가속기의 이용, 장치, 종류, 분류, 특성

가속기란 입자를 가속하여 표적에 충돌시켜 다양한 방사선을 만들기 위한 장치로 다양한 종류의 가속기가 있고 그로 인해 생성된 방사선을 여러 분야에 사용합니다. 이번 글에선 가속기의 이용, 장치, 종류, 분류, 특성에 대해 알아보겠습니다.

 

가속기의 이용, 장치, 종류, 분류, 특성

 

가속기

 

 

가속기는 특정한 경로를 따라 이온의 흐름을 생성하기 위해 고안된 장치로서 먼저 이온을 발생시킨 후 이온에 에너지를 부여하여 점차 에너지를 증가시키기 위해 높은 전압을 걸어줍니다. 가속된 이온빔이 정확하게 표적으로 향하도록 일련의 전자석이 배열, 설치되어 있으며 이온빔이 표적과 반응함에 따라 여러 용도로 사용될 방사선이 방출됩니다.

 

입자가속기는 수 MeV에서 수백만 MeV 정도의 에너지를 가진 하전입자들의 빔을 만들어 냅니다. 이 빔들은 수 mm 크기의 표적에 입사시킬 수도 있습니다. 선원에서 입자가 방출하면 이 입자들은 전기장에서 가속되어 에너지를 얻게 되는데 이때 입사 진행경로는 진공상태가 되어야 합니다. 그 이유는 만약 진공상태가 아닐 경우, 가속된 입자들이 공기 분자와 충돌하면 에너지가 손실되므로 입자가 가속하지 못합니다.

 

따라서 모든 입자가속기는 반드시 입자 소스, 가속 시스템 및 진공펌프를 포함하게 됩니다.

 

 

가속기의 이용

 

 

수년 동안 가속기는 물질의 방사화, 방사선이 재료에 미치는 효과, 아원자 단위에 관한 연구 등 주로 연구 장비로 사용되었지만, 현재는 의료분야와 산업 분야에서도 이용되고 있습니다. 가속기는 산업 분야에서는 식품 살균과 동위원소 생산과 같은 용도 등으로 가속기를 활용하고 있습니다. 또한 가속기는 질병의 진단 및 치료를 위한 방사성동위원소 생산뿐만 아니라 종양이나 환부에 가속기로 하전입자를 직접 조사하여 질병을 치료하기 위해 사용합니다.

 

 

가속기의 장치 및 종류

 

 

가속기의 장치

 

 

진공펌프

 

빔 파이프 내부엔 가속된 이온 지나가며 이곳에 공기가 존재하면 가속된 이온빔과 반응하여 이온빔을 감속하거나, 표적에서 요구되는 반응을 저해하므로 빔이 표적에 효과적으로 도달하려면 빔 파이프 내부가 진공상태로 유지해야 합니다.

 

 

표적(target)

 

가속기에서 빔과 반응을 하는 곳으로 특정 표적에서 가속된 빔의 효과에 관한 연구, 반응이 일어났을 때 표적물질의 물리적 성질 변화에 관한 연구 등을 수행합니다. 또한 빔을 적절한 표적에 충돌시킴으로써 연구, 의료, 산업적 이용에 사용하는 방사선을 만들 수 있습니다.

빔의 잔영 에너지와 반응하는 동안 발생하는 열을 없애기 위하여 빔의 경로 끝에 “빔 덤프 (beam dump)"설비를 설치합니다. 그리고 가속기 운전으로 발생하는 방사학적, 물리적 피해로부터 운전원과 일반인을 보호하기 위해 차폐체를 설치합니다.

 

 

가속기의 종류

 

선형가속기

 

선형가속기에서는 전하를 띤 입자가 가느다란 관 속을 통과하게 되는데 이 관은 적당한 길이로 나누어져 있습니다. 관과 관 사이에는 높은 전압을 가하여 입자가 가속하게 되고, 가속기의 길이가 길수록 큰 에너지를 갖는 입자를 얻을 수 있습니다.

 

 

사이클로트론

 

대개 양성자나 전자가 가속할 때는 입자들이 직선코스를 달리는 선형가속기를 이용하지 않고 곡선 코스를 달리는 사이클로트론이나 싱크로트론을 이용하여 가속합니다. 사이클로트론과 싱크로트론에서 입자가 가속하게 만드는 힘은 전위차입니다. 그러나 빠른 속도로 이동하고 있는 입자의 이동 경로를 원운동으로 만드는 힘을 자기력이라고 합니다. 따라서 사이클로트론과 싱크로트론은 전기력과 자기력을 이용하여 입자가 큰 에너지를 갖게 만드는 장치라고 할 수 있습니다.

 

 

싱크로사이클로트론

 

사이클로트론으로 가속된 입자는 속도가 증가하면서 상대론적 질량 증가로 입자가 반원을 그리는 시간이 길어집니다. 양성자에서 가속 에너지의 최대치는 약 15MeV 정도인데, 이보다 높은 에너지로 입자가 가속하기 위해서는 속도가 증가하면 고주파 가속전압의 주파수가 서서히 감소하는 원리를 이용합니다. 이 원리를 이용해 양성자를 수백 MeV까지 가속할 수 있습니다.

