입자 가속기: 두 판 사이의 차이
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== 방사광 가속기 ==
전자를 원형 가속기에서 가속하면 싱크로트론 광선이 발생하여 가속 자체에는 어려움이 있지만, 파장이 짧은 높은 에너지의 빛을 얻을 수 있다는 데 착안하여, 가속 보다는 싱크로트론 광선을 얻는 데 주안점을 둔 가속기이다. X선 발생 장치도 그 예라고 할 수 있다. 파장이 짧은 빛은 더 작은 크기의 세계를 볼 수 있으며, 더 작은 소자를 조각하는 데도 이용한다. 한국의 포항 방사광 가속기가 대표적인 예이다.
==가속기의 종류 및 원리==
===가속을 시키는 힘에 따른 분류===
:입자 물리학에서는 기본 입자들 간의 상호작용을 연구하고자 한다. 그러나 입자들 간의 아주 가까운 거리에서만 일어나는 약한 상호작용(Weak force)와 강한 상호작용(Strong Force)을 관찰하기 위해서는 입자가 큰 운동 에너지를 가지게 하여 입자들이 가까운 거리로 근접하게 할 필요가 있다. 입자 물리학에서 뿐만 아니라 의료 분야에서도 방사선 치료용 가속기가 국내 대부분의 대학 병원에 설치되어 있는 등 활용되고 있으며, 브라운관 텔레비전의 CRT 역시 소형 입자 가속기 중의 하나이다.
:입자물리학 연구에서 사용되는 입자 가속기는 원리에 따라 크게 두 종류로 분류 될 수 있다. 첫 째로 선형 가속기는 음극과 양극 사이의 전하를 띈 입자는 전하에 따라 음극 또는 양극을 향해 정전기력을 받게 되고 이 힘에 의해서 가속된다. 원형 가속기의 경우 자기장 속에서 가속기에 걸리는 전압의 부호를 바꾸어 줌으로써 하나의 가속기로 입자를 계속 가속시키는 방법을 택한다.<ref name="LHC">이강영, 신의 입자를 찾는 사람들 LHC, 현대 물리학의 최전선, 사이언스북스, 2011, p.271-295</ref>
====선형 가속기====
:선형 가속기는 기본적으로 전하를 띤 입자에 전기장을 걸어 줌으로써 입자를 가속시킨다. 입자에 걸린 전기장이 직류에 의한 것이느냐 아니면 교류에 의한 것인가에 따라 직류 가속기와 고주파 가속기로 분류 되는데, 크게 직류 가속기에는 정전기형 가속기와, 다단배 전압정류형 가속기가 있으며, 고주파 가속기로는 전자가속기와 양성자 가속기등이 있다.
=====정전기형 가속기=====
:정전기형 가속기는 일정한 전기장을 이용해서 입자를 가속시킨다. <ref>[http://en.wikipedia.org/wiki/Particle_accelerator]</ref> 그 대표적인 예시가 탠덤형 반데그라프 가속기(Tandem Van de Graaff Accelerator) 인데, 이 가속기는 반데그라프 발전기를 활용하여 높은 전압차를 얻고 이를 이용해서 입자를 가속시킨다. 반데그라프 발전기는 속이 빈 도체 구와 전연 벨트로 이루어져있으며, 구동 모터로 인해 절연 벨트가 롤러에 물려 움직이는 동시에 코로나 방전을 활용한 대전 장치를 통해 벨트를 대전시킴으로써 도체 구각 내부로 전하를 이동시킨다. 그 뒤, 전하는 도체 구 내부에서 브러시를 따라 구각으로 전달되고 이가 반복됨으로써 고체 구각에 전하가 쌓이게 된다.<ref>[http://en.wikipedia.org/wiki/Particle_accelerator]</ref><ref>http://en.wikipedia.org/wiki/Van_de_Graaf_generator</ref><ref>Wolfgang Bauer, Gary D. Westfall, University Physics with Modern Physics 1/e, McGraw-Hill</ref> 반데그라프 가속기는 반데그라프 발전기와 같은 원리로 튜브 안에서 절연 벨트가 전하를 이동시켜 이온이 지나가는 통로를 둘러싸고 있는 도체 판들을 높은 전압으로 대전시킨다. 가속은 두 차례에 거쳐서 이루어지는데, 앞에서 대전된 도체 판에 의해 발생한 전기장에 의한 정전기력()에의해 한 번 가속되고, 터미널(High voltage terminal)안의 탄소 박(Carbon Foil)을 지나면서 전자를 잃어 양으로 대전 된 후, 같은 방식으로 대전되어 반대 방향으로 걸려있는 전기장을 지나면서 한 번 더 가속된다.<ref>Wolfgang Bauer, Gary D. Westfall, University Physics with Modern Physics 1/e, McGraw-Hill</ref>[7][8]
=====다단배 전압 정류형 가속기=====
:축전기와 다이오드로 이루어진 전압 멀티플라이어(voltage multiplier)를 활용하여 높은 전압을 걸어주고, 입자를 가속시키는 방식이다.
