입자 가속기

Particle accelerator
"Atom Smasher" 및 "Supercollider"는 여기에서 리디렉션됩니다.기타 용도는 ATOM 스매셔(동음이의) 및 슈퍼 충돌기(동음이의)를 참조하십시오.
미국 일리노이주 바타비아 페르미 국립가속기연구소(퍼밀랩)의 싱크로트론 충돌형 입자 가속기인 테바트론(배경원)은 2011년 폐쇄돼 2007년까지 세계에서 가장 강력한 입자 가속기로 양성자를 1테바(테라전자볼트) 이상의 에너지로 가속했다.고리의 단일 진공 챔버에서 반대 방향으로 순환하는 양성자와 반양성자의 빔이 두 개의 자기 유도 교차점에서 충돌했습니다.
물리 연구와 암 치료 모두에서 널리 사용되는 선형 가속기의 작동을 보여주는 애니메이션.

입자 가속기는 전자기장을 사용하여 대전된 입자를 매우 빠른 속도와 에너지로 밀어내고 잘 정의된 [1]빔에 포함시키는 기계입니다.

대형 가속기는 입자 물리학의 기초 연구에 사용된다.현재 가동 중인 가장 큰 가속기는 스위스 제네바 인근의 대형 강입자 가속기(LHC)로 CERN이 운영하고 있다.두 개의 양성자 빔을 6.5TeV의 에너지로 가속시켜 정면으로 충돌시켜 13TeV의 질량 중심 에너지를 만들어 내는 가속기이다.다른 강력한 가속기는 뉴욕의 Brookhaven National Laboratory의 RHIC와 일리노이주 바타비아의 페르밀랍의 Tevatron입니다.가속기는 응집 물질 물리학의 연구를 위한 싱크로트론 광원으로도 사용됩니다.보다 작은 입자 가속기는 종양학적 목적을 위한 입자 치료, 의학 진단을 위한 방사성 동위원소 생산, 반도체 제조를 위한 이온 주입기 및 방사성 탄소 등의 희귀 동위원소 측정을 위한 가속기 질량 분석기를 포함한 광범위한 응용 분야에 사용된다.현재 [2]전 세계적으로 3만 대 이상의 액셀러레이터가 가동되고 있다.

가속기에는 [3]정전기 가속기와 전자기 가속기의 두 가지 기본 클래스가 있습니다.정전기 입자 가속기는 정전기장을 사용하여 입자를 가속합니다.가장 일반적인 유형은 Cockcroft-Walton 발전기와 Van de Graff 발전기입니다.이 클래스의 작은 예는 일반적인 구형 텔레비전의 브라운관입니다.이러한 소자에서 입자가 얻을 수 있는 운동 에너지는 전기 고장에 의해 제한되는 가속 전압에 의해 결정됩니다.반면, 전자기 가속기는 입자를 가속하기 위해 변화하는 전자기장(자기 유도 또는 진동하는 무선 주파수장)을 사용합니다.이러한 유형에서는 입자가 동일한 가속 필드를 여러 번 통과할 수 있으므로 출력 에너지는 가속 필드의 강도에 의해 제한되지 않습니다.1920년대에 처음 개발된 이 클래스는 대부분의 현대식 대형 가속기의 기본이다.

Rolf Wideröe, Gustav Ising, Leo Szilarrd, Max Steenbeck 및 Ernest Lawrence는 이 분야의 선구자로 간주되며, 최초의 작동 선형 입자 가속기,[4] 베타트론 및 사이클로트론을 구상하고 개발했습니다.

초기 가속기의 입자 빔의 표적이 보통 물질의 원자였고, 핵 구조를 조사하기 위해 핵과 충돌을 일으키는 것이 목적이었기 때문에, 20세기에 [5]가속기는 일반적으로 원자 파쇄기라고 불렸다.이 용어는 많은 현대 가속기가 [6][7][8]입자와 원자핵이 아닌 두 아원자 입자 사이에 충돌을 발생시킨다는 사실에도 불구하고 지속된다.


사용하다

파리의 Jussieu Campus 지하에 있는 Van de Graff 가속기에서 다양한 실험으로 이어지는 빔라인.
캘리포니아 멘로 파크에 있는 스탠포드 선형 가속기(SLAC)의 2마일(3.2km) 빔 튜브를 덮는 건물로 세계에서 두 번째로 강력한 라이낵입니다.

고에너지 입자 빔은 과학 분야의 기초 및 응용 연구에 유용하며, 기초 [9]연구와 무관한 많은 기술 및 산업 분야에서도 유용합니다.전 세계적으로 약 30,000개의 가속기가 있는 것으로 추정되고 있습니다.이 중 에너지량이 1GeV 이상인 연구기계는 약 1%에 불과하며 방사선 치료기계는 약 44%, 이온 주입기계는 약 41%, 산업용 가공 및 연구기계는 9%, 생물의학 [10]및 기타 저에너지 연구기는 4%에 달한다.

