선형입자가속기

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1. 개요

선형 입자 가속기는 전하를 띤 입자를 가속하는 장치로, 1924년 구스타프 아이징에 의해 처음 제안되었다. 롤프 비데로는 1927년 아이징의 아이디어를 실험적으로 구현했으며, 제2차 세계 대전 이후 루이스 월터 알바레즈는 고주파 발진기를 사용하여 공진 공동 드리프트 튜브 선형 가속기를 개발했다. 1950년대에는 강력한 집중 원리가 개발되어 선형 가속기의 성능이 향상되었으며, 1970년에는 무선 주파수 사중극자(RFQ) 가속 구조가 제안되었다. 1960년대부터 초전도 무선 주파수 공동을 이용한 가속 기술이 연구되었으며, 현재 유도 선형 가속기, 에너지 회수 선형 가속기(ERL), 콤팩트 선형 충돌기(CLIC) 등 다양한 개념이 개발되고 있다. 선형 가속기는 의료용 동위원소 생산 등 다양한 분야에 응용된다.

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선형입자가속기
개요
간단한 선형 입자 가속기의 다이어그램
종류	입자 가속기
하위 종류	무선 주파수 가속기
설명
선형 입자 가속기	(linear particle accelerator, linac)는 입자를 직선 경로로 가속시키는 입자 가속기의 한 종류이다.
작동 원리	선형 가속기는 고정된 전기장을 사용하는 정전기 가속기(예: 코크로프트-월턴 가속기 또는 반 데 그라프 가속기)와 달리, 일련의 진동하는 전기장 또는 무선 주파수 구조를 사용하여 입자에 추진력을 제공한다.
역사
최초 아이디어	1924년 구스타프 이싱이 제안했다.
최초 작동 가속기	1928년 롤프 비데뢰에가 제작했다.
개발 배경	더 높은 에너지로의 필요성 증대
초기 한계	제한된 가속 횟수와 낮은 에너지 한계
발전	마이크로파 기술 발전과 함께 발전
작동 방식
가속 원리	입자는 일련의 인가된 전압 또는 고주파 전력에 의해 가속된다.
구성 요소	표류관 캐비티 공진기 유전체 로드 구조
유형	이온 선형 가속기 전자 선형 가속기
응용 분야
의학	방사선 치료 및 의료용 동위원소 생산
산업	비파괴 검사 및 방사선 조사
연구	입자 물리학 실험
예시	SLAC (스탠퍼드 선형 가속기 센터)
주요 선형 가속기 시설
SLAC	스탠퍼드 선형 가속기 센터 미국 원래 길이:
장점
높은 에너지	다단계 가속으로 높은 에너지 수준 달성
제어 용이성	빔 매개변수에 대한 정밀한 제어
높은 빔 강도	높은 입자 빔 강도 제공
단점
크기	높은 에너지 가속기에는 긴 구조가 필요
비용	건설 및 유지 관리에 비용이 많이 듦

2. 역사

1924년, 구스타프 아이징은 일련의 가속 간극을 사용하는 선형 입자 가속기에 대한 최초의 설명을 발표했다.^[5] 입자들은 일련의 튜브를 따라 이동하며, 정기적인 주파수에서 각 간극에 가속 전압이 가해진다. 아이징은 이 설계를 성공적으로 구현하지 못했다.^[5]

롤프 비데로는 1927년에 아이징의 논문을 발견하고, 박사 학위 논문의 일부로 88인치 길이의 2개 간극 버전의 장치를 만들었다.^[6] 그는 25kV 진공관 발진기를 사용하여 나트륨과 칼륨 이온을 50,000 전자볼트(50 keV)의 에너지로 가속시키는 데 성공했다.^[6] 비데로는 동일한 전압 소스를 사용하여 입자를 여러 번 가속함으로써 무선 주파수(RF) 가속의 유용성을 입증했다.^[6]

제2차 세계 대전 이후, 루이스 알바레즈는 새로 개발된 고주파 발진기를 사용하여 최초의 공진 공동 드리프트 튜브 선형 가속기를 설계했다.^[7] 알바레즈 선형 가속기는 RF 전력이 입자가 통과하는 전체 공진 챔버에 가해지고, 중앙 튜브는 발진기 위상의 감속 부분 동안 입자를 보호하는 데 사용된다는 점에서 비데로 유형과 다르다.^[7] 1947년에 알바레즈의 첫 번째 선형 가속기가 31.5 MeV의 양성자 에너지를 달성했다.^[7]

비데로의 선형 가속기 개념. RF 소스의 전압은 입자들을 간극 사이에서 보호하는 일련의 튜브에 연결된다.

초기 알바레즈형 선형 가속기는 빔을 집중시키는 강력한 메커니즘이 없어 길이와 에너지에 제한을 받았다. 1950년대 초 강력한 집중 원리의 개발로 인해 드리프트 튜브 내부에 집중 사중극 자석이 설치되어 더 길고 더 강력한 선형 가속기가 가능해졌다.^[8] CERN과 브룩헤이븐 국립 연구소에서 강력한 집중 자석이 있는 알바레즈 선형 가속기의 초기 예 중 두 개가 제작되었다.^[8]

1947년, 윌리엄 한센은 스탠퍼드 대학교에서 최초의 진행파 전자 가속기를 제작했다.^[9] 전자는 양성자보다 훨씬 가볍기 때문에 가속 과정 초기에 광속에 가까운 속도를 달성한다. 1947년 가속기의 에너지는 6 MeV였다.^[10]

선형 가속기가 더 높은 빔 전류로 개발됨에 따라, 자기장을 사용하여 양성자 및 중이온 빔을 집중시키는 것은 가속기의 초기 단계에서 어려움을 제시했다. 1970년, 소련 물리학자 I. M. Kapchinsky와 블라디미르 테플랴코프는 무선 주파수 사중극자(RFQ) 유형의 가속 구조를 제안했다.^[12]

1960년대부터 스탠퍼드와 다른 곳의 과학자들은 입자 가속을 위해 초전도 무선 주파수 공동의 사용을 탐구하기 시작했다.^[13] 니오븀 합금으로 만들어진 초전도 공동은 훨씬 더 효율적인 가속을 가능하게 한다.^[14] 가장 초기의 초전도 선형 가속기 중 일부는 스탠퍼드의 초전도 선형 가속기(전자의 경우)^[14]와 아르곤 국립 연구소의 아르곤 탄뎀 선형 가속기 시스템(양성자 및 중이온의 경우) 아르곤 국립 연구소가 있다.^[15]

