싱크로트론(Synchrotron)의 방사 원리 및 측정 조사 보고서

소개글

싱크로트론(Synchrotron)의 방사 원리 및 측정 조사 보고서에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 싱크로트론 방사
2. 싱크로트론 방사의 발생
3. 싱크로트론 방사광의 특징
4. 방사광 시설
5. 싱크로트론 방사광의 이용
6. 방사광시설의 방사선방호대상 방사선
7. 방사광 시설의 차폐
8. 입자가속기의 원리와 종류

본문내용

특히 질량이 작은 전자의 경우에 뚜렷하게 나타난다.
이 때문에 사이클로트론에서는 전자를 가속하지 않는다.
사이클로트론의 가속한계성을 극복하는 방법은 ㉠ 각 입자의 에너지를 어느 일정한 값으로 조정해 놓고 고주파 전압의 주파수를 점차로 낮추어가는 방법 ㉡ 자기장의 세기를 바꾸어, 질량의 증가를 자기장의 세기의 증가로 보충하여 회전주기를 일정하게 하는 방법 등이 생각된다.
㉠의 방법에 따라 사이클로트론의 가속한계를 극복한 장치가 싱크로사이클로트론 또는 주파수변조(周波數變調) 사이클로트론이고, ㉡의 방법에 따라 개선된 장치가 AVF(azimuthally varying field) 사이클로트론이라 한다.
사이클로트론에 의한 양성자의 가속한계는 원리적으로 50MeV인데, 미국의 캘리포니아대학에 있는 싱크로사이클로트론에서는 350MeV까지 가속이 가능하다.
이 장치의 규모는 사이클로트론에 비해 엄청나게 크며, 전자석의 크기가 지름 479cm, 무게 4,900t이다.
이 같은 방법으로 도달할 수 있는 입자의 가속에너지의 한계는 원리적으로는 없으나 전자석의 가격이 큰 제한조건으로 작용한다.
(7) 베타트론(betatron) : 자기장이 시간적으로 변하면 전기장이 유발된다는 원리에 따라 전자를 가속하는 장치. 1941년 미국의 커스트가 주로 전자용가속기로서 고안한 것이고, 방사성물질에서 방출되는 베타선에 관련지어 이름하였다.
원형전자석의 극편 사이에 도넛형 가속관을 설치한 것이고, 전자석을 교류로서 여자하면 이온원에서 가속관에 입사한 전자가 유발된 전기장의 작용으로 여자전류가 방향을 바꾸는 동안, 가속관 안에서 원궤도에 따라 가속된다.
전류의 방향이 변경되어 전자가 감속되기 전에 궤도에서 벗어나도록 하여 외부로 잡아낸다.
이 때 전자가 궤도를 일주하는 동안에 얻는 에너지는 불과 100eV 정도에 지나지 않으나, 전류가 방향을 변경할 때까지의 짧은 시간 안에 전자는 궤도를 수십 만 회 회전하기 때문에 결과적으로는 수천 만 eV까지 가속되는 것이다.
따라서 이 동안 전자는 가속관 속에서 일정한 원궤도를 따라 운동할 필요가 있으므로, 가속관 주위의 자기장 분포는 전자의 속도가 증가되어도 궤도는 안정되도록 설계되어야 한다.
사이클로트론과는 달리, 질량증대에 의한 원리적인 저해요인도 없이 전자를 가속할 수 있을 뿐만 아니라, 구조가 간단하고 가동도 안정하고 전자빔의 세기도 강해서 많은 이점이 있다.
그러나 어느 정도 이상으로 가속되면 제동복사에 의한 에너지 손실이 커져 가속성능은 실제적으로 3억eV 정도라고 한다.
(8) 싱크로트론 : 다른 가속기로서 예비적으로 가속된 입자를 전기장과 자기장의 작용 하에서 처음부터 원궤도에 따라 가속하여 10억eV 이상의 높은 운동에너지로 가속시킬 수 있는 장치. 1945년 미국의 맥밀런과 소련의 벡슬러가 각각 독립적으로 착상해서 만들었다.