입자 물리학

물질, 공간 및 시간의 역학 및 구조에 대한 가장 기본적인 연구를 위해, 물리학자들은 가능한 한 높은 에너지에서 가장 단순한 종류의 상호작용을 추구합니다.이것들은 전형적으로 많은 GeV의 입자 에너지와 가장 단순한 종류의 입자의 상호작용을 수반한다: 물질에 대한 렙톤(예를 들어 전자와 양전자)과 쿼크, 또는 필드 퀀텀에 대한 광자와 글루온.고립된 쿼크는 색 제한으로 인해 실험적으로 사용할 수 없기 때문에, 가장 간단한 실험은 첫째, 쿼크와 글루온으로 구성된 핵자와 렙톤의 상호작용을 포함한다.쿼크 간의 충돌을 연구하기 위해, 과학자들은 높은 에너지에서 본질적으로 쿼크와 글루온이 구성되는 2체 상호작용으로 간주될 수 있는 핵자의 충돌에 의존합니다.이 소립자 물리학자들은 전자, 양전자, 양성자 및 반양성자의 빔을 만드는 기계를 사용하는 경향이 있으며, 서로 상호작용하거나 가능한 한 가장 높은 에너지, 일반적으로 수백 GeV 이상의 가장 단순한 핵(예를 들어 수소 또는 중수소)과 상호작용합니다.

소립자 물리학에 사용되는 가장 크고 에너지 높은 입자 가속기는 CERN의 LHC(Large Hadron Collider)로,[11] 2009년부터 가동되고 있습니다.

핵물리 및 동위원소 생산

핵물리학자들과 우주론자들은 전자를 제거한 맨 원자핵의 빔을 이용하여 핵 자체의 구조, 상호작용, 그리고 빅뱅의 첫 순간에 일어났을 수도 있는 극도로 높은 온도와 밀도에서의 응집 물질의 특성을 조사할 수 있다.이러한 조사는 종종 철이나 금과 같은 원자의 무거운 핵이 핵자당 몇 GeV의 에너지에서 충돌하는 것을 포함한다.가장 큰 입자 가속기는 브룩헤븐 국립 연구소의 상대론적 중이온 충돌기(RHIC)이다.

입자 가속기도 하지만 최근 작업은 어떻게, 비록 이 메서드는 원자로 tr을 낼 필요가 있hydrogen,[12]의 동위 원소 가속화함으로써 99Mo, 보통 원자로에기 하고 있는 것은neutron-rich들 핵 분열 원자로에 만들어진 반대proton-rich 및 연구 의료용 동위 원소를 만들 수 있는 양성자 빔, 생산할 수 있다.itium.이런 종류의 기계의 예로는 Los Alamos의 LANCE가 있습니다.

싱크로트론 복사

자기장을 통해 전파되는 전자는 싱크로트론 방사선을 통해 매우 밝고 일관된 광자 빔을 방출합니다.그것은 원자 구조, 화학, 응집 물질 물리학, 생물학, 그리고 기술의 연구에 많은 용도를 가지고 있다.많은 싱크로트론 광원이 전 세계에 존재한다.미국의 예로는 SLAC 국립 가속기 연구소의 SSRL, Argonne 국립 연구소의 APS, Lawrence Berkeley 국립 연구소의 ALS 및 Brookhaven 국립 연구소의 NSLS가 있습니다.유럽에서는 스웨덴 룬드의 MAX IV, 독일 베를린의 BESSY, 영국 옥스포드셔의 다이아몬드, 프랑스 그르노블의 ESRF 등이 호박에 [13]갇힌 곤충의 상세한 3차원 이미지를 추출하는 데 사용되어 왔다.

자유전자레이저(FEL)는 싱크로트론 방사선에 기초한 특수한 광원 등급으로, 더 높은 시간적 일관성과 더 짧은 펄스를 제공합니다.특별히 설계된 FEL은 관측 가능한 [14]우주에서 가장 뛰어난 X선 소스입니다.가장 두드러진 예는 미국의 LCLS와 독일의 유럽 XFEL입니다.펄스 단축과 함께 초과학의 [15]새로운 방법을 여는 소프트 엑스레이 레이저에 더 많은 관심이 모아지고 있다.FEL은 X선 외에도 테라헤르츠 빛을 내는 데 사용된다. 예를 들어 네덜란드 니메겐의 FELIX, 독일 드레스덴의 TELBE 및 러시아 노보시비르스크의 NovoFEL.

따라서 광원을 구동하기 위한 중간(GeV) 에너지, 고강도 및 고빔 품질의 전자 가속기에 대한 수요가 높습니다.

저에너지 기계 및 입자 치료

입자 가속기의 일상적인 예는 텔레비전 수상기와 X선 발생기에서 볼 수 있는 브라운관이다.이러한 저에너지 가속기는 수천 볼트의 직류 전압을 가진 단일 전극 쌍을 사용합니다.X선 발생기에서 타깃 자체는 전극 중 하나입니다.이온 주입기라고 불리는 저에너지 입자 가속기는 집적회로의 제조에 사용된다.

더 낮은 에너지에서는 가속된 핵의 빔이 또한 암 치료를 위한 입자 치료로 의학에서 사용된다.

핵반응을 일으키기에 충분한 속도로 입자를 가속할 수 있는 DC 가속기 유형은 AC를 고전압 DC로 변환하는 Cockcroft-Walton 발전기 또는 Van de Graff 발전기이다.

의료기기의 방사선 멸균

살균에는 일반적으로 전자빔 가공이 사용됩니다.전자빔은 코발트-60(60Co) 또는 세슘-137(137Cs)과 같은 방사성 동위원소에서 방출되는 감마선이나 X선보다 훨씬 높은 선량률을 제공하는 온오프 기술이다.높은 선량률로 인해 필요한 노출 시간이 줄어들고 고분자 분해가 감소합니다.전자는 전하를 띠기 때문에 전자빔은 감마선과 [16]X선보다 투과성이 낮다.