 

 

베타트론(Betatron)

 

베타트론은 전자기유도를 이용해서 상대론적 질량 변화와는 무관하게 전자를 가속하는 장치로 1940년 카스트에 의해 처음 개발되었습니다. 원리는 변압기와 비슷하며, 일반적으로 의료용 기기나 공업용 투과 시험장치로 30MeV 정도까지 가속하게 만들어 사용합니다.

 

 

싱크로트론

 

싱크로트론은 사이클로트론의 에너지 제약을 없애서 높은 에너지를 갖는 입자를 생산하도록 만들어졌습니다. 가속의 원리는 베타트론과 사이클로트론의 두 가속 원리를 병용한 것으로 입자의 속도가 증가함에 따라 입자의 반지름이 커지는 것을 막기 위하여 입자의 속도가 증가함에 따라 자기장의 세기를 증가시킵니다. 이렇게 하면 입자는 같은 반지름을 갖는 원 위에서 운동을 계속하여 커다란 극판이 필요 없이 가속되는 입자가 지나가는 길인 가는 관을 원형으로 설치할 수 있습니다.

 

 

Cockcroft-Walton 형 가속기

 

Cockcroft와 Walton이 1932년 처음으로 가속입자에 의한 핵변환에 성공했을 때 사용한 장치입니다. 다른 발생장치와 비교해서 강한 이온전류가 얻어지는 장점이 있으며 전자를 가속하게 할 수도 있습니다.

 

 

Van de Graff 형 가속기

 

전하를 띤 입자를 가속하게 하는 방법 중에서 가장 간단한 방법은 정전압을 사용하는 것이지만 이 방법으로는 높은 전압을 얻을 수 없습니다. 반데 그래프형 가속기에서는 절연 벨트를 사용하여 전하를 띤 입자를 가속하게 할 수 있습니다. 이 방법으로 전자나 양성자와 같은 하전입자를 수 MeV까지 가속하게 만들 수 있습니다.

 

 

방사광가속기

 

원형 가속기에선 상대론적 효과에 의해 입자의 에너지가 점점 커질수록 강력한 전자파가 발생합니다. 이 원리를 이용해 제1세대의 방사광가속기가 만들어졌습니다.

방사광가속기는 전자총에서 나온 전자를 빛의 속도에 가깝게 가속하게 만드는 선형가속기와 가속된 전자를 원형궤도에 저장하면서 2극 전자석이나 삽입 장치를 통과할 때마다 방사광을 방출시키는 저장 링, 그리고 저장 링에서 방출된 빛을 실험 장소까지 유도해 실험을 수행하는 방사광 관으로 구성됩니다.

 

방사광을 이용하여 각종 물질의 원자, 분자 수준에서의 미세구조 규명을 할 수 있습니다. 또한 산업과 직결되는 재료과학, 신약, 폴리머, 촉매 등의 개발을 위한 첨단 연구에 활용할 수 있습니다.

 

 

가속기의 분류 및 특성

 

 

정전형 가속 방식

 

 

높은 전압을 만들어, 하전입자를 단숨에 최종에너지까지 가속하는 방식으로 공진 변압기, Cockcroft-Walton 형 가속기, 반데 그래프형 가속기 등이 있습니다.

 

 

고주파 가속 방식

 

 

저주파의 전압으로 인해 입자가 반복적으로 가속하여 점차 에너지를 올려 최종 에너지까지 가속하는 방식으로 선형가속기(LINAC) 등이 있으며, 자기장을 이용하여 입자를 원형으로 가속하게 만드는 방법으로는 사이클로트론이 있습니다.

 

 

유도 가속 방식

 

 

교류 자기장에 의한 전자유도를 이용하는 방식으로 베타트론이 있습니다.

 

 

가속기와 관련된 방사선

 

 

즉발방사선(prompt radiation)

 

 

전구의 빛과 같이 가속기 빔이 동작할 때만 발생하고 전원을 끄면 더 이상 발생하지 않는 방사선으로 가속기의 종류에 따라 X선, 중성자 그리고 이 원자 입자가 발생할 수 있습니다.

 

 

유도 방사선(induced radiation)

 

 

유도 방사선은 중성자가 존재할 때 가속기 근처에 있는 물질이 방사능을 띄게 되어 발생합니다. 유도 방사선을 방출하는 원소는 주로 가속기 시설의 공기에 존재하고 방사능을 방출하는 산소, 질소, 탄소, 아르곤이 있습니다. 만약 콘크리트를 이용해 차폐한다면 방사능을 방출하는 나트륨이 관측할 수 있습니다. 오래된 가속기에서는 방사성 코발트와 그 밖에 금속재료와 연관된 방사성 핵종을 관측할 수 있습니다.

 

 

방사선방호 관점에서 중요한 방사선

 

 

가속기의 가동을 중단하였을 때도 유도 방사선은 발생합니다. 하지만 유도 방사선을 방출하는 방사성 핵종 대부분은 반감기가 매우 짧기에 운전원이 가동을 중단한 후 가속기 시설 내부로의 출입을 자제하면 방사선장의 세기가 상당히 감소하게 됩니다. 하지만 주변의 금속재료에서 유도된 방사능도 고려해야 합니다.