입자가속기
1. 개요
Particle Accelerator / 粒子加速器
'''입자가속기'''는 원자핵이나 기본 입자를 가속시켜, 충돌시키고 그것을 관측해 물질의 미세 구조를 관찰하고자 하는 장치이다.
롤프 비더뢰가 고안한 것을 로렌스가 실제로 만들면서 탄생했다. 가속, 충돌을 관측하여 힉스 입자 등을 관측하고 물질의 미세 구조, 반응을 판명하는 데 요긴하게 쓰인다.
2. 분류
입자 가속기는 가속 방식과 가속 대상으로 분류할 수 있다. 모두 로렌츠 힘 혹은 전기장에 기반하여 가속되나 그 루트와 메커니즘에 약간씩 차이가 존재한다.
2.1. 가속 방식에 따른 분류
2.1.1. 고주파(RF) 가속기
2.1.1.1. 선형 가속기
선형 가속기는 가장 기초적인 형태의 입자 가속기이며 가속의 한계가 명확하다는 단점(아무리 높은 전압을 걸어봤자 3*10^6V/m을 초과하면 절연 파괴가 일어난다)을 가지고 있다. 일본에 건설 중인 초대형 전자 가속기 ILC(International Linear Collider)가 이름에서 알 수 있듯 선형 가속기이다. 이 외에도 방사선 암 치료를 위해 사용되기도 한다. 선형 가속기는 전기장에 의해 가속되며 전압의 타입에 의해 종류가 나뉜다.
2.1.1.2. 원형 가속기
가장 초기의 원형 가속기는 사이클로트론이다. 원리는 항목 참조. 당연히 위의 방식에 의해서는 반지름이 속력에 비례하게 되어 결국 입자가 원을 빠져나가게 된다. 이러한 단점을 보완하기 위해 싱크로트론, 싱크로사이클로트론이 고안되었다.
구체적으로는, 입자 가속기에서 입자는 보통 광속의 70% 이상의 속도로 가속되면서 관성질량이 커지게 되고, 필요한 궤도의 반지름과 진동수 또한 작아지게 된다. 이를 보안하기 위해 상대론적 진동수로 변환하여 적용하고, 동시에 전기장과 자기장의 세기를 적절히 조절하여 (일반적으로 속력이 커짐에 따라 둘 다 크게 만든다) 사이클로트론의 크기를 한정한 것이 싱크로트론이다. 당연히 싱크로트론의 크기가 크면 클수록 이론적으로는 광속에 더욱 가깝게 가속할 수 있으리라고 기대되고 있다.
베타트론도 있다. 이는 자기장의 변화에 의해 생성되는 유도 전류를 기반으로 전자를 가속시키는 형태의 입자 가속기이다. 이는 매우 초기단계의 입자 가속기로, 철의 자성 한계 등의 문제점이 있어 에너지의 크기가 명확히 한정된다.
2.1.2. 정전 가속기
밴더그래프 정전 가속기(Van de Graaff generator)가 대표적인 예로, 사이클로트론전까진 최고 출력을 자랑했지만, 사이클로트론이 등장하면서 망했어요. 그러나 현재도 입자 가속이라던가 X선, 알파선 생성 등에 사용된다. 물론 이후 한쪽에서는 양전하, 한쪽에서는 음전하만 만드는 탠덤 밴더그래프 정전발전기가 등장하였으나, 그냥 그럭저럭... 미국 브룩헤이븐 국립 연구소에 이 탠덤 밴더그래프 정전발전기가 있는데, 15MV + 15MV 해서 총 30MV를 만들어낼 수 있다.
[image]
물론 장난감으로도 그만이다. 현재 테슬라 코일과 마찬가지로 장난감으로 아주 잘 쓰이고 있으며, 정전기를 뱉는다는 특성 때문에 학교에서 정전기를 설명할 때 밴더그래프 정전 가속기를 갖고 놀게 하기도 한다.
2.1.3. 레이저 가속기
2.1.3.1. 레이저 웨이크필드 가속기
레이저와 플라즈마의 상호작용을 이용하여 전자를 가속시킨다. 플라즈마 가속기라 부르기도 한다.
