입자 가속기

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.

1. 개요

입자 가속기는 전자기력을 이용하여 입자를 높은 에너지로 가속시키는 장치이다. 가속 방식, 가속 입자의 종류, 형태에 따라 다양하게 분류되며, 입자물리학 연구, 의학, 산업 등 다양한 분야에 활용된다. 가속 방식에 따라 정전 가속기, 전자기 유도 및 고주파 가속기로 나뉘며, 가속되는 입자에 따라 양성자 가속기, 중이온 가속기, 전자 가속기로 구분된다. 입자 가속기는 1930년대 사이클로트론 개발을 시작으로 발전해왔으며, 현재 LHC와 같은 대형 가속기부터 의료, 산업 분야에 사용되는 소형 가속기까지 전 세계적으로 3만 대 이상이 운영되고 있다.

더 읽어볼만한 페이지

입자 가속기 - 사이클로트론
사이클로트론은 고주파 교류 전압, 전기장, 자기장을 이용하여 하전 입자를 나선형으로 가속하는 원형 입자 가속기로, 핵물리학 연구에서 시작하여 현재는 의료용 동위원소 생산 및 암 치료에도 활용된다.
입자 가속기 - TRIUMF
TRIUMF는 캐나다의 국립 입자 및 핵물리학 연구소로, 핵물리학을 시작으로 다양한 분야로 연구를 확장했으며, ISAC, ARIEL 등의 주요 연구 시설을 운영하고 국제 협력을 활발히 진행하고 있다.
입자물리학 - 전자볼트
전자볼트는 전자가 1볼트의 전위차를 통과할 때 얻거나 잃는 에너지 단위로, 1.602 × 10⁻¹⁹ 줄과 같으며, 다양한 물리학 분야와 공학에서 에너지, 질량, 운동량, 온도, 거리 등을 표현하는 데 널리 활용된다.
입자물리학 - 알파 붕괴
알파 붕괴는 원자핵이 헬륨-4 원자핵인 알파 입자를 방출하여 원자 번호와 질량수가 감소하는 방사성 붕괴의 한 형태로, 무거운 원자핵에서 주로 발생하며 양자 터널링 효과로 설명되고 연기 감지기 등에 활용되지만 인체에 유해할 수도 있다.
미국의 발명품 - 텔레비전
텔레비전은 움직이는 영상과 소리를 전기 신호로 변환하여 전송하고 수신 측에서 다시 영상과 소리로 바꾸는 기술을 이용한 매체로, 닙코프 원판을 이용한 초기 기계식 방식에서 음극선관 발명을 통해 전자식으로 발전하여 디지털 기술과 다양한 디스플레이 기술 발전을 거쳐 현재에 이르렀으며 사회, 문화, 경제적으로 큰 영향을 미치지만 건강 문제 및 부정적 콘텐츠 노출 등의 부작용도 존재한다.
미국의 발명품 - 태양 전지
태양전지는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치로, 기술 발전을 거듭하여 발전 효율이 크게 향상되었고 다양한 분야에 응용되고 있으며, 고집광 태양전지와 페로브스카이트 태양전지 등의 새로운 기술 개발과 투자가 지속적으로 요구되는 지속 가능한 에너지원이다.

입자 가속기
입자 가속기
개요
종류	선형 가속기 원형 가속기
가속 입자	전자 양전자 양성자 이온
에너지	수 MeV ~ 수 TeV
용도	기초 연구 의료 산업
역사
초기 개발	어니스트 로렌스의 사이클로트론 (1930년대) 싱크로트론 (1940년대)
고에너지 발전	페르미 국립 가속기 연구소의 테바트론 유럽 입자 물리 연구소의 대형 강입자 충돌기 (LHC)
작동 원리
기본 원리	전자기장을 이용하여 하전 입자를 가속
가속 방법	전기장 이용: 입자에 힘을 가하여 가속 자기장 이용: 입자의 방향을 조절
가속 구조	선형 가속기: 직선형 구조 원형 가속기: 원형 궤도 구조
주요 구성 요소
입자원	가속할 입자 생성
가속관	입자를 가속하는 영역
전자기석	입자의 경로를 제어
진공 시스템	입자의 충돌 및 손실 방지
검출기	입자 충돌 결과 측정
활용 분야
기초 과학	입자 물리학 연구 우주 기원 연구 물질 구조 연구
의료	방사선 치료 양성자 치료 영상 진단
산업	반도체 제조 재료 과학 식품 조사
주요 입자 가속기
대형 강입자 충돌기 (LHC)	유럽 입자 물리 연구소 (CERN) 소재, 세계 최대 규모의 가속기
테바트론	페르미 국립 가속기 연구소에 있었던 과거 가속기
선형 가속기	SLAC 국립 가속기 연구소 등
추가 정보
관련 용어	싱크로트론 방사광 빔 충돌기

2. 가속기의 종류 및 원리

어니스트 러더퍼드는 α선 산란 실험 등의 업적을 통해 천연 방사성 물질에서 나오는 α선(에너지 값 7.7MeV)으로 질소 원자핵을 파괴하는 실험에 성공했다(1919년).^[57] 이를 계기로 하전 입자(이온, 전자)에 7.7MeV 정도의 에너지를 가진 전위를 걸어 가속시켜 원자핵을 인공적으로 파괴할 수 있다는 아이디어가 나왔다.

1932년, 코크크로프트(Cockcroft)와 월턴(Walton)은 배전압 정류 회로를 개량하여 800kV의 고전압과 이온 가속관을 개발, 가속된 양성자로 리튬 원자핵을 변환시키는 데 성공했다.^[58] 이 실험은 E=mc²을 정량적으로 검증하며 가속기 연구의 서막을 열었다.

이후 가속기 개발은 더욱 활발해졌고, 원자핵을 구성하는 양성자나 중성자도 파괴하기 위한 거대 가속기 건설이 진행되었다.

입자 가속기는 가속 방식(정전기력, 전자기 유도 및 고주파 전기장), 가속되는 입자의 종류(양성자, 중이온, 전자), 형태(선형, 원형)에 따라 다양하게 분류된다.

2. 1. 가속 방식에 따른 분류

입자 가속기는 가속 방식에 따라 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 첫째는 정전기력을 이용하는 방식이고, 둘째는 전자기 유도 및 고주파 전기장을 이용하는 방식이다.^[71]

'''정전기력 이용 방식''': 음극과 양극 사이의 전하를 띤 입자가 정전기력에 의해 가속되는 원리를 이용한다. 콕크로프트-월턴 가속기와 반데그라프 가속기가 대표적이다.
'''전자기 유도 및 고주파 전기장 이용 방식''': 자기 유도 또는 진동하는 무선 주파수(RF) 전기장에 의해 여기된 공진 회로 또는 공동을 이용하여 입자를 가속한다.^[19] 선형 유도 가속기, 베타트론, 선형 입자 가속기 등이 이 방식에 속한다.

2. 1. 1. 정전 가속기

정전 가속기는 전극 사이에 직류 고전압을 가하여 생성되는 정전기장을 이용하여 입자를 가속한다. 대전입자는 전위차에 의해 가속되며, 연속적인 빔을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 가속 에너지의 상한은 인가 전압의 크기에 따라 결정되며, 일반적으로 수십 MeV(메가전자볼트) 정도이다. 정전 가속기는 더 높은 에너지를 얻기 위한 선형 가속기나 원형 가속기의 입사 가속기로 사용되기도 한다.

직류 고전압을 생성하는 방식에 따라 정전 가속기는 크게 두 가지로 분류된다.

'''칵크로프트-월턴 가속기''': 다이오드와 축전기를 이용한 배전압 정류 회로를 통해 고전압을 얻는다. 어니스트 월턴과 존 칵크로프트가 개발했으며, 가속 에너지는 수백 keV(킬로전자볼트)에서 수 MeV 정도이다.