=====고주파 가속기(Radio Frequency Linear Accelerator)=====
:직류 전압이 걸려 있는 경우, 입자를 고 에너지로 가속시킬수록 더 큰 전기장을 걸어주어야만 한다. 그러나 공기가 절연할 수 있는 전기장의 크기에는 한계가 있기 때문에 직류 전압을 걸어주는 방식의 대안으로서 고안되었다.
====원형 가속기====
=====사이클로트론(Cyclotron)=====
:1925년 로렌스(Ernest Lawrence)는 높은 에너지를 가지고 있는 입자를 만들기 위해 입자를 반복적으로 가속하는 방법에 관심을 가지고 연구하기 시작하였으며, 그 결과 원형으로 입자를 가속하는 장치를 개발하게 되었다.<ref name="LHC" />
:자기장을 통과하는 전하를 띈 입자는 자기력(<math>F_B=q\vec v \times \vec B</math>)을 받는다. 때문에 전하를 띈 입자가 지면과 평행하게(xy-평면상에서) 진행하고, 자기장이 지면과 수직으로 걸린다고 할 때, 입자가 진행하는 경로와 수직하게 자기력이 작용하게 되므로 이가 구심력의 역할을 하게 되어 입자의 경로가 휘게 된다. 이 때의 입자가 이동하는 원형 경로의 반지름은 다음과 같다.
<math>qvB=\frac{mv^2}{r}</math>
<math>\Rightarrow r=frac{mv}{qB}</math>
:이와 같이 입자가 원형 경로를 따라 움직이면 전극을 여러 회 지나게 되어 입자가 반복적으로 가속할 수 있게 된다. 위의 식에 따르면 입자의 원형 경로의 반지름은 자기장이 일정할 때 속력에 비례하므로, 전극에 의해 속력에 가속 될 때 마다 경로의 반지름이 증가하게 되고, cyclotron의 가장자리에 다다르면 입자가 빠져나게 된다. 때문에 입자 가속기의 크기가 크면 클수록 더욱 빠른 속도로 가속 시킬 수 있다. 로렌스가 고안한 D자 형태의 전극의 경우 입자가 이동하는 방향으로 가속해주기 위해서는 전극의 전하가 입자가 가속되는 주기에 따라 바뀌어야 한다. 그 주기는 아래와 같다.<ref>Wolfgang Bauer, Gary D. Westfall, University Physics with Modern Physics 1/e, McGraw-Hill</ref>
<math>f=frac{v}{2\pir}=dfrac{v}{2\pi\dfrac{mv}{qB}}=frac{qB}{2\pim}</math>
=====싱크로사이클로트론(Synchro-cyclotron)=====
:대형 사이클로트론의 제작이 진행되면서 입자의 속도가 빛의 속도에 가까워짐에 따라 입자의 질량이 증가하는 현상이 발견된다. 이에 따라 사이클로트론 주기가 감소하게 되는데 이를 보완하기 위해 전극의 방향을 바꾸어주는 주기를 바꾸어준 것이 싱크로사이클로트론(Synchro-cyclotron)이다. 로렌츠 상수를 활용하여 바뀐 사이클로트론 진동수는 다음과 같다.[9]
<math>f=\gamma f_0=f_0\sqrt{1-\left ( \frac{c}{b} \right )^2}</math>
=====싱크로트론(Synchrotron)=====
:전기장과 자기장의 세기를 조정하여 입자의 속도를 가속시키는 동시에 그 궤적을 유지 시킬 수 있도록 하여 사이클로트론의 크기가 무한정 커지지 않게끔 한다. 최근 만들어진 LHC 역시 싱크로톤의 한 종류이다.
