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개요
싱크로트론에서는 입자가 가속됨에 따라 궤도반지름을 어느 정도 일정하게 유지시켜주기 위해 자기장을 증가시킨다.
이 기술은 입자가 궤도를 형성하게 하는 자석의 크기가 같은 에너지를 얻는 사이클로트론의 경우보다 훨씬 작다는 이점이 있다. 가속은 고주파 전압에 의해 이루어지는데 가속되는 동안 위상안정원리에 의해 동시성(synchronism)이 유지되도록 한다. 입자의 에너지를 얼마나 빠르게 증가시키느냐 하는 것은 자기장세기의 증가율에 의해 정해진다. 가속전압의 최대치는 보통 한바퀴 돌 때 얻는 에너지 평균치의 2배인데, 그것은 위상안정에 필요한 여지를 두기 위해서이다.
입자들은 에너지의 어느 범위와 가속전압에서 볼 때 어느 범위의 위상 안에 있으면 안정적으로 가속되어 매우 강한 빔을 만들 수 있다.
자기장은 입자 빔을 집속시키도록 하는 모양새를 가져야 한다. 초창기 싱크로트론에서는 베타트론에서처럼 바깥부분으로 나가면서 자기장을 조금씩 약하게 했다. 이러한 배치로 집속효과를 얻는 것은 자극 사이의 간격이 입자궤도의 반지름과 비교해서 무시되지 않을 정도일 때 적당하다.
자기장은 철로 이루어진 부품들에 의해 형성되고 자력선속 역시 그것들을 지나게 된다. 그러므로 실제 쓸 수 있는 자기장의 세기는 그 성분들이 포화될 때까지로 한정된다. 따라서 가속기의 에너지를 높이려면 그것에 맞추어 궤도반지름을 늘려주어야 한다. 상대론적 입자의 경우에는 반지름이 운동 에너지에 비례한다. 싱크로트론의 자석을 약집속효과를 갖게 하면서 적당한 세기를 내도록 설계하면 그 무게가 반지름의 세제곱에 비례하게 된다. 이렇게 되면 어느 값(실제 약 10GeV) 이상으로 에너지를 높이려면 확실히 엄청난 비용이 들 것이다.
교대4극집속의 출현으로 이 문제가 해결되면서 훨씬 더 높은 에너지의 싱크로트론 개발이 가능해졌다.
이러한 착안은 곧 브룩헤이번 국립연구소의 33GeV 양성자 싱크로트론과 스위스 제네바 부근에 있는 유럽 원자핵공동연구소(CERN)의 28GeV 가속기를 설계하는 데 이용되었다. 교대4극자석 싱크로트론의 자기장은 약집속의 경우보다 반지름에 따른 장의 세기 변화가 훨씬 심하다. 그림6의 ab와 같은 단면의 뾰족극을 갖는 자석은 반지름이 큰 곳으로 갈수록 급격하게 줄어드는 자기장을 만들어낸다.
이러한 자기장은 입자 빔에 초점거리가 매우 짧은 렌즈와 같은 역할을 한다. 수직방향으로는(궤도평면이 수평) 이러한 자석이 빔을 모으지만 반지름방향으로는 거의 같은 정도로 빔을 퍼뜨린다. 그림6의 cd 단면과 같은 뾰족극을 갖는 자석은 반지름이 큰 곳일수록 자기장이 매우 강해진다. 이러한 장은 수직방향으로는 빔을 퍼뜨리고 반지름방향으로는 빔을 모은다.
이러한 2가지 형태의 장들을 짝을 이루어 배열하면 부분적으로 상쇄되어버리기도 하지만 전체적으로 양쪽 모두의 방향으로 빔을 모으는 효과를 얻을 수 있다. 그림6의 윗그림과 같이 많은 수의 자석으로 위의 2가지 형태를 교대로 배치함으로써 자기장의 원형고리가 만들어진다. 입자들이 고리를 돌면서 빔은 일련의 렌즈를 통과하는 것과 같은 효과를 얻어 작은 단면적의 가속기관(진공상자)에 높은 빔 전류를 얻는다.
큰 싱크로트론에서 가속되는 입자는 보통 선형가속기에서 주사되며 굴절기(inflector)라고 하는 기구에 의해 링 안으로 유도된다.
그러면 처음에는 약한 자기장으로 그것들을 가속하기 시작한다. 링 안의 자기장세기가 증가하면서 자기장과 선형가속기에서 오는 입자의 에너지가 잘 맞도록 주사 펄스를 그에 맞추어 배가시킨다. 고주파 가속기구는 보통 공동이라 부르는데 선형가속기의 짧은 부분과 같은 원리에 의해 작동한다. 가속된 입자를 특수한 자석을 써 링에서 뽑아내어 직접 이용하거나 빔에 표적을 놓아 그것에서 나오는 2차 입자를 이용한다.
