정전기입자가속기

정전기 입자 가속기는 정전기 고전압 전위를 통과하여 충전된 입자가 높은 에너지로 가속되는 두 가지 주요 유형의 입자 가속기 중 하나이다.이는 전극의 전압 강하로 생성된 여러 전압 강하를 연속적으로 통과하여 입자가 가속되는 입자 가속기의 다른 범주인 진동장 입자 가속기와 대비된다.그들의 단순한 설계 때문에 역사적으로 정전기 타입은 최초의 입자 가속기였다.1929년 로버트 반 데 그라프가 발명한 반 데 그라프 발전기와 1932년 존 콕크로프트와 어니스트 월튼이 발명한 콕크로프트-왈튼 가속기 2종이다.정전기 가속기에 의해 생성되는 최대 입자 에너지는 기계의 가속 전압에 의해 제한되며, 이는 절연 분해에 의해 몇 개의 메가볼트로 제한된다.진동 가속기는 이러한 제한이 없기 때문에 정전기보다 높은 입자 에너지를 얻을 수 있다.null

그러나 이러한 기계들은 낮은 비용, 연속 빔을 생산하는 능력, 산업에서 유용하게 사용할 수 있는 높은 빔 전류와 같은 장점을 가지고 있기 때문에 단연코 가장 널리 사용되는 입자 가속기들이다.그것들은 플라스틱 수축 랩 생산, 고출력 X선 기계, 의학에서의 방사선 치료, 방사성 동위원소 생산, 반도체 생산에서의 이온 파괴자, 살균과 같은 산업 조사 애플리케이션에 사용된다.전세계의 많은 대학들은 연구 목적으로 정전기 가속기를 가지고 있다.보다 강력한 가속기는 보통 정전기 기계를 1단계로 통합하여 입자를 주 가속기에 주입하기에 충분한 속도로 가속한다.null

정전기 가속기는 단순히 둘 다 입자를 직선으로 가속한다는 이유만으로 선형 가속기(리낙스)와 가끔 혼동된다.그 차이점은 정전기 가속기는 두 전극 사이의 단일 DC 전위차를 통과하여 충전된 입자를 가속하는 반면, 선형 가속기는 오실라트로 여러 가속 전극 사이에 생성된 다중 전압 강하를 통해 입자를 연속적으로 통과시켜 입자를 가속한다는 것이다.잉그 전압null

세부 사항

비록 이러한 기계들이 원자핵을 가속화하지만, 적용범위는 핵물리학, 핵천체물리학, 핵화학 등의 핵과학에만 국한되지 않는다.실제로 그러한 적용은 핵 빔의 다른 사용보다 더 크다.전 세계 약 26,000개의 가속기 중 44%는 방사선 치료용, 41%는 이온 이식용, 9%는 산업 처리 및 연구용, 4%는 바이오의약품 및 기타 저에너지 연구용이다(1% 미만이 고에너지 기계임).^[1]null

이러한 가속기는 의학물리학에서 핵의학, 물질과학에서 PISE와 같은 기법을 이용한 샘플 분석, 고체물리학에서 깊이 프로파일링, 지질학 및 우주화학 작품에서 이차 이온질량 분광법 등에 사용되고 있으며, 중성자 빔도 발현되는 전하 입자로부터 만들어질 수 있다.이 가속기에서 응축 물질 물리학에서 중성자 결정학을 수행하는 것.정전기 핵 가속기에 사용되는 원리는 어떤 충전된 입자를 가속시키기 위해 사용될 수 있지만, 입자 물리학은 이러한 기계가 달성할 수 있는 것보다 훨씬 더 높은 에너지 체계에서 작동하며, 전자 빔을 만드는데 적합한 다양한 방법들이 있기 때문에 이러한 가속기는 가속 핵에 사용된다.null