'''반데그라프 가속기''': 절연체 벨트나 펠릿 체인을 통해 전하를 운반하여 고전압을 생성한다. 1930년 로버트 제미슨 반 데 그래프가 실용화했으며, 가속 에너지는 약 10MeV이다. 펠릿 체인을 사용하는 펠레트론은 약 20MeV까지 가속할 수 있다.

음이온을 가속한 후, 전자를 제거하여 양이온으로 만들고 다시 가속하는 방식으로 고전압을 두 번 활용하는 탠덤 가속기도 있다.

2. 1. 2. 전자기 유도 및 고주파 가속기

전자기 유도는 자기 유도 또는 진동하는 무선 주파수(RF) 전기장에 의해 여기된 공진 회로 또는 공동에 의해 발생할 수 있다.^[19] 전자기 가속기는 입자가 직선으로 가속되는 '선형'일 수도 있고, 자기장을 사용하여 입자를 거의 원형 궤도로 구부리는 '원형'일 수도 있다.

선형 유도 가속기는 페라이트가 장착된 비공진 유도 공동을 사용하며, 1960년대에 크리스토필로스가 발명했다.^[21] 각 공동은 두 개의 큰 와셔 모양의 디스크가 외측 원통형 튜브로 연결된 것으로 생각할 수 있으며, 디스크 사이에는 페라이트 토러스가 있다. 두 디스크 사이에 인가된 전압 펄스는 증가하는 자기장을 생성하며, 이는 유도적으로 하전 입자 빔에 전력을 결합한다.^[20] 선형 유도 가속기는 단일 짧은 펄스에서 매우 높은 빔 전류(>1000 A)를 가속할 수 있다.

베타트론은 1940년 도널드 W. 커스트가 발명한 원형 자기 유도 가속기로, 전자를 가속하는 데 사용된다. 이 개념은 노르웨이계 독일 과학자 롤프 비데뢰의 아이디어에서 비롯되었다.^[22]^[23] 싱크로트론과 마찬가지로 주기적으로 증가하는 B장을 이용하지만, 궤도를 통과하는 자속의 변화로 인해 변압기의 2차 권선처럼 유도에 의해 입자를 가속한다.^[24]^[25]

선형 입자 가속기(linac)에서는 입자가 한쪽 끝에 있는 관심 대상을 향해 직선으로 가속된다. 세계에서 가장 긴 선형 가속기는 스탠퍼드 선형 가속기 센터(SLAC)에 있는 스탠퍼드 선형 가속기로, 길이가 3km이다.

선형 고에너지 가속기는 교류 고에너지장이 적용되는 판(또는 드리프트 튜브)의 선형 배열을 사용한다. 입자가 광속에 접근함에 따라 전기장의 전환 속도가 너무 높아져 무선 주파수(RF)로 작동하며, 따라서 단순한 판 대신 고에너지 기계에는 마이크로파 공진기가 사용된다.

선형 가속기는 방사선 치료와 방사선 수술을 위해 의학 분야에서도 널리 사용된다. 의료용 선형 가속기는 클라이스트론과 복잡한 굽힘 자석 배열을 사용하여 의 에너지 빔을 생성하며, 생성된 방사선 빔의 신뢰성, 유연성 및 정확성으로 인해 이전에 사용되었던 코발트-60 치료가 치료 도구로서 대체되었다.

전극 사이에 걸리는 전압에는 여러 가지 실용적인 문제로 인해 상한이 존재한다. 그 상한을 넘어서 입자를 가속하기 위한 여러 방법 중에서, 입자를 직선 상에서 가속하는 것을 선형 가속기(Linear Accelerator)라고 부르며, 라이나크(linac)나 리니악(lineac)이라고도 불린다.

기본적인 구조는 여러 개의 도체관을 나란히 배열한 것이다. 인접한 도체관끼리 서로 다른 극성으로 대전되도록 고주파 전압을 인가한다. 각 관 사이(이하 갭이라 한다)에는 전장이 존재하므로 입자에 힘이 작용한다. 반면, 관 내부는 균일한 전위이므로 전장이 존재하지 않아 입자는 힘을 받지 않는다. 관의 길이와 인가하는 고주파의 주파수를 잘 조정하면, 관을 통과하는 입자가 갭을 통과할 때마다 가속되도록 조정할 수 있다.

21세기에 들어 고에너지 실험의 최전선에 도전하는 새로운 선형 가속기 건설이 기대되기 시작했다. 이는 전자를 가속할 때 싱크로트론을 사용하면 싱크로트론 복사의 영향으로 십수 GeV의 에너지를 달성하는 데 그친다는 문제점이 있기 때문이다. 반면, 선형 가속기는 입자를 구부릴 필요가 없으므로 싱크로트론 복사의 영향을 고려할 필요가 없다.

고에너지가속기연구기구(이바라키현 쓰쿠바시)의 원형 가속기 건물 내부. 길이 3km의 원형이기 때문에 이 이미지에서는 거의 직선으로 보인다.

하전 입자는 자기장을 통과할 때 로렌츠 힘을 받아 휘어진다. 이것을 이용하여 하전 입자에게 원형 궤도를 그리게 하면서 가속하는 가속기를 만들 수 있다.^[59]

가속하는 입자의 에너지가 증가함에 따라 입자는 휘어지기 어려워지지만, 편향 전자석의 자기장을 증가시킴으로써 일정한 반지름의 궤도를 그리면서 입자를 가속하는 가속기이다.

유도 기전력으로 전자를 가속하는 가속기.

2. 2. 가속되는 입자에 따른 분류

입자 가속기는 가속되는 입자의 종류에 따라 구성이 달라진다. 가속되는 입자는 크게 양성자, 중이온, 전자 등으로 나눌 수 있다.

2. 2. 1. 양성자 가속기

수소 원자에서 방전을 통해 전자와 양성자를 분리한 뒤, 분리된 양성자에 전기장을 걸어 양성자만 분리해낸다. 분리된 양성자는 강한 라디오파에 의해 유도된 전기장에 의해서 가속된다.^[77]^[78]

2. 2. 2. 중이온 가속기

캘리포니아 버클리주에 위치한 로런스 버클리 국립연구소에는 SuperHILAC이라는 중이온 가속기가 있다.

중이온은 수소, 헬륨보다 무거운 지구상의 모든 원소의 이온을 의미한다. 중이온 가속기는 원소의 기원 탐구, 새로운 동위원소의 발견, 희귀 동위원소들을 이용한 신 물질 연구, 의학 응용 연구 등을 위해 중이온을 빛의 속도에 가깝게 가속하는 장치이다. 중이온 가속기에서는 주입된 원소를 전자 발생 장치를 통과시켜 원소를 양성을 띤 중이온으로 변화시킨 뒤, 고 에너지로 가속시킨다. 가속시킨 중이온을 다른 원자핵에 충돌시키면 핵반응을 일으켜 희귀 동위원소로 바뀌어 방출된다. 희귀 동위원소는 안정한 동위원소에 비해 중성자의 수가 너무 많거나 적어 반감기가 수 밀리 초 이하인 매우 불안정한 동위원소로, 다양한 분야의 연구에 사용된다.^[79]^[80] 중이온 가속기의 경우 가속시키고자 하는 입자의 질량이 다른 입자에 비해 크기 때문에 더욱 입자가 띠는 하전을 증가시켜서 가속시키고자 한다. 그 방법 중 하나로 버클리의 SuperHILAC(여기서 HILAC은 heavy-ion linear accelerator)은 입자를 한 번 가속시킨 뒤 탄소박을 한 번 더 통과시킴으로써 입자가 전하를 더 잃도록 만들고, 2차적으로 다시 가속시킨다.^[81]

최근 한국에서 진행하는 중이온가속기구축사업(Rare Isotope Science Project)에서는 기존과는 달리 사이클로트론(원형 가속기)과 선형가속기를 결합한 형태를 사용한다. 뿐만 아니라 순도 높은 희귀동위원소 빔을 제공하기 위해서 IF와 ISOL 두 방식 중 하나만을 택했던 기존과는 달리, IF 방식으로 중이온 빔을 발생시킨 뒤 감속시키고, ISOL방식으로 재가속하는 새로운 방식이 도입되었다.^[82]^[83]^[84]

고에너지 중이온들이 서로 충돌하는 것과 같은 고온·고밀도 상태에서는 쿼크-글루온 플라즈마와 같은 새로운 물질 상태가 생성될 것이라고 생각되므로, 이러한 상태를 만들어내기 위한 중이온 가속기가 존재한다. 중이온은 양성자보다 더 구부리기 어렵기 때문에, 그 설계는 더욱 어렵다. 현재, 가장 에너지가 높은 중이온 충돌기는 미국브룩헤이븐 국립 연구소에 있는 상대론적 중이온 충돌기(Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC)이다. 유럽입자물리연구소(CERN, 세른)의 차세대 하드론 충돌기인 LHC(Large Hadron Collider)는 중이온 충돌기 실험을 할 수 있도록 계획되어 있다.