전자 싱크로트론
전자는 원형궤도를 돌 때 복사광을 내기 때문에 전자의 가속에는 한계가 있었는데 이러한 문제가 싱크로트론의 출현으로 풀렸다.
이 복사를 싱크로트론 복사라 이름붙였는데, 그것은 이 현상이 뉴욕 스케넥터디의 제너럴일렉트릭사 연구소에 있는 70MeV짜리 전자 싱크로트론에서 처음 관측되었기 때문이다. 복사광에 의한 에너지 손실을 아주 신경써서 보충했을 때 베타트론으로 전자는 300MeV까지 가속될 수 있다. 그러나 싱크로트론에서는 고주파 가속전압을 적당히 높이기만 하면 그렇게 할 수도 있다. 복사에 의해 입자가 잃는 에너지의 정도에 맞추어 한 바퀴 돌 때 평균 에너지 증가를 높여주기 위해 가속전압에 대한 입자의 평균위상을 조금 이동해주면 된다.
300MeV 근처 에너지의 비슷한 전자 싱크로트론이 여러 나라에서 건설되었는데 그 처음 것이 맥밀런의 감독하에 1949년 버클리에 만들어진 것이다.
이들 가속기에 전자는 펄스 전자총에 의해 주사되었으며 50~100keV에서 2~3MeV까지의 처음 가속은 베타트론에서처럼 이루어졌다. 자석들은 그 주기의 첫부분에서 가속시키는 자석을 만들도록 특별히 설계되었다. 전자의 속력은 광속의 약 50％였다가 이 시간 동안 약 95％ 이상으로 증가되었다. 바로 이때 고주파 공동에 의한 가속이 뒤따르고 이후 생기는 전자속력의 작은 변화는 궤도반지름의 5％ 변화에 수용되었다.
강집속은 1954년 뉴욕 이타카의 코넬대학교에 세워진 1.2GeV짜리 가속기에 처음 쓰였다.
현재의 큰 싱크로트론은 주사기로 선형가속기를 갖추고 있다. 전자 싱크로트론으로 얻을 수 있는 에너지의 실질적 한계는 복사로 잃는 에너지를 보충하는 데 필요한 고주파 시스템의 비용에 의해 주어진다. 이러한 에너지의 손실을 최소화하기 위해 가속을 되도록 짧은 시간에 하며 자기장의 세기를 약하게 한다. 1982년 전자 싱크로트론에서의 초전도 고주파 가속공동시험에 성공했다.
양성자 싱크로트론
양성자 싱크로트론의 작동방식은 2가지 중요한 차이점을 제외하면 전자 싱크로트론과 매우 유사하다.
첫째, 양성자의 속력이 광속에 접근하려면 충분히 1GeV의 에너지를 넘어야 하므로 가속의 초기단계에서는 가속전압의 주파수를 입자속력에 비례해서 계속 조절해주어야 한다는 것이다. 둘째, 현재 기술로 얻을 수 있는 양성자의 에너지에서는 복사로 잃는 에너지가 문제되지 않는다는 것이다. 그러므로 양성자 싱크로트론의 실질적 에너지 한계는 그 에너지에 비례해서 또는 그보다 적게 커지는 자석 링의 비용에 의해 주어진다.
현재까지 지어진 가속기 중에서 가장 높은 에너지 값을 갖는 것이 이 양성자 싱크로트론이다.
1956년 가장 먼저 가동한 양성자 싱크로트론은 브룩헤이번의 3GeV 코스모트론이다. 그것과 곧이어 지어진 가속기들은 약집속 자석을 사용했다. CERN의 28GeV짜리 양성자 싱크로트론과 브룩헤이번의 33GeV짜리는 복잡하지 않은 것은 아니지만 교대4극 집속 원리를 이용했다.
그러한 집속은 강해서 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간이 입자의 에너지에 많이 좌우되지 않는다. 그러므로 가속을 받으면 입자의 속력이 현저하게 증가하는 에너지의 범위(수GeV) 내에서 위상안정은 선형가속기에서와 같은 방법으로 적용된다. 즉 안정을 주는 위상이 가속전압의 시간에 대한 변화에서 증가하는 부분에 위치한다. 그러나 좀더 높은 에너지에서는 양성자의 속력이 실질적으로는 일정하므로 안정을 주는 위상이 싱크로사이클로트론의 경우와 같이 전압이 떨어지는 부분에 있게 된다. 이 두 영역으로 나누어지는 점을 전이 에너지라고 하는데 이 에너지에서는 위상안정을 이룰 수 없다.