싱글 엔드 머신

수백만 볼트의 순서에 따라 정적 전위로 유지되는 고전압 단자를 사용하면 충전된 입자가 가속될 수 있다.간단한 말로 정전기 발생기는 기본적으로 거대한 콘덴서(판도 부족하지만)이다.고전압은 Cockcroft & Walton 또는 Van de Graaff의 방법을 사용하여 달성되며, 가속기는 종종 이러한 발명가의 이름을 따서 명명된다.반 데 그라프의 원래 디자인은 금속 빗으로 절연 시트, 즉 벨트에 전자를 배치한 다음 시트는 물리적으로 고정된 전자를 단자로 전송한다.고전압에서 단자는 도체인데, 도체 내부에 상응하는 빗이 있어 시트에서 전자를 집어들 수 있다. 가우스의 법칙에 따라 도체 안에는 전자가 없어 일단 안으로 들어가면 플랫폼에 의해 전자가 반발하지 않는다.벨트는 일반적인 컨베이어 벨트와 스타일이 유사하며, 한 가지 주요한 예외는 매끄러운 것이다.따라서 벨트가 파손된 경우 벨트를 교체하기 위해 가속 페달을 어느 정도 분해해야 하는데, 벨트는 일정하게 회전하고 일반적으로 고무로 만들어지기 때문에 특별히 흔하지 않은 현상이 아니다.벨트의 실제적인 어려움은 물리적으로 충전물을 운반하기 위한 다른 매체로 이어졌다: 펠릿 체인.일반 사슬과는 달리 이 사슬은 절연체와 도체가 모두 시공에 사용되기 때문에 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 비전도다.이러한 유형의 가속기는 보통 펠레트론이라고 불린다.null

일단 위의 수단 중 하나로 플랫폼을 전기적으로 충전할 수 있게 되면, 빔 라인 끝의 플랫폼에 어떤 양의 이온의 공급원이 배치되어 그것이 단자라 불리는 것이다.그러나 이온원이 높은 전위성을 유지하므로 제어나 유지보수를 위해 이온원에 직접 접근할 수 없다.따라서 터미널 내부의 다양한 레버에 연결된 플라스틱 막대 등의 방법이 분기되어 원격으로 전환될 수 있다.실제적인 문제를 생략하고 플랫폼이 양전하를 하면 같은 전기 극성의 이온을 밀어내 가속한다.E가 떠오르는 에너지인 E=qV, q가 이온전하, V가 단자전압인 만큼, 이러한 방식으로 가속되는 입자의 최대 에너지는 대기 조건에서 약 12 MV인 고전압 플랫폼의 방전 한계에 의해 실질적으로 제한된다.예를 들어, 공기의 약 2.5배 유전 상수를 가지는₆ SF와 같이 공기보다 높은 유전 상수를 가진 절연 기체의 탱크에 HV 플랫폼을 유지함으로써 이 한도를 증가시킬 수 있다.그러나 SF의₆ 탱크에서도 최대 도달 가능한 전압은 약 30 MV이다.훨씬 더 좋은 절연력을 가진 다른 가스들도 있을 수 있지만, SF는₆ 화학적으로 불활성화 되어 있고 독성이 없다.최대 가속 에너지를 더욱 증가시키기 위해, 탠덤 개념은 동일한 고전압을 두 번 사용하도록 고안되었다.null

탠덤 가속기

통상적으로 양전하 이온은 원자핵의 극성이기 때문에 가속된다.그러나 이온을 가속하기 위해 동일한 정전기 전위를 두 번 사용하고자 한다면, 이온의 전하의 극성은 음이온에서 양이온으로 바뀌어야 하며, 반대로 전력은 전혀 느끼지 못하는 도체 내부에 있어야 한다.그것은 에너지 이온에서 전자를 제거하거나 떼어내는 것이 간단한 것으로 밝혀졌다.물질과의 이온 상호작용의 특성 중 하나는 전자의 교환인데, 이것은 이온이 물질 내에 에너지를 축적함으로써 에너지를 잃을 수 있는 방법이며, 우리는 고체에 발사되는 발사체를 직관적으로 예상해야 한다.그러나 표적이 얇아지거나 발사체의 활력이 높아지면서 포일에 축적되는 에너지의 양은 점점 줄어들게 된다.null