2. 1. 초기 역사

1924년, 구스타프 아이징은 일련의 가속 간극을 사용하는 선형 입자 가속기에 대한 최초의 설명을 발표했다.^[5] 입자들은 일련의 튜브를 따라 이동하며, 정기적인 주파수에서 각 간극에 가속 전압이 가해진다. 아이징은 이 설계를 성공적으로 구현하지 못했다.^[5]

롤프 비데로는 1927년에 아이징의 논문을 발견하고, 박사 학위 논문의 일부로 88인치 길이의 2개 간극 버전의 장치를 만들었다.^[6] 그는 25kV 진공관 발진기를 사용하여 나트륨과 칼륨 이온을 50,000 전자볼트(50 keV)의 에너지로 가속시키는 데 성공했다.^[6] 비데로는 동일한 전압 소스를 사용하여 입자를 여러 번 가속함으로써 무선 주파수(RF) 가속의 유용성을 입증했다.^[6]

제2차 세계 대전 이후, 루이스 알바레즈는 새로 개발된 고주파 발진기를 사용하여 최초의 공진 공동 드리프트 튜브 선형 가속기를 설계했다.^[7] 알바레즈 선형 가속기는 RF 전력이 입자가 통과하는 전체 공진 챔버에 가해지고, 중앙 튜브는 발진기 위상의 감속 부분 동안 입자를 보호하는 데 사용된다는 점에서 비데로 유형과 다르다.^[7] 1947년에 알바레즈의 첫 번째 선형 가속기가 31.5 MeV의 양성자 에너지를 달성했다.^[7]

초기 알바레즈형 선형 가속기는 빔을 집중시키는 강력한 메커니즘이 없어 길이와 에너지에 제한을 받았다. 1950년대 초 강력한 집중 원리의 개발로 인해 드리프트 튜브 내부에 집중 사중극 자석이 설치되어 더 길고 더 강력한 선형 가속기가 가능해졌다.^[8] CERN과 브룩헤이븐 국립 연구소에서 강력한 집중 자석이 있는 알바레즈 선형 가속기의 초기 예 중 두 개가 제작되었다.^[8]

1947년, 윌리엄 한센은 스탠퍼드 대학교에서 최초의 진행파 전자 가속기를 제작했다.^[9] 전자는 양성자보다 훨씬 가볍기 때문에 가속 과정 초기에 광속에 가까운 속도를 달성한다. 1947년 가속기의 에너지는 6 MeV였다.^[10]

선형 가속기가 더 높은 빔 전류로 개발됨에 따라, 자기장을 사용하여 양성자 및 중이온 빔을 집중시키는 것은 가속기의 초기 단계에서 어려움을 제시했다. 1970년, 소련 물리학자 I. M. Kapchinsky와 블라디미르 테플랴코프는 무선 주파수 사중극자(RFQ) 유형의 가속 구조를 제안했다.^[12]

1960년대부터 스탠퍼드와 다른 곳의 과학자들은 입자 가속을 위해 초전도 무선 주파수 공동의 사용을 탐구하기 시작했다.^[13] 니오븀 합금으로 만들어진 초전도 공동은 훨씬 더 효율적인 가속을 가능하게 한다.^[14] 가장 초기의 초전도 선형 가속기 중 일부는 스탠퍼드의 초전도 선형 가속기(전자의 경우)^[14]와 아르곤 탄뎀 선형 가속기 시스템(양성자 및 중이온의 경우) 아르곤 국립 연구소가 있다.^[15]

2. 2. 강력한 집중과 RFQ

1924년, 구스타프 아이징은 일련의 가속 간극을 사용하는 선형 입자 가속기에 대한 최초의 설명을 발표했지만, 이 설계를 성공적으로 구현하지는 못했다.^[5] 1927년, 롤프 비데로는 아이징의 논문을 바탕으로 88인치 길이의 2개 간극 버전의 장치를 만들어 무선 주파수(RF) 가속의 유용성을 입증했다.^[6]

제2차 세계 대전 이후, 루이스 월터 알바레즈는 고주파 발진기를 사용하여 공진 공동 드리프트 튜브 선형 가속기를 설계했다. 알바레즈 선형 가속기는 RF 전력이 전체 공진 챔버에 가해지고 중앙 튜브는 발진기 위상의 감속 부분 동안 입자를 보호하는 데 사용된다는 점에서 비데로 유형과 다르다. 1947년에 알바레즈의 첫 선형 가속기는 31.5 MeV의 양성자 에너지를 달성했다.^[7]

초기 알바레즈형 선형 가속기는 강력한 집중 메커니즘이 없어 길이에 제한을 받았다. 1950년대 초 강력한 집중 원리가 개발되면서 드리프트 튜브 내부에 집중 사중극 자석을 설치하여 더 길고 강력한 선형 가속기를 만들 수 있게 되었다. CERN과 브룩헤이븐 국립 연구소에서 강력한 집중 자석이 있는 알바레즈 선형 가속기의 초기 예를 제작했다.^[8]

1970년, 소련 물리학자 I. M. Kapchinsky와 블라디미르 테플랴코프는 무선 주파수 사중극자(RFQ) 가속 구조를 제안했다. RFQ는 공진 공동 내에서 정밀하게 설계된 모양의 베인 또는 로드를 사용하여 복잡한 전계를 생성하여 주입된 입자 빔에 동시 가속 및 집중을 제공한다.^[12]

2. 3. 초전도 선형 가속기

1960년대부터 스탠퍼드 대학교를 비롯한 여러 연구소의 과학자들은 입자 가속에 초전도 무선 주파수 공동을 사용하는 방법을 연구하기 시작했다.^[13] 니오븀 합금으로 만들어진 초전도 공동은 가속 효율을 크게 높여, 투입된 전력의 상당 부분을 열 손실이 아닌 빔 가속에 사용할 수 있게 한다.

초전도 선형 가속기의 초기 사례로는 스탠퍼드 대학교의 초전도 선형 가속기(전자 가속용)^[14]와 아르곤 국립 연구소의 아르곤 탄뎀 선형 가속기 시스템(양성자 및 중이온 가속용)^[15]이 있다.