이 전이 에너지를 거치면서 빔이 안정적으로 가속될 수 있음을 보여주기 위한 가속기의 한 모델이 브룩헤이번에 지어졌다.
한 커다란 양성자 싱크로트론이 1,000GeV(1TeV) 의 에너지를 내도록 설계되었다. 그것은 테바트론(Tevatron)이라고 하는데 그것의 에너지에서 연유된 이름이다. 초전도 합금으로 감은 자석으로 그 큰 에너지의 양성자 빔을 유도하고 집속하는 데 필요한 자기장을 만들어낸다.
따라서 전체 링은 액체 헬륨을 써서 절대온도 4.5K(켈빈)을 유지한다. 테바트론은 보통자석으로 만든 가속기의 주(主)링이 있던 터널에 같이 지어졌는데 그것은 400GeV짜리로, 1972년 가동되기 시작하여 지금은 테바트론의 주사기로 쓰이고 있다. 양성자 빔은 750keV짜리 코크로프트-월턴 발전기에서 생겨나 선형가속기에서 200MeV로 가속된다. 그런 다음 양성자는 '부스터'(booster) 싱크로트론으로 주사되어 그곳에서 8GeV(광속의 99.4％)까지 가속된다. 이 양성자는 12개의 펄스가 되어 주가속기 링으로 주사된다.
주사될 동안 링의 자기장 세기는 400G(가우스)로 유지된다. 주사 후 양성자는 1.5초 동안 150GeV로 가속되는데, 그에 맞추어 휨자석과 집속자석의 자기장세기도 강하게 한다. 그 다음 양성자는 마지막 가속을 받기 위해 초전도 자석 링으로 옮겨진다. 그림7은 800GeV 양성자 빔을 만들어서 뽑아낼 때까지의 1주기 동안 주링과 초전도 링에서 일어나는 일을 순서대로 보여준다. 1주기는 1분 정도인데 거기에는 빔을 뽑아내는 데 걸리는 20초를 포함한 것이다. 빔을 뽑아내는 데 이만한 시간 이상으로 늘리는 것은 실험의 올바른 해석을 위해 매우 중요하다.
실험에서 가속된 입자(1차 입자)가 표적을 때렸을 때 여러 입자(2차 입자)가 그곳에서 튀어나오는 것이 보통이다. 실험의 목적은 이러한 생성과정 또는 그 결과 나오는 2차 입자의 성질에 대한 연구이다. 이러한 2차 입자들은 많은 검출기를 지나면서 흔적을 남긴다. 그리고 같은 시간에 만들어진 모든 흔적은 하나의 1차 입자가 표적과 반응하여 나온 입자들에 의한 것이라고 가정한다. 만약 너무 짧은 시간 내에 많은 수의 가속입자가 표적에 도착한다면 수많은 반응이 동시라고 할 정도의 시간에 일어날 것이고, 그렇게 되면 우연의 일치 때문에 찾고자 하는 현상이 뚜렷하게 나타나지 못할 것이다.
페르미 연구소에 있는 2개의 커다란 링은 반지름이 1,000m이고 그 원주는 6.3㎞이다.
이들 링에서는 빔으로 하여금 궤도상을 돌게끔 하는 휨 기능과 빔을 집속시키는 기능을 하는 자석이 각각 따로 있다. 각 링에는 744개의 휨자석이 있으며 집속자석은 주링에 180개, 초전도 링에 216개가 있다. 빔의 주사·가속·추출은 자석이 설치되어 있지 않은 6개의 직선구간에서 이루어진다. 이 가속기에서 나오는 빔은 나누어져서 많은 실험장소로 보내진다. 그림8에서 가속기와 실험장소들이 어떻게 배치되어 있는가를 볼 수 있다.
페르미 연구소의 400GeV 싱크로트론과 매우 유사한 가속기가 1976년 CERN에서 가동을 시작했는데, 28 GeV 양성자 싱크로트론이 그것의 부스터 가속기로 쓰인다. 1981년 그 가속기는 충돌빔 저장 링으로도 쓸 수 있도록 개조되었다. 그 이후 그것은 315GeV의 양성자와 반양성자 빔의 충돌기나 고정 표적용 450GeV 가속기로 교대로 이용되어왔다. 양성자 싱크로트론은 여러 나라의 연구소에서 가동되고 있다.
그것들은 모두 원자구성입자의 성질을 연구하는 데 쓰인다.
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