입자 가속기(Particle accelerator)

입자 가속기(Particle accelerator)

현재 가동 중인 가장 큰 가속기는 CERN이 운영하는 스위스 제네바 인근의 LHC(Large Hadron Collider)이다. 충돌기 가속기로 양자의 두 빔을 6.5TeV의 에너지로 가속시켜 정면충돌을 일으켜 13TeV의 질량중심을 만들어낼 수 있다. 다른 강력한 가속기로는 일본의 KEKKB, 뉴욕의 브룩헤이븐 국립 연구소의 RHIC, 그리고 이전에는 일리노이 주 바타비아의 페르밀랍의 테바트론이 있다. 가속기는 응축 물질 물리학의 연구를 위한 싱크로트론 광원으로도 사용된다. 소립자 가속기는 화학적 목적을 위한 입자 치료, 의학 진단을 위한 방사성 동위원소 생산, 반도체 제조를 위한 이온 임플란터, 방사성 탄소 등 희귀 동위원소 측정을 위한 가속기 질량 분광기 등 매우 다양한 용도에 사용된다. 현재 전 세계적으로 3만 대 이상의 가속기가 가동되고 있다.

가속기에는 정전기 가속기와 전기동적 가속기(또는 전자기) 가속기의 두 가지 기본 등급이 있다. 정전기 가속기는 정적 전기장을 사용하여 입자를 가속한다. 가장 흔한 유형은 콕크로프트-월튼 발전기와 반 드 그라프 발전기다. 이 클래스의 작은 예는 보통의 오래된 텔레비전의 음극선관이다. 이러한 장치의 입자에 대해 달성할 수 있는 운동 에너지는 전기적 고장으로 제한되는 가속 전압에 의해 결정된다. 반면에 전자동 또는 전자파 가속기는 입자를 가속하기 위해 전자파장(자기 유도 또는 진동 전파장)을 변경하여 사용한다. 이러한 유형에서는 입자가 동일한 가속장을 여러 번 통과할 수 있으므로, 출력 에너지는 가속장의 강도에 의해 제한되지 않는다. 1920년대에 처음 개발된 이 클래스는 대부분의 현대 대형 가속기의 기초가 된다.

고에너지 입자의 빔은 과학의 기초적이고 응용적인 연구, 또한 기초 연구와 무관한 많은 기술 및 산업 분야에 유용하다. 전세계적으로 약 3만 개의 가속기가 있는 것으로 추산되었다. 이 중 1GeV 이상의 에너지를 가진 연구기계는 약 1%에 불과하며, 방사선 치료는 약 44%, 이온 이식 41%, 산업 가공 및 연구 9%, 생물의학 및 기타 저에너지 연구는 약 4%에 불과하다. 막대 그래프는 산업용 가속기의 응용분야에 따라 산업용 가속기 수의 분류를 보여준다. 이 수치는 발표 또는 시장 조사에 발표된 생산 및 판매 데이터, 다수의 제조업체가 제공한 데이터 등 다양한 출처에서 이용할 수 있는 2012년 통계에 근거한 것이다.

핵물리학자들과 우주론자들은 전자가 벗겨진 맨 원자핵의 빔을 사용하여 핵 자체의 구조, 상호작용, 특성, 그리고 빅뱅의 첫 순간에 일어났을 수 있는 것과 같이 극도로 높은 온도와 밀도에서 응축된 물질의 광선을 조사할 수 있다. 이러한 조사에는 종종 철이나 금과 같은 원자의 중핵(핵당 몇 GeV의 에너지)이 충돌하는 경우가 있다. 가장 큰 입자 가속기는 브룩헤이븐 국립 연구소의 상대론적 중이온 충돌기(RHIC)이다.

입자 가속기는 또한 양성자 빔을 생산할 수 있는데, 이 빔은 핵분열 원자로에서 만들어진 중성자가 풍부한 의료용이나 연구용 동위원소와 반대로 양성자가 풍부한 의료용이나 연구용 동위원소를 생산할 수 있다. 그러나, 최근의 연구는 수소 동위원소를 가속하여 보통 원자로에서 만들어진 99Mo를 만드는 방법을 보여주었다. 비록 이 방법은 여전히 원자로를 생산하는데 필요하다.

역사적으로 최초의 가속기는 충전된 입자를 가속하기 위해 단일 정적 고전압의 간단한 기술을 사용하였다. 충전된 입자는 양쪽 끝에 전극이 있는 진공관을 통해 가속되었고, 그 위에 정적 전위가 가로놓여 있었다. 입자가 전위차를 한 번만 통과했기 때문에 출력 에너지는 기계의 가속 전압에 제한되었다. 이 방법은 오늘날에도 여전히 매우 인기가 있지만, 정전기 가속기는 다른 어떤 유형보다 훨씬 더 많은 수를 차지하며, 공기 절연 기계의 경우 약 1 MV의 실제 전압 한계 때문에 또는 가속기가 높은 유전적 집중력을 가진 가압 가스 탱크에서 작동할 경우 30 MV의 낮은 에너지 연구에 더 적합하다.h, 예를 들어 육불화황과 같은. 탠덤 가속기에서 전위는 입자가 단자 내에 있는 동안 입자의 전하를 반대로 하여 입자를 가속하는 데 두 번 사용된다. 음이온(음전하 이온)을 이용하여 원자핵이 가속화된 다음 얇은 호일을 통해 빔을 통과시켜 고전압 단자 내부의 음이온에서 전자를 떼어내어 양이온(정전하 이온)으로 변환하여 단자를 벗어날 때 다시 가속이 가능하다.

정전기 가속기의 두 가지 주요 유형은 다이오드 캐패시터 전압 승수를 사용하여 고전압을 생성하는 Cockcroft-Walton 가속기와 움직이는 패브릭 벨트를 사용하여 고전압 전극에 전하를 전달하는 Van de Grafficer이다. 정전기 가속기는 직선을 따라 입자를 가속하지만, 선형 가속기라는 용어는 정적 전기장보다는 진동하는 가속기에 더 자주 사용된다.