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1. 개요
입자가속기(粒子加速器, particle accelerator)는 전자나 양성자와 같이 전기를 띤 입자를 강력한 전기장이나 자기장 속에서 가속시켜 큰 운동 에너지를 발생시키는 장치이다. CERN이 유명하다.2. 역사
1895년, 독일의 빌헬름 콘라트 뢴트겐이 X선을, 1896년, 프랑스의 앙리 베크렐이 더 보편적인 방사선을 발견한다.1896년~1902년, 영국의 어니스트 러더퍼드와 조지프 존 톰슨이 섬광계수기를 만들어[1], 방사선이 물질에 닿으면 산란한다는 것을 보였다. 알파선, 베타선, 반감기를 차례로 발표하고, 원자의 일부가 붕괴해 나온다는 것을 밝혔다.[2]
1900년 막스 플랑크의 양자역학과 1905년 아인슈타인의 특수 상대성 이론으로, 우주를 기본 입자와 기본 상호작용으로 설명할 수 있다는 표준 모형이 구축되기 시작했다.
1911년, 영국의 찰스 윌슨에 의해 궤적검출기(tracker)[3]인 안개상자가 만들어졌다.[4]
1925년, 노르웨이의 롤프 비데뢰가 입자가속기를 고안하였다. 이를 양성자 회전 목마(proton merry-go-round)라고 이름 붙였다. 강한 상호작용과 약한 상호작용은 두 입자가 가까운 거리일 때만 발생하는데, 두 입자를 가까이 두기 위해 입자를 회전 가속하여 부딪치게 하여 연구하자는 아이디어였다.
1930년, 미국의 어니스트 로런스가 비데뢰의 고안을 바탕으로 사이클로트론을 만들었다. 이는 제2차 세계 대전 시기 원자폭탄 연구로 이어진다.
3. 분류
입자 가속기는 가속 방식과 가속 대상으로 분류할 수 있다. 모두 로런츠 힘 혹은 전기장에 기반하여 가속되나 그 루트와 메커니즘에 약간씩 차이가 존재한다.3.1. 가속 방식에 따른 분류
3.1.1. 고주파(RF) 가속기
3.1.1.1. 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.3.1.1.2. 원형 가속기
가장 초기의 원형 가속기는 사이클로트론이다. 원리는 문서 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.
3.1.2. 정전 가속기
밴더그래프 정전 가속기(Van de Graaff generator)가 대표적인 예로, 사이클로트론 전까진 최고 출력을 자랑했지만, 사이클로트론이 등장하면서 밀려났으나 현재도 중입자 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, 15MeV + 15MeV 해서 총 30MeV를 만들어낼 수 있다. 그래서 대충 금까지 가속질 할수 있다.물론 장난감으로도 그만이다. 현재 테슬라 코일과 마찬가지로 장난감으로 아주 잘 쓰이고 있으며, 정전기를 뱉는다는 특성 때문에 학교나 과학관에서 정전기를 설명할 때 밴더그래프 정전 가속기를 갖고 놀게 하기도 한다.[5] 장난감이긴 하지만 당연히 알파선을 뱉어내기 때문에, 원자력 안전법 시행령에 반ㆍ데 그라프형 가속장치[6]가 방사선 발생장치에 포함되어 있다. 즉, 큰 건 원자력 안전법에 따라야 된다는 것. 정확히는 최대 5 KeV 이하까진 봐준다.
3.1.3. 레이저 가속기
3.1.3.1. 레이저 웨이크필드 가속기
플라즈마 가속기라 부르기도 한다. 기존의 입자 가속 시스템에 비해 훨씬 짧은 거리만으로 입자를 충분히 빠르게 가속시킬 수 있다는 장점이 있다. 그러나 아직 상용화되지는 못했으며, 상용화에 성공한다면 기존의 입자가속기의 한계를 극복할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 따라서 꿈의 가속기라 부르기도 한다.원리는 다음과 같다. 우선 플라즈마 상태의 입자들을 만든다. 플라즈마 상태는 전체적으로 전기적 중성을 띠지만, 여기에 레이저를 통해 강력한 전기장을 걸어주면 전하 분리 현상이 일어난다. 이렇게 (+)와 (-)로 분리된 전하들 사이에는 강한 전기장이 형성되는데 이를 웨이크필드(wakefield)라 부른다. 이 웨이크필드라는 용어는 레이저를 이용하여 플라즈마에 1차적으로 전기장을 걸어준 이후 2차적으로 일어난 전하 분리 현상으로 생겨난 전기장을 마치 앞서가던 필드에 의해 뒤에 생겨난 2차 필드를 "배가 지나간 다음에 생기는 물결(wake)"에 비유한 것이다.[7] 이렇게 형성된 웨이크필드로 인하여 (+)와 (-) 입자들 사이에는 서로 강력한 쿨롱 힘이 작용하는데, 이를 이용하여 입자를 가속시킨다.