2.1.3.2. Target Normal Sheath Acceleration
2.2. 가속 대상에 따른 분류
2.2.1. 양이온 가속기
가속시키는 대상이 양이온인 경우로, 일반적으로 수소 원자를 방전해 전기장으로 양성자만 분리한 후, 유도 전기장을 이용해 가속한다.
2.2.2. 음이온 가속기
이름 그대로 음이온을 가속시키는 가속기이다. 상용 핵융합로에 사용될 고에너지 중성입자빔주입(NBI) 용도로 연구개발 중이다.
2.2.3. 중이온 가속기
가속시키는 대상이 중이온인 경우로, 양성자와는 달리 질량이 크므로 가속이 잘 이루어지지 않는다는 점에서 입자의 하전을 증가시켜 가속한다. 하전을 증가시키는 방식은 여러 가지가 있으며, 원리는 양이온 가속기와 같다. (일반적으로 양이온으로 대전한다)
2.2.4. 전자 가속기(방사광 가속기)
전자가 자기장 속을 지날 때 받는 로런츠 힘에 의해 궤도가 휘어지면서 나오는 방사광(접선 방향 빛)을 이용하는 장치이다. 빛의 파장을 가변 시킬 수 있으면서도 강한 빛을 실험장비(저장링의 접선방향으로 광학계가 유도하는 시설을 Branch라고 말하며, "끝에"있는 실험 장비를 Endstation이라고 말한다.)에 전달 할 수 있어서 홈빌트(개별 연구소에서 설비한)시설로 할 수 없는[1] 기초과학, 공학, 의약계열 실험을 진행한다. 특히 하전입자를 가속시켜서 나오는 방사광을 이용해 현미경, 의료 장비 등으로 사용할 수 있다. 이는 가속시키는 대상이 전자인 경우로, 베타트론의 응용으로 간주할 수 있으며 주 목적은 방사광을 이용한 연구이다. 매우 짧은 시간에 이루어지는 반응 메커니즘을 정밀하게 관측할 수 있다는 점에서 생명공학에서 잘 쓰이고 있다.
일단 공용장비 시설이기에 1년에 각 외부 연구책임자 1인당 할당되는 이용시간(Beamtime)이 열흘을 넘기기 쉽지 않으며, 이 때문에 국내 방사광 이용 연구실들의 경우 포항가속기 연구소의 빔타임 만으로는 시간이 부족하기에, 해외방사광 시설에도 실험제안(Proposal)을 보내 빔타임을 추가로 확보하려 든다.[2] 그래서 방사광 이용 연구실들의 해외 출장비 예산이 다른 연구실 보다 많이 잡혀있다. 게다가 대다수의 방사광 실험의 경우 조건만 맞으면 짧은 시간 내에 엄청난 양의 데이터가 양질로 쏟아지기 때문에 [3] [4] 빔타임 하루가 금값보다 귀해지며 발생하는 실험 스트레스가 매우 심하다.
현역 방사광 가속기들은 크게 2,3,4세대로 구분되어 지며 이는 전자가 가속되는 경로의 설비 특성으로 구분되어 진다. 대다수의 현역들은 3~3.5세대의 포지셔닝을 한다. 그리고 알게모르게 방사광 이용 연구실들이 COVID19의 가장 큰 피해를 받은 연구실에 속한다. 일단 공용실험장비라서 이용제한이 걸리기 때문 [실제로]
3. 세계의 가속기
- 방사광을 목적으로 건설된 가속기들
- 포항방사광가속기 - 포항공대 부설 방사광가속기.[5] 포항가속기연구소에서 운영한다. 3세대, 4세대 보유중[6]
- Advanced Light Source - 미국 캘리포니아주 로렌스버클리 연구소[7]에 있는 방사광 가속기, 근처에 유명한 오클랜드가 있다.
- Advanced Photon Source - 미국 일리노이주 Argonne 연구소에 있는 방사광 가속기 위 ALS에 비해 Hard X-ray쪽에 특화된 경향이 있다.