Tandems는 단자 외부에 이온원을 배치하는데, 이는 단자가 고전압일 때 특히 단자가 가스 탱크 안에 있을 때 이온원에 접근하는 것이 상당히 덜 어렵다는 것을 의미한다.그래서 스퍼터링 이온 소스의 음이온 빔이 상대적으로 낮은 전압 플랫폼에서 고전압 단자를 향해 주입된다.단자 내부는 얇은 호일(평방 센티미터당 마이크로그램 순서에 따라)에 빔이 충돌하여 종종 탄소나 베릴륨이 되어 이온 빔에서 전자를 벗겨내어 양이온이 되게 한다.-1 이상의 음이온을 발생시키기 어렵기 때문에 탠덤에서 발생하는 입자의 에너지는 E=(q+1)V이며, 여기서 우리는 그 음이온에서 나오는 두 번째 가속전위를 스트리퍼 포일로부터 나오는 양의 전하 상태 q에 추가했다; 우리는 ene을 증가시키고 있기 때문에 이 서로 다른 전하 신호를 함께 추가하고 있다.각 위상에서의 핵의 rgy이러한 의미에서, 우리는 탠덤이 양성자 빔의 최대 에너지를 두 배로 증가시킬 수 있다는 것을 분명히 알 수 있다. 그 최대 충전 상태는 +1에 불과하지만, 탠덤이 얻는 이점은 예를 들어, 실리콘 빔의 6+ 충전 상태를 쉽게 얻을 수 있는 것처럼 우리가 더 높은 질량으로 갈수록 수익이 감소한다.null

모든 원소를 음이온으로 쉽게 만들 수 있는 것은 아니기 때문에 KrF와⁻ XeF는⁻ 탠덤으로 성공적으로 생산되고 가속되었지만 탠덤이 헬륨보다 무거운 어떤 고귀한 가스를 가속하는 것은 매우 드문 일이다.^[2]그러나 음이온을 얻기 위해 화합물을 만드는 것은 드문 일이 아니며, TiH는₂ TiH로⁻ 추출되어 양성자 빔을 생산하는데 사용될 수 있다. 왜냐하면 이러한 단순하고 종종 약하게 결합되는 화학 물질들이 단자 스트리퍼 호일에서 분해되기 때문이다.음이온 이온빔 생산은 탠덤가속기 어플리케이션의 주요 연구 주제였으며, 음이온 쿡북에서는 대부분의 원소에 대한 레시피와 수율을 찾을 수 있다.^[3]탠덤은 또한 단자모드로 작동될 수 있는데, 단종 정전기 가속기와 같은 기능을 하는데, 이것은 고귀한 가스로 빔을 만드는 더 보편적이고 실용적인 방법이다.null

'tandem'이라는 명칭은 단자 충전 방법에 기초하여 동일한 스타일의 기존의 정전기 가속기로도 이름이 지어질 수 있지만 동일한 고전압의 이러한 이중 사용에서 유래한다.null

MP Tandem van de Graaff 가속기

MP Tandem van de Graaff는 Tandem 액셀러레이터의 일종이다.이 중 10개는 20세기에 설치되었는데, 6개는 북미에^[4], 4개는 유럽에 설치되었다.^[5]null