2. 4. 한국의 선형 가속기 개발

구스타프 아이징은 1924년 일련의 가속 간극을 사용하는 선형 입자 가속기에 대한 최초의 설명을 발표했지만, 성공적으로 구현하지는 못했다.^[5] 롤프 비데로는 1927년 아이징의 논문을 바탕으로 88인치 길이의 2개 간극 버전 장치를 만들어 무선 주파수(RF) 가속의 유용성을 입증했다.^[6]

제2차 세계 대전 이후, 루이스 월터 알바레즈는 새로 개발된 고주파 발진기를 사용하여 최초의 공진 공동 드리프트 튜브 선형 가속기를 설계했다. 1947년에 31.5 MeV의 양성자 에너지를 달성했다.^[7] 1950년대 초 강력한 집중 원리 개발로 드리프트 튜브 내부에 집중 사중극 자석을 설치하여 더 길고 강력한 선형 가속기가 가능해졌다. CERN과 브룩헤이븐 국립 연구소에서 강력한 집중 자석이 있는 알바레즈 선형 가속기를 제작했다.^[8]

1947년, 윌리엄 한센은 스탠퍼드 대학교에서 최초의 진행파 전자 가속기를 제작했다. 전자는 가속 과정 초기에 광속에 가까운 속도를 달성하여, 가속되는 전자의 에너지가 증가하지만 일정한 속도를 갖는 것으로 간주할 수 있다. 한센은 디스크에 의해 적재된 수평 도파관으로 구성된 가속 구조를 사용했다. 1947년 가속기의 에너지는 6 MeV였으며, SLAC 국립 가속기 연구소에서의 전자 가속은 50 GeV의 출력 에너지로 확장되었다.^[9]^[10]

1970년, 소련 물리학자 I. M. Kapchinsky와 블라디미르 테플랴코프는 무선 주파수 사중극자(RFQ) 가속 구조를 제안했다. RFQ는 공진 공동 내에서 정밀하게 설계된 베인 또는 로드를 사용하여 복잡한 전계를 생성하여 주입된 입자 빔에 동시 가속 및 집중을 제공한다.^[12]

1960년대부터 초전도 무선 주파수 공동 사용을 탐구하기 시작했다.^[13] 니오븀 합금으로 만들어진 초전도 공동은 훨씬 더 효율적인 가속을 가능하게 한다. 초기 초전도 선형 가속기 중 일부는 스탠퍼드의 초전도 선형 가속기(전자의 경우)^[14]와 아르곤 국립 연구소의 아르곤 탄뎀 선형 가속기 시스템(양성자 및 중이온의 경우)이 있다.^[15]

3. 작동 원리

== 작동 원리 ==

=== 무선 주파수 (RF) 가속 ===

전하를 띤 입자가 전자기장 안에 놓이면, 로렌츠 힘 법칙에 의해 힘을 받는다.^[16]

: $\vec{F} = q \vec{E} + q \vec{v} \times \vec{B}$

여기서 $q$ 는 입자의 전하량, $\vec{E}$ 는 전기장, $\vec{v}$ 는 입자 속도, $\vec{B}$ 는 자기장이다. 자기장 항의 외적은 정적 자기장이 입자 가속에 사용될 수 없음을 의미하는데, 자기력은 입자 운동 방향에 수직으로 작용하기 때문이다.^[16]

절연 파괴로 인해 전기장을 생성하기 위해 간극에 가할 수 있는 최대 상수 전압이 제한되므로, 대부분의 가속기는 어떤 형태의 RF 가속을 사용한다. RF 가속에서 입자는 일련의 가속 영역을 통과하며, 각 영역을 통과할 때 입자가 가속 전기장을 볼 수 있도록 전압원에 의해 구동된다. 이러한 유형의 가속에서 입자는 필연적으로 전기장이 의도된 가속 방향을 가리키는 발진기 주기의 부분에 해당하는 "묶음"으로 이동해야 한다.^[17]

단일 진동 전압원을 사용하여 일련의 간극을 구동하는 경우, 입자의 속도가 증가함에 따라 해당 간극은 점점 더 멀리 떨어져 있어야 한다. 이는 입자가 각 간극에 도달할 때 발진기 주기의 동일한 위상을 "보도록" 하기 위함이다. 입자가 점근적으로 빛의 속도에 접근함에 따라 간극 간격은 일정해진다. 추가로 가해지는 힘은 입자의 에너지를 증가시키지만, 속도는 크게 변경하지 않는다.

=== 집중 (Focusing) ===

강초점의 발견으로, 사중극 자석을 사용하여 기준 경로에서 벗어나는 입자를 능동적으로 되돌린다. 사중극 자석은 한 횡방향에서는 초점을 맞추고 수직 방향에서는 초점을 벗어나게 하므로, 양 방향에서 전반적인 초점 효과를 제공하기 위해 자석 그룹을 사용해야 한다. 입자가 가속기를 이탈하지 않도록 하기 위해서는, 중앙 궤도에서 벗어나는 입자를 의도된 경로로 되돌리는 일종의 초점이 필요하다.

3. 1. 무선 주파수 (RF) 가속

전하를 띤 입자가 전자기장 안에 놓이면, 로렌츠 힘 법칙에 의해 힘을 받는다.^[16]

:

\vec{F} = q \vec{E} + q \vec{v} \times \vec{B}

여기서

q

는 입자의 전하량,

\vec{E}

는 전기장,

\vec{v}

는 입자 속도,

\vec{B}

는 자기장이다. 자기장 항의 외적은 정적 자기장이 입자 가속에 사용될 수 없음을 의미하는데, 자기력은 입자 운동 방향에 수직으로 작용하기 때문이다.^[16]

절연 파괴로 인해 전기장을 생성하기 위해 간극에 가할 수 있는 최대 상수 전압이 제한되므로, 대부분의 가속기는 어떤 형태의 RF 가속을 사용한다. RF 가속에서 입자는 일련의 가속 영역을 통과하며, 각 영역을 통과할 때 입자가 가속 전기장을 볼 수 있도록 전압원에 의해 구동된다. 이러한 유형의 가속에서 입자는 필연적으로 전기장이 의도된 가속 방향을 가리키는 발진기 주기의 부분에 해당하는 "묶음"으로 이동해야 한다.^[17]

단일 진동 전압원을 사용하여 일련의 간극을 구동하는 경우, 입자의 속도가 증가함에 따라 해당 간극은 점점 더 멀리 떨어져 있어야 한다. 이는 입자가 각 간극에 도달할 때 발진기 주기의 동일한 위상을 "보도록" 하기 위함이다. 입자가 점근적으로 빛의 속도에 접근함에 따라 간극 간격은 일정해진다. 추가로 가해지는 힘은 입자의 에너지를 증가시키지만, 속도는 크게 변경하지 않는다.