정전기 입자 가속기

런던 과학박물관(London)에 있는 Cockcroft-Walton 발전기(Philips, 1937).
주요 기사:정전 입자 가속기
1960년대 싱글 스테이지 2 MeV 리니어 Van de Graff 가속기로 유지보수를 위해 개방되었습니다.

역사적으로 최초의 가속기는 단일 정적 고전압의 단순한 기술을 사용하여 하전 입자를 가속했습니다.대전된 입자는 전극이 양 끝에 있는 진공 튜브를 통해 가속되었으며 정전위(정전위)가 교차했습니다.입자가 전위차를 한 번만 통과했기 때문에 출력 에너지는 기계의 가속 전압으로 제한되었습니다.이 방법은 오늘날에도 매우 인기가 있으며, 정전 가속기는 다른 어떤 유형보다 훨씬 우수하지만, 공기 절연 기계의 경우 약 1MV의 실제 전압 한계 또는 높은 유전 강도의 가압 가스 탱크에서 가속기를 작동할 경우 30MV의 낮은 에너지 연구에 더 적합합니다.예를 들어 육불화황과 같은 물질입니다.탠덤 가속기에서 전위는 입자가 단자 내부에 있는 동안 입자의 전하를 반전시킴으로써 입자를 가속하는 데 두 번 사용됩니다.이는 음이온(음전하가온)을 사용한 후 빔을 얇은 포일을 통해 통과시켜 고전압 단자 내부의 음이온에서 전자를 떼어내고, 단자를 떠날 때 다시 가속되는 양이온(양전하가온)으로 변환함으로써 원자핵의 가속화에 의해 가능하다.

정전 가속기의 두 가지 주요 유형은 다이오드 캐패시터 전압 승수를 사용하여 고전압을 생성하는 Cockcroft-Walton 가속기와 이동 패브릭 벨트를 사용하여 고전압 전극으로 전하를 전달하는 Van de Graff 가속기입니다.정전기 가속기는 직선을 따라 입자를 가속하지만 선형 가속기라는 용어는 정전기장보다는 진동을 사용하는 가속기에 더 자주 사용됩니다.

전자파 입자 가속기

방전에 의해 부과되는 고전압한도 때문에 입자를 보다 높은 에너지로 가속하기 위해 정적장이 아닌 동적장을 수반하는 기술을 사용한다.전기동적 가속은 비공진 자기 유도 또는 RF장 [17]진동으로 들뜬 공진 회로 또는 공동 중 하나의 메커니즘에서 발생할 수 있습니다.전자기 가속기는 입자가 직선 또는 원형으로 가속되는 선형일 수 있으며, 자기장을 사용하여 입자를 대략 원형 궤도로 구부립니다.

자기 유도 가속기

자기유도촉진기는 마치 입자가 변압기의 2차 권선인 것처럼 증가하는 자기장에서 유도함으로써 입자를 가속합니다.증가하는 자기장은 입자를 가속하도록 구성할 수 있는 순환 전기장을 생성합니다.유도 가속기는 선형 또는 원형일 수 있습니다.

선형 유도 가속기

주요 기사: 리니어 인덕션 액셀러레이터

선형 유도 가속기는 페라이트 부하가 있는 비공진 유도 공동을 사용합니다.각 캐비티는 외부 원통형 튜브로 연결된 두 개의 큰 와셔 모양의 디스크로 생각할 수 있습니다.디스크 사이에는 페라이트 트로이드가 있다.두 디스크 사이에 인가되는 전압 펄스는 하전 입자 [18]빔에 유도적으로 전력을 결합하는 자기장을 증가시킨다.

선형 유도 가속기는 1960년대에 [19]크리스토필로스에 의해 발명되었다.선형 유도 가속기는 단일 짧은 펄스로 매우 높은 빔 전류(1000A 이상)를 가속할 수 있습니다.플래시 방사선 촬영(예: LANL의 DARHT)을 위한 X선 생성에 사용되었으며, 자기 제한 융합을 위한 입자 주입기 및 자유 전자 레이저의 구동기로 간주되어 왔다.

베타트론

주요 기사:베타트론

베타트론은 1940년 도널드 커스트에 의해 전자 가속을 위해 발명된 원형 자기 유도 가속기입니다.이 개념은 궁극적으로 노르웨이-독일 과학자 Rolf Wideröe에서 비롯되었다.이 기계들은 싱크로트론과 마찬가지로 주기적으로 증가하는 B장을 가진 도넛 모양의 링 자석(아래 참조)을 사용하지만,[20][21] 궤도를 통과하는 자속의 변화에 따라 변압기의 2차 권선인 것처럼 증가하는 자기장에서 유도하여 입자를 가속합니다.

적절한 가속 전계를 공급하면서 일정한 궤도 반경을 달성하려면 궤도를 연결하는 자속이 궤도상의 자기장과 다소 독립적이어야 하며 입자를 일정한 반지름 곡선으로 구부려야 합니다.이 기계들은 실제로 비교적 작은 반지름 궤도에서 빛의 거의 속도로 이동하는 전자에 의해 겪는 큰 복사 손실에 의해 제한되었다.

리니어 액셀러레이터

주요 기사 : 리니어 파티클 액셀러레이터
현대 초전도 무선 주파수, 다세포 선형 가속기 부품.

선형입자가속기(리니악)는 한쪽 끝에 주목 대상을 두고 직선으로 입자를 가속한다.이들은 종종 원형 가속기에 주입되기 전에 입자에 초기 저에너지 킥을 제공하기 위해 사용된다.세계에서 가장 긴 리낙은 스탠포드 선형 가속기, SLAC로 길이가 3km이다.SLAC는 원래 전자-양전자 충돌기였으나 현재는 X선 자유 전자 레이저입니다.