기하학

정전기 가속기로 고려해야 하는 한 가지 요령은 보통 진공 빔 라인이 강철로 만들어졌다는 것이다.그러나 고압 단자에서 지상으로 전도 파이프를 잘 연결할 수는 없다.따라서 Pyrex와 같은 강한 유리의 많은 링은 구리 개스킷과 같은 진공 밀봉 방식으로 조립된다. 하나의 긴 유리 튜브는 자체의 무게를 지탱하는 진공 또는 파열로 인해 붕괴될 수 있다.물리학에 있어서 중요한 것은, 이러한 간격간 전도 고리는 가속 기둥을 따라 더 균일한 전기장을 만드는 데 도움이 된다.이 유리 고리의 빔 라인은 단순히 단자 양쪽 끝의 압축에 의해 지지된다.유리는 비전도성이기 때문에 지면에서 지지할 수 있지만, 단자 주변의 이러한 지지대는 설계에 따라 단자의 방전을 유도할 수 있다.압축이 충분하지 않을 때도 있고, 전체 빔 라인이 붕괴되어 산산조각이 날 수도 있다.이러한 생각은 탠덤의 설계에 특히 중요하다. 왜냐하면 그것들은 자연적으로 더 긴 빔 선을 가지고 있고, 빔 라인은 터미널을 통과해야 하기 때문이다.null

대부분의 정전기 가속기는 수평선으로 배열되어 있다.단, 일부 탠덤은 "U"형상을 가질 수 있으며, 원칙적으로 빔은 단자에 자석 쌍극자(magnetic dipole)를 사용하여 어떤 방향으로든 돌릴 수 있다.일부 정전기 가속기는 수직으로 배열되는데, 이온 소스 또는 "U"자 모양의 수직 탠덤의 경우, 단자는 탑의 상단에 있다.주탑 배치는 공간을 절약하는 방법이 될 수 있으며, 유리 고리로 만들어진 단자와 연결되는 빔 라인은 압축의 자연적인 원천으로서 중력을 어느 정도 활용할 수 있다.null

입자 에너지

단일 엔드 정전기 가속기에서 충전된 입자는 두 전극 사이의 단일 전위차를 통해 가속되므로 출력 입자 $에너지{\displaystyle }$ E ${\displaystyle E}$에 가속 $전압{\displaystyle }$ V ${\displaystyle V}$ 곱한$$ 입자 $q{\displaystyle }$ ${\displaystyle q}$의 전하와 동일하다$$.

$[\displaystyle E=qV}$

탠덤 가속기에서 입자는 동일한 전압에 의해 두 번 가속되므로 출력 에너지는 ${\displaystyle \mathrm{2q}}$ $[\displaystyle 2qV$}이다$.$ 충전$$$q{\displaystyle }$ ${\displaystyle$q}이$($가$$) 재래식 쿨롬의 단위이고 잠재적 $V{\displaystyle }$ ${\displaystyle V}$이(가) 볼트인 경우 입자 에너지가 줄로 주어진다.그러나 기초 입자에 대한 전하가 너무 작기 때문에(전자에 대한 전하가 1.6x10⁻¹⁹ 쿨롬브스), 줄의 에너지는 매우 적다.null

모든$$ 기본 입자는 전자에 대한 기본 전하의 ${\displaystyle \mathrm{배수}}$인 $전하$를 $가지고{\displaystyle }$ 있기 때문에$,$ $입자$ 물리학자들은 입자 에너지인 전자 볼트($eV)$를 표현하기 위해 ${\displaystyle \mathrm{다른}}$ 단위를 사용한다${\displaystyle {.}^{}}$전자 전압은 1e 전하를 가진 입자가 1볼트의 전위차를 통과하는 에너지와 같다.위의 방정식에서 $q{\displaystyle }$ ${\displaystyle q}$을(를) 기본 전하 e로 $측정$하고 V ${\displaystyle V}$이(가) 볼트인 경우 입자 에너지 $E{\displaystyle }$ ${\displaystyle$ E$}$이(가) eV로 주어진다$$.예를 들어, 2e의 전하를 가진 알파 입자가 100만 볼트(1 MV)의 전압 차이를 통해 가속되면, 2 MeV라는 축약된 200만 전자 전압의 에너지를 갖게 된다.정전기기의 가속전압은 0.1~25 MV 범위에 있고 입자에 대한 전하량은 몇 가지 기본적인 전하이므로 입자에너지는 낮은 MeV 범위에 있다.더 강력한 가속기는 기가 전자 볼트(GeV) 범위에서 에너지를 생산할 수 있다.null

참조

외부 링크

• IAEA 정전기 가속기 데이터베이스