2. 2. 3. 전자 가속기

빛의 속도에 가깝게 가속된 전자가 강력한 자기장을 지나며 휘어질 때 방출되는 빛(방사광)을 이용하는 가속기를 방사광 가속기라고 하며, 전자를 가속시키기 때문에 전자가속기라고도 한다.^[85]

전자를 원형 가속기에서 가속하면 싱크로트론 광선이 발생하여 가속 자체에는 어려움이 있지만, 파장이 짧은 높은 에너지의 빛을 얻을 수 있다. 따라서 방사광 가속기는 가속보다는 싱크로트론 광선을 얻는 데 주안점을 둔다. 포항가속기연구소는 4세대 방사광 가속기를 보유하고 있다. 방사광 가속기 중 X-FEL(Free Electron Laser)은 강하고 짧은 X-선 파장의 빛을 만들어 분자가 결합하고 떨어지는 수 십조 분의 일 초의 순간을 관측할 수 있게 해준다. 또한 나노 크기와 펨토 초 동안에 일어나는 동적 현상도 관찰 가능하다.

최근 건설되어 운영되는 4세대 방사광 가속기는 각각의 전자에서 발생한 빛의 파장이 공간적으로 잘 정렬되어 멀리서도 퍼지지 않고, 그 세기가 강하게 유지된다. 이는 단백질과 같은 작은 물질의 구조 해석을 가능하게 한다.

1세대는 입자물리학용 전자가속기의 부산물로 이용되었고, 2세대는 방사광 이용을 주목적으로 개선 및 활용되었다. 3세대는 방사광의 밝기를 대폭 향상시켜 활용 분야를 넓히고 방사광의 성질을 변경시킨 것이다. 4세대는 3세대에 비하여 100억 배 이상 밝고 극미세 세계에 대한 연구가 가능한 방사광 가속기 시설을 말한다. 현재 4세대 가속기는 미국의 LCLS(2009), 일본의 SACLA(2010)이 있으며, 2014년에 완공 예정인 독일의 EU X-FEL과 한국의 PAL-XFEL이 있다. 청주시 오창읍 후기리 일대에도 방사광 가속기 OASIS(오아시스)가 2028년 들어설 예정이다.

방사광 가속기의 단점은 여러 번 노출되면 시료가 X-선에 손상될 가능성이 있다는 점이다. 하지만 최근에는 X-선에 손상되기 전에 정확하고 선명한 결과를 얻을 수 있도록 개선되었다. 이는 친환경 기술, 신물질 개발, 세포 영상 획득 기술, 단백질 구조 분석 등 다양한 연구 및 실용적인 목적에 유용하게 사용된다.

고에너지 전자를 싱크로트론 복사를 통해 매우 밝고 응축된 빔으로 만들어 원자의 구조, 화학, 농축 물질 물리, 생물학 등 다양한 과학 기술 분야에 활용한다. 예를 들어, ESRF를 이용하여 호박 속 곤충의 정밀한 3차원 이미지를 추출하기도 한다. 이를 위해서는 GeV^영어의 에너지와 고강도의 전자 가속기가 필요하다.

자기장을 통과하는 전자는 싱크로트론 방사를 통해 매우 밝고 간섭성이 높은 광자 빔을 방출한다. 이는 원자 구조, 화학, 응축 물질 물리학, 생물학 및 기술 연구에 광범위하게 활용된다. 전 세계적으로 많은 방사광 가속기가 존재한다.

국가	연구소명	세부 내용
미국	SLAC 국립 가속기 연구소의 SSRL
미국	아르곤 국립 연구소의 APS
미국	로렌스 버클리 국립 연구소의 ALS
미국	브룩헤이븐 국립 연구소의 NSLS-II
스웨덴	MAX IV
독일	BESSY
영국	다이아몬드
프랑스	ESRF	호박에 갇힌 곤충의 상세한 3차원 이미지를 추출하는 데 사용^[15]

자유전자레이저(FEL)는 싱크로트론 방사를 기반으로 하는 특수한 종류의 광원이다. FEL은 더 짧은 펄스와 더 높은 시간적 결맞음을 제공한다. 특별히 설계된 FEL은 관측 가능한 우주에서 가장 휘도가 높은 X선 광원이다.^[16] 미국의 LCLS와 독일의 유럽 XFEL이 대표적인 예이다. 연X선 레이저에 대한 관심이 높아지면서, 펄스 단축과 함께 아토초 과학을 위한 새로운 방법이 열리고 있다.^[17] X선 외에도 FEL은 테라헤르츠파를 방출하는 데 사용된다. 예를 들어 네덜란드 나이메헌의 FELIX, 독일 드레스덴의 TELBE, 러시아 노보시비르스크의 NovoFEL 등이 있다.

렙톤(주로 전자·양전자)은 전하에 비해 질량이 가볍기 때문에 궤도를 휘게 하는 것은 간단하다. 하지만 속도가 빠르기 때문에 싱크로트론과 같은 원형 가속기를 사용하는 경우 싱크로트론 방사의 영향으로 에너지 손실이 크다. 따라서 벤딩 자석은 작은 것이어도 상관없지만 가속 장치가 거대해지고, 방사광을 받는 벽의 열 설계도 중요해진다. 1989년부터 2000년까지 운용되었던 대형 전자 양전자 충돌형 가속기는 이 방식으로 전자·양전자를 충돌시키는 가속기였다. 2022년 현재 차세대 고에너지 전자 가속기로서 선형 가속기를 이용한 리니어 콜라이더 건설이 계획되고 있다.

일본의 주요 방사광 가속 시설은 다음과 같다.

시설명	위치	비고
SPring-8
분자과학연구소 극자외선광연구시설(UVSOR-II)
효고현립대학 고도산업과학기술연구소(NewSUBARU)
히로시마대학 방사광과학연구센터(HiSOR)
사가현립큐슈싱크로트론광연구센터(SAGA-LS)
릿쿄대학 SR센터
SACLA	X선 자유전자레이저시설
아이치 싱크로트론광센터(AichiSR)

3. 가속기의 역사

가속기의 역사는 입자의 내부를 보려고 하는 과학자들의 시도에서부터 시작되었다.

어니스트 러더퍼드는 α선 산란 실험 등의 업적을 남겼는데, 천연 방사성 물질에서 나오는 α선(에너지 값 7.7MeV)을 질소 원자핵에 쏘아 질소 원자핵이 파괴되는 것을 발견했다(1919년). 이것이 최초의 원자핵 파괴 실험이었다. 이 발견으로 하전 입자(이온, 전자)에 7.7MeV 정도의 에너지를 가진 전위를 걸어 가속시켜, 대상이 되는 원자핵에 쏘면(원자핵에 에너지를 줌) 인공적으로 원자핵을 파괴할 수 있다는 아이디어가 나왔다.