선형 고에너지 가속기는 교대로 고에너지장이 적용되는 플레이트(또는 드리프트 튜브)의 선형 배열을 사용한다.입자가 플레이트에 가까워지면 플레이트에 인가되는 반대 극성 전하에 의해 플레이트를 향해 가속됩니다.플레이트의 구멍을 통과하면 극성이 바뀌어 플레이트가 밀어내고 플레이트에 의해 다음 플레이트를 향해 가속됩니다.일반적으로 입자의 "다발"의 흐름이 가속되므로 각 플레이트에 조심스럽게 제어된 AC 전압이 인가되어 각 다발에 대해 이 과정을 지속적으로 반복합니다.

입자가 빛의 속도에 가까워짐에 따라 전계의 전환 속도가 매우 높아져서 무선 주파수로 작동하기 때문에 마이크로파 공동은 단순한 플레이트 대신 고에너지 기계에 사용됩니다.

선형 가속기는 방사선 치료와 방사선 수술에도 널리 사용된다.의료용 등급 리낙은 6-30MeV 에너지의 빔을 생성하는 복합 굽힘 자석 배열과 klystron을 사용하여 전자를 가속합니다.전자는 직접 사용할 수도 있고 X선 빔을 생성하기 위해 대상과 충돌할 수도 있습니다.생성된 방사선 빔의 신뢰성, 유연성 및 정확성은 치료 도구로 코발트-60 치료법을 대체했다.

순환 또는 순환 RF 액셀러레이터

원형가속기는 입자가 충분한 에너지에 도달할 때까지 원을 그리며 움직인다.파티클 트랙은 일반적으로 전자석을 사용하여 원 모양으로 구부러집니다.선형 가속기(linacs)에 비해 원형 가속기의 장점은 입자가 무한히 통과할 수 있기 때문에 링 토폴로지가 연속 가속을 허용한다는 것입니다.또 다른 장점은 원형 가속기가 동등한 동력의 선형 가속기보다 작다는 것이다(즉, 원형 가속기와 동등한 동력을 가지려면 리낙이 매우 길어야 한다).

에너지와 가속되는 입자에 따라 원형 가속기는 입자가 싱크로트론 방사선을 방출한다는 단점을 겪는다.하전된 입자가 가속되면 전자파 방사선과 2차 방출을 방출합니다.원을 이동하는 입자는 항상 원의 중심을 향해 가속하기 때문에 원의 접선을 향해 연속적으로 방사됩니다.이 방사선은 싱크로트론 빛이라고 불리며 가속하는 입자의 질량에 크게 의존한다.이러한 이유로, 많은 고에너지 전자 가속기는 리낙입니다.그러나 특정 가속기(싱크로트론)는 싱크로트론 빛(X선)을 생성하기 위해 특별히 제작됩니다.

특수상대성이론은 에너지가 증가하면 입자의 속도가 한계로 빛의 속도에 근접하지만 절대 도달하지 못하기 때문에 고에너지 가속기에서 물질은 항상 진공에서 빛의 속도보다 느리게 움직여야 하기 때문입니다.따라서, 입자 물리학자들은 일반적으로 속도의 관점에서 생각하지 않고, 입자의 에너지 또는 운동량의 관점에서 생각합니다. 보통 전자 전압(eV)으로 측정됩니다.원형 가속기 및 일반적으로 입자 빔의 중요한 원리는 입자 궤적의 곡률이 입자 전하 및 자기장에 비례하지만 (일반적으로 상대론적) 운동량에 반비례한다는 것입니다.

사이클로트론

1939년 8월 버클리 캘리포니아대 로렌스 방사선 연구소에 있는 직경 60인치(5피트, 1.5m)의 자석 기둥을 가진 로렌스의 60인치 사이클로트론은 당시 세계에서 가장 강력한 가속기였다.글렌 T. 시보그와 에드윈 맥밀런(오른쪽)은 플루토늄, 넵투늄, 그리고 다른 많은 초우라늄 원소들과 동위원소들을 발견하기 위해 그것을 사용했고, 그들은 1951년 노벨 화학상을 받았다.
주요 기사:사이클로트론

최초의 작동 가능한 원형 가속기는 1929년 캘리포니아 버클리 대학의 어니스트 로렌스에 의해 발명된 사이클로트론이었다.사이클로트론은 입자를 가속하기 위한 한 쌍의 중공 "D" 모양의 판과 그들의 경로를 원형 궤도로 구부릴 수 있는 하나의 큰 쌍극자 자석을 가지고 있습니다.광속 c에 비해 속도가 작은 한 사이클로트론 주파수라고 불리는 일정한 주기로 공전하는 것은 균일하고 일정한 자기장 B의 하전 입자의 특성입니다.즉, 빔 스파이럴이 연속적으로 바깥쪽으로 향함에 따라 사이클로트론의 가속 D는 무선 주파수(RF) 가속 전원에 의해 일정한 주파수로 구동될 수 있습니다.입자는 자석의 중심에 주입되어 최대 에너지로 외부 가장자리에서 추출됩니다.