3. 2. 집중 (Focusing)

강초점의 발견으로, 사중극 자석을 사용하여 기준 경로에서 벗어나는 입자를 능동적으로 되돌린다. 사중극 자석은 한 횡방향에서는 초점을 맞추고 수직 방향에서는 초점을 벗어나게 하므로, 양 방향에서 전반적인 초점 효과를 제공하기 위해 자석 그룹을 사용해야 한다. 입자가 가속기를 이탈하지 않도록 하기 위해서는, 중앙 궤도에서 벗어나는 입자를 의도된 경로로 되돌리는 일종의 초점이 필요하다.

4. 구성 요소

선형 입자 가속기는 다음과 같은 구성 요소로 이루어져 있다.

진공 챔버: 가속되는 입자가 공기 분자와 충돌하지 않도록 진공 펌프로 비워져 있는 속이 빈 직선형 관이다. 길이는 용도에 따라 다르며, 짧게는 0.5~1.5 미터에서 길게는 수천 미터까지 다양하다.^[18]^[19]^[20]
입자원: 챔버의 한쪽 끝에서 가속할 전하 입자를 생성한다. 전자는 냉음극, 열음극, 광음극, 무선 주파수 이온 소스를, 양성자는 이온 소스를 사용하며, 더 무거운 입자는 특수 이온 소스가 필요하다. 자체 고전압 공급 장치를 통해 입자를 빔라인에 주입한다.^[21]
원통형 전극: 소스에서부터 파이프를 따라 뻗어 있는 일련의 열린 원통형 전극들(C1, C2, C3, C4)로, 소스에서 멀어질수록 길이가 점차 증가한다. 전극의 길이는 구동 전원의 주파수와 전력, 가속될 입자에 의해 결정된다. 입자의 질량은 원통형 전극의 길이에 큰 영향을 미치는데, 예를 들어 전자는 양성자보다 훨씬 가볍기 때문에 일반적으로 매우 빠르게 가속되므로 훨씬 작은 단면의 원통형 전극이 필요하다.
표적: 가속된 입자가 충돌하는 표적으로, 전자를 가속하여 X선을 생성하는 경우에는 수냉식 텅스텐 표적이 사용된다. 양성자나 다른 핵을 가속할 때는 조사 목적에 따라 다양한 표적 재료가 사용된다. 표적 뒤에는 입자 검출기가 설치된다.
전자 발진기 및 증폭기: 원통형 전극에 고전위의 무선 주파수 교류(AC) 전압을 생성하여 입자를 가속하는 전기장을 만든다. 인접한 전극에는 반대 위상 전압이 적용되며, 고출력 가속기는 각 전극에 별도의 증폭기를 사용하여 동일한 주파수로 동기화한다.

세계에서 두 번째로 강력한 선형 가속기인 스탠퍼드 선형 가속기 (SLAC)의 3.2km 빔 튜브를 덮고 있는 건물. 약 80,000개의 가속 전극이 있으며 50 GeV까지 전자를 가속할 수 있다.

교대로 원통형 전극에 적용되는 진동 전압은 반대 극성(180° 위상차)을 가지므로, 인접한 전극은 반대 전압을 갖는다. 이는 각 전극 쌍 사이의 간극에 진동하는 전기장(E)을 생성하여 입자가 통과할 때 힘을 가해 에너지를 전달, 가속시킨다. 입자원에서 전압의 각 주기마다 한 번씩 첫 번째 전극에 입자 그룹을 주입하며, 이때 전극의 전하는 입자의 전하와 반대이다. 입자 묶음이 전극을 통과할 때마다 진동 전압이 극성을 변경하므로, 입자가 전극 사이의 간극에 도달하면 전기장이 입자를 가속하는 올바른 방향으로 향한다. 따라서 입자는 전극 사이를 통과할 때마다 더 빠른 속도로 가속된다. 전극 내에는 전기장이 거의 없으므로 입자는 각 전극 내에서 일정한 속도로 이동한다.

입자는 각 간극을 교차할 때 전극 간의 진동 전압 차이가 최대가 되도록 적절한 시간에 주입된다. 전극 사이에 적용되는 최대 전압이

V_p

볼트이고, 각 입자의 전하가

q

기본 전하인 경우, 입자는 각 간극을 통과할 때

qV_p

전자볼트의 에너지 증가분을 얻는다. 따라서 입자의 출력 에너지는

E = qNV_p

전자볼트이며, 여기서

N

은 기계의 가속 전극 수이다.

250px은 호주 싱크로트론의 선형 가속기를 둘러싸고 있으며, 전자 빔을 집속하는 데 사용된다.]]

광속에 가까운 속도에서는 속도 증분 증가가 작아지며, 에너지는 입자의 질량 증가로 나타난다. 이때 관형 전극 길이는 거의 일정하게 유지된다. 빔이 파이프와 전극 중앙에 유지되도록 자기 또는 정전 렌즈 소자가 포함될 수 있으며, 매우 긴 가속기는 레이저 빔에 의해 유도되는 서보 시스템을 사용하여 구성 요소의 정밀한 정렬을 유지할 수 있다.

많은 선형 가속기는 싱크로트론 및 저장 링과 같은 더 큰 입자 가속기의 초기 가속 단계 역할을 한다.

5. 개발 중인 개념

2021년 현재, 다양한 새로운 개념들이 개발 중에 있다. 주요 목표는 선형 가속기의 비용을 절감하고, 빔의 초점을 개선하며, 더 높은 에너지 또는 더 높은 빔 전류를 얻는 것이다.

