목차
1 개요
원자핵, 또는 기본 입자를 가속시키는 장치이나 궁극적으로는 입자의 충돌, 그 관측을 통해 물질의 미세 구조를 관측, 판명하고자 하는 장치이다.
LHC, RHIC, Teratron, 건설중인 ILC 등이 입자 가속기이며 가속, 충돌을 관측하여 힉스 입자 등을 관측하고 물질의 미세 구조, 반응을 판명하고 있다.
2 분류
입자 가속기는 가속 방식과 가속 대상으로 분류할 수 있다.
모두 로렌츠 힘에 기반하여 가속되나 그 루트와 메커니즘에 약간씩 차이가 존재한다.
2.1 선형 가속기
선형 가속기는 가장 기초적인 형태의 입자 가속기이며 가속의 한계가 명확하다는 점 (아무리 높은 전압을 걸어봤자 3*10^6V/m을 초과하면 절연 파괴가 일어난다) 에서 잘 쓰이지는 않는다. 전기장에 의해 가속되며 전압의 타입에 의해 종류가 나뉜다.
2.2 원형 가속기
가장 초기의 원형 가속기는 사이클로트론이다. 원리는 항목 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.
베타트론 도 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.
2.3 양이온 가속기
가속시키는 대상이 양이온인 경우로, 일반적으로 수소 원자를 방전해 전기장으로 양성자만 분리한 후, 유도 전기장을 이용해 가속한다.
2.4 중이온 가속기
가속시키는 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)
2.5 전자 가속기 (방사광 가속기)
가속시키는 대상이 전자인 경우로, 베타트론의 응용으로 간주할 수 있으며 주 목적은 방사광을 이용한 연구이다. 이는 매우 짧은 시간에 이루어지는 반응 메커니즘을 정밀하게 관측할수 있다는 점에서 의외로 생명공학에서 잘 쓰이고 있다.
3 용도 및 응용
3.1 물리학에서의 응용
표준모형의 증명
힉스 입자의 발견
상호작용의 발견
기본 구조의 판명
싱크로트론 복사
3.2 생물학에서의 응용
구조생물학에서 단백질의 구조와 기능, 순간적인 반응 등을 판명한다.
3.3 화학에서의 응용
펨토초 단위의 화학 반응을 관측, 판명하는 경우에 방사광 가속기가 잘 쓰이고 있다.