안녕하세요!!
이번 포스팅에서는 사이클로트론에 대해서 소개하고자 합니다. 이 가속기는 저번 포스팅의 선형가속기와는 달리 비교적 소형의 크기를 가지는 특징이 있습니다.
그리고 의료분야, 연구분야, 산업분야에서 다양한 방법으로 사용이 되고 있습니다.
현대의 삶에서 중요한 기기로 자리 잡고 있는 이 사이클로트론에 대한 원리 및 구조를 간단하게 살펴보고자 합니다.
로렌츠 힘
저번 포스팅에서도 언급했지만, 전하를 가진 하전입자는 전자기장 안에 들어가면 힘을 받게 됩니다. 이 힘이 로렌츠 힘인데 전기장에 의해서 가속하게 되고 자기장에 의해서는 돌림힘을 받게 됩니다.
즉, 전기장을 걸어줄 때는 가속을 하고 자기장을 걸어줄 때는 방향만 바뀌게 된다는 말입니다.
위 공식에서처럼 일정한 자기장을 걸어준다고 했을 때 속도가 커지면 반경도 커지게 됨을 알 수 있습니다.
이 관계가 시사하는 바는 큽니다.
두가지를 결정할 수 있는데 첫번째는 자기장이 크면 클수록 동일한 크기의 가속기에서 얻어내는 가속된 입자의 에너지가 더 커지게 됩니다.
그리고 두번째는 속도가 커지면 반경이 커져 가속을 시키기 위해서는 링형태의 원이 아니고 점점 커지는 반경을 용인가능한 형태로 설계가 되어야 한다는 겁니다.
이러한 이유로 사이클로트론은 여러 사항을 고려해 높은 정자기장을 걸어주고 링 형태가 아닌 원 형태로 설계가 됩니다. 조금 더 자세히 구조를 살펴보겠습니다.
구조
D형 반원 두개가 일정 거리를 두고 마주 보고 있는 형태로 설계가 되어 있습니다.
그리고 중앙에서 하전입자를 방출하고 이를 마주 보고 있는 D형 반원사이에서의 전위차로 가속이 됩니다. 그런데 나오는 방향에 따라 가속되는 방향이 바뀌므로 선형가속기와 마찬가지로 전압의 부호를 바꿔주어야 합니다.
각각의 반원 내부에는 일정한정자기장이 걸려있습니다. 자기장은 각각 중심방향으로 향하도록 방향을 정해서 걸어줍니다.
그러면 하전입자를 기준으로 따라가면 경로는 다음과 같습니다.
가속되면 반경이 커지기 때문이죠.
이를 유지하기 위한 장치들은 가속하는데 충돌에 의한 손실을 방지하기 위해 진공장치가 필요하고 선형가속기와 마찬가지로 고주파, 고전압을 요구하기 때문에 RF 시스템이 필요합니다.
이때의 RF 시스템은 하전입자가 반 바퀴 돌고 다시 D형 disk의 끝에 도달할 때까지의 주기와 일치해야 하기 때문에 위 식에서 구한 주파수를 적용해야 합니다.
그리고 중앙에서 하전입자를 발생시키는 Ion injector가 필요합니다.
출구에서의 하전입자의 에너지는 가속기에서의 반경과 걸어주게 되는 자기장에 의해 결정이 됩니다. 그래서 제작하기에 따라 가속되는 정도를 결정할 수 있습니다.
하지만, 사이클로트론에도 한계가 존재합니다. 선형가속기와 마찬가지로 에너지가 증가되면서 하전입자는 상대론적 효과에의해 무거워지며 동일한 방법으로 가속하기가 어려워집니다.
마지막으로 정리하자면, 이 가속기는 선형가속기와 가속 방법은 똑같지만 선형가속기는 drift tube라는 것을 길게 하여 가속 시간을 벌었다면 사이클로트론은 D형 disk에 자기장을 걸어 이동공간을 곡선으로 만들며 이 반경을 충분히 제공해 전압의 부호를 바꾸는 시간을 벌고 원하는 에너지만큼의 가속을 얻는 방법이 되겠습니다.
다음 포스팅에서는 싱크로트론에 대한 설명을 이어나가도록 하겠습니다.
여기서 포스팅을 마칩니다. 감사합니다!!