.

 

많은 건설비와 가동경비 및 연구비가 소요되므로 오늘날 가속기과학은 우주과학(宇宙科學)과 더불어 거대과학(big science)의 하나이다. 1932년 영국의 J.D.코크로프트와 E.T.S.월턴이 콘덴서와 정류관을 교묘하게 조합한 고전압 발생장치를 만들어 인공적으로 양성자를 600keV로 가속시켜 리튬(Li)에 조사(照射)하여 리튬 원자핵을 두 개의 헬륨(He) 원자핵으로 변환시킨 것이, 가속기를 이용한 원자핵실험의 시발이 되었다. 에너지 단위로는 전자볼트(electron volt:eV)를 사용한다. 1000eV=1keV=103eV ⇒ kilo(1천) 1000keV=1MeV=106eV ⇒ Mega(1백만) 1000MeV=1GeV=109eV ⇒ Giga(10억) 1000GeV=1TeV=1012eV ⇒ Tera(1조) 그후 여러 종류의 가속장치가 고안되어 입자의 가속 능력은 높아졌다.

 

종류
가속기는 그 가속방법에 따라 선형가속기와 원형가속기로 나뉘며, 가속입자의 종류에 따라 전자가속기와 양성자가속기로 구별된다.

선형가속기는 주로 전자를 고진공 직선궤도에 따라서 가속하는 것이고, 코크로프트-월턴장치나 밴더그래프정전고압발생기(Van de Graff generator)와 같이 직류 고전압으로서 일시에 가속하는 것과 고주파 전기장을 이용하는 것 등이 있다. 원형가속기는 입자를 고진공 원형궤도에 따라 가속하는 것으로, 사이클로트론(cyclotron), 베타트론(betatron) 및 싱크로트론(synchrotron) 등이 있다.

 

가속입자에 따라 분류하면, 양성자가속기는 대부분 원형가속기이고, 전자가속기 중에서 고에너지가속기는 대개 선형가속기이다. 그 까닭은, 하전입자를 원궤도에 따라 가속할 때에 생기는 제동복사손실량은 질량이 작은 전자의 경우가 많고, 질량이 큰 양성자의 경우가 작기 때문이다. 따라서 양성자 가속은 높은 정밀도와 기술 수준을 요하는 선형가속기보다는 원형가속기가 유리하다.

 

1) 밴더그래프정전고압발생기:밴더그래프정전발전기·정전고압발생기라고도 한다. 일종의 벨트기전기이고, 절연물로 만들어진 벨트를 구형중공전극(球形中空電極)과 접지 사이를 지나게 하고, 전원에서 받는 전하를 벨트로서 전극에 반입시켜, 그것으로서 얻어진 고전압에 의해서 전극에 직결한 가속관 안에서 한꺼번에 가속하는 것이다.

 

2) 사이클로트론:운동하는 하전입자가 자기장 속에서 원을 그린다는 것을 이용해서, 자기장 속에서 입자를 회전시키면서 그 회전주기에 맞추어 고주파 전압으로서 되풀이하여 가속하는 것. 사이클로트론은 1932년 미국의 E.O.로렌스가 고안한 것이고, 큰 전자석의 극 사이에 원통형의 가속관을 두고, 이 관을 끼고 D라는 반원형 중공전극을 서로 마주보도록 배치하였다.

 

3) 싱크로사이클로트론(synchrocyclotron):사이클로트론은 자기장의 세기가 균일하면 입자의 회전주기는 일정하게 된다는 것을 기본원리로 한 입자가속기이나 가속입자의 속도가 광속도에 접근함에 따라 이 원리는 적용되지 않는다. 입자의 속도가 고속화되어 광속도에 접근하면 그 입자의 질량은 상대론적 효과 때문에 급격히 증가하고, 이에 따라 입자의 회전주기도 길어져 가속전압의 주기에서 벗어나게 된다. 이 같은 경향은 특히 질량이 작은 전자의 경우에 뚜렷하게 나타난다.