'''유도 선형 가속기'''

유도 선형 가속기는 베타트론과 같이 시간 변화하는 자기장에 의해 유도된 전기장을 가속에 사용한다. 입자 빔은 고전류 펄스에 의해 자화되고 차례로 빔 방향의 축을 따라 전기장 강도 펄스를 생성하는 일련의 고리 모양의 페라이트 코어를 통과한다.^[22] 유도 선형 가속기는 전자의 짧은 고전류 펄스뿐만 아니라 중이온에도 사용되는 것으로 간주된다.^[22] 이 개념은 니콜라스 크리스토필로스의 연구로 거슬러 올라간다.^[23] 이는 더 적합한 페라이트 재료 개발의 진전에 크게 의존한다. 전자의 경우, 최대 5 MeV의 에너지와 20~300 나노초 범위의 펄스 지속 시간에서 최대 5킬로암페어의 펄스 전류가 달성되었다.^[24]

'''에너지 회수 선형 가속기 (ERL)'''

이전의 전자 선형입자가속기에서는 가속된 입자가 한 번만 사용된 후 흡수기(''빔 덤프'')로 보내져 잔여 에너지가 열로 변환되었다. 에너지 회수 선형 가속기(ERL)에서는 가속된 입자가 공명기에서, 예를 들어 언듈레이터에서 사용된다. 사용된 전자는 가속기를 다시 통과하며 180도 위상차를 갖는다. 따라서 감속 단계에서 공명기를 통과하여 나머지 에너지를 다시 전계에 반환한다. 이 개념은 제동 시 방출된 운동 에너지를 배터리 충전을 통해 다음 가속에 사용할 수 있게 하는 자동차의 하이브리드 드라이브와 유사하다.

브룩헤븐 국립 연구소와 "bERLinPro" 프로젝트를 진행하는 헬름홀츠-젠트룸 베를린은 해당 개발 작업에 대해 보고했다. 베를린 실험 가속기는 초전도 니오브 공동 공명기를 사용한다. 2014년에는 ERL을 기반으로 하는 세 개의 자유 전자 레이저가 전 세계적으로 가동되었다. 제퍼슨 연구소(미국), 부드커 핵물리학 연구소(러시아), JAEA(일본)이다.^[25] 마인츠 대학교에서는 MESA라는 ERL이 2024년에 가동될 예정이다.^[26]

'''콤팩트 선형 충돌기 (CLIC)'''

콤팩트 선형 충돌기(CLIC)는 1 테라전자볼트(TeV) 정도의 에너지를 위한 진행파 가속기를 제공하는 전자 및 양전자 가속기 개념이다.^[27] 가속 전력을 생성하기 위해 일반적으로 필요한 수많은 클라이스트론 증폭기 대신, 더 낮은 에너지를 가진 두 번째 병렬 전자 선형 가속기를 사용하며, 이는 정상파가 형성되는 초전도 공동에서 작동한다. 고주파 전력은 정기적인 간격으로 추출되어 주 가속기로 전송된다. 이러한 방식으로 80 MV/m의 매우 높은 가속 전장 강도를 달성해야 한다.

'''키엘펠트 가속기 (플라스마 가속)'''

공동 공진기에서 유전 강도는 특정 거리 내에서 달성할 수 있는 최대 가속도를 제한한다. 이 한계는 키엘펠트 가속기에서 가속 전파를 플라스마에서 사용하여 가속장을 생성함으로써 우회할 수 있다. 레이저 또는 입자 빔은 플라스마에서 진동을 유발하며, 이는 매우 강한 전기장 강도와 관련이 있다. 이는 훨씬 더 (100~1000배) 소형 선형입자가속기를 건설할 수 있음을 의미한다. 금속 증기 플라스마에서 고출력 레이저를 사용하는 실험에 따르면 빔 라인 길이를 수십 미터에서 몇 cm로 줄이는 것이 가능하다.

'''소형 의료용 가속기'''

LIGHT 프로그램(영상 유도 하드론 치료용 선형 가속기)은 기존 가속기 기술을 최적화하고 중첩하여 의료용으로 양성자를 200MeV 정도로 수십 미터 거리에서 가속할 수 있는 설계를 만들고자 한다.^[28] 현재 설계(2020)는 50kVdC에서 주입되어 약 5MeV의 묶음으로 가속하는 고주파 사중극자관(RFQ) 단계, 5Mev에서 약 40MeV까지 가속하는 측면 결합 드리프트관 선형 가속기(SCDTL), 최종적으로 출력을 200-230MeV까지 올리는 셀 결합 선형 가속기(CCL) 단계를 위해 실용적인 최고 묶음 주파수(현재 약 3 GHz)를 사용한다.^[28] 각 단계는 빔 에너지 축적 동안 근접 결합과 동시 작동을 허용하도록 최적화된다.^[28]

이 프로젝트의 목표는 기존 방사선 치료의 대안으로서 양성자 치료를 더 접근하기 쉬운 주류 의학으로 만드는 것이다.^[28]

5. 1. 유도 선형 가속기

유도 선형 가속기는 베타트론과 같이 시간 변화하는 자기장에 의해 유도된 전기장을 가속에 사용한다. 입자 빔은 고전류 펄스에 의해 자화되고 차례로 빔 방향의 축을 따라 전기장 강도 펄스를 생성하는 일련의 고리 모양의 페라이트 코어를 통과한다.^[22] 유도 선형 가속기는 전자의 짧은 고전류 펄스뿐만 아니라 중이온에도 사용되는 것으로 간주된다.^[22] 이 개념은 니콜라스 크리스토필로스의 연구로 거슬러 올라간다.^[23] 이는 더 적합한 페라이트 재료 개발의 진전에 크게 의존한다. 전자의 경우, 최대 5 MeV의 에너지와 20~300 나노초 범위의 펄스 지속 시간에서 최대 5킬로암페어의 펄스 전류가 달성되었다.^[24]

5. 2. 에너지 회수 선형 가속기 (ERL)

이전의 전자 선형입자가속기에서는 가속된 입자가 한 번만 사용된 후 흡수기(''빔 덤프'')로 보내져 잔여 에너지가 열로 변환되었다. 에너지 회수 선형 가속기(ERL)에서는 가속된 입자가 공명기에서, 예를 들어 언듈레이터에서 사용된다. 사용된 전자는 가속기를 다시 통과하며 180도 위상차를 갖는다. 따라서 감속 단계에서 공명기를 통과하여 나머지 에너지를 다시 전계에 반환한다. 이 개념은 제동 시 방출된 운동 에너지를 배터리 충전을 통해 다음 가속에 사용할 수 있게 하는 자동차의 하이브리드 드라이브와 유사하다.