3.1.3.2. Target Normal Sheath Acceleration
3.2. 가속 대상에 따른 분류
3.2.1. 양이온 가속기
가속시키는 대상이 양이온인 경우로, 일반적으로 수소 원자를 방전해 전기장으로 양성자만 분리한 후, 유도 전기장을 이용해 가속한다.3.2.2. 중성입자 가속기
이름 그대로 중성입자를 가속시키는 가속기이다. 중성입자는 전기적으로 중성이기 때문에 일반적인 방식으로는 가속이 불가능하다. 따라서 전기적으로 중성이 아닌 다른 입자를 가속시킨 후 표적에 부딪히게 하여 2차적으로 생성된 고속의 중성입자를 이용하거나 양성자를 충분히 가속시킨 후 전자를 양성자에 붙여서 중성입자로 만든다. 핵융합로에는 고에너지 중성입자빔주입(NBI) 시스템이 사용되며, 여기에는 앞서 언급한 내용 중 후자의 기술을 사용한다.3.2.3. 중이온 가속기
가속하는 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)3.2.4. 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 가변시킬 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[8] 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.[9] 그래서 방사광 이용 연구실들의 해외 출장비 예산이 다른 연구실 보다 많이 잡혀있다.
현역 방사광 가속기들은 크게 2,3,4세대가 있는데 이는 전자가 가속되는 경로의 설비 특성으로 구분된다. 대다수의 현역들은 3~3.5세대이다.
위에 언급된 특성들 때문에 운영 스태프건, 이용자건 국제적으로 떠돌아다니는 특성이 있어 유목민 성향이 강하다.[12]
4. 현황
전체 목록은 국문위키 참고.[13]4.1. 전자(방사광) 가속기
| 명칭 | 위치, 연구소 | 비고 |
| ALS | 미국 캘리포니아주, 로렌스 버클리 연구소(LBNL) | 1993년 완공. |
| APS | 미국 일리노이주, 아르곤 연구소(ANL) | Hard X-ray에 특화 |
| SSRL | 미국 캘리포니아주, 스탠포드 대학 | 3세대, 4세대 보유 |
| DLS | 영국 옥스퍼드셔, 러더퍼드 애플턴 연구소(RAL) | |
| SOLEIL | 프랑스 파리 | |
| SPring 8 | 일본 고베, 이화학연구소(RIKEN) | |
| SLS | 스위스 취리히, 파울 쉐러 연구소(PSI) | 3세대, 4세대 보유 |
| ELSA | 독일 본, 본 대학 | |
| PAL[14] | 대한민국 포항, 포항공과대학교 | 1995년 완공. 3세대, 4세대 보유중[15][16] |
| OASIS[17] | 대한민국 청주[18], 한국기초과학지원연구원 | 2028년 완공예정. 다목적방사광가속기. 4세대. |
| HEPS[19] | 중국과학원 고에너지물리연구소(IHEP) | 2025년 완공예정. |
4.2. 양성자 가속기
| 명칭 | 위치, 연구소 | 비고 |
| LAMPF | 미국 뉴멕시코, 로스 앨러모스 연구소(LANL) | 1972년~. |
| LANSCE | 미국 뉴멕시코, 로스 앨러모스 연구소(LANL) | 1972년~. |
| Tevatron | 미국 일리노이, 페르미 국립 가속기 연구소 |
1983년~2011년. |
| ISIS | 영국 옥스포드셔, 러더퍼드 애플턴 연구소(RAL)[20] | 1984년~. 뮤온-뉴트론 실험용으로 다른 가속기들과 목적이 다르다.[21] |
| SINQ | 스위스 취리히, 파울 쉐러 연구소(PSI) | 1997년~. |
| J-PARC | 일본 츠쿠바, 고에너지 가속기 연구소(KEK) | 2008년~. |
| SNS | 미국 테네시, 오크리지 연구소(ORNL) | 2016년~. |
| CSNS | 중국 광저우, 중국과학원(CAS) | 2018년~. |
