핵융합 / 가속기 기술 가속기 원리이해
가속기 원리이해

개요

빛은 자연의 신비를 밝히는 과학의 가장 중요한 도구이다. 먼 은하계로부터 세포, 분자, 원자의 세계까지 즉, 우주를 볼 수 있는 열쇠이다. 이러한 빛은 과학적으로 말해서 질량이 없는 입자의 흐름으로 보는 입자와 동시에 공간을 통해 전파하는 전자파의 이중성을 가진다.

일상 생활에서 우리 주위의 물체를 볼 수 있게 하는 가시광선(전자파 중에서 사람의 눈에 보이는 범위의 파장)은 쉽게 만들 수 있고 또 쉽게 감지할 수 있다. 태양, 전등과 불은 가시광선을 만드는 대표적인 예이다. 눈을 통해 가시광선을 볼 수 있고 사진필름으로 그것을 탐지할 수 있다. 그러나 전자파로 알려진 우주에 있는 빛의 전 영역 중에서 가시광선은 아주 작은 부분으로 구성되어 있다. 눈으로 볼 수 있는 파장의 범위는 사람에 따라 다소 차이가 있으나, 대체로 380~770 ㎚이다. 또 대기를 통해서 지상에 도달하는 태양복사의 광량은 가시광선 영역이 가장 많다.

단색광일 때 700 ~ 610 ㎚는 빨강, 610 ~ 590 ㎚는 주황, 590 ~ 570 ㎚는 노랑, 570 ~ 500 ㎚는 초록, 500 ~ 450 ㎚는 파랑, 450 ~ 400 ㎚는 보라색 으로 보인다. 빨강보다 파장이 긴 빛을 적외선, 보라보다 파장이 짧은 빛을 자외선이라고 한다. 적외선 쪽으로는 마이크로파, 라디오파가 있고 자외선 쪽으로는 X-선과 감마선이 있다. (그림 1 참조). 이러한 영역의 빛은 우리 눈으로 볼 수 없고 특별한 장치가 있어야 볼 수 있다. 각 영역은 빛이 통과하고 물질과 상호작용 하는 정도를 결정하는 파장과 광자에너지 범위를 가진다.

포항방사광가속기는 우리 나라 최초의 '거대과학'(Big Science)의 출현이다. 세계는 소위 말하는 거대규모의 연구를 바탕으로 하는 거대과학의 출현으로 개인이나 작은 집단에 의해서 수행되던 연구가 수십, 수백 명의 과학자가 연구팀을 짜서 서로 협동해서 연구하는 식으로 발전하여 왔다. 우리나라에서도 단군 역사이래 단일 프로젝트로서는 규모가 가장 큰 포항 방사광 가속기를 완공하여 운영함으로써 세계와 어깨를 나란히 할 수 있을 뿐만 아니라 포항 방사광 가속기가 과학의 메카의 역할을 담당하게 되었다. 포항 방사광 가속기는 주로 적외선에서부터 X-선 영역의 빛을 만들도록 설계되었는데, 다음과 같은 이유로 이 빛은 아주 유용하다.

방사광은 가시광선으로는 투과할 수 없는 물질을 투과할 수 있다. 예를 들면 병원에서 사용하는 X-선은 가시광선으로는 투과할 수 없는 피부나 근육을 투과하여 뼈의 형상을 얻을 수 있다. 특히, 차세대 방사광 X-선은 뛰는 심장을 찍을 수 있다. 심장의 운동과 근육의 미세한 진동을 동영상으로 촬영할 수 있을 뿐더러 해상도는 1,000분의1 ㎛(마이크로미터) 단위로 초음파보다 1,000배나 뛰어나다.

포항방사광가속기에서 나오는 방사광 파장의 영역은 10-7 ~ 10-10 m의 파장영역을 가진다. 이 영역의 빛으로는 고체의 원자구조, 분자 및 중요한 생물학적 구조를 탐구할 수 있다. 원자, 분자와 단백질의 크기뿐만 아니라 화학결합의 길이와 결정의 원자면 사이의 최소거리가 이 영역이다.

광자에너지로는 10~10,000 전자볼트 (1 전자볼트는 전자 한 개를 1볼트만큼 가속시키는데 드는 에너지)이다. 이 에너지 영역은 원자, 분자, 고체, 그리고 생물학계에 있는 많은 전자들의 결합에너지를 포함한다. 그래서 원자에 의해 흡수될 때 한 개의 광자는 원자로부터 한 개의 전자를 분리시키거나 다른 광자를 방출한다. 이러한 전자나 광자를 검출하여 분석함으로서 과학자들은 시료의 성질을 알게된다.

발생원리

방사광(synchrotron radiation)은 상대성 운동을 하는 가벼운 하전입자(charged particle)가 운동방향에 대하여 횡방향(transverse)으로 가속을 받으면 발생된다, 즉 저장링에서 전자(electron)나 양성자(positron)가 2극 자장(휨자석)에 노출되면 횡방향의 가속을 받아 궤도가 휘면서 발생된다. 방사광 가속기는 일반적으로 전자총(pre-injector), 선형가속기(linear accelerator) 또는 가속링(booster)과 같은 가속부와 저장링(SR: storage ring)으로 이루어 져있다.

선형가속기 및 입사관

선형가속기의 시작점에서 전자총에 의해서 전자를 발생시키고 가속관을 통하여 고출력 고주파 발생장치를 이용하여 전자를 빛의 속도로 가속한다.

선형가속기 끝단에서 빛의 속도에 도달한 전자는 전송관(BTL: beam transfer line)과 입사장치(injection system)을 통해서 저장링에 입사된다.

저장링

저장링에 입사된 전자를 저장링의 진공파이프 내에서 연속으로 회전시켜 위에서 설명한 메커니즘에 의해서 방사광을 만든다.

저장링은 전자의 궤도를 원형으로 만들어주고 (횡방향의 가속을 담당) 궤도를 조절하는 전자석들과 초고진공의 환경을 제공하는 진공장치, 방사광의 방사로 잃은 에너지를 보충해주는 고주파 공명장치(RF cavity) 등과 각종 제어장치들로 구성되어 있다.

3세대 광을 만드는 삽입장치

포항가속기연구소는 3세대 가속기로 방사광 이용만 목적으로 개발된 것이다. 2극 휨자석은 전자의 궤도를 유지하기 위한 것으로 오늘날의 첨단 연구에 필요로 하는 광을 제공하는데 제약이 있다. 즉 2극 전저석은 궤도 유지 및 조절이 우선이다. 따라서 삽입장치라는 특수한 자석을 저장링의 직선구간에 설치하여 2극 전저석이 가진 제약을 극복하고 매우 질이 우수한 방사광을 만든다.

삽입장치는 크게 엔둘레이터(undulator)와 위글러(wiggler)로 구분한다. 2극 전자석은 N-S가 한쌍인데 비하여 삽입장치는 N-S를 여러 쌍을 번갈아서 배치하여 뱀이 운동하는 것처럼 전자를 흔들어 구부러진 산과 골에서 방사광을 발생시켜 빛을 더 밝게 한다.

또 자기장의 세기를 높여서 방사광의 에너지를 높여 주기도 한다. 삽입장치로부터 발생한 방사광은 휨자석의 그것에 비하여 더 밝고 에너지가 높으며 광의 크기가 작아서 집속의 효과가 높다.