이 때문에 사이클로트론에서는 전자를 가속하지 않는다. 사이클로트론의 가속한계성을 각 입자의 에너지를 어느 일정한 값으로 조정해 놓고 고주파 전압의 주파수를 점차로 낮추어가는 방법으로 극복한 장치가 싱크로사이크로트론이다.

 

4) 베타트론(betatron):자기장이 시간적으로 변하면 전기장이 유발된다는 원리에 따라 전자를 가속하는 장치. 1941년 미국의 커스트가 주로 전자용가속기로서 고안한 것이고, 방사성물질에서 방출되는 베타선에 관련지어 이름하였다. 원형전자석의 극편 사이에 도넛형 가속관을 설치한 것이고, 전자석을 교류로서 여자하면 이온원에서 가속관에 입사한 전자가 유발된 전기장의 작용으로 여자전류가 방향을 바꾸는 동안, 가속관 안에서 원궤도에 따라 가속된다.

 

5) 싱크로트론:다른 가속기로서 예비적으로 가속된 입자를 전기장과 자기장의 작용 하에서 처음부터 원궤도에 따라 가속하여 10억eV 이상의 높은 운동에너지로 가속시킬 수 있는 장치이다. 1945년 미국의 맥밀런과 소련의 벡슬러가 각각 독립적으로 착상해서 만들었다. 이 장치로서 얻어진 고에너지입자빔은 자연의 우주선에너지에 버금가는 것으로, 인공적으로 V입자(hyperon)와 반양성자(反陽性子)의 발견을 가능하게 했을 뿐만 아니라 고에너지물리학, 즉 소립자물리학의 혁신적인 발전을 가져왔다.

 

6) 선형가속기(linear accelerator:Linac):직접 고전압을 걸어주지 않고 비교적 낮은 전압으로서 하전입자를 직선형으로 가속하는 장치. 중공원통형의 전극을 직선 위에 많이 나열하고, 그것을 하나씩 건너서 연결하여 고주파 전압을 걸어준다. 각 전극의 길이를 알맞게 잡고, 입자들은 전극들 사이의 간격에서 가속되므로, 다음 간격에 나타날 때까지는 고주파 전압의 위상이 역전되도록 해두면 높은 에너지가 얻어진다. 1931년 미국의 로렌스가 고안한 방식이며 그 당시는 별로 주목받지 못했으나, 제2차 세계대전 후 초단파기술의 진보로 각광받게 되었다.

 

실제의 가속기 구조에서는 양성자가속기와 전자가속기는 서로 다르다. 양성자의 경우는 공동공진기 속에 동심원통의 전극을 나열한 것을 가속관으로 하고 있는데, 전자의 경우에는 몇 개의 조리개를 붙인 공동공진기를 가속관으로 하여 고주파 전파를 도입해서 전극에서 전극으로, 조리개에서 조리개로 옮겨갈 때마다 가속되도록 되어 있다. 일반적으로 선형가속기는 원형가속기와 비교해서 고른 입자빔을 얻을 수 있고, 입자빔의 세기가 강하고, 제동복사에 의한 에너지 손실이 적다는 등 몇 가지 장점이 있으나, 장거리에 걸쳐서 고주파 전압을 걸어야 하고, 일직선상에 장치를 정돈해야 하는 등의 기술적인 어려움을 갖고 있다.

 

미국 스탠퍼드대학에 있는 선형가속기가 가장 유명한데, 길이는 2miles이며, 전자(e-)를 20GeV까지 가속시킬 수 있다.이 선형가속기에서 가속된 전자빔과 양전자빔(e+)을 원형가속기에 투입시켜 이들을 정면 충돌시키는장치가 개발되었다. 이 장치의 이름을 SPEAR(stanford positron-electron asymmetry ring)라 하며, 이것으로서 1974년 12월 새로운 입자 J/ψ를 발견하였다. 이 입자의 발견으로 소립자물리학에서 일대전기가 마련되었다. 
 

[출처] 입자가속기 - NAVER 백과사전 -|작성자 스카이