| KOMAC | 대한민국 경주, 한국원자력연구원(KAERI) | 2018년~. |
4.3. 중이온/중입자 가속기
| 명칭 | 위치, 연구소 | 비고 |
| DESY | 독일 함부르크, 헬름홀츠협회(HANRC) | 1959년~ |
| SIS | 독일 다름슈타트, GSI | 1969년~. 중이온가속기. |
| ISR | 스위스 제네바, CERN | 1971~1984년. |
| SPPS | 스위스 제네바, CERN | 1981~1991년. |
| Nuclotron | 러시아 두브나, 합동원자핵연구소(JINR) | 1987~1992년. |
| RHIC | 미국 뉴욕, 브룩헤븐 연구소(BNL) | 2000년~. |
| LHC | 스위스 제네바, CERN | 2008년~. 입자가속기의 대표격이며 인류 역사상 가장 거대한 실험장치. |
| 기장암센터[22] | 대한민국 부산, 서울대학교병원 | 2025년 예정. 중입자가속기. |
| RAON | 대한민국 대전, 기초과학연구원 | 2027년 예정. 중이온가속기. |
| FCC | 미정, CERN | 2036년 예정. LHC의 다음 버전으로 제안됨. |
| Ring cyclotron | 일본, RCNP | |
| COSY | 독일, FZJ | |
| ISAC | 캐나다, TRIUMF | |
| RIBF | 일본, RIKEN | |
| HIMAC | 일본, NIRS | |
| NSCL | 미국, MSU | |
| JYFL | 핀란드, Jyvaskyla | |
| SPIRAL | 프랑스, GANIL | |
| VIVITRON | 프랑스, IRES | |
| Pelletron/linac | 호주, 호주국립대학교 | |
| REX-ISOLDE | 유럽, CERN | |
| CRC | 벨기에, CRC | |
| PAF | 인도, BARCTIFR |
4.4. 전자-양전자 충돌기
| 명칭 | 위치, 연구소 | 비고 |
| LEP | 스위스 제네바, CERN | 1989년~2000년. |
| KEKB | 일본 츠쿠바, 고에너지 가속기 연구소(KEK) | 1998년~. |
| ILC | 일본 키타카미시[23] | 2028년 예정. 국제선형충돌기. |
5. 용도 및 응용
5.1. 물리학
5.2. 생물학
구조생물학에서 단백질의 구조와 기능, 순간적인 반응 등을 판명한다.5.3. 화학
XRD 등 X선을 이용해야 하는 실험에서 많이 이용되며, 특히 펨토초 단위의 화학 반응을 관측, 판명하는 경우에 사용되고 있다.5.4. 의학
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.6. 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 문서 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 공구다...
Tower Defense Simulator에서 액셀러레이터가 들고 나오는 무기로 등장한다. 공격 전 충전시간(0~4렙 3초, 5렙 2초), 공격 시간 제한, 공격 중 타겟 변경 불가 등의 큰 단점들이 있지만 가성비와 DPS(초당피해량)가 단점들을 다 씹어먹는다. DPS가 만렙기준 286.26으로 인게임 2위다. 게다가 이건 충전 시간과 공격시간 제한, 로블록스 엔진의 한계로 공속이 느려지는 RoF버그 때문에 약해진 수치라 두번째 공격부터는 대미지 50에 공속 0.1초로 500의 DPS로 인게임 1위다. RoF 버그를 포함해도 462.96 DPS로 여전히 압도적 1위다. 여기서 끝이 아니고 과열 시스템(공격을 할수록 대미지가 늘어나며 게이지가 꽉 차면 공격을 멈추고 다시 충전해서 공격한다.)때문에 462.96 DPS를 넘는다 (!). 거기다 사령관의 공속 버프까지 받으면 아예 괴물이 되어버린다. 또, 0렙부터 히든도 감지할 수 있고 납도 뚫을 수 있다.