브룩헤븐 국립 연구소와 "bERLinPro" 프로젝트를 진행하는 헬름홀츠-젠트룸 베를린은 해당 개발 작업에 대해 보고했다. 베를린 실험 가속기는 초전도 니오브 공동 공명기를 사용한다. 2014년에는 ERL을 기반으로 하는 세 개의 자유 전자 레이저가 전 세계적으로 가동되었다. 제퍼슨 연구소(미국), 부드커 핵물리학 연구소(러시아), JAEA(일본)이다.^[25] 마인츠 대학교에서는 MESA라는 ERL이 2024년에 가동될 예정이다.^[26]

5. 3. 콤팩트 선형 충돌기 (CLIC)

콤팩트 선형 충돌기(CLIC)는 1 테라전자볼트(TeV) 정도의 에너지를 위한 진행파 가속기를 제공하는 전자 및 양전자 가속기 개념이다.^[27] 가속 전력을 생성하기 위해 일반적으로 필요한 수많은 클라이스트론 증폭기 대신, 더 낮은 에너지를 가진 두 번째 병렬 전자 선형 가속기를 사용하며, 이는 정상파가 형성되는 초전도 공동에서 작동한다. 고주파 전력은 정기적인 간격으로 추출되어 주 가속기로 전송된다. 이러한 방식으로 80 MV/m의 매우 높은 가속 전장 강도를 달성해야 한다.

5. 4. 키엘펠트 가속기 (플라스마 가속)

공동 공진기에서 유전 강도는 특정 거리 내에서 달성할 수 있는 최대 가속도를 제한한다. 이 한계는 키엘펠트 가속기에서 가속 전파를 플라스마에서 사용하여 가속장을 생성함으로써 우회할 수 있다. 레이저 또는 입자 빔은 플라스마에서 진동을 유발하며, 이는 매우 강한 전기장 강도와 관련이 있다. 이는 훨씬 더 (100~1000배) 소형 선형입자가속기를 건설할 수 있음을 의미한다. 금속 증기 플라스마에서 고출력 레이저를 사용하는 실험에 따르면 빔 라인 길이를 수십 미터에서 몇 cm로 줄이는 것이 가능하다.

5. 5. 소형 의료용 가속기

LIGHT 프로그램(영상 유도 하드론 치료용 선형 가속기)은 기존 가속기 기술을 최적화하고 중첩하여 의료용으로 양성자를 200MeV 정도로 수십 미터 거리에서 가속할 수 있는 설계를 만들고자 한다.^[28] 현재 설계(2020)는 50kVdC에서 주입되어 약 5MeV의 묶음으로 가속하는 고주파 사중극자관(RFQ) 단계, 5Mev에서 약 40MeV까지 가속하는 측면 결합 드리프트관 선형 가속기(SCDTL), 최종적으로 출력을 200-230MeV까지 올리는 셀 결합 선형 가속기(CCL) 단계를 위해 실용적인 최고 묶음 주파수(현재 약 3 GHz)를 사용한다.^[28] 각 단계는 빔 에너지 축적 동안 근접 결합과 동시 작동을 허용하도록 최적화된다.^[28]

이 프로젝트의 목표는 기존 방사선 치료의 대안으로서 양성자 치료를 더 접근하기 쉬운 주류 의학으로 만드는 것이다.^[28]

6. 장점 및 단점

선형 가속기는 발명 당시 사용되던 정전 입자 가속기(콕크로프트-월튼 가속기 및 반데그라프 발전기)보다 더 높은 입자 에너지를 생산할 수 있었다. 정전 입자 가속기에서는 입자가 인가된 전압에 의해 한 번만 가속되었으므로, 전자 볼트 단위의 입자 에너지는 기계의 가속 전압과 같았고, 절연 파괴로 인해 수백만 볼트로 제한되었다. 반면 선형 가속기에서는 입자가 인가된 전압에 의해 여러 번 가속되므로 입자 에너지가 가속 전압에 의해 제한되지 않는다.

고출력 선형 가속기는 싱크로트론 복사를 통해 에너지를 잃게 되므로, 원호로 이동하는 빠른 전자가 필요하므로 상대론적 속도로 전자를 생산하기 위해 개발되고 있다. 이것은 주어진 크기의 싱크로트론에서 전자에 부여할 수 있는 최대 전력을 제한한다. 선형 가속기는 또한 엄청난 출력을 낼 수 있어 거의 연속적인 입자 흐름을 생성하는 반면, 싱크로트론은 주기적으로 입자를 표적에 "발사"할 가치가 있을 만큼 충분한 에너지로만 올린다. 출력의 높은 밀도는 선형 가속기를 입자 대 입자 충돌을 준비하기 위해 입자를 저장 링 시설에 로드하는 데 특히 매력적으로 만든다. 높은 질량 출력은 또한 일반적으로 얻기 어렵고 표적의 충돌 생성물의 작은 일부에 불과한 반물질 입자를 생산하는 데에도 이 장치를 실용적으로 만든다.

Goodwin Steel Castings Ltd의 선형 가속기를 사용하여 X-레이를 받고 있는 강철 주조물

선형입자가속기는 장치의 길이 때문에 설치 장소가 제한된다. 다수의 구동 장치와 관련 전원 공급 장치가 필요하여 건설 및 유지 보수 비용이 증가한다. 가속 공동의 벽이 통상적인 전도성 재료로 만들어지고 가속장이 클 경우, 벽 저항으로 인해 전기에너지가 빠르게 열로 변환된다. 초전도체 또한 임계 온도 이하로 유지하기 위해 지속적인 냉각이 필요하며, 가속장은 퀀칭에 의해 제한된다. 따라서, SLAC와 같이 에너지 수준이 높은 가속기는 짧은 펄스로 작동하며, 평균 전류 출력을 제한하고 실험 검출기가 짧은 버스트로 들어오는 데이터를 처리하도록 강제한다.