처음에는 전자싱크로트론으로서 출현되었으나 1950년을 전후해서 양성자싱크로트론이 같은 가속원리에 따라 잇따라 건설되었다.
이 장치로서 얻어진 고에너지입자빔은 자연의 우주선에너지에 버금가는 것으로, 인공적으로 V입자(hyperon)와 반양성자(反陽性子)의 발견을 가능하게 했을 뿐만 아니라 고에너지물리학, 즉 소립자물리학의 혁신적인 발전을 가져왔다.
양성자싱크로트론의 설계에는 고주파발진기나 전자석의 특성 등 여러 가지 기술적인 어려움이 따르고, 10억 eV급의 양성자싱크로트론 제1호는 1952년 미국에서 완성되었다.
그 후 베바트론, 싱크로파조트론(소련), 유라톤(스위스, 유럽 공동) 및 브룩헤이븐의 양성자싱크로트론(미국) 등이 운전되었다.
1952년 미국의 리빙스턴이 가속입자빔을 가늘게 할 수 있는, 강집속의 원리를 발견함으로써 전자석(電磁石)을 보다 작게 할 수 있게 되었다.
브룩헤이븐과 유라톤은 이 방법이 적용된 가속기이다.
(9) 선형가속기(linear accelerator:Linac) : 직접 고전압을 걸어주지 않고 비교적 낮은 전압으로서 하전입자를 직선형으로 가속하는 장치. 중공원통형의 전극을 직선 위에 많이 나열하고, 그것을 하나씩 건너서 연결하여 고주파 전압을 걸어준다.
각 전극의 길이를 알맞게 잡고, 입자들은 전극들 사이의 간격에서 가속되므로, 다음 간격에 나타날 때까지는 고주파 전압의 위상이 역전되도록 해두면 높은 에너지가 얻어진다.
1931년 미국의 로렌스가 고안한 방식이며 그 당시는 별로 주목받지 못했으나, 제2차 세계대전 후 초단파기술의 진보로 각광받게 되었다.
실제의 가속기 구조에서는 양성자가속기와 전자가속기는 서로 다르다.
양성자의 경우는 공동공진기 속에 동심원통의 전극을 나열한 것을 가속관으로 하고 있는데, 전자의 경우에는 몇 개의 조리개를 붙인 공동공진기를 가속관으로 하여 고주파 전파를 도입해서 전극에서 전극으로, 조리개에서 조리개로 옮겨갈 때마다 가속되도록 되어 있다.
Ⅲ. 결론
일반적으로 선형가속기는 원형가속기와 비교해서 고른 입자빔을 얻을 수 있고, 입자빔의 세기가 강하고, 제동복사에 의한 에너지 손실이 적다는 등 몇 가지 장점이 있으나, 장거리에 걸쳐서 고주파 전압을 걸어야 하고, 일직선상에 장치를 정돈해야 하는 등의 기술적인 어려움을 갖고 있다.
미국 스탠퍼드대학에 있는 선형가속기가 가장 유명한데, 길이는 2miles이며, 전자(e-)를 20GeV까지 가속시킬 수 있다. 이 선형가속기에서 가속된 전자빔과 양전자빔(e+)을 원형가속기에 투입시켜 이들을 정면 충돌시키는장치가 개발되었다. 이 장치의 이름을 SPEAR(stanford positron-electron asymmetry ring)라 하며, 이것으로서 1974년 12월 새로운 입자 J/ψ를 발견하였다. 이 입자의 발견으로 소립자물리학에서 일대전기가 마련되었다. 현재 각국에서는 초고출력의 가속기의 건설과 가동으로 물질구조를 탐구하고 있다.
참고문헌
하이젠베르그_(이필렬 역/한길사)
방사광과학입문_(신현준/청문각)
자연과학개론(천병수/청문각)
고 에너지 천체물리학
아인슈타인과 뉴턴의 대화(유영미 역/해바라기)
성균관대학교_(웹문서)
연세대학교_(웹문서)
부산대학교_(웹문서)

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