1932년 코크크로프트와 월턴은 배전압 정류 회로를 개량 및 확장하여 800kV의 고전압과, 그것에 견디는 이온 가속관을 개발했다. 이들은 가속된 양성자를 쏘아 리튬 원자핵을 인공적으로 다른 원자핵으로 변환시키는 데 성공했다.^[57] 이 실험으로 특수 상대성 이론의 E=mc²이 정량적으로 검증되어, 가속기 원자핵 연구의 서막을 열었다.^[58]

이후 가속기 개발 및 원자핵 연구는 더욱 탄력을 받았고, 원자핵을 구성하는 양성자나 중성자도 파괴하기 위한 거대 가속기 건설이 진행되었다.

초기 가속기는 입자 가속에 고전압을 이용했다. 1928년 롤프 비데뢰는 선형 가속기 실험에 성공했고,^[62]^[63] 그의 논문에 자극받은 어니스트 로런스와 데이비드 H. 슬론은 선형 가속기를 제작했다. 그러나 당시 고주파 전원의 주파수로는 가속이 불충분했기 때문에, 1931년에 고주파 전기장과 자기장에 의한 궤도 유지를 사용한 원형 가속기 '''사이클로트론'''이 개발되었고, 1934년에 로런스는 특허를 취득했다.

1944년에는 위상 안정성 원리를 가속에 이용하는 '''싱크로트론'''이 탄생했다. 1952년에 강집속 원리가 발견되어, 입자 가속 에너지는 그 이전보다 1~10만 배가 되었다. 초기 가속기에서는 입자를 고정 표적에 충돌시켜 나오는 입자를 조사했지만, 에너지 효율이 나빴기 때문에 두 입자를 각각 정면에서 충돌시키는 방법이 사용되게 되었다.

일본에서는 1933년 타이페이 제국대학 교수였던 아라카쓰 붕사쿠가 아시아 최초로 칵크로프트-월턴형 가속기를 만들어 원자핵 인공 변환 실험에 성공했고, 이어 오사카 제국대학의 키쿠치 마사시도 성공했다. 1936년 오사카 대학에서 사이클로트론 건설이 시작되어 1938년에 완성되었고, 이화학연구소의 니시나 요시오 박사 등이 1937년부터 양성자 사이클로트론을 건설했다.^[64]^[65] 제2차 세계 대전 전후 일본 국내 설치된 사이클로트론은 이화학연구소에 대소 두 대, 오사카 대학에 한 대, 교토 대학에 한 대(건설 중) 있었지만, 태평양 전쟁(대동아 전쟁) 패전으로 GHQ 지시에 따라 파괴되었다.^[66]^[67] 당시 부품 중 현재 남아있는 것은 "폴 칩"이라고 불리는 자극으로 사용된 철제 원반(지름 약 1미터, 두께 약 0.15미터, 무게 약 250킬로그램) 한 장뿐이다. 지금까지 부품은 모두 폐기되었던 것으로 여겨졌지만, 교토 대학 연구자가 계속 보관하고 있었다.^[68]

1951년 5월 방일한 로런스 조언에 따라 같은 해 12월, 과학연구(理研)에서 소형 사이클로트론 건설이 시작되어, 이듬해 1952년 12월 운전을 시작했다. 도호쿠 대학 키타가키 토시오에 의한 기능 분리형 강집속 제안이 이루어져, 이론상 100억 전자볼트(10GeV) 이상 출력이 가능해졌다. 1961년 완성된 것이 도쿄 대학 원자핵 연구소의 7억eV(700MeV) 전자 싱크로트론이다. 전자 싱크로트론은 1966년 13억eV(1.3GeV)에 도달했다. 1971년 고에너지가속기연구기구가 발족하여 양성자 싱크로트론 건설을 시작했다. 그리고 1976년, 120억eV(12GeV) 양성자 싱크로트론이 완성되었다.

1986년 완성된 KEK 트리스탄 전자·양전자 충돌형 가속기는 각 입자를 250억eV(25GeV)까지 가속하여 충돌시켜, 중심계 충돌 에너지 500억eV(50GeV)에 도달했다. 1988년부터 세계 최초로 초전도 가속 공동을 대규모로 도입하여, 1989년 빔 에너지 320억eV(32GeV)를 달성했다(초전도 가속 공동은 트리스탄 실험 이후 여러 대형 입자 가속 실험 장치에서 채용되었다).^[69]

1994년 KEK 트리스탄 전자·양전자 충돌형 가속기 후속인 KEKB 가속기(B-Factory) 건설이 시작되어, 1999년 완성되었다.

최초 대형 양성자 싱크로트론은 브룩헤이븐 국립 연구소 코스모트론으로, 1953년부터 1968년까지 약 3GeV 에너지로 양성자를 가속했다. 1954년 완공된 버클리 베바트론은 반양성자를 생성하고, 당시 이론으로만 존재했던 자연 입자-반입자 대칭성을 검증할 수 있을 만큼 충분한 에너지로 양성자를 가속하도록 설계되었다. 브룩헤이븐 교류 구배 싱크로트론(AGS)(1960년~)은 교류 구배, "강한 집속" 자석을 사용한 최초 대형 싱크로트론으로, 필요한 빔 구경을 크게 줄였고, 따라서 굽힘 자석 크기와 비용도 줄였다. CERN(1959년~)에 건설된 양성자 싱크로트론은 최초 주요 유럽 입자 가속기였으며, AGS와 유사했다.

SLAC은 1966년 가동을 시작하여, 터널에 매설된 3km 길이 도파관에서 수백 개 대형 클라이스트론으로 구동되는 30GeV 에너지로 전자를 가속했다. 이는 여전히 존재하는 가장 큰 선형 가속기이며, 저장 고리와 전자-양전자 충돌기 시설이 추가되어 업그레이드되었다. 또한 X선 및 UV 싱크로트론 광원이기도 하다.

페르미랩 테바트론은 빔 경로가 약 6.44km인 고리를 가지고 있다. 여러 번 업그레이드되었으며, 2011년 9월 30일 예산 삭감으로 가동이 중단될 때까지 양성자-반양성자 충돌기로 기능했다. 지금까지 건설된 가장 큰 원형 가속기는 둘레가 26.6km인 CERN LEP 싱크로트론으로, 전자/양전자 충돌기였다. 2000년 거대 강입자 충돌기(LHC)를 위해 터널을 사용하기 위해 해체될 때까지 209GeV 에너지를 달성했다. LHC는 양성자 충돌기이며, 현재 세계에서 가장 크고 에너지가 가장 높은 가속기로, 빔당 6.5GeV 에너지(총 13GeV)를 달성하고 있다.

초전도 초대형 충돌기(SSC)는 텍사스주에 건설될 예정이었으며, 둘레는 87km였다. 1991년 건설이 시작되었지만 1993년 중단되었다. 매우 큰 원형 가속기는 지상에 그러한 구조물을 건설하는 데 따른 혼란과 비용을 최소화하고, 발생하는 강력한 이차 방사선(고에너지에서는 매우 투과력이 강함)으로부터 차폐하기 위해 몇 미터 너비 터널에 건설된다.

스팔레이션 중성자원 같은 현재 가속기는 초전도 극저온 모듈을 통합하고 있다. 상대론적 중이온 충돌기와 거대 강입자 충돌기도 초전도 자석과 RF 공진기를 사용하여 입자를 가속한다.

3. 1. 검출기의 역사

엑스선과 방사선을 발견하는 데 있어서 사진은 검출된 입자를 기록하는 중요한 도구였다. 사진 필름은 화학 물질을 검게 만드는 특성이 있어, 입자를 직접 찍지 않아도 검출 결과가 사진 형태로 기록되었다.

러더퍼드의 섬광 계수기(황화 아연 등의 물질에 입자나 방사선이 닿으면 섬광이 발생)는 산란 실험에 사용되었다. 보테는 이를 발전시켜 자동 계수 기구를 만들었다. 이러한 도구들은 입자의 존재와 위치를 알려주어 대략적인 궤적 추적을 가능하게 했다.