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[1]
1940년대 독일의 발터 보테가 이를 입자 수를 사람이 세지 않아도 되게끔 더 발전시켰다.
[2]
이는 1800년
존 돌턴의 원자설과 1811년
아메데오 아보가드로의 분자설 중 분자설의 손을 들어준 결과가 되었다.
원자론 문서 참고.
[3]
이외는 에너지검출기(calorimeter)가 있다. 전자 에너지 검출기 (Electromagnetic Calorimeter, E-CAL)와 하드론 에너지 검출기(Hadronic Calorimeter, H-CAL)이 있다.
[4]
1952년 미국의 도날드 글레이저가 '거품상자'로 발전시킨다.
[5]
행사장에 방문한
미스터 빈이
이 장난감 체험을 했다가,
자석 인간으로 변모했다.
[6]
반 데 그라프가 아니라 밴디그라프인게, 네덜란드계 미국 물리학자인 로버트 밴디그래프가 만들었기 때문. 법은 그런거 몰라요
[7]
참고로 레이저 웨이크필드 가속기 외의 일반적인 입자가속기에도 웨이크필드라는 용어가 나온다. 가속된 입자가 발산하는 전기장과 가속관의 상호작용으로 인해 2차적인 잔류 전기장을 생성할 수 있는데, 이를 두고도 웨이크필드라고 부른다. 따라서 앞서가던 입자가 생성한 웨이크필드에 의해 뒤따라오던 입자가 영향을 받을 수 있다. 그런데 일반적인 가속기에서 말하는 웨이크필드는 레이저 웨이크필드 가속기에서 부르는 웨이크필드와 서로 2차적으로 생성된 전기장이라는 공통점이 있으나 생성 원리는 완전히 다르므로 개념적으로 헷갈릴 수 있으니 주의할 필요가 있다.
[8]
일반적인 레이저 설비로 강한 빛을 파장 및 편광까지 바꿔가며 실험하는 것은 극한의 난이도와 예산을 자랑한다. 그래서 공용장비 개념으로 이런 거대 시설을 구축하는 것.
[9]
분야를 막론하고 일단 가속기 시설자체가 국가단위의 기획으로 설비 및 운용되는 시설이라 이용자들 뿐만 아니라 기술자들도 전세계를 떠돌아 다닌다. 어떤 방사광 시설을 가든 포항가속기연구소에서 일했다는 (한국가준)외국인들을 심심치 않게 볼 수 있는게 이 때문.
[10]
특정파장대의 광자를 엄청난 양으로 실험장비에 보낼 수 있다.
[11]
포항 방사광 가속기 연구소의 실적을 뒤져보면 이용실적이 연평균 논문 50편이나 되는 장비도 있는게 이 때문.
[12]
유럽의 경우 이 성향이 더욱 강한데 DLS, SLS, ESRF, SOLEIL, ELETTRA 등 계속 신설하거나 업그레이드하는 방사광 가속기가 존재하기 때문에 전문 스태프들이야 일거리 따라 움직이고 이용자들이야 빔타임 얻는것이 가장 소중한데다 최신 빔라인들이 계속 업데이트 되기때문에 유럽내 비자 자유도까지 겹쳐잘 돌아다닌다.
[13]
또한
일본 Spring8의 참고사이트를 참고. 유난히 일본에 많이 있어 보이는것은 기분 탓이 아니다
[14]
포항가속기연구소. PAL(Pohang Accelerator Laboratory)
[15]
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.
[16]
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...물론 이 말을 그대로 믿으면 곤란하다
#
[17]
4GeV, Ochang Advanced Synchrotron for Industry and Science의 약자이며, 명칭이 아직 확정되지는 않았다.
[18]
2020년 5월
청주시가 입지로 선정되었다.
[19]
6GeV
[20]
위 DLS와 같은 부지.
[21]
RAON도 이를 목표로 하고 있지만 어디까지나 입자충돌 자체가 RAON의 1차적 목표다. 그리고...
이니셜로 오해할 수 있으나 테러단체와 아무 상관이 없다.
[22]
영어 약자는 GCC-HITS(Gijang Cancer Center for Heavy Ion Therapy and Study)
[23]
일본, 유럽
CERN, 미국
페르미 국립 가속기 연구소가 입찰했는데, 일본이 건설비 절반을 내겠다고 하여 유치했다.