가속도원리와 종류에 대해서

가속도원리와 종류에 대해서

가속도를 알기전에 우선 에너지란 무엇인가?

에너지는, 여러가지 형태로 유지되고 있습니다.

예를 들면 공을 던졌을 때, 공은 팔에서 에너지를 받아 날아갑니다.

이 때 공은 운동의 에너지를 가지고 있는 동시에 중력에 의해 아래로 떨어지는 것으로 알 수 있듯이 중력 아래에서의 위치 에너지를 가지고 있습니다.

공은 날고 있는 동안에도 그 질량은 변하지 않지만 볼 자신의 질량(무게)이 있고, 질량 에너지를 가지고 있다고 합니다.

공을 던지는 곳부터 공이 날아가 어딘가에 떨어질 때까지 계속 에너지의 총합은 변화하지 않습니다.

이것을 에너지 보존칙이라고 합니다.

그런데, 입자가속기라고 하는 것은, 입자에 운동 에너지를 주어 속도를 올리기 위한 장치입니다.

입자를 빛의 속도 근처까지 가속하여 높은 에너지 상태로 만드는 것이 고에너지 가속기입니다.

입자의 가속에는, 전장을 이용합니다.

전하를 가진 입자는 전장 안에서 에너지를 받아 속도가 높아집니다.

이것은 오른쪽 그림과 같이 두 개의 전극판에 의해 전장을 만들고 음전하를 가진 전자를 구멍에서 전장에 넣으면 양의 전극판을 향해 당겨집니다.

이 때, 전자는 가속되어 속도를 올려 정의 전극으로 향합니다.

이 때 전자의 운동 에너지는 전장 안에서의 위치 에너지가 운동 에너지로 바뀐 것입니다.

전극간의 전압이 1볼트일 때 전자가 얻는 에너지를 1전자볼트라고 합니다.

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1 전자 볼트=1 eV=1.602×10-19 joul

이와 같이, 대전 입자는, 전장 안에서, 전장으로부터 에너지를 받아, 속도를 올린다.

이것이 가속기의 원리입니다.

가속기의 세계에서는 에너지는 위의 전자 볼트로 표현합니다.

거기서, 에너지의 단위의 호칭을 나타냅니다.

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1eV=1전자볼트

1keV=1킬로 전자 볼트 103eV:1000전자볼트

1MeV=1메가 전자 볼트 106 eV:100만 전자볼트

1GeV=1기가 전자 볼트 109 eV:10억 전자볼트

1TeV=1테라 전자 볼트 ==1012 eV: 1조 전자 볼트

1PeV=1페타 전자 볼트 == 1015eV: 1000조 전자볼트

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일상생활에서도 가속기는 사용되고 있습니다.

대표적으로 텔레비전이나 PC의 디스플레이용 브라운관으로, 음극으로부터의 전자가 약 2만 볼트의 전위차속에서 가속되어, 20 keV의 에너지를 가진 전자 빔으로서 브라운관의 발광면을 두드림으로써, 빛을 내고 있습니다.

입자를 가속하기 위한 전장을 어떻게 마련하느냐에 따라 각종 가속기가 개발돼 왔습니다.

그 첫 번째는 1932년 콕크로프트(John D. Cockcroft), 월튼(Ernest T.S. Walton)에 의해 만들어진 다단 배전압 정류회로에 의해 만들어진 700kV(킬로볼트)의 고전압 발생장치에 의한 것이었습니다.

입자는 700 keV(킬로 전자 볼트)의 에너지까지 가속됩니다.

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가속전압을 거는 방법과 입자빔의 취급에 따라 다음과 같은 대표적인 가속기의 종류가 있습니다.

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가속기의 종류(가속입자) 가속 전장 빔 궤도 에너지 영역

콕크로프트

월튼형 가속기

(요오코, 이온) 정전기장 직선 2~4MeV

반데그라프형 가속기

(요오코, 이온) 정전장 직선 10MeV

사이클로트론

(요오코, 이온) 고주파 나사선 수십 MeV

베타트론(전자) 고주파 원 수십 MeV

싱크로트론

(전자, 양성자, 이온) 고주파 원 1TV

선형가속기(전자, 양성자) 고주파 직선 수십 GeV

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또한 가속된 빔을 어떻게 사용하느냐에 따라 링 안에서 전자빔을 축적하여 나오는 빛을 실험에 사용하는 방사광 실험용 가속기나 입자끼리 정면충돌시키는 충돌 빔형 가속기(콜라이더) 등이 있습니다.

스마트계측기 (smartinst.co.kr)

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