안녕하세요!!
원래는 제가 포스팅하던 순서에 의해 오늘 선형대수학을 하려고 했지만 잠시 미뤄두도록 하겠습니다. 왜냐하면 저번에 말씀드린 종이에 쓴 것을 컴퓨터로 옮겨주는 펜을 구입했거든요! 그거 오면 이용해서 써보려고 합니다.^^
오늘의 주제는 콕크로프트-월턴 가속기입니다. 조금 생소하시죠? 보통 유럽에 있는 넓은 가속기나 포항에 있는 길쭉한 가속기만 들어보셨을 텐데 이 가속기는 그 가속기들에 비교하면 훨씬 낮은 고전압을 형성해주는 가속기입니다. 그 뒤로 아주 많은 가속기들이 나왔죠.
지금 현재는 최초 가속시에 사용하거나 작게는 산업용으로 활용되는 정도로 사용이 되는 것으로 알고 있습니다. 예를 들어 x-ray 튜브의 고전압이나 전기충격기 같은 용도로요.
그럼 일단 원리를 한 번 알아보겠습니다.
원리
원리는 간단합니다. 저번 시간에 언급했던 가속 방법중에 직류형 가속기라고 생각하시면 됩니다.
위 그림에는 AC전압과 컨덴서, 정류 다이오드를 사용해 전압이 증폭되는 회로를 구성했으나 DC 전압과 스위치를 활용해 똑같이 가속을 시킬 수 있습니다. 제가 배우기로는 당시 가속기가 사용한 방법을 후자로 배웠던것 같은데 구글에 관련 이미지를 찾아보니 교류전원을 사용한거만 나오는군요.
그래도 결과는 동일합니다. 동일하게 DC 고전압을 output해주니까요.
그림이 교류인 관계로 해당 그림에 맞쳐서 설명하고 DC 전원의 경우를 잠깐 설명하고 넘어가겠습니다.
해당 그림에 있는 D1, D2, D3, D4를 기억합시다. 화살표 방향으로만 전류가 흐릅니다.
그림 왼쪽 기준으로 뒤에꺼 무시하고 D1이 전류가 흐르려면 D1이 가리키는 방향으로 전류가 흘러야겠죠? 즉, 전원기준으로 아래쪽이 +, 위쪽이 -가 걸리게 된다면 D1을 지나 축전기 C1을 지나는 회로가 구성이 됩니다. 이때 C1에 V가 충전이 됩니다.
이제 전류가 반대로 흐른다고 생각해봅시다. 전류가 반대로 되면 D1에는 전류가 흐르지 않습니다. D2에는 흐릅니다. 그럼 C1과 직렬을 이루게 된 C2에는 기존의 전원과 C1에 충전된 전압이 합쳐져서 두배로 들어오게 됩니다. 즉, 원래의 전압값에 두배가 되는 전압을 충전한거죠.
이 다음에는 다시 전류의 방향이 반대입니다. 다시 C1에 C2로 몰아준 전압이 충전이 됩니다. 그리고 C2에 있던 2V는 C3에 충전이 됩니다.
이다음에는 다시 C1이 C2를 충전하고 C3는 C4에 2V를 충전시켜줍니다.
결국에는 축전기를 4개 지나면서 기존의 전압을 4배 승압시켜주는 구조입니다.
조금 복잡하고 회로에 대한 이해가 필요합니다. 이제 쉽게 생각해보겠습니다.
DC전원을 사용하면 안 복잡하고 쉽습니다. 모든 축전기를 DC전원에 병렬로 연결해줍니다. 그리고 충전이 완료되면 모든 축전기들을 직렬로 바꿔주는 스위칭을 해줍니다. 그럼 축전기에 충전된 만큼 승압된 전압을 얻을 수 있습니다.
아주 간단하게 생각하면 멀티탭에 축전기를 다 꼽아서 충전시키고 순간적으로 연결된 축전기들을 직렬로 연결해 방전시킨다고 생각하시면 되겠습니다.
어쨌든, 결과적으로 고전압을 이런 방식으로 얻은 다음에 x-ray 발생기의 튜브처럼 방전관을 사용해 입자를 가속시킵니다.
당시, John Cockcroft와 Ernest Walton은 이러한 방식을 사용해 700keV의 양성자 가속기를 만들어 냅니다. 이 가속기가 Cockcroft-Walton 가속기입니다.
이들은, 700kV의 전압을 얻기 위해 DC전원을 사용한 가속기를 구성하였고 이를 위해서 고전압을 저장 할 수 있는 대형 축전기를 사용합니다.
그리고는 실험에 들어가게 됩니다. 이후 1932년 실험에 성공하게 됩니다.
이들은, 이 장치를 활용해 다음과 같은 반응을 만들어 냅니다.
이 반응이 무슨 말이냐면 리튬에다가 가속된 양성자를 쏘아주었더니 2개의 알파입자(알파선)가 나왔다는 말입니다. 리튬에 양성자를 넣어 두개로 쪼개놓은 반응이었죠.
이 반응은 최초의 핵반응이었습니다. 이들은, 이 핵반응을 발견한 공로를 인정받아 1951년 노벨 물리학상을 수상하게 됩니다.
Cockcroft-Walton 가속기에 대한 설명은 여기까지 입니다. 별 내용이 없죠? 다음 시간에 설명할 Van de Graff 가속기도 크게 내용이 없습니다. 하지만 선형가속기 이상가면 조금 전문적인 내용들이 많이 등장합니다. 저도 얕게만 아는거구요…ㅎㅎ 그래도 최대한 설명해보겠습니다.
오늘은 여기서 포스팅을 마칩니다. 감사합니다!!