사이클로트론은 상대론적 효과로 인해 에너지 한계에 도달합니다. 이 효과로 입자는 더욱 무거워지고 사이클로트론의 주파수는 가속하는 RF와 동기화되지 않게 됩니다.따라서 단순한 사이클로트론은 양성자가 구동 전장과 위상이 맞지 않기 때문에 약 1500만 전자 볼트(15MeV, c의 약 10%에 해당)의 에너지로만 양성자를 가속할 수 있습니다.더 가속되면 빔은 더 큰 반지름으로 나선형으로 계속 진행되지만 입자는 더 이상 가속되는 RF에 보조를 맞춰 더 큰 원을 완성하기에 충분한 속도를 얻지 못합니다.상대론적 효과를 수용하려면 자기장을 등시성 사이클로트론에서처럼 더 높은 반지름으로 증가시킬 필요가 있다.등시성 사이클로트론의 예로는 스위스의 PSI 링 사이클로트론이 있는데, 이 사이클로트론은 광속의 약 80%에 해당하는 590 MeV의 에너지로 양성자를 제공합니다.이러한 사이클로트론의 장점은 달성 가능한 최대 추출 양성자 전류(현재 2.2mA)이다.에너지와 전류는 현재 존재하는 가속기 중 가장 높은 1.3 MW 빔 출력에 해당합니다.

싱크로시클로트론과 등시클로트론

주요 기사:싱크로시클로트론과 등시클로트론
오르세프로톤 치료 센터의 싱크로시클로트론에 있는 자석

고전적인 사이클로트론은 에너지 한계를 증가시키기 위해 변경될 수 있습니다.역사적으로 첫 번째 접근은 다발의 입자를 가속시키는 싱크로 사이클로트론이었다.일정한 B B를 사용하지만 가속장의 주파수를 줄여 입자가 나선형으로 바깥쪽으로 회전할 때 보조를 맞춰 질량에 의존하는 사이클로트론 공진 주파수와 일치하도록 합니다.이 접근법은 번칭으로 인해 평균 빔 강도가 낮으며, 높은 에너지로 인해 요구되는 더 큰 궤도에 걸쳐 큰 반지름과 일정한 필드의 거대한 자석이 필요하기 때문에 어려움을 겪습니다.

상대론적 입자가 가속하는 문제에 대한 두 번째 접근법은 등시성 사이클로트론이다.이러한 구조에서는 자석극이 반경과 함께 자기장을 증가시키도록 성형함으로써 가속계 주파수(및 사이클로트론 공진 주파수)가 모든 에너지에 대해 일정하게 유지된다.따라서 모든 입자는 등시적 시간 간격으로 가속됩니다.더 높은 에너지 입자는 기존의 사이클로트론보다 각 궤도에서 더 짧은 거리를 이동하므로 가속장과 위상이 유지됩니다.Isocronous Cyclotron의 장점은 높은 평균 강도의 연속 빔을 전달할 수 있다는 것입니다. 이는 일부 애플리케이션에 유용합니다.주요 단점은 필요한 대형 자석의 크기와 비용, 그리고 구조물의 바깥쪽 가장자리에서 요구되는 높은 자기장 값을 달성하기 어렵다는 것입니다.

싱크로 사이클로트론은 등시성 사이클로트론이 개발된 이후 만들어지지 않았다.

싱크로트론

주요 기사:싱크로트론
그림 8과 비슷한 페르미랍의 테바트론 항공 사진.주 가속기는 위의 링이며, 아래의 링(외관에도 불구하고 직경의 절반 정도)은 예비 가속, 빔 냉각 및 보관 등을 위한 것입니다.

상대론적 질량이 입자의 나머지 질량(양자, 수십억 전자 볼트 또는 GeV의 경우)에 근접하거나 초과하여 더 높은 에너지에 도달하려면 싱크로트론을 사용해야 합니다.이것은 입자가 일정한 반지름으로 가속되는 가속기입니다.사이클로트론에 대한 즉각적인 장점은 자기장이 입자 궤도의 실제 영역에만 존재할 필요가 있다는 것입니다. 이는 고리보다 훨씬 더 좁습니다. (미국에서 만들어진 가장 큰 사이클로트론은 직경 184인치(4.7m)의 자기 극을 가지고 있는 반면, LEP나 LHC와 같은 싱크로트론의 직경은 거의 10km입니다.)LHC의 두 빔의 구멍은 약 1cm입니다.)LHC에는 16개의 RF 공동, 빔 스티어링용 1232개의 초전도 다이폴 자석 및 빔 [22]포커싱용 24개의 쿼드루폴이 있습니다.이 크기에서도 LHC는 미립자를 표류시키지 않고 조종할 수 있는 능력이 제한된다.이 제한은 [23]14TeV에서 발생하는 것으로 이론화되어 있습니다.

단, 가속 시에는 입자 운동량이 증가하므로 궤도의 곡률을 일정하게 유지하기 위해서는 자기장 B를 비례적으로 상승시킬 필요가 있다.따라서 싱크로트론은 사이클로트론이 할 수 있는 것처럼 입자를 지속적으로 가속할 수 없지만 주기적으로 작동해야 하며, 이는 일반적으로 몇 초마다 대상 또는 외부 빔에 "스필"로 전달됩니다.

고에너지 싱크로트론은 빛의 거의 속도로 이미 이동하는 입자에 대해 대부분의 작업을 수행하므로, 가속을 구동하는 데 사용되는 RF 공동 공진기의 주파수와 마찬가지로 링의 한 궤도를 완료하는 데 걸리는 시간은 거의 일정합니다.