물리학에서 검출기는 기능에 따라 궤적 검출기(tracker)와 에너지 검출기(calorimeter)로 나뉜다. 궤적 검출기는 전하를 가진 입자의 흔적을 기록하여 전하, 질량, 운동량을 측정한다. 초기의 톰슨 리스 윌슨의 안개 상자는 양전자와 뮤온 발견에 기여했고, 이후 더 정밀한 거품 상자로 발전했다. 도널드 아서 글레이저가 1952년에 발명한 거품 상자는 고밀도 액체 매질을 이용, 이온화된 공기가 거품을 형성하는 원리를 이용했다. 현대에는 기체 금속 튜브 다발을 사용하는 선 검출기가 거품 상자를 대체했다.

에너지 검출기는 입자의 총 에너지를 측정한다. 전자기 상호작용을 이용한 전자 에너지 검출기(E-CAL)는 전자, 뮤온, 광자를, 강한 상호작용을 이용한 하드론 에너지 검출기(H-CAL)는 하드론을 검출한다. 이들은 작은 셀에 에너지를 쏟아 궤적 검출기만큼 정확하진 않지만 대략적인 진행 방향을 확인하고, 각 셀의 에너지를 합쳐 전체 에너지를 구한다.

현대 검출기는 다중 구조로, 빔 파이프를 정밀 궤적 검출기가 둘러싸고, 그 바깥에 전자기 에너지 검출기, 하드론 에너지 검출기 순으로 위치한다. 랩톤과 광자는 전자기 에너지 검출기에, 하드론은 하드론 에너지 검출기에 포획된다. 뮤온은 무거워 가장 바깥쪽의 전용 검출기로 검출된다.

검출기는 입자의 속도와 전하 등의 단서를 수집하며, 과학자들은 이를 통해 입자를 연구한다. 검출 과정은 복잡하여 강력한 전자석과 가속기가 필요하다.

3. 2. 사이클로트론에서 싱크로트론까지

어니스트 로런스는 1925년 롤프 비데로에의 논문을 접하고 높은 에너지의 입자를 만들기 위해 반복적으로 가속하는 방법에 관심을 가지고 연구하여, 원형으로 입자를 가속하는 장치인 사이클로트론을 발명하였다.

로런스가 최초로 제작한 사이클로트론은 지름이 약 12cm였으며, 1931년 1월 2일 2,000V의 전압으로 가동했을 때 양성자는 8만 전자볼트까지 가속되었다.^[86] 그의 조수인 스탠리 리빙스턴과 데이비드 슬론은 지름이 약 27cm인 두 번째 사이클로트론을 만들어 100만 전자볼트가 넘는 출력을 얻었다.^[86] 입자는 가속될수록 회전 반경이 커지므로, 더 높은 에너지를 얻기 위해 사이클로트론의 크기도 커졌다. 세 번째 사이클로트론은 지름이 67cm가 넘었고 양성자는 500만 전자볼트까지 가속되었다.^[86]

1931년 8월 로런스의 연구를 중심으로 방사선 연구소가 열렸으며, 1934년 27인치 사이클로트론은 특허를 받았다.^[86] 네 번째로 37인치 사이클로트론이 만들어졌으며, 중수소를 8메가전자볼트, 알파 입자를 16메가전자볼트까지 가속할 수 있었다.^[86] 그 후 1946년 차터 힐에 현재 어니스트 올랜도 로런스 버클리 국립 연구소가 설립되었다.^[86] 지름 184인치 사이클로트론이 만들어졌으며, 사용된 자석의 무게만 4,000톤에 달했고 출력은 100메가 전자볼트를 넘었다.^[86]

사이클로트론의 출력이 높아지면서 입자는 빛의 속도에 가깝게 가속되었고, 이는 입자의 질량 증가로 이어져 회전 반지름과 사이클로트론의 주파수가 변하게 되었다. 따라서 더 이상 일정한 주파수로 가속기 전압의 부호를 바꿀 수 없게 되었다.^[86] 입자의 속도가 빛의 속도의 수 퍼센트 이상이 되면 가속기의 주파수를 늘어난 입자의 질량에 맞추어 바꾸는 싱크사이클로트론이 발전되었다.^[86] 가속기의 주파수는 그대로 두고 자기장의 세기를 변화시키는 것은 등시성 사이클로트론이라고 한다.^[86]

이후 싱크로트론의 발전으로 궤도 전체를 자기장 안에 넣을 필요 없이, 작은 부피의 전자석과 약한 자기장만으로 입자를 조종할 수 있게 되었다. 또한 상대성 이론의 효과와 관계없이 높은 에너지까지 입자를 가속할 수 있게 되었다.^[86] 대표적인 예는 LHC이다.^[86]

4. 가속기의 응용

입자 가속기는 새로운 입자를 발견하는 것 외에도 방사광 가속기, 양성자 가속기 등 생물학 연구 및 의학적 용도로 많이 쓰인다. 고에너지 입자 빔은 기초 과학, 응용 과학, 기술 및 산업 분야에서 매우 유용하다.^[11] 전 세계적으로 약 3만 대의 가속기가 있으며, 이 중 1%만이 1GeV 이상의 에너지를 가진 연구용으로 쓰인다. 나머지는 방사선 치료(44%), 이온 주입(41%), 산업 공정 및 연구(9%), 생의학 및 기타 저에너지 연구(4%)에 사용된다.^[12]

어니스트 러더퍼드는 α선 산란 실험 등을 통해 천연 방사성 물질에서 나오는 α선(7.7MeV)으로 질소 원자핵을 파괴하는 실험을 하였다(1919년). 이는 최초의 원자핵 파괴 실험이었다. 이 발견으로 하전 입자(이온, 전자)에 7.7MeV 정도의 에너지를 가진 전위를 걸어 가속시켜 원자핵을 인공적으로 파괴할 수 있다는 아이디어를 얻게 되었다.

1932년 코크크로프트와 월턴은 800kV의 고전압과 이온 가속관을 개발하여 가속된 양성자로 리튬 원자핵을 인공적으로 변환시켰다.^[57] 이 실험으로 E=mc²이 정량적으로 검증되어,^[58] 가속기를 이용한 원자핵 연구의 시작을 알렸다.

캘리포니아주 멘로파크에 있는 스탠퍼드 선형 가속기 센터(SLAC, Stanford Linear Accelerator)의 2마일(3.2km) 빔 튜브를 덮고 있는 건물. 세계에서 두 번째로 강력한 선형 가속기이다.

저에너지 가속기는 집적 회로 제조에 사용되는 이온 주입 등에 활용된다.

일본에는 다음과 같은 방사광 시설이 있다.

시설명	위치	특징
SPring-8
분자과학연구소 극자외선광연구시설(UVSOR-II)
효고현립대학 고도산업과학기술연구소(NewSUBARU)
히로시마대학 방사광과학연구센터(HiSOR)
사가현립큐슈싱크로트론광연구센터(SAGA-LS)
릿쿄대학 SR센터
SACLA(X선 자유전자레이저시설)
아이치 싱크로트론광센터(AichiSR)

4. 1. 물리학

입자 가속기는 입자물리학 연구에 매우 중요한 역할을 한다. 입자물리학의 표준 모형에 대한 연구는 20세기 중후반에 발달하였으며, 새로운 실험적 발견이나 이론적인 바탕으로 표준모형의 존재성이 보여지기도 했다. 1970년대 쿼크의 존재성에서부터 실험적인 입자의 증명이 확립되었다. 그 이후 1977년 보텀쿼크, 1995년 탑쿼크, 2000년 타우 중성미자의 발견은 표준모형의 신빙성을 제공하는 역할을 했다. 또한 2012년 힉스 입자의 발견은 모든 예측된 입자들의 발견을 완성했다. 이 발견들에서 입자 가속기의 역할은 매우 크다.^[13]

가장 큰 고에너지 입자 가속기인 RHIC, CERN의 대형 강입자 충돌기(LHC)는 실험적 입자 물리학에 사용되고 있다. 물질, 공간, 시간의 역학과 구조에 대한 가장 기본적인 질문의 답을 찾아내기 위해 물리학자들은 가장 높은 에너지에서 가장 간단한 상호작용들을 조사한다. 이러한 것들은 일반적으로 수 GeV와 가장 간단한 입자들, 즉 렙톤(전자와 양전자), 쿼크, 광자, 글루온 등의 상호작용들을 수반한다.