6. 1. 장점

선형 가속기는 발명 당시 사용되던 정전 입자 가속기(콕크로프트-월튼 가속기 및 반데그라프 발전기)보다 더 높은 입자 에너지를 생산할 수 있었다. 정전 입자 가속기에서는 입자가 인가된 전압에 의해 한 번만 가속되었으므로, 전자 볼트 단위의 입자 에너지는 기계의 가속 전압과 같았고, 절연 파괴로 인해 수백만 볼트로 제한되었다. 반면 선형 가속기에서는 입자가 인가된 전압에 의해 여러 번 가속되므로 입자 에너지가 가속 전압에 의해 제한되지 않는다.

고출력 선형 가속기는 싱크로트론 복사를 통해 에너지를 잃게 되므로, 원호로 이동하는 빠른 전자가 필요하므로 상대론적 속도로 전자를 생산하기 위해 개발되고 있다. 이것은 주어진 크기의 싱크로트론에서 전자에 부여할 수 있는 최대 전력을 제한한다. 선형 가속기는 또한 엄청난 출력을 낼 수 있어 거의 연속적인 입자 흐름을 생성하는 반면, 싱크로트론은 주기적으로 입자를 표적에 "발사"할 가치가 있을 만큼 충분한 에너지로만 올린다. 출력의 높은 밀도는 선형 가속기를 입자 대 입자 충돌을 준비하기 위해 입자를 저장 링 시설에 로드하는 데 특히 매력적으로 만든다. 높은 질량 출력은 또한 일반적으로 얻기 어렵고 표적의 충돌 생성물의 작은 일부에 불과한 반물질 입자를 생산하는 데에도 이 장치를 실용적으로 만든다.

6. 2. 단점

선형입자가속기는 장치의 길이 때문에 설치 장소가 제한된다. 다수의 구동 장치와 관련 전원 공급 장치가 필요하여 건설 및 유지 보수 비용이 증가한다. 가속 공동의 벽이 통상적인 전도성 재료로 만들어지고 가속장이 클 경우, 벽 저항으로 인해 전기에너지가 빠르게 열로 변환된다. 초전도체 또한 임계 온도 이하로 유지하기 위해 지속적인 냉각이 필요하며, 가속장은 퀀칭에 의해 제한된다. 따라서, SLAC와 같이 에너지 수준이 높은 가속기는 짧은 펄스로 작동하며, 평균 전류 출력을 제한하고 실험 검출기가 짧은 버스트로 들어오는 데이터를 처리하도록 강제한다.

7. 현대적 개념

선택된 가속 전압의 주파수가 높을수록, 주어진 속도의 입자는 경로 길이당 더 많은 개별 가속 추력을 경험하게 되며, 따라서 가속기의 전체 길이는 짧아질 수 있다. 이것이 입자 에너지를 높이기 위한, 특히 고주파를 향한 가속기 기술 발전의 이유이다.

1950년대부터 사용된 선형 가속기 개념 (기술적으로는 가속기 구조라고 자주 불림)은 약 100 MHz에서 수 기가헤르츠(GHz) 범위의 주파수에서 작동하며, 전자기파의 전기장 성분을 사용한다.

에너지가 수 MeV를 넘어서면 이온 가속기는 전자를 위한 가속기와는 다르다. 그 이유는 입자 간의 질량 차이가 크기 때문이다. 전자는 수 MeV에서 이미 광속이라는 절대 속도 제한에 가깝다. 상대론적 역학에 의해 설명된 대로 추가 가속을 받으면 거의 에너지와 운동량만 증가한다. 반면에, 이 에너지 범위의 이온의 경우, 속도 또한 추가 가속으로 인해 상당히 증가한다.

오늘날 ''이온''에 사용되는 가속 개념은 항상 적절한 공진기에서 형성되는 전자기 정재파를 기반으로 한다. 입자 유형, 에너지 범위 및 기타 매개변수에 따라 매우 다양한 유형의 공진기가 사용된다. ''전자''는 수 MeV 이상에서 정재파를 사용하여 가속할 수도 있다. 그러나 여기서는 유리한 대안으로 진행파, 즉 진행파가 있다. 위상 속도는 진행파의 입자 속도와 거의 같아야 한다. 따라서 이 기술은 입자가 거의 광속에 가까워 속도가 거의 증가하지 않을 때만 적합하다.

1940년대부터 고주파 발진기와 전력 증폭기, 특히 클라이스트론의 개발은 이 두 가지 가속 기술에 필수적이었다. 정재파를 사용하는 최초의 대형 선형 가속기(양성자용)는 루이스 월터 알바레즈의 지휘하에 1945/46년에 로렌스 버클리 국립 연구소에서 건설되었다. 사용된 주파수는 200MHz였다. 약 2GHz의 진행파를 사용하는 최초의 전자 가속기는 조금 늦게 스탠퍼드 대학교에서 W.W. Hansen과 동료들에 의해 개발되었다.^[29]

두 그림에서 곡선과 화살표는 입자에 작용하는 힘을 나타낸다. 전기장 벡터의 올바른 방향, 즉 힘의 올바른 방향을 가진 지점에서만 입자는 파동으로부터 에너지를 흡수할 수 있다.

7. 1. 정재파 및 진행파

에너지가 수 MeV를 넘어서면 이온 가속기는 전자를 위한 가속기와는 다르다. 그 이유는 입자 간의 질량 차이가 크기 때문이다. 전자는 수 MeV에서 이미 광속이라는 절대 속도 제한에 가깝다. 상대론적 역학에 의해 설명된 대로 추가 가속을 받으면 거의 에너지와 운동량만 증가한다. 반면에, 이 에너지 범위의 이온의 경우, 속도 또한 추가 가속으로 인해 상당히 증가한다.

오늘날 ''이온''에 사용되는 가속 개념은 항상 적절한 공진기에서 형성되는 전자기 정재파를 기반으로 한다. 입자 유형, 에너지 범위 및 기타 매개변수에 따라 매우 다양한 유형의 공진기가 사용된다. ''전자''는 수 MeV 이상에서 정재파를 사용하여 가속할 수도 있다. 그러나 여기서는 유리한 대안으로 진행파, 즉 진행파가 있다. 위상 속도는 진행파의 입자 속도와 거의 같아야 한다. 따라서 이 기술은 입자가 거의 광속에 가까워 속도가 거의 증가하지 않을 때만 적합하다.

