공부하고 정리하고

가속기를 통해 최초의 핵변환을 성공한 콕크로프트-월턴 가속기에 대해 알아보고자 합니다. 

원리

직류형 가속기로서 전압차를 사용해 가속을 하되 축전기를 사용해 전압을 충전하고 이것을 합쳐 고전압을 생성해 가속을 하게 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 반응은 리튬에 가속된 양성자를 조사시켜 2개의 알파입자(알파선)을 방출한 것으로 핵분열 반응 이었습니다. 리튬에 양성자를 넣어 두개로 쪼개놓은 반응이었죠.

이 반응은 최초의 핵반응이었습니다. 이들은, 이 핵반응을 발견한 공로를 인정받아 1951년 노벨 물리학상을 수상하게 됩니다.

“해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글 이미지임을 알립니다.”

“해당 포스팅은 스팀잇에서 작성한 글을 옮긴 포스팅입니다.”

가속기란?

간단하게 말해서 입자를 가속시키는 장치를 말합니다.

중력, 강력, 약력, 전자기력 중에 전자기력을 사용해 가속을 합니다.

그렇다면 가속을 위해서는 무조건 전하를 띄는 입자를 사용해야 합니다.

그럼 이 필수조건에 의해 제외되는 입자가 있습니다.
바로 중성자 입니다. 그래서 중성자는 직접적인 가속이 불가능합니다. 다만, 가속된 고에너지의 하전입자로 인해 생겨나는 파쇄 중서자를 이용할 수는 있습니다.

가속 방법은?

가속 방법은 전위차를 이용하게 됩니다. 이 전위차라는 말은 전압과도 동일합니다. 

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.

기본적으로 전하량 q를 가진 입자를 전압 V를 걸게 되면 생기는 에너지를 E=qV라고 쓸 수 있습니다. 

V가 커지면 당연히 에너지가 커지게 됩니다. 

따라서 높은 전압은 높은 에너지를 발생시킵니다.

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. 

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. 또한 일정 이상의 고전압을 걸어주게 되면 공기절연파괴현상이 일어나기 때문에 고전압을 걸어주는데 한계가 있습니다.

다음 방법은 교류형입니다. 교류형은 가속되는 입자에 동일한 전압을 걸어주되 전압의 부호를 주기적으로 바꿔서 지속적으로 높은 전압으로 가속이 되는 방법으로 106eV이상의 전압을 만들 때 사용합니다. 앞의 직류형과 비교해서는 더 적은 공간을 필요로 하는 장점이 있습니다. 이 방식을 사용하면서 가속길이를 직류형 대비 많이 줄일 수 있어 포항 방사광가속기의 경우에는 150m의 가속기 길이에도 GeV의 빔을 얻을 수 있습니다.