안녕하세요!!
방사선 치료분야에 대한 포스팅을 하기에 앞서 가속기에 대해서 언급할 필요성이 있습니다. 왜냐하면 우리는 방사선 치료 분야의 한 분야인 가속기를 통한 치료법을 알아볼 예정이기 때문이죠.
그저 단순히, 입자를 가속시켜서 뭐 입자가 가속이 되면 높은 에너지를 가지고 이를 통해 치료를 한다라고 간단히 말하고도 넘어갈 수 있지만 이왕 알아보는 거 여러 가속기의 종류와 원리도 알아보면 좋지 않을까요?
그래서…!! 소개하겠습니다.
제가 소개할 가속기는 총 5종류입니다.
- Cockcroft-Walton 가속기
- Van de Graff 가속기
- linear 가속기
- 사이클로트론
- 싱크로트론
위 5개를 하나씩의 포스팅으로 나뉘어 앞으로 설명하도록 하겠습니다.
그럼 오늘은 간단하게 전체적인 가속기의 개념에 대해 살펴보겠습니다.
가속기란?
간단하게 말해서 입자를 가속시키는 장치를 말합니다. 그럼 어떻게 가속을 시킬까요?
자 우리는 한 가지 사실을 떠올려야 합니다. 이 사실은 제가 전에 소개한 포스팅에도 언급되었습니다.
힘의 근원은 뭘까? 여기서 자연계를 제어하는 4가지 힘에 대해서 알아보았습니다.
이 4가지 힘은 중력과 강력, 약력 그리고 전자기력이었습니다.
그럼 우리는 이 4가지 힘 중에 골라서 사용하여야 합니다. 뭐가 가장 적절해 보이시나요? 중력은 가장 약한 힘이고.. 강력은 강하지만 작용범위도 짧고 어떻게 제어할 방법이 없고… 약력도 똑같습니다… 그렇다면 남은 힘은 전자기력이죠. 이 전자기력은 비교적 쉽게 제어가 가능합니다.
그래서 결론은 전자기력을 가속시키는 힘으로 사용을 합니다. 그렇다면 가속을 위해서는 필수조건이 하나 생겨버립니다. 바로 전하를 띄는 입자를 사용해야 한다는 것이죠.
그럼 이 필수조건에 의해 제외되는 입자가 있습니다.
바로 중성자 입니다. 그래서 중성자는 직접적인 가속이 불가능합니다.
가속 방법은?
가속 방법은 전위차를 이용하게 됩니다. 이 전위차라는 말은 전압과도 동일합니다. 과학시간에 전압과 전류를 물의 높이와 물의 양으로 비유하여 배우신 기억이 나실 겁니다.
폭포에서 물의 높이가 높을수록 물이 떨어진 후의 운동에너지가 크고 물의 양이 많을수록 아래로흐르게 되는 물이 많아집니다. 전압과 전류도 똑같습니다. 전위차가 클수록 전압은 크고 에너지가 크게 되는 것이고 전류가 클수록 흐르는 전하의 양이 커지는 것이죠.
그렇다면 우리는 무엇을 해주어야 입자를 가속시킬 수 있을 까요? 전류를 많이 걸어야 할까요? 전압을 많이 걸어야 할까요?
기본적으로 전하량 q를 가진 입자를 전압 V를 걸게 되면 생기는 에너지를
E=qV라고 쓸 수 있습니다. 이 식을 보았을 때 필요한 값은 전압값이죠?
또한 생각을 해보면 전압이 에너지를 키워준다고 했으니까 결국 큰 고전압이 필요할 것 같습니다.
결론은 ‘고전압이 필요하다’ 입니다. 그렇다면 고전압을 어떻게 걸어줄까요? 우리는 아주 높은 에너지까지 가속을 시킬 것이기에 매우 높은 전압을 필요로 합니다.
우선, eV 단위부터 먼저 알아보겠습니다. 가속기에서는 이 eV, 전자볼트 단위를 많이 사용할 건데 1eV라는 것은 1개의 전자를 1V의 전압차로 가속시켜 얻는 에너지를 말합니다.
1eV=1.6ⅹ10-19J 입니다. 앞으로도 나오는 단위이니까 이단위는 꼭 기억해두었으면 합니다.
다시 본론으로 돌아와 고전압을 얻는 방법은 직류형과 교류형으로 나뉘어 집니다.
직류형은 DC 전압을 걸어주어서 전하를 띤 입자를 그대로 가속시키는 방법입니다. 이 방법은 106 eV 까지는 가속이 가능하나 그 위로는 힘듭니다. 왜냐하면 높은 전압을 걸어주기 위해서는 강한 전기장과 긴 거리차가 필요하기 때문에 기술적으로 한계가 존재합니다.
다음 방법은 교류형입니다. 교류형은 가속되는 입자에 동일한 전압을 걸어주되 전압의 부호를 주기적으로 바꿔서 지속적으로 높은 전압으로 가속이 되는 방법으로 106 eV이상의 전압을 만들 때 사용합니다. 앞의 직류형과 비교해서는 더 적은 공간을 필요로 하는 장점이 있습니다.
가속 방법에 대한 자세한 방법은 실제 각각의 가속기에 맞혀서 다시 한 번 설명하겠습니다.
이 가속기들은 제가 방사선 치료분야에 사용하기 때문에 소개한다고 했으나 치료분야는 극히 일부분에 불가합니다. 다른분야에서도 매우 많이 쓰입니다. 가장 대표적인 것이 CERN과 같은 입자가속기 연구소들에서 미지의 입자를 찾기 위해 사용하기도 하고 산업에서 반도체의 패턴을 그리는 리소그래피 공정을 위해서도 사용이 될 수 있습니다. 또 이 가속기를 통해 핵폐기물의 양을 줄이는 연구도 하고 있습니다. 그리고 의료분야 및 산업 분야에 필요한 방사성의약품이나 트레이서를 제작하기 위해서도 이 가속기가 사용될 수 있습니다.
아주 중요해 보이죠? 그러니까 다음 포스팅도 기대해주세요!!
오늘은 여기서 포스팅을 마칩니다. 감사합니다!!