1940년대부터 고주파 발진기와 전력 증폭기, 특히 클라이스트론의 개발은 이 두 가지 가속 기술에 필수적이었다. 정재파를 사용하는 최초의 대형 선형 가속기(양성자용)는 루이스 월터 알바레즈의 지휘하에 1945/46년에 로렌스 버클리 국립 연구소에서 건설되었다. 사용된 주파수는 200MHz였다. 약 2GHz의 진행파를 사용하는 최초의 전자 가속기는 조금 늦게 스탠퍼드 대학교에서 W.W. Hansen과 동료들에 의해 개발되었다.^[29]

입자 묶음의 가속 원리

두 그림에서 곡선과 화살표는 입자에 작용하는 힘을 나타낸다. 전기장 벡터의 올바른 방향, 즉 힘의 올바른 방향을 가진 지점에서만 입자는 파동으로부터 에너지를 흡수할 수 있다.

8. 응용

몰리브덴-99의 예상 부족 현상과, 여기서 얻을 수 있는 테크네튬-99m 의료용 동위원소의 부족 현상은, 중성자 충격을 통해 비농축 우라늄에서 몰리브덴-99를 생산하는 선형 가속기 기술에도 주목하게 했다.^[31] 이는 의료용 동위원소 산업이 이 중요한 동위원소를 아임계 공정을 통해 제조할 수 있게 해준다. 예를 들어, 현재까지도 고농축 우라늄으로부터 대부분의 몰리브덴-99를 생산하는 캐나다 온타리오 주의 초크 리버 연구소와 같은 노후 시설을 이 새로운 공정으로 대체할 수 있다. 이러한 방식으로, 중수에 용해된 질산 우라닐을 아임계 상태로 로딩한 후, 광 중성자 충격 및 표적 생성물인 몰리브덴-99의 추출이 이루어진다.^[31]

9. 더불어민주당 관점에서의 주요 인물 및 사건

참조

_[1] 학술지 Prinzip einer Methode zur Herstellung von Kanalstrahlen hoher Voltzahl
_[2] 학술지 Über Ein Neues Prinzip Zur Herstellung Hoher Spannungen 1928-12-17
_[3] 컨퍼런스 A brief history and review of accelerators CERN Accelerator School 1994
_[4] 서적 Challenges and goals for accelerators in the XXI century https://www.worldsci[...] World Scientific 2016
_[5] 서적 Lawrence and His Laboratory: A History of the Lawrence Berkeley Laboratory, Volume I http://ark.cdlib.org[...] University of California Press 2022-02-02
_[6] 서적 An introduction to the physics of particle accelerators World Scientific 2008
_[7] 웹사이트 Alvarez proton linear accelerator https://www.si.edu/e[...] 2022-02-03
_[8] 보고서 Proton Linear Accelerators: A Theoretical and Historical Introduction https://www.osti.gov[...] Los Alamos National Laboratory 2022-02-04
_[9] 학술지 Early Accelerator Work at Stanford http://atlas.physics[...] 1983-04
_[10] 서적 The Stanford Two-Mile Accelerator W.A. Benjamin, Inc 2010-09-17
_[11] 학술지 Radiofrequency Quadrupole Accelerators and their Applications https://www.annualre[...] 2022-02-03
_[12] 서적 Theory and design of charged particle beams https://books.google[...] Wiley-VCH 2008
_[13] ArXiv History of gradient advances in SRF 2020-04-14
_[14] 보고서 The Prehistory of Jefferson Lab's SRF Accelerating Cavities, 1962 to 1985 https://misportal.jl[...] Thomas Jefferson National Accelerator Facility 1997-04
_[15] 학술지 Superconducting Hadron Linacs 2013-01
_[16] 서적 An introduction to the physics of particle accelerators World Scientific 2008
_[17] 서적 An introduction to the physics of high energy accelerators Wiley 1993
_[18] 서적 Radiation Oncology Physics https://www.iaea.org[...] International Atomic Energy Agency 2005
_[19] 컨퍼런스 Linear Accelerator Injectors for Proton Synchrotrons https://s3.cern.ch/i[...] CERN 1956-06-11
_[20] 웹사이트 The world's longest superconducting linac https://cerncourier.[...] IOP Publishing 2017-07-10
_[21] ArXiv Particle Sources 2021-03-24
_[22] 웹사이트 Heavy ions offer a new approach to fusion https://cerncourier.[...] 2021-01-22
_[23] 학술지 High Current Linear Induction Accelerator for Electrons https://aip.scitatio[...] 1964-07-01
_[24] 학술지 Kern- und Elementarteilchenphysik. Von G. Musiol, J. Ranft, R. Reif und D. Seeliger, VCH Verlagsgesellschaft Weinheim, 1988, DM 128 http://adsabs.harvar[...] 1989
_[25] 서적 Synchrotron Light Sources and Free-Electron Lasers: Accelerator Physics, Instrumentation and Science Applications https://www.springer[...] Springer International Publishing 2016
_[26] 학술지 MESA - an ERL Project for Particle Physics Experiments https://inspirehep.n[...] 2024-08-18
_[27] 서적 A 3 TeV e+e− linear collider based on CLIC technology
_[28] 웹사이트 LIGHT: A LINEAR ACCELERATOR FOR PROTON THERAPY http://cdsweb.cern.c[...]
_[29] 학술지 A Linear Electron Accelerator https://aip.scitatio[...] 1948-02-01
_[30] 학술지 Back to the future: the history and development of the clinical linear accelerator
_[31] 문서 Gahl and Flagg (2009).[http://www.slideshare.net/Flagg707/subcritical-fission-mo99-production Solution Target Radioisotope Generator Technical Review]. Subcritical Fission Mo99 Production
_[32] 문서 G. Ising: Prinzip einer Methode zur Herstellung von Kanalstrahlen hoher Voltzahl. In: Arkiv för Matematik, Astronomi och Fysik. Band 18, Nr. 30, 1924, S. 1–4.
_[33] 학술지 Über Ein Neues Prinzip Zur Herstellung Hoher Spannungen 1928-12-17
_[34] 컨퍼런스 A brief history and review of accelerators CERN Accelerator School 1994
_[35] 서적 Challenges and goals for accelerators in the XXI century https://www.worldsci[...] World Scientific 2016

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