<ref>http://isnap.nd.edu/html/research_FN.html</ref>
<ref>http://www.physics.fsu.edu/nuclear/Brochures/SuperconductingLinearAcceleratorLaboratory/default.htm</ref>
<ref>http://www.phy.duke.edu/courses/217/MottScatteringReport/node13.html</ref>
<ref>http://en.wikipedia.org/wiki/Cyclotron</ref>
<ref>http://times.postech.ac.kr/news/articleView.html?idxno=3066</ref>
===가속되는 입자에 따른 가속기===
:기본적으로 입자 자체를 가속시키는 방법은 선형 가속기 및 원형 가속기의 전자기력을 이용한다. 그러나 가속시키는 입자의 종류에 따라 가속기의 구성이 달라지는데 이가 아래와 같다.
====충돌형 가속기====
빛의 속도에 가깝게 가속시킨 원자핵이나 소립자를 서로 충돌시켜, 우주를 구성하는 궁극접 입자들의 입자의 존재를 밝히기 위한 설비이다.
====양이온/중이온 가속기====
중이온, 또는 양성자를 빛의 속력에 가깝게 가속시킨 뒤, 표적에 충돌시킴으로써 희귀 동위원소를 만드는데 이용한다.
=====양이온 가속기=====
:양이온 가속기는 수소 원자로부터 방전을 통해서 정자와 양성자를 분리한 뒤, 분리된 양성자와 전자에 전기장을 걸어줌으로써 양성자만 분리해낸다. 분리된 양성자는 강한 라디오파에 의해 유도된 전기장에 의해서 가속된다.
=======Radio Frequency Quadrupole======
=======Drift Tube Linear Accelerator======
=====중이온 가속기=====
:중이온이란 수소, 헬륨보다 무거운 지구상의 모든 원소의 이온을 의미한다. 중이온 가속기는 원소의 기원 탐구, 새로운 동위원소의 발견, 희귀동위원소들을 이용한 신 물질 연구, 의학 응용 연구 등을 위해 중이온을 빛의 속도에 가깝게 가속하는 장치이다. 중이온 가속기는 주입된 원소를 전자 발생 장치를 통과 시켜 원소를 양성을 띤 중이온으로 변화 시킨 뒤, 고 에너지로 가속시킨다. 가속시킨 중이온을 다른 원자핵에 충돌 시키면 희귀 동위원소로 바뀌어 방출된다. 희귀 동위원소는 안정한 동위원소에 비해 중성자의 수가 너무 많거나 적어 반감기가 수 밀리 초 이하인 매우 불안정한 동위원소로 각종 다양한 분야의 연구에 사용된다. <ref>http://www.kps.or.kr/storage/webzine_uploadfiles/1307_article.pdf</ref><ref>http://blog.daum.net/hellopolicy/6979388</ref>
:중이온 가속기의 경우 가속시키고자 하는 입자의 질량이 다른 입자의 비해 크기 때문에 더욱 입자가 띠는 하전을 증가 시켜서 가속시키고자 한다. 그 방법 중의 하나로 버클리의 SuperHILAC(여기서 HILAC은 heavy-ion linear accelerator)은 입자를 한 번 가속시킨 뒤 탄소박을 한 번 더 통과시킴으로써 입자가 전하를 더 잃도록 만들고, 2 차적으로 다시 가속시킨다. <ref>http://preview.britannica.co.kr/bol/topic.asp?article_id=b18a1922b010</ref> 최근 한국에서 진행하는 중이온가속기구축사업(Rare Isotope Science Project)에서는 기종과는 달리 사이클로트론(원형 가속기)과 선형가속기를 결합한 형태를 상용한다. 뿐만 아니라 순도 높은 희귀동위원소 빔을 제공하기 위해서 IFF와 ISOL 두 방식 중의 하나만을 택했던 기존과는 달리 IFF 방식으로 중이온 빔을 발생시킨 뒤 감속시키고, ISOL방식으로 재 가속하는 신 개념 방식이 도입되었다.
<ref>http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=isbb2030&logNo=20164562180</ref>
<ref>http://www.risp.re.kr</ref>
<ref>http://www.kofst.or.kr:8080/kofst/PDF/2011/n4s503/GGDCBE_2011_n4s503_25.pdf</ref>
=====방사광 가속기=====
빛의 속도에 가깝게 가속시킨 전자가 강력한 자기장을 지나며 휘어질 때 방출되는 빛(방사광)을 얻어내며, 얻어진 방사광은 과학기술연구에 활용되어진다.
==가속기의 역사==
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