안녕하세요. 
저번 포스팅에서 사이클로트론에 대해서 알아보았습니다.
선형가속기이든, 사이클로트론이든 가속에는 상대론적 효과, 공간상의 한계에 의해 가속에 한계가 존재한다는 것이 요점이었습니다.
빛의 속도에 가까워질수록 시간은 지연되고 길이는 수축되며 질량은 무거워지기 때문에 가속에 한계가 있었습니다.
그래서 사람들은 이러한 한계를 극복하기 위해 노력을 하게 되는데 그때 나온 것이 싱크로사이클로트론입니다.
제목의 싱크로트론과 조금 다르죠?
네, 실제로 다른 가속기입니다.
이 가속기는 상대론적 효과를 고려해 가속될 때 고주파 전원의 주파수를 수정해 상대론적 효과를 감소할 수 있도록 설계가 되었습니다.
그런데 이 가속기는 만족스러운 결과를 주지 못합니다.
기존의 사이클로트론처럼 연속적인 빔을 생성하지 못하기 때문에 출력의 부분에 있어서 만족스러운 결과를 얻지 못하는데요.
그래서 나온 것이 오늘 소개할 싱크로트론입니다.
그림 먼저 보고 이를 따라가며 설명하도록 하겠습니다.
싱크로트론은 고주파 가속장치와 여러 개의 전자석들이 연결된 링입니다.
전자석들은 이어진 것이 아닌 진공관을 두고 휘어지는 구간마다 존재한다고 생각하시면 되겠습니다.
쉽게 생각해서 염주를 떠올려보세요. 여기서 줄이 진공관이고 구슬이 전자석 그리고 특별히 하나의 구슬을 가속장치라고 생각하시면 쉽게 어떤 구조인지 이해되시리라 생각이 됩니다.
이제 천천히 가속장치부터 알아보도록 하겠습니다.
가속장치는 싱크로트론중에 여러 개가 아닌 두개도 아닌 오직 하나, 한 부분에만 존재합니다.
이 가속장치는 고주파 고전압의 가속 장치로 주파수를 조정하는 싱크로사이클로트론과 달리 전기장을 조정하여 가속을 시켜 줍니다.
입자를 가속시키고 링을 순환하고 이 가속장치에 들어올 때마다 가속을 시켜주게 됩니다.
그런데, 이렇게 되면 사이클로트론이나 선형가속기에서 언급했던 문제가 또 발생합니다.
더 빨라지면 필요로 하는 가속시간이 길어지기 때문에 더 긴 길이를 필요로 하고 상대론적 효과를 고려한 길이도 적용해야 합니다.
하지만, 싱크로트론의 경우 동일한 궤적을 유지하도록 설계가 되어 있습니다.
즉, 싱크로트론의 경우는 이를 고려한 설계라는 것인데 이 설계가 바로 자석과 전원장치입니다.
사이클로트론에서 동일한 자기장을 균일하게 걸어주고 도는 반경을 증가시킨 반면 싱크로트론에서는 걸어주는 자기장을 가속됨에 따라 더 크게 올려주게 됩니다.
로렌츠 힘에 의해 자기장이 커질수록 입자는 더 크게 휘게 된다는 것을 기억합시다.
원형가속기 사이클로트론 참고
이렇게 함으로써 동일한 궤도를 유지하며 가속을 하게 됩니다.
그런데 입자가 가속되지만, 동일한 궤도를 계속 유지하기 위해서는 강한 자기장을 필요로 하는 만큼 초전도체를 이용한 전자석이 활용이 됩니다.
잠깐 여기서 다시 정리해보겠습니다.
싱크로트론은 사이클로트론과 달리 균일한 자기장이 아닌 점점 증가하는 자기장을 걸어주면서 가속을 시키겠다는 겁니다. 그래서 전자석을 사용하는 것이죠.
그런데 여기에도 한계가 있습니다. 걸어줄 수 있는 자기장 또한 한계가 있기 때문이죠.
그래서 반경은 크면 클수록 좋습니다.
왜 그럴까요?
그림에서 볼 수 있듯이 링 전체가 전자석이 아닌 수많은 전자석들이 휘게 되는 부분마다 존재하고 그사이 사이를 진공관이 연결하고 있습니다.
생각해봅시다.
입자가 빨라지면 빨라질수록 자기장을 이용해 입자를 휘게 만들기는 더 어려워질겁니다.
그래서 싱크로트론은 이를 조금씩 각도의 변화를 주면서 이동시키게 되는데 반경이 작은 원일 경우 한 번의 전자석이 휘게 하는 각도가 커야 합니다.
즉, 더 큰 자기장을 요구하게 됩니다.
그러나, 반경이 무진장 크게 된다면 이 각도의 변화를 주는 하나하나의 전자석들이 요구받는 변화량이 줄어들게 되어 얻게 되는 에너지는 매우 커지게 됩니다.
즉, 티끌 모아 태산 같은 느낌인것이죠.
이제 싱크로트론의 원리가 이해가 되시나요?
그럼 이 가속기가 가진 문제점을 살펴보겠습니다.
우선, 다른 가속기들처럼 자기 혼자 쓰일 수가 없습니다.
가속되는 장치가 중간에 하나뿐이니 처음부터 가속시키기가 어렵습니다. 그래서 선형가속기, 사이클로트론을 통해 미리 가속을 하고 이를 입사시키는 방식을 사용합니다.
또한, 에너지가 낮을 때는 별로 관심이 없었을지도 모르나 에너지가 높아지면서 직선 방향이 아닌 입자가 회전을 하면서 제동복사를 하게 됩니다.
쉽게 말해서 회전을 하면서 빛을 발산하며 에너지를 잃게 되는데 이는 가속기 입장에서는 손실이겠죠?
그래서 초기에 많은 과학자들이 이 현상을 없애기 위해 노력을 했는데 이 빛이 중요하다는 것을 나중에 알게 됩니다. 그래서 이를 활용해 산업, 의료분야에서 활용하는데 이를 방사광 가속기라고 합니다.
다음 시간에는 이 가속기에 대해서 알아볼 예정입니다.
싱크로트론에 관한 포스팅은 여기까지 하겠습니다.
저도 가속기에 대해서 자세히 알지는 못해서 이보다 더 자세히는 쓰질 못하겠네요.
그래도 CERN의 LHC가속기는 왜 그렇게 큰 반경을 가진 가속기를 만들어야만 했는지, 궁금증이 풀렸습니다… 풀렸죠…?ㅎㅎ
기회가 된다면 CERN의 LHC가속기의 가속 과정에 관한 포스팅도 한 번 진행해보도록 하겠습니다!
여기서 포스팅을 마칩니다. 감사합니다!!