입자가속기 원리

입자가속기란 전자나 양성자 또는 원자핵 같은 입자들을 빠른 빔으 로 만드는 기계이다. 이 빔을 이용하여 원자핵에 대한 연구, 방사성을 이용한 산업 및 의료에 이용하고 있으며, 초대형 가속기들은 기본 소립 자들에 대한 연구에도 이용하고 있다.

러더퍼드는 1911년 방사성 토륨을 넣은 납상자의 작은 구멍에서 빔 의 형태로 방출되는 알파선을 금 원자에 쏘는 실험으로 원자 내부에 있 는 크기는 작고 질량밀도가 매우 큰 원자핵을 발견하였다. 이 후로 더 작은 물질(원자핵)의 내부 구조를 알기 위해서 더 빠른 입자빔이 필요 하게 되었고 입자가속기의 개발이 이루어졌다.

가속기의 규모는 가속된 입자의 속도가 아닌 운동 에너지로 표시한 다. 왜냐하면 가속된 입자의 속도가 빛의 속도에 근접하면 아무리 가속 시켜도 속도가 거의 증가하지 않고 에너지만 증가하기 때문이다. 사용 하는 에너지의 단위는 eV(전자볼트-electron volt)인데 전자와 같은 전 하량(e)을 갖는 입자가 1V의 전압으로 가속될 때 얻는 에너지를 의미 한다. 가속되는 입자의 질량은 매우 작기 때문에 입자의 운동 에너지를 속력으로 환산하면 매우 빠른데, 이온 한 개를 1V의 전압으로만 가속 하여도 그 속력이 수천㎞/s가 된다. 입자의 운동에너지가 증가하면 입 자의 속력은 점점 빛의 속력에 근접하지만 넘지는 못한다.

[그림 5-1-1] 양성자의 속력에 따른 운동에너지(특수상대론) ⓒCERN

가속기는 가속된 입자의 빔 자체를 직접 사용하기도 하지만 다른 표 적에 충돌시켜 나오는 2차 빔을 사용하기도 한다. 또한 전자가 광속에 가까운 속력으로 굽은 경로를 지날 때 나오는 강한 복사선이 방출되므 로 이를 이용하기도 한다.

가속기의 구성은 가속할 입자의 공급기, 가속관과 가속에 필요한 전 기장과 자기장 공급장치로 나누어진다. 입자 공급기에서 전자는 열전 자 방출에 의해 공급하며, 이온들은 낮은 압력의 관 속 기체에서 전기 적 방전으로 만든다. 입자들이 가속되는 부분은 진공도를 높여서 입자 가 공기 분자와 충돌하지 않고 진행하도록 하며 가속시키기 위해서 전 기장공급부와 빔의 방향 조절을 위한 자기장 공급장치가 위치한다.

물질의 구조 및 상호작용을 분석하는 목적으로 설계된 가속기의 경 우에는 가속된 빔을 충돌시키는 지점에 충돌 후 입자나 2차 생성 입자 의 산란방향과 에너지, 질량 등을 추적할 수 있는 검출기가 설치된다.

가속기는 모양에 따라 일직선으로 가속시키는 선형가속기와 원을 따 라 가속시키는 원형가속기로 분류할 수 있으며, 기술적인 방법에 따라 우주선이나 자연방사선을 이용하는 천연가속기, 두 전극 사이에 고전 압을 가하여 가속시키는 정전형 가속기, 교류를 이용하여 가속시키는 가속기로 구분할 수 있다.

[그림 5-1-2] 비더래(Rolph Wideroe)의 교류 가속기(1928) ⓒCERN

가속기의 발달은 진공방전관에서 음극선이 하전입자임을 보인 조셉 톰슨(1897)으로 전기장을 가하여 전자를 가속시키고 자기장을 이용하 여 음극선의 방향을 휘게 한 것이었다. 이후 1895년 윌리암 콘레드 뢴 트겐에 의해 X선 발생장치가 세상에 선보이게 되었으며, 1930년에는 반데그라프를 이용하여 1.5MV의 고전압을 공급하게 되었다. 그러나 반데그라프식 정전압 가속기는 크기와 높은 전압에 따른 방전의 문제 가 있었다. 1932년 어니스트 로렌스는 전기장을 반복적으로 가하는 방 식의 사이클로트론을 개발하였다. 사이클로트론은 D 자 형태의 두 진 공 판에 수직으로 자기장을 가하여 대전입자가 원운동하면서 두 판 사 이에 교류를 가하여 가속시키는 방식이다. 매우 획기적인 방식으로 지 름이 27센치미터인 사이클로트론으로 100MeV의 출력을 얻을 수 있었 다. 입자의 속력이 점차 빛의 속도와 비교될 정도로 증가하면서 상대론 적 효과로 입자의 질량이 증가하게 되면서 가속된 입자의 회전을 위해

서 자기장의 세기를 변화시킬 수 있는 싱크로 사이클로트론이 개발되 었다. 그 후 큰 곡률로 설치된 관을 따라 좁은 영역의 자기장만으로 입 자의 방향을 제어하는 싱크로트론으로 발전하였다. 싱크로트론은 가속 관을 따라서 처음에는 느리게 회전하던 입자를 점점 빠르게 가속시키 는 장치이다. 싱크로트론은 원형의 관을 따라 회전하는 입자가 가속영 역을 지날 때에 가속되며 다른 영역에서는 자기장에 의해 곡선운동을 하며 큰 원을 따라 회전하게 된다.