백과

전압증폭기(캐스케이드 발전기)

코크로프트와 월턴의 선구적 실험에 쓰인 고전압은 4개의 커다란 정류기와 축전기를 합친 형태의 4단계 전압증폭기에서 얻어냈다.

이 회로는 결국 정류기 형태의 직류전압 전력공급기 4대를 직렬로 연결한 것이다. 고전압 변압기로부터 공급되는 교류전압은 일단의 축전기를 통하여 다음 단계로 전해진다. 다음에 이 전압은 다른 무리의 축전기에 의해서 일정하게 유지된다. 여기에서 나오는 직류전압은 코로나 방전에 의한 전력손실이 심각하지 않으면 변압기 최대전압(20만V)의 4배에 다다를 것이다. 이 장치로 양성자를 710keV까지 가속시켰는데 이는 리튬핵과 반응시켜 바라던 결과를 얻기에 충분했다. 그들의 이러한 업적, 즉 처음 인위적으로 가속한 입자를 이용하여 핵반응을 시킨 업적은 1951년 노벨 물리학상을 받음으로써 인정받았다.

밴 더 그래프 발전기

밴 더 그래프 발전기에서는 전하가 접지된 도르래에 의해 빠르게 도는 절연띠를 타고 고전압단자로 운반된다.

2번째 도르래는 그림1에서 보듯이 커다란 구형의 고전압 단자로 싸여 있다. 그리고 띠는 접지된 도르래로부터 벗어나는 지점 바로 바깥에 그 끝이 가깝게 설치된 얇은 살로 된 금속침에 의해 하전된다. 그 금속침은 그 전위가 수 십kV에 이르는 전력공급기에 연결되어 있다. 살 끝 부근의 기체가 강한 전기장에 의해 이온화되고 그결과 일어나는 코로나 방전에 의해 이온들이 띠의 표면으로 유도된다. 이 이온들은 벨트를 타고 고전압단자로 가게 되고 그곳에서 또다른 금속침에 의해 그 단자의 바깥면으로 옮겨진다.

잘 설계된 밴더그래프 발전기를 압축기체로 절연시켜 쓰면 약 20MV의 전위로 대전시킬 수 있다.

대부분의 정전압가속기에서 고전압을 얻기 위해 이용되는 것은 밴 더 그래프 발전기이며 또 현재까지도 쓰이고 있는 정전 양성자가속기의 대부분은 2단계 탠덤 가속기이다. 이 기구는 주어진 고전압으로 그것을 한번 가할 때 줄 수 있는 에너지의 2배를 빔으로 전해준다.

탠덤 가속기를 도식적으로 그려본 것이 그림2이다. 이온 원에서 양성자 빔이 나오며 이것은 보조-고전압 공급기에 의해 낮은 에너지로 가속된다. 이 빔이 낮은 압력의 기체로 차 있는 부분을 지나게 되는데, 이곳에서 전자 2개를 얻어서 음수소가 되는 양성자가 생긴다. 이렇게 섞여 있는 대전입자의 혼합체가 자기장을 통과하면서 음으로 대전된 것들은 가속관 안으로 휘어 들어가게 되고 양으로 대전된 것들은 그 반대로 휘어 날아가버린다. 그러면 이제 음이 된 이온 빔은 고전압단자의 양의 방향으로 가속되어간다.

이 단자에서 입자들은 얇은 탄소 박(箔)을 지나게 되고 이 과정에서 많은 음이온들이 전자를 잃어 다시 양이온(즉 양성자)으로 되돌아온다. 이 양성자들이 이번에는 양의 단자에 의해 밀려 가속관의 2번째 부분에서 계속 가속된다. 이들이 가속기의 출구에 이르면 전에 했듯이 자기장을 이용하여 양성자를 다른 입자로부터 분리해서 표적을 향하게 한다.

3단계 또는 4단계의 탠덤 가속기에서는 2개의 밴 더 그래프 발전기와 이온들의 전하를 바꾸는 데 필요한 다른 장치를 같이 쓰고 있다. 밴 더 그래프와 코크로프트-월턴 발전기는 전자를 가속하기 위해서도 쓰인다. 전자 빔은 수mA(밀리암페어)의 전류에 해당되는데 그것에 의한 에너지 전달은 kW로 표현하기에 좋을 정도이다. 이러한 강한 빔은 소독, 방사선사진법, 암치료법, 플라스틱 중합 등에 이용된다.