4. 2. 핵물리학 및 동위원소 생산

핵물리학자와 우주론자는 전자가 제거된 원자핵 빔을 사용하여 원자핵 자체의 구조, 상호 작용 및 특성과, 빅뱅 초기 순간에 발생했을 수 있는 극도로 높은 온도와 밀도의 응축 물질을 조사할 수 있다. 이러한 조사에는 종종 철이나 금과 같은 원자의 무거운 원자핵을 핵자당 수 GeV의 에너지로 충돌시키는 것이 포함된다. 이러한 가장 큰 입자 가속기는 브룩헤이븐 국립 연구소의 상대론적 중이온 충돌기(RHIC)이다.

입자 가속기는 또한 양성자 빔을 생성할 수 있으며, 이는 핵분열 원자로에서 생성되는 중성자 풍부 동위원소와는 달리 양성자 풍부 의학 또는 연구용 동위원소를 생성할 수 있다. 최근 연구에 따르면, 일반적으로 원자로에서 생성되는 ⁹⁹Mo을 수소의 동위원소를 가속하여 생성하는 방법이 제시되었지만,^[14] 이 방법은 여전히 삼중수소를 생산하는 원자로가 필요하다. 이러한 유형의 기계의 예로는 로스알라모스 국립 연구소의 LANSCE가 있다.

1939년 8월 당시 세계에서 가장 강력한 가속기였던, 지름 60인치(1.5미터)의 자석 극을 가진 로렌스의 60인치 사이클로트론. 캘리포니아 대학교 로렌스 버클리 국립 연구소에 있었다. 글렌 시보그와 에드윈 매클밀런(오른쪽)은 이를 사용하여 플루토늄, 넵투늄 및 기타 많은 초우라늄 원소와 동위원소를 발견하였고, 이 업적으로 1951년 노벨 화학상을 수상했다.

4. 3. 생물학

입자가속기는 방사광 가속기, 양성자 가속기 등 생물학 연구 및 의학적 용도로 많이 쓰인다. 가속기는 의료 활동뿐만 아니라, 관련 생명과학 연구에서도 활발히 활용되고 있다.^[1]

질병 단백질의 구조와 기능을 파악하기 위해 단백질을 순도 높은 상태로 결정화시킨 뒤, 방사광을 이용하여 결정된 단백질의 회절 무늬를 얻고 이를 컴퓨터로 구조 분석을 하는 방법이 사용된다. 이때 방사광은 가속기로부터 얻을 수 있다. 양성자 가속기를 통해 얻어지는 양성자 빔은 생명공학기술 분야에서 환경 친화적인 미생물 유전자원 개발, 채소 및 화훼류의 우량 유전자원과 신품종 개발에 사용되며, 의료 기술에서는 저에너지 양성자 암 치료 시스템 개발, 양성자 암 치료 기술 연구 및 신약 개발, 의료용 동위원소 개발에 사용된다.^[1]

고에너지 전자를 싱크로트론 복사를 통해 매우 밝고 응축된 빔으로 만들어 원자의 구조, 화학, 농축물질 물리, 생물학, 그 외의 과학 기술 등에 사용하고 있다. ESRF를 이용하여 최근 호박 속 곤충의 정밀한 3차원 이미지를 뽑아내는 것이 그 예다. 이러한 연구에는 GeV의 에너지와 고강도의 전자 가속기가 필요하다.^[1]

4. 4. 의학

X-ray 발전기나 텔레비전의 음극선 튜브에서 입자가속기를 찾아볼 수 있다. 낮은 에너지에서는 가속된 핵의 빔이 암 치료 등의 의학적 목적으로도 쓰인다.^[87] 핵반응이 일어날 수 있을 만큼 입자를 가속할 수 있는 직류 가속기 형태는 코크크로프트-월튼 발전기, 혹은 교류를 고전압의 직류로 바꾸는 전압 증배기, 혹은 벨트를 통해 운반된 정전기를 사용하는 반 더 그라프 발전기로 사용할 수 있다. 의료용 중입자 가속기는 중이온 가속기의 일종으로, 탄소를 빛의 속도에 가깝게 가속하여 정상 세포를 최대한 보호하며 암 세포만을 선별하여 파괴함으로써 치료 효과를 높이고 치료 횟수 및 기간을 대폭 단축할 수 있어 '꿈의 암 치료기'로 불린다.^[88]

선형 가속기는 방사선 치료와 방사선 수술을 위해 의학 분야에서도 널리 사용된다. 의료용 선형 가속기는 클라이스트론과 복잡한 굽힘 자석 배열을 사용하여 높은 에너지의 빔을 생성한다. 전자는 직접 사용하거나 표적과 충돌시켜 X선 빔을 생성할 수 있다. 생성된 방사선 빔의 신뢰성, 유연성 및 정확성으로 인해 이전에 사용되었던 코발트-60 치료가 치료 도구로서 대체되었다.

4. 5. 기타

입자 가속기는 기초과학 연구뿐만 아니라 다양한 분야에서 활용되고 있다. 특히, 싱크로트론 복사를 이용한 연구가 활발하다. 싱크로트론 복사는 매우 밝고 응축된 빔을 만들어 내어, 원자 구조, 화학, 농축물질 물리, 생물학 등 다양한 분야의 연구에 사용된다. 예를 들어, 유럽 싱크로트론 방사선 시설(ESRF)에서는 호박 속 곤충의 정밀한 3차원 이미지를 얻는 데 성공했다.^[11] 이러한 연구에는 GeV(기가전자볼트) 수준의 고에너지와 고강도 전자 가속기가 필요하다.

저에너지 가속기는 집적 회로 제조에 사용되는 이온 주입 등에 활용된다. 또한, X-ray 발생 장치나 텔레비전의 음극선관에서도 입자 가속기를 찾아볼 수 있다.^[12]

의료 분야에서는 의료기기 멸균에 전자빔 조사가 흔히 사용된다. 전자빔은 코발트-60(⁶⁰Co)이나 세슘-137(¹³⁷Cs)과 같은 방사성 동위원소에서 방출되는 감마선이나 X선보다 훨씬 높은 선량률을 제공하여 노출 시간을 단축하고 고분자 분해를 줄일 수 있다. 전자는 전하를 띠고 있어 감마선과 X선보다 투과력이 낮다는 특징이 있다.^[18]

일본에는 다음과 같은 방사광 시설이 있다.

시설명	위치	특징
SPring-8
분자과학연구소 극자외선광연구시설(UVSOR-II)
효고현립대학 고도산업과학기술연구소(NewSUBARU)
히로시마대학 방사광과학연구센터(HiSOR)
사가현립큐슈싱크로트론광연구센터(SAGA-LS)
릿쿄대학 SR센터
SACLA(X선 자유전자레이저시설)
아이치 싱크로트론광센터(AichiSR)

5. 세계의 가속기

입자 가속기는 크게 '''양성자 가속기''', '''중이온 가속기''', '''전자 가속기'''의 세 종류로 나눌 수 있다.

양성자 가속기: 양성자를 충돌시켜 소립자를 관찰한다.
미국 FNAL(페르미 국립 가속기 연구소)의 Tevatron
중국 CAS(중국 과학원)의 CSNS^[70]
미국 ORNL(오크리지 국립 연구소)의 SNS
일본 J-PARC(Japan Proton Accelerator Research Complex)의 MLF
미국 LANL(로스 앨러머스 국립 연구소)의 LAMPF, LANSCE
영국 RAL(러더퍼드 애플턴 연구소)의 ISIS
스위스 PSI(파울 쉐러 연구소)의 SINQ

이 가속기들은 대부분 중성자 과학, 입자 물리학 등의 연구를 위해 설립되었다.

