가속기( 하전입자를 전기의 힘으로 끌어당겨 더 빠르게 만드는 기계)
가속기( 하전입자를 전기의 힘으로 끌어당겨 더 빠르게 만드는 기계)
전기를 가진 전자나 양성자, 혹은 원자에서 몇 개의 전자를 떼어낸 양이온 등을 하전입자라고 부른다.
이런 하전입자를 전기의 힘으로 끌어당겨 더 빠르게 만드는 기계를 가속기라고 한다.
여기에서는, 우선 에너지란 무엇인가,
에너지는, 여러가지 형태로 유지되고 있습니다.
예를 들어 공을 던졌을때 공은 팔에서 에너지를 받아 날아갑니다.
이 때, 공은 운동의 에너지를 가지고 있는 동시에, 중력에 의해 아래로 떨어지는 것을 알 수 있듯이, 중력아래에서의 위치에너지를 가지고 있습니다.
공은 날고 있는 동안에도 그 질량은 변하지 않지만, 볼 자체의 질량(무게)이 있고, 질량 에너지를 가지고 있다고 합니다.
공을 던지는 것에서 공이 날아가 어딘가로 떨어질 때까지 쭉 에너지의 총합은 변화하지 않습니다.
이것을 에너지 보존칙이라고 합니다.
그런데 입자가속기라는 것은 입자에 운동에너지를 주고 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 얻어 속도가 높아집니다.
이것은 위 그림과 같이 두 전극판으로 전장을 만들어 음전하를 가진 전자를 구멍으로 전장에 넣으면 양의 전극판을 향해 끌어당깁니다.
이때 전자는 가속되어 속도를 높여 양의 전극으로 향합니다.
이때 전자의 운동에너지는 전장안에서의 위치에너지가 운동에너지로 바뀐 것입니다.
전극간의 전압이 1볼트 때 전자가 얻는 에너지를 1전자볼트라고 합니다.
1 전자 볼트=1 eV=1.602×10-19 줄
이처럼 하전입자는 전장 안에서 전장에서 에너지를 받아 속도를 높인다.
이것이 가속기의 원리입니다.
가속기의 세계에서 에너지는 위의 전자 볼트로 표현합니다.
거기서, 에너지의 단위의 호칭을 나타냅니다.
1 eV = 1 전자 볼트
1keV = 1킬로 전자 볼트 = 103 eV : 1000 전자볼트
1 MeV = 1 메가 전자 볼트 = 106 eV : 100만 전자 볼트
1GeV = 1기가 전자 볼트 = 109 eV : 10억 전자 볼트
1 TeV = 1 테라 전자 볼트 = 1012 eV : 1조 전자 볼트
1 PeV = 1 페타 전자 볼트 = 1015 eV : 1000조 전자볼트
일상 생활 속에서도 가속기는 사용되고 있습니다.
대표적으로 TV와 PC의 디스플레이용 브라운관이자 음극에서 전자가 약 2만 볼트의 전위차 속에서 가속되며 20keV의 에너지를 가진 전자빔으로 브라운관의 발광면을 두드림으로써 빛을 내고 있습니다.
입자를 가속하기 위한 전장을 어떻게 마련하느냐에 따라 각종 가속기가 개발되어 왔습니다.
그 첫 번째는 1932년 콕크로프트(John D. Cockcroft), 워르톤(Ernest T.S. Walton)에 의해 만들어진 다단의 배전압 정류회로에 의해 만들어진 700kV(킬로볼트)의 고전압 발생장치에 의한 것이었습니다.
입자는 700keV(킬로전자볼트)의 에너지에까지 가속됩니다.
가속전압을 거는 방법과 입자빔의 취급에 따라 다음과 같은 대표적인 가속기의 종류가 있습니다.
콕크로프트 워르톤형 가속기 (양자, 이온) 정전장 직선 2~4 MeV
반데그래프형 가속기 (양자, 이온) 정전장 직선 10 MeV
사이클로트론 (양자, 이온) 고주파 나선 수십 MeV
베타트론(전자) 고주파 원 수십 MeV
싱크로트론 (전자, 양자, 이온) 고주파 원1 TeV
선형가속기(전자, 양성자) 고주파 직선 수십 GeV
게다가 가속된 빔을 어떻게 사용하는가 하는 점에서 링 안에서 전자빔을 축적해서 나오는 빛을 실험에 사용하는 방사광 실험용 가속기라든지 입자끼리 정면충돌시키는 충돌빔형 가속기(콜라이더) 등이 있습니다.