현대의 싱크로트론에서 빔 개구부는 작고 자기장은 사이클로트론처럼 입자 궤도의 전체 영역을 덮지 않기 때문에 몇 가지 필요한 기능을 분리할 수 있습니다.하나의 거대한 자석 대신 수백 개의 구부러진 자석 라인이 있으며 진공 연결 파이프로 둘러싸여 있습니다.싱크로트론의 디자인은 1950년대 초에 강한 초점 개념의 [24][25][26]발견과 함께 혁명적이었다.빔의 초점은 특수 4극 자석에 의해 독립적으로 처리되며, 가속 자체는 짧은 선형 [27]가속기와 유사한 별도의 RF 섹션에서 수행됩니다.또 순환기계를 원형으로 할 필요는 없지만 빔 파이프는 빔이 충돌하거나 냉각될 가능성이 있는 자석 사이에 직선 단면을 가질 수 있다.이것은 "빔 물리학" 또는 "빔 광학"[28]이라고 불리는 완전히 별개의 과목으로 발전했습니다.

테바트론, LEP 및 LHC와 같은 보다 복잡한 현대 싱크로트론은 입자 다발을 일정한 자기장을 가진 자석의 저장 링으로 전달하여 실험 또는 추가 가속을 위해 장시간 궤도를 계속 돌 수 있습니다.Tevatron 및 LHC와 같은 가장 에너지 높은 기계는 실제로 가속기 복합체로, 초기 빔 생성을 위한 선형 가속기, 중간 에너지에 도달하기 위한 하나 이상의 저에너지 싱크로트론, 빔을 축적하거나 "냉각"(자석 개구부 감소)할 수 있는 저장 링 등 일련의 특수 요소가 있습니다.더 긴밀하게 초점을 맞출 수 있습니다. 빔 냉각 참조) 및 최종 가속 및 실험을 위한 마지막 큰 링.

DESY에서 전자 싱크로트론의 세그먼트
전자 싱크로트론
다음 항목도 참조하십시오.싱크로트론 광원

원형 전자 가속기는 SLAC의 선형 입자 가속기가 만들어질 무렵에 입자 물리학에서 다소 인기가 떨어졌는데, 그 이유는 싱크로트론 손실이 경제적으로 금지된 것으로 간주되고 빔 강도가 미추진 선형 기계보다 낮았기 때문입니다.1970년대 후반에 저비용으로 제작된 코넬 전자 싱크로트론은 기초 입자 물리학을 위해 만들어진 고에너지 원형 전자 가속기 시리즈 중 첫 번째이며, 마지막은 1989년부터 2000년까지 사용된 CERN에서 만들어진 LEP이다.

자외선과 X선을 방출하는 싱크로트론 광원의 일부로 지난 20년 동안 많은 전자 싱크로트론이 생성되었습니다. 아래를 참조하십시오.

스토리지 링

주요 기사:수납 링

일부 애플리케이션에서는 고에너지 입자 빔을 일정 시간(현대 고진공 기술을 사용하여 최대 수 시간) 동안 더 이상 가속하지 않고 저장하는 것이 유용합니다.특히 충돌빔 가속기의 경우 반대 방향으로 이동하는 두 개의 빔이 서로 충돌하여 효과적인 충돌 에너지가 크게 향상됩니다.두 빔의 교차점을 통과하는 각 경로에서 비교적 적은 수의 충돌이 발생하기 때문에 먼저 빔을 원하는 에너지로 가속한 다음 기본적으로 자석의 싱크로트론 링인 저장 링에 저장하는 것이 일반적입니다. 이 링은 가속을 위한 유의한 RF 파워가 없습니다.

싱크로트론 방사선원

주요 기사:싱크로트론 광원

일부 원형 가속기는 싱크로트론 방사선이라고도 불리는 X선으로 방사선(싱크로트론 빛)을 의도적으로 생성하기 위해 제작되었다. 예를 들어, 영국의 러더포드 애플턴 연구소에서 만들어진 다이아몬드 광원이나 미국 일리노이주 아르곤 국립 연구소의 고급 광원(Advanced Photon Source)이 그것이다.예를 들어, 광선은 단백질의 X선 스펙트럼 분석이나 X선 흡수 미세 구조(XAFS)에 유용하다.

싱크로트론 복사는 가벼운 입자에 의해 더 강력하게 방출되므로 이러한 가속기는 변함없이 전자 가속기입니다.싱크로트론 방사선은 SLAC의 SPEAR에서 연구 및 개발된 것처럼 더 나은 이미징을 가능하게 합니다.

고정 필드 교대 경사 가속기

주요 기사:고정 필드 교대 경사 가속기

고정장 교대 경사 가속기(FFA)는 시간에 고정되지만 강한 초점을 달성하기 위해 반경 변동이 있는 자기장을 통해 높은 반복률로 빔을 가속할 수 있지만 사이클로트론 케이스보다 훨씬 작은 반경 범위 내에서 빔을 가속할 수 있습니다.등시성 FFA는 등시성 사이클로트론과 마찬가지로 연속적인 빔 작동을 실현하지만 궤도의 전체 반지름을 덮는 거대한 쌍극자 굽힘 자석은 필요하지 않습니다.FFA의 몇 가지 새로운 발전이 포함되어 있다.[29]

역사

주요 기사:입자 물리학의 가속기 목록

어니스트 로렌스의 첫 사이클로트론은 지름이 겨우 4인치(100mm)였다.이후 1939년 직경 60인치의 극면을 가진 기계를 만들고 1942년 직경 184인치의 기계를 계획했다.그러나, 그것은 우라늄 동위원소 분리와 관련된 제2차 세계 대전 관련 작업을 위해 인수되었다.전쟁 후, 그것은 오랜 세월 동안 연구와 의학을 위해 계속되었다.