- SSRL - 미국 스텐포드대학이 운영중인 가속기 연구소 3세대, 4세대 보유중
- Diamond Light Source - 영국 Oxfordshire[8]에 위치한 방사광 가속기 연구소
- SOLEIL - 프랑스 파리 근교에 있는 방사광 가속기 연구소
- SPring 8 - 일본 이화학연구소(RIKEN) 소유의 방사광 가속기, 츠쿠바에 있다.
- Paul Scherrer Institute(PSI) - 스위스의 연구소, 3세대 4세대 보유중
- ELSA - 독일 본 대학
- 다목적 방사광가속기 - 2028년부터 운영 예정인 4세대 원형 가속기이다. 건설 후보지로 전라남도 나주시, 충청북도 청주시, 강원도 춘천시, 경상북도 포항시 4곳이 경쟁을 벌여 2020년 5월 청주시가 입지로 선정되었다.
- 풀 리스트는 이 링크를 참고할 것
- 입자충돌실험을 목적으로 건설된 가속기들
- LHC - 스위스 제네바에 위치한 CERN 소관의 인류 역사상 가장 거대한 실험장치.
- RHIC - 미국 소재.
- Tevatron
- ILC - 일본 도호쿠 지역에 건설을 검토중인 선형 가속기이나 유치 대상국 일본을 포함한 각국의 재정 문제로 진척이 더디다.
- KEKB - 일본 소재
- LEP - CERN 소재
- RAON - 건설중. 2021년 말 완공예정.
- - 건설취소
- ISIS(STFC) - 위 방사광 목록에 있는 Diamond Light Source와 같은 부지(Harwell Campus, 영국 Oxfordshire)에 위치한 가속기 시설. 특이한 점은 입자를 충돌 시키는 목적이 여기서 발생되는 뮤온과 뉴트론을 이용한 물리/화학/생명 분야 실험을 하기 위해서다(즉, 위에 나열된 입자 충돌 가속기와 목적이 다르다. 물론 RAON도 이를 목표로 하고 있지만 어디까지나 입자충돌 자체가 RAON의 1차적 목표다). 그리고...이니셜 보고 오해하기 쉬우나, 테러단체와 아무 상관이 없다.
4. 용도 및 응용
4.1. 물리학에서의 응용
4.2. 생물학에서의 응용
구조생물학에서 단백질의 구조와 기능, 순간적인 반응 등을 판명한다.
4.3. 화학에서의 응용
XRD 등 X선을 이용해야 하는 실험에서 많이 이용되며, 특히 펨토초 단위의 화학 반응을 관측, 판명하는 경우에 사용되고 있다.
4.4. 의학에서의 응용
의료용 방사성 동위원소를 만드는 데 입자가속기가 사용되며, 이 때문에 대형 병원이거나 암 치료를 전문으로 하는 병원은 사이클로트론을 보유하기도 한다. 입자가속기로 양성자나 중이온을 가속시킨 뒤 암세포에 쏴서 이를 파괴하여 암을 치료하는 양성자(혹은 중입자) 치료는 이미 유명하다. 한편 꿈의 암 치료법으로 불리는 붕소중성자포획치료(Boron Neutron Capture Therapy, BNCT)에도 입자가속기가 사용된다.
5. 픽션에서
SF나 테크노 픽션에서 자주 나온다. 입자를 가속한다는 왠지 하이테크적 이름 때문에 무지막지한 무기로 전용된다거나 입자가속 실험으로 인해 뭔가 어마어마한 사건이 일어난다는 식이다. 실제 LHC의 입자가속실험으로 블랙홀이 생성돼서 지구가 멸망할 거라면서 이것을 금지해달라는 재판이 걸린 적도 있다. 자세한 내용은 LHC 항목 참조. 일단 반물질이나 입자 빔이라는 단어가 나온다면 입자가속기와 관련이 있는 셈이다. 반물질을 만들려면 입자가속기가 필요하고, 입자 빔이란 입자가속기로 발사하는 입자의 빔이니 말이다.