중이온 가속기: 헬륨보다 무거운 원자를 이온화시켜 가속한다.
스위스 CERN(유럽 원자핵 공동 연구소)의 LHC, SPS, REX-ISOLDE
미국 BNL(부룩 헤이븐 국립 연구소)의 AGS, RHIC
독일 DESY
러시아 JINR(원자핵 공동 연구원)의 Nuclotron
독일 GSI 헬름홀츠 중이온 연구소의 SIS
일본 RCNP(핵물리학 연구 센터)의 Ring cyclotro
독일 FZJ의 COSY
캐나다 TRIUMF의 ISAC
스위스 PSI(파울 쉐러 연구소)의 PSI
미국 MSU(미시건 주립 대학교)의 NSCL
핀란드 JYFL의 JYFL
프랑스 GANIL(프랑스 국립 대형 가속기 연구소)의 SPIRAL
호주 ANU(오스트레일리아 국립 대학교)의 Pelletron/linac
벨기에 CRC의 CRC
인도 BARC-TIFR의 Pelletron Accelerator Facility
일본 RIKEN(일본 이화학 연구소)의 RIBF (의료 및 생명과학 연구)
일본 HIBMC (의료 및 생명과학 연구)
한국 RAON (2021년 완공 예정)

전자 가속기: 전자를 빛의 속도에 가깝게 가속시켜 자외선이나 X선 등의 빛을 얻는다.

'''전자 가속기'''
순번	시설명(국가명/연구소명)	가속형태
1	SPring-8 (일본 RIKEN)	원형
2	APS (미국ANL)	원형
3	PETRA-III (독일DESY)	원형
4	ESRF (EU/ESRF)	원형
5	SSRF (중국 SINAP)	원형
6	Diamond-II (영국DLS)	원형
7	NSLS-II (미국/BROOKHAVEN)	원형
8	TPS (대만NSRRC)	원형
9	CLS (캐나다CLS)	원형
10	SOLEIL (프랑스CNRS)	원형
11	SLS (스위스 Paul Scherrer Institute)	원형
12	ELETTRA (이탈리아 Area Science Park)	원형
13	Indus-2(인도 라자라마나 IT센터)	원형
14	SESAME (요르단 SESAME)	원형
15	ANKA (독일 KIT)	원형
16	ALS (미국 LBNL)	원형
17	BESSY-II (독일 BESSY)	원형
18	MAX IV (스웨덴 스웨덴국립연구소)	원형
19	New SUBARU (일본 군마현립대학)	원형
20	SAGA-LS (일본 규슈싱크로트론방사광연구센터)	원형
21	NSRRC (대만 NSRRC)	원형
22	MAX-II (스웨덴 MAX Lab)	원형
23	LNLS (브라질 BSLL)	원형
24	DAFNE-FES (이탈리아 INFNLNF)	원형

'''양성자 가속기'''
순번	시설명(국가명/연구소명)	가속형태
1	Tevatron (미국 FNAL)	원형
2	CSNS (중국 CAS)	원형
3	SNS (미국 ORNL)	선형/원형
4	LAMPF (미국 LANL)	선형
5	J-PARC (일본 KEK, JAEA)	선형/원형
6	ISIS (영국 RAL)	원형
7	LANSCE (미국 LANL)	선형
8	SINQ (스위스 PSI)	원형

'''중이온 가속기'''
순번	시설명(국가명/연구소명)	가속형태
1	RHIC (미국 BNL)	원형
2	LHC (EU CERN)	원형
3	SPS (EU CERN)	원형
4	DESY (독일 HANRC)	원형
5	Nuclotron (러시아 JINR)	원형
6	SIS (독일 GSI)	원형
7	Ring cyclotron (일본 RCNP)	원형
8	COSY (독일 FZJ)	원형
9	ISAC (캐나다 TRIUMF)	선형
10	PSI (스위스 PSI)	원형
11	RIBF (일본 RIKEN)	원형
12	HIMAC (일본 NIRS)	원형
13	NSCL (미국 MSU)	원형
14	JYFL (핀란드 Jyvaskyla)	원형
15	SPIRAL (프랑스 GANIL)	원형
16	VIVITRON (프랑스 IRES)	원형
17	Pelletron/linac (호주 Australian National U.)	선형
18	REX-ISOLDE (EU CERN)	선형
19	CRC (벨기에 CRC)	원형
20	Pelletron Accelerator Facility (인도 BARCTIFR)	선형

그 외에도 여러 가속기들이 전 세계에 분포해 있다.

도호쿠 대학 전자광리학 연구센터(구 원자핵리학 연구시설)
도호쿠 대학 사이클로트론 RI 센터
고에너지가속기연구기구
이화학연구소 니시나 가속기 연구센터(RI빔 팩토리)
오사카 대학 핵물리 연구센터
교토 대학 화학연구소
규슈 대학 입자물리학 강좌
J-PARC
SPring-8
분자과학연구소 극자외선광연구시설(UVSOR-II)
효고현립대학 고도산업과학기술연구소(NewSUBARU)
히로시마대학 방사광과학연구센터(HiSOR)
사가현립큐슈싱크로트론광연구센터(SAGA-LS)
릿쿄대학 SR센터
SACLA(X선 자유전자레이저시설)
아이치 싱크로트론광센터(AichiSR)
페르미 국립 가속기 연구소(Fermi National Accelerator Laboratory)
브룩헤이븐 국립 연구소(Brookhaven National Laboratory)
스탠퍼드 선형 가속기 센터(Stanford Linear Accelerator Center, SLAC National Accelerator Laboratory)
아르곤 국립 연구소 첨단 방사광 시설(Advanced Photon Source)
로렌스 버클리 국립 연구소 첨단 방사광 시설(Advanced Light Source)
오크리지 국립 연구소 핵분열 중성자원(Spallation Neutron Source)
유럽입자물리연구소(CERN)
거대강입자가속기(LHC)
독일 전자싱크로트론 (Deutsches Elektronen-Synchrotron, DESY)
중국 파쇄 중성자원 시설(CSNS, 광둥성동관시)^[70]