최초의 큰 양성자 싱크로트론은 브룩헤븐 국립 연구소의 코스모트론이었는데, 이것은 양성자를 약 3GeV(1953–1968)로 가속시켰다.1954년에 완공된 버클리 대학의 베바트론은 양성자를 반양성자를 만들기에 충분한 에너지로 가속시키고, 자연의 입자-반입자 대칭을 검증한 후 이론화되도록 특별히 설계되었다.Brookhaven(1960–)의 Alternating Gradient Synchrotron(AGS)은 빔의 필요한 개구부를 크게 줄인 "강력 초점" 자석을 가진 최초의 대형 싱크로트론이었고 이에 상응하는 굽힘 자석의 크기와 비용이었다.CERN(1959–)에서 제작된 프로톤 싱크로트론은 유럽 최초의 주요 입자 가속기였으며 일반적으로 AGS와 유사했다.

스탠포드 선형 가속기, SLAC는 1966년에 작동하기 시작했고, 3km 길이의 도파관에서 전자를 30GeV까지 가속하여 터널에 묻히고 수백 개의 대형 카이스트론으로 구동되었습니다.이는 여전히 현존하는 가장 큰 선형 가속기이며, 저장 링과 전자-양전자 충돌기 설비를 추가하여 업그레이드되었습니다.X선과 UV 싱크로트론 광자원이기도 하다.

페르미랍 테바트론은 4마일(6.4km)의 빔 경로를 가진 고리를 가지고 있다.여러 차례의 업그레이드를 거쳐 2011년 9월 30일 예산 삭감으로 중단될 때까지 양성자-반양성자 충돌기 역할을 해왔다.지금까지 만들어진 것 중 가장 큰 원형 가속기는 CERN의 LEP 싱크로트론입니다. 둘레는 26.6km로 전자/양전자 충돌기입니다.2000년 해체되기 전 209GeV의 에너지를 얻어 대형강입자충돌기(LHC)에 사용할 수 있었다.LHC는 양성자 충돌기이며, 현재 빔당 6.5TeV 에너지(총 13TeV)를 달성한 세계에서 가장 크고 높은 에너지 가속기입니다.

텍사스에서 중단된 초전도 슈퍼 충돌기(SSC)의 둘레는 87km였을 것이다.건설은 1991년에 시작되었지만 1993년에 중단되었다.매우 큰 원형 가속기는 표면에 그러한 구조물을 건설하는 데 드는 중단과 비용을 최소화하고 높은 에너지로 극도로 침투하는 강력한 2차 방사선에 대해 차폐를 제공하기 위해 반드시 몇 미터 폭의 터널에 구축된다.

스팔레이션 중성자 소스와 같은 전류 가속기는 초전도 극저온모듈을 포함하고 있습니다.상대론적 중이온 충돌기와 대형 강입자 충돌기도 입자를 가속하기 위해 초전도 자석과 RF 공동 공진기를 사용합니다.

대상

입자 가속기의 출력은 일반적으로 한 번에 한 번씩 편차를 보이는 전자석을 통해 여러 실험 라인을 향할 수 있습니다.따라서 물체를 이동하거나 전체 가속 빔을 차단하지 않고도 여러 실험을 수행할 수 있습니다.싱크로트론 방사선원을 제외하고 가속기의 목적은 물질과의 상호작용을 위해 고에너지 입자를 생성하는 것이다.

이것은 보통 텔레비전 튜브의 경우 화면 뒷면에 있는 형광체 코팅, 중성자 소스로 설계된 가속기의 우라늄 조각 또는 X선 발생기의 텅스텐 표적과 같은 고정 대상입니다.라이낵에서는 목표물이 가속기의 끝에 단순히 장착됩니다.사이클로트론의 입자 트랙은 원형 기계의 중심에서 바깥쪽으로 나선형이기 때문에 가속된 입자는 선형 가속기와 같이 고정된 지점에서 나타납니다.

싱크로트론의 경우 상황은 더 복잡합니다.입자는 원하는 에너지로 가속됩니다.그런 다음, 빠르게 작동하는 쌍극자 자석이 입자를 원형 싱크로트론 튜브에서 목표물 쪽으로 전환하기 위해 사용됩니다.

입자 물리학 연구에 일반적으로 사용되는 변형은 저장 고리 충돌기라고도 불리는 충돌기입니다.두 개의 원형 싱크로트론은 근접하게 제작됩니다. 대개 서로 위에 있고 동일한 자석을 사용합니다(이 두 개의 빔 튜브를 모두 수용하도록 설계됨).입자 뭉치는 두 가속기 주위를 반대 방향으로 이동하고 두 가속기 사이의 교차로에서 충돌합니다.이것은 에너지를 엄청나게 증가시킬 수 있습니다; 반면에 고정 목표 실험에서 새로운 입자를 생성하기 위해 사용 가능한 에너지는 빔 에너지의 제곱근에 비례합니다. 반면, 충돌기에서 사용 가능한 에너지는 선형입니다.

검출기

높은 에너지

현재 가장 높은 에너지 가속기는 모두 원형 가속기이지만 하드론 가속기와 전자 가속기 모두 한계에 다다르고 있습니다.높은 에너지 강입자와 이온 순환 가속기는 빔 강성의 증가로 인해 물리적 크기의 가속기 터널을 필요로 합니다.

