사이클로트론
'''cyclotron'''
입자가속기의 일종.
1. 개요
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전자기력을 이용해 이온을 가속시키는 입자 가속기이다. 진공 공간에 설치되며, 각각 N,S극을 띄는 원통형의 전자석 두 개 사이에 속이 빈 반달 모양의 전극 두 개를 원형이 되게 마주보게 설치한 장치인데, 이 전극에 교류 전류를 흐르게 만든다. 이후 중심부 근처에서 '총알'로 쓸 입자를 하나 띄우면 전자석의 영향으로 원형으로 빙글빙글 돌게 된다. 그리고 양 극에 흐르는 교류 전류에 의해 전극 사이의 빈 공간에서 가속하게 되는데, 입자의 속도가 빨라지면 빨라질수록 궤적이 그리는 원의 지름은 점점 넓어진다. 결국 중심 부근에서 바깥쪽으로 나선을 그리면서 가속되고, 결국 마지막에는 목표로 삼은 물질에 이것을 부딪히게 만든다. 물론 중간 과정에서 입자가 양 전극 사이를 왕복하는 진동수[1](cyclotron frequency)가 점점 변하므로 이것에 맞춰 교류 전극의 전하 변환 속도 역시 지속적으로 바꿔주도록 고안되어 있다.
대표적인 비선형 입자가속기로, 중심부에서 시작하여 바깥쪽으로 가면 갈 수록 입자가 가속되는 방식이라 가속기의 크기가 크면 클 수록 더 빠르게 입자를 가속할 수 있다. 물론 그만큼 잡아먹는 전기의 양도 장난이 아니게 된다. 애초에 전자기력을 이용해 입자를 가속시키는 물건인만큼 당연히 전자기로 유도할 수 없는 전하를 띄지 않는 입자는 가속할 수 없다.
대형병원에서도 사용하는데 반감기가 짧아 운반이 곤란한 방사성 동위원소들을 제조하는 데 사용된다.
2. 역사
1932년 어니스트 로런스가 처음 만들었다. 이 물건이 등장하면서 원자 연구에 큰 발판을 마련했고, 사람이 스스로 각종 방사성 동위원소를 분리,합성해낼 수 있게 되었다. 물론 이 기술은 나중에 등장할 원자폭탄연구에도 큰 영향을 끼쳤으며 각국의 사이클로트론 보유 여부는 핵무기 개발의 진척 속도가 완전히 판가름나게 되는 큰 요인이 되었다. 추축국의 경우 독일 본토에는 단 1개, 일본에도 교토대학 이화학연구소에 미완성의 사이클로트론이 있었을 뿐이었다.
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반면 미국에는 1932년 최초의 27인치 사이클로트론에서 시작해 1936년에는 37인치 사이클로트론의 제작에 성공하고 39년에는 60인치급 초대형 사이클로트론을 만들어낸다. 그리고 이 장비들을 이용해 이루어낸 연구 결과는 몇 년 지나지 않아 죽음의 빛을 발하게 된다.
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미국의 60인치급 사이클로트론
3. 발전
사이클로트론은 밴더 그래프 정전발전기의 자리를 빼앗은 입자 가속기였으며, 연구가 진행됨에 따라서 그 한계도 드러내게 되었다. 일단 상대성 이론에 의해 물질이 빛의 속도에 가깝게 가속되면 가속될수록 그 질량이 늘어나게 되는 현상이 있었고, 따라서 사이클로트론 안의 입자 운동 주기가 감소하게 되는 것을 보완한 싱크로사이클로트론(Synchro-cyclotron)이 등장하게 된다.
여기에 선형가속기의 기술을 더해 전자기력의 정밀한 조정을 통해 운동 방향을 안정시켜 기존 방식대로라면 거의 무한히 커질 장치의 크기를 최대한 억제한 싱크로트론(Synchrotron)도 등장하게 되는데, 가장 유명한 것이 스위스에 위치한 LHC다. 세계 최대의 기계 소리를 듣지만, 저게 크기를 줄인다고 줄인 것이다.
[1] 식은 $$f=\dfrac{Bq}{2πm}$$. 다만 입자는 광속에 근접하게 가속되므로 증가하는 질량의 상대적 영향을 고려하면 식이 다음과 같다. $$f=\dfrac{Bq}{2πm_\text{0}}\sqrt{1-\dfrac{v^2}{c^2}}$$