참조

_[1] 서적 Reviews of Accelerator Science and Technology: Volume 1 http://www.worldscie[...] World Scientific
_[2] 서적 Particle Accelerators McGraw-Hill
_[3] 웹사이트 More background on accelerators https://www.iaea.org[...] 2023-11-10
_[4] 웹사이트 Ten things you might not know about particle accelerators http://www.symmetrym[...] Fermi National Accelerator Laboratory 2014-04-21
_[5] 서적 Principles of Charged Particle Acceleration https://archive.org/[...] Wiley-Interscience
_[6] 서적 Engines of Discovery: A Century of Particle Accelerators Revised and Expanded Edition http://www.worldscie[...] World Scientific
_[7] 간행물 six Million Volt Atom Smasher Creates New Elements https://books.google[...] 1935-04
_[8] 뉴스 Atom Smasher Preparing 2010 New Science Restart https://www.usnews.c[...] U.S. News & World Report 2009-12-18
_[9] 간행물 Aging Atom Smasher Runs All Out in Race for Most Coveted Particle 2006-06-02
_[10] 서적 American Heritage Science Dictionary Houghton Mifflin Harcourt
_[11] 서적 Accelerator Technology: Applications in Science, Medicine, and Industry http://link.springer[...] Springer International Publishing 2020
_[12] 간행물 Accelerator school travels university circuit http://controls.als.[...]
_[13] 보도자료 Two circulating beams bring first collisions in the LHC http://press.cern/pr[...] CERN Press Office 2009-11-23
_[14] 간행물 Production of ⁹⁹Mo for Nuclear Medicine by ¹⁰⁰Mo(''n'',2''n'')⁹⁹Mo
_[15] 뉴스 Secret 'dino bugs' revealed http://news.bbc.co.u[...] BBC News 2008-09-11
_[16] 간행물 Free-Electron Lasers: New Avenues in Molecular Physics and Photochemistry https://www.annualre[...] 2012-04-04
_[17] 간행물 Attosecond single-cycle undulator light: a review https://iopscience.i[...] 2019-02-01
_[18] 웹사이트 2019 Midwest Medical Device Sterilization Workshop: Summary Report https://lss.fnal.gov[...] United States Department of Energy 2019-11
_[19] 서적 Principles of Charged Particle Acceleration https://archive.org/[...] Wiley-Interscience
_[20] 서적 Principles of Charged Particle Acceleration https://archive.org/[...] Wiley-Interscience
_[21] 서적 Proceedings, 4th International Conference on High-Energy Accelerators (HEACC63) http://inspirehep.ne[...]
_[22] 서적 Obsessed by a Dream: The Physicist Rolf Widerøe – a giant in the History of Accelerators http://link.springer[...] Springer International Publishing 2019-11-05
_[23] 서적 The Infancy of Particle Accelerators: Life and Work of Rolf Wideröe Vieweg
_[24] 서적 Handbook of Accelerator Physics and Engineering https://cds.cern.ch/[...] World Scientific
_[25] 서적 Principles of Charged Particle Acceleration https://archive.org/[...] Wiley-Interscience
_[26] 웹아카이브 Pulling together: Superconducting electromagnets https://home.cern/sc[...] CERN
_[27] 웹아카이브 Restarting the LHC: Why 13 TeV? https://home.cern/sc[...] CERN
_[28] 간행물 The Strong-Focusing Synchrotron—A New High Energy Accelerator
_[29] 간행물 Radial Focusing in the Linear Accelerator
_[30] 웹아카이브 The Alternating Gradient Concept http://www.bnl.gov/b[...] Brookhaven National Laboratory
_[31] 간행물 Resonances of electron beam focused by a helical quadrupole magnetic field 1990
_[32] 웹아카이브 World of Beams Homepage http://bc1.lbl.gov/C[...] Lawrence Berkeley National Laboratory
_[33] 간행물 The Next Big Beam?
_[34] 서적 Handbook of Accelerator Physics and Engineering https://books.google[...] World Scientific 2013-12-31
_[35] 서적 Reviews of Accelerator Science and Technology: Accelerator Applications in Industry and the Environment https://books.google[...] World Scientific 2012-02-20
_[36] 서적 Industrial Accelerators and Their Applications https://books.google[...] World Scientific 2012-06-27
_[37] 논문 The Rhodotron, a new high-energy, high-power, CW electron accelerator
_[38] 논문 Riding the Plasma Wave of the Future http://www.symmetrym[...] 2005-04
_[39] 논문 Self-Focused Particle Beam Drivers for Plasma Wakefield Accelerators http://peaches.ph.ut[...]
_[40] 논문 Demonstration of electron acceleration in a laser-driven dielectric microstructure
_[41] 논문 Conceptual layout for a wafer-scale dielectric laser accelerator
_[42] 논문 Demonstration of acceleration of relativistic electrons at a dielectric microstructure using femtosecond laser pulses 2016-06-15
_[43] 논문 Operation regimes of a dielectric laser accelerator 2018-04-21
_[44] 웹사이트 Accelerator Concepts Workshop https://www.bnl.gov/[...]
_[45] 웹사이트 AAC22 - AAC History https://www.aac2022.[...] 2016-01-04
_[46] 웹사이트 Eaac2013 http://www.lnf.infn.[...]
_[47] 논문 Laser Acceleration of Relativistic Electrons Using the Inverse Cherenkov Effect 1995-01-23
_[48] 논문 First Staging of Two Laser Accelerators
_[49] 논문 Experimental Observation of Direct Particle Acceleration by Stimulated Emission of Radiation 2006-09-28
_[50] 웹사이트 An Interview with Dr. Steve Giddings http://www.esi-opics[...] Thomson Reuters 2004-07
_[51] 논문 Black hole production at the CERN LHC: String balls and black holes from pp and lead-lead collisions
_[52] 논문 Review of the Safety of LHC Collisions http://lsag.web.cern[...] 2008-09-05
_[53] 논문 Review of Speculative "Disaster Scenarios" at RHIC
_[54] 서적 Safety for Particle Accelerators http://link.springer[...] Springer International Publishing
_[55] 서적 Accelerator Radiation Physics for Personnel and Environmental Protection https://www.taylorfr[...] CRC Press, Taylor & Francis Group
_[56] 웹사이트 豊かな未来を、先端加速器科学技術の力で。 http://aaa-sentan.or[...] 一般社団法人先端加速器科学技術推進協議会 2018-05-09
_[57] 기타
_[58] 기타
_[59] 기타
_[60] 간행물 60吋(대형) 사이클로트론 건설 보고
_[61] 웹사이트 리켄·재건 사이클로트론의 가속 상자 http://shinkan.kahak[...] 국립과학박물관
_[62] 논문 with sketches and computations on the ray-transformer ETH-Libr.Zurich
_[63] 논문 Über ein neues Prinzip zur Herstellung hoher Spannungen 1928-12-17
_[64] 웹사이트 초기의 사이클로트론 기록 http://www.kagakucaf[...]
_[65] 웹사이트 cyclotron history http://www.physics.r[...]
_[66] 웹사이트 사이클로트론을 미군이 접수 해중 투기한 경위와 阪大에는 2대라고 기록된 근거 https://watanaby.fil[...]
_[67] 웹사이트 파괴된 사이클로트론 흘린 글 https://watanaby.fil[...]
_[68] 뉴스 사이클로트론 부품이 현존 파괴할 터였는데…전시 중에 교토 제국대학 개발 http://www.kyoto-np.[...] 교토신문 2007-08-14
_[69] 웹사이트 트리스탄 계획 보고서 http://www.kek.jp/hy[...]
_[70] 뉴스 개혁·개방 40년 제2부 「과학기술 강국」(2)「실험시설 노리는 것은 일류」 요미우리신문 2018-05-02
_[71] 서적 신의 입자를 찾는 사람들 LHC, 현재 물리학의 최전선 사이언스북스 2011
_[72] 서적 University Physics with Modern Physics 1/e McGraw-Hill
_[73] 웹인용 보관된 사본 https://web.archive.[...] 2012-12-01
_[74] 웹인용 보관된 사본 https://web.archive.[...] 2012-12-01
_[75] 웹사이트 http://www.phy.duke.[...]
_[76] 웹사이트 http://times.postech[...]
_[77] 웹사이트 네이버 지식백과 '양성자 가속기' https://terms.naver.[...]
_[78] 웹인용 양성자·중이온·중입자·방사광···"가속기가 뭐길래?" https://blog.naver.c[...]
_[79] 웹인용 보관된 사본 https://web.archive.[...] 2012-12-01
_[80] 웹인용 양성자·중이온·중입자·방사광···"가속기가 뭐길래?", 헬로디디닷컴 https://hellodd.com/[...]
_[81] 웹사이트 http://preview.brita[...]
_[82] 뉴스 기초과학연구원, 중이온가속기 '라온' 설치작업 착수 https://www.fnnews.c[...] 파이낸셜뉴스
_[83] 웹인용 보관된 사본 http://www.risp.re.k[...] 2012-12-01
_[84] 웹사이트 http://www.kofst.or.[...]
_[85] 웹인용 양성자·중이온·중입자·방사광···"가속기가 뭐길래?" https://blog.naver.c[...]
_[86] 서적 신의 입자 도서출판 에드텍 1996
_[87] 뉴스 노벨상 연구성과서 신소재 개발까지…‘팔방미인’ 가속기 http://news.heraldco[...] 헤럴드경제
_[88] 웹사이트 부산시, ‘꿈의 암 치료기’ 중입자가속기 구축사업 청신호 https://www.busan.go[...]

본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com