순환 전자 가속기의 경우 싱크로트론 방사선 손실에 의해 실제 굽힘 반지름에 제한이 있으며, 다음 세대는 현재 길이의 10배인 선형 가속기가 될 것이다.이러한 차세대 전자 가속기의 예로는 40km 길이의 국제 선형 가속기가 있다.

전자빔 "애프터 버너" 및 독립형 레이저 펄서 형태의 플라즈마 웨이크필드 가속은 20~30년 내에 RF 가속기에 비해 효율성을 획기적으로 높일 수 있을 것으로 생각된다.플라즈마 웨이크필드 가속기에서 빔 캐비티는 (진공 대신) 플라즈마로 채워집니다.전자 또는 레이저 빛의 짧은 펄스는 가속되는 입자를 구성하거나 바로 앞에 있습니다.펄스는 플라즈마를 교란시켜 플라즈마 내의 하전 입자가 가속되는 입자 다발의 뒤쪽으로 통합되고 이동하게 합니다.이 과정은 에너지를 입자 다발에 전달하여 더 가속화하며 펄스가 [30]일관적인 한 계속됩니다.

레이저 펄서를[31] 사용하여 밀리미터 스케일 거리에 걸쳐 200 GeV/m의 가파른 에너지 구배를 달성했으며, 무선 주파수 가속에만 약 0.1 GeV/m의 한계와 대조적으로 전자 빔 시스템을 사용하여 멀티 센티미터 스케일에서 1 GeV/m에 가까운 구배를 생성하고 있다.SLAC와 같은 기존 전자 가속기는 빔 강도를 희생하면서 전자빔 애프터버너를 사용하여 입자 빔의 에너지를 크게 증가시킬 수 있습니다.일반적으로 전자 시스템은 정밀하게 시준되고 신뢰할 수 있는 빔을 제공할 수 있으며, 레이저 시스템은 더 많은 전력과 소형성을 제공할 수 있습니다.따라서 플라즈마 웨이크필드 가속기를 사용할 수 있다(기술적 문제가 해결될 수 있는 경우). 최대 가속기의 최대 에너지를 증가시키고 대학 실험실과 의료 센터에 높은 에너지를 공급하기 위해 사용할 수 있다.

유전체 레이저 [32]가속기에 의해 0.25GeV/m 이상의 구배가 달성되었으며, 이는 소형 고에너지 가속기 [33]구축에 대한 또 다른 실행 가능한 접근방식을 제시할 수 있다.펨토초 지속시간 레이저 펄스를 사용하여 유전체 레이저 [34]가속기에 대해 0.69 Gev/m의 전자 가속 구배를 기록했습니다.추가 [35]최적화 후에는 1~6GeV/m의 높은 구배가 예상됩니다.

블랙홀 생성 및 공공 안전 문제

참고 항목: 고에너지 입자 충돌 실험의 안전성

미래에는 슈퍼스트링 이론의 예측이 [36][37]정확하다면 가장 높은 에너지 가속기에서 블랙홀이 생성될 가능성이 발생할 수 있다.이러한 가능성들과 다른 가능성들은 2008년에 운영을 시작한 LHC와 관련하여 널리 보도된 공공 안전에 대한 우려로 이어졌다.LHC 안전 평가 [38]그룹이 작성한 최신 위험 평가에서 다양한 가능한 위험 시나리오가 "상상 가능한 위험 없음"을 나타내는 것으로 평가되었다.만약 블랙홀이 생성된다면, 이론적으로 이러한 작은 블랙홀은 베켄슈타인-호킹 방사선을 통해 매우 빠르게 증발할 것으로 예상되지만, 아직 실험적으로 확인되지 않았다.만약 충돌기가 블랙홀, 우주선, 특히 초고에너지 우주선, UHECR을 만들어 낼 수 있다면, 그것들은 분명 오랫동안 그것들을 만들어냈을 것이지만,[39] 아직 아무도 해치지 않았다.에너지와 운동량을 보존하기 위해, UHECR과 지역 물질 사이의 충돌에서 생성된 블랙홀은 반드시 지구에 대한 상대론적 속도로 생성될 것이며, 블랙홀의 부착과 성장 속도가 매우 느릴 것이기 때문에 우주로 탈출해야 한다고 주장되어 왔다.같은 질량의 성분)은 초당 11.2km의 지구 탈출 속도보다 낮은 속도를 가질 가능성이 있으며 포착하여 성장하기 쉽다.그러나 그러한 시나리오에서도 UHECR과 백색왜성 및 중성자별의 충돌은 빠른 파괴로 이어지지만, 이러한 물체는 일반적인 천체인 것으로 관측된다.따라서 안정적인 마이크로 블랙홀이 생성되어야 한다면, 그것들은 태양계의 [38]자연 수명 동안 눈에 띄는 거시적 효과를 일으키기 위해 너무 느리게 성장해야 한다.

액셀러레이터 연산자

초전도, 극저온학, 고출력 고주파 증폭기 등의 첨단 기술의 사용과 이온화 방사선의 존재는 가속기 [40][41]설비의 안전한 작동을 어렵게 한다.액셀러레이터 오퍼레이터는 입자가속기의 동작을 제어하고 석면비, 전류강도, 타깃상의 위치 등의 동작 파라미터를 조정한다.이들은 가속기 유지관리 담당자와 통신하고 보조하여 진공, 자석, 자기 및 고주파 전원 공급 장치 및 제어 장치, 냉각 시스템 등의 지원 시스템의 준비를 보장합니다.또한 가속기 오퍼레이터는 가속기 관련 이벤트의 기록을 유지합니다.

「 」를 참조해 주세요.

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