거대 로봇 아니메인 기동전사 건담에 등장하는 전투 로봇들은 대부분 입자 빔포를 무기로 사용한다.
여담으로 한번 돌릴때마다 온갖 이론과 논문이 증명되거나 부정되며, 새 연구거리가 나오다보니 유사과학 탐구영역에서는 '원형으로 된 레일을 무언가가 한바퀴 돌고나면 누군가의 종이는 휴지조각이 되고, 누군가의 종이는 엄청나게 귀중해지니, 이게 경마랑 다른 게 뭐냐'고 농을 던졌다(...)
라이즈 오브 네이션즈에서 정보화 시대 불가사의로 나오며 작중에서 개사기급 건물이다.
우주 전략 게임인 스텔라리스 자체에는 등장하지 않지만, 초유명 모드 중 하나이자 거대구조물 관련 모드 원탑인 Gigasturctural engineering & More에서 추가해준다. 게임 및 모드의 스케일 답게 '''Stellar''' Particle Accelerator라고 항성 주위를 소형 링월드 형식으로 두르는 우주 거대구조물 버전으로 나온다. 대량의 물리학 연구 산출과 실드 내구도 25% 보너스를 준다.
2019년 프랑스 영화 미립자들에서는 실제 CERN이 있는 지방을 배경으로 입자가속기가 작동하면서 벌어지는 기이한 현상들을 성장물과 섞어서 다루고 있다.
데드 스페이스 시리즈에는 컨택트 빔이라고 하는 소형 입자가속기가 등장한다. 근데 이거, 돌 부수는 용도로 쓰고 소규모 굴착에도 쓸 수 있는 '''공구'''다...
6. 관련 문서
[1] 일반적인 레이저 설비로 강한빛을 파장 및 편광까지 바꿔가며 실험하는 것은 극한의 난이도와 예산을 자랑한다. 그래서 공용장비 개념으로 이런 거대 시설을 구축 하는 것.[2] 분야를 막론하고 일단 가속기 시설자체가 국가단위의 기획으로 설비 및 운요되는 시설이라 이용자들 뿐만 아니라 기술자들도 전세계를 떠돌아 다닌다. 어떤 방사광 시설을 가든 포항가속기연구소에서 일했다는 (한국가준)외국인들을 심심치 않게 볼 수 있는게 이 때문.[3] 특정파장대의 광자를 엄청난 양으로 실험장비에 보낼 수 있다.[4] 포항 방사광 가속기 연구소의 실적을 뒤져보면 이용실적이 '''연평균 논문 50편'''이나 되는 장비도 있는게 이 때문[실제로] 유럽,미주,일본 할 것없이 COVID19 때문에 2~3월 즈음 부터 운영이 사실상 중단 되었으며 여름이 되어서야 COVID19관련 실험을 제외한 다른 빔라인의 운용이 2020년 여름이 지나서야 재개되었다. 그래도 여전히 Remote 실험이라 팬데믹 이전과 비교했을 때 실험 효율이 극악이다.[5] 선형가속기의 전자총 방전을 막으려면 전자총 주변을 금속으로 된 구로 감싸야 했는데, 마땅한 금속 구가 없던 차에 시장에서 스테인리스 요강을 사와 가운데를 드릴로 뚫어 썼더니 완벽하게 작동했다고... #[6] 한국 교과서에선 포항가속기를 세계에서 5번째로 준공된 케이스라고 가르치는데, 이제는 옛말이다. 지난 20년간 세계에 좋은 방사광 시설들이 너무 많이 증가하여 추가적인 가속기연구소 건설 수요가 발생했다. 물론 포항가속기의 3세대 시설은 여전히 좋은 현역 시설이고 4세대는 국제적으로도 최신 시설이다.[7] UC버클리 대학이 있는 그 지역이다.[8] 옥스퍼드 대학이 있는 그 동네다. 물론 거대시설이라 옥스퍼드에 없고...연구소에서 옥스퍼드까진 대중교통으로 1시간 거리다.