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싱크로트론

싱크로트론(synchrotron)은 사이클로트론에서 파생된 특수한 유형의 원형 입자 가속기로, 가속되는 입자 빔이 고정된 폐쇄 루프 경로를 따라 이동한다. 입자 빔을 폐쇄된 경로로 굴절시키는 자기장의 세기는 가속 과정 동안 시간에 따라 증가하며, 이는 입자의 증가하는 운동 에너지에 동기화된다.[1]

직선 구간이 있는 "레이스트랙" 설계를 최초로 사용한 싱크로트론. 1949년 미시간 대학교의 300 MeV 전자 싱크로트론으로, 딕 크레인이 설계했다.

싱크로트론은 굴절, 빔 집속 및 가속을 서로 다른 구성 요소로 분리할 수 있기 때문에 대규모 시설 구축을 가능하게 한 최초의 가속기 개념 중 하나다. 현대의 가장 강력한 입자 가속기들은 싱크로트론 설계를 변형하여 사용한다. 세계에서 가장 큰 입자 가속기이자 가장 큰 싱크로트론 유형 가속기는 스위스 제네바 인근에 위치한 둘레 27-킬로미터- (17 mi)의 대형 강입자 충돌기(LHC)로, 2008년 유럽 입자 물리 연구소(CERN)에 의해 완공되었다.[2] 이는 양성자 빔을 7 테라전자볼트(TeV 또는 1012 eV)의 에너지까지 가속할 수 있다.

유형

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대형 싱크로트론은 대개 입자에 초기 가속을 제공하는 선형입자가속기(linac)와, 고에너지 싱크로트론 링에 주입하기 전 입자의 에너지를 높이는 부스터라고 불리는 저에너지 싱크로트론을 갖추고 있다. 오늘날 다음과 같은 여러 특수 유형의 싱크로트론 장치가 사용된다.

  • 충돌기는 입자가 정지된 표적에 부딪히는 대신, 서로 반대 방향으로 회전하는 두 개의 링에서 이동하는 입자들이 정면으로 충돌하게 하여 더 높은 에너지의 충돌을 가능하게 하는 유형이다.[3][4]
  • 스토리지 링은 입자의 운동 에너지를 일정하게 유지하는 특수한 유형의 싱크로트론이다.[5]
  • 싱크로트론 방사 광원은 원하는 전자기파가 생성되는 스토리지 링을 포함하여 서로 다른 전자 가속기 유형이 조합된 형태다. 생성된 복사선은 다양한 빔라인에 위치한 실험 스테이션에서 사용된다. 싱크로트론 광원 전체를 엄밀히 말하면 틀린 표현임에도 때때로 "싱크로트론"이라고 부르기도 한다.

작동 원리

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싱크로트론은 최초의 원형 입자 가속기인 사이클로트론에서 발전했다. 고전적인 사이클로트론이 일정한 유도 자기장과 일정한 주파수의 전자기장을 모두 사용하며 고전역학적 근사 하에서 작동하는 반면, 그 후속인 등시성 사이클로트론은 가속 중 입자의 상대론적 질량 증가에 적응하기 위해 유도 자기장의 국부적인 변화를 통해 작동한다.[6]

코즈모트론의 도면

싱크로트론에서는 가속 중에 자기장의 세기와 RF 주파수가 변한다.[6] 빛의 속도에 가깝지 않은 입자의 경우, 인가된 전자기장의 주파수 또한 일정하지 않은 순환 시간을 따르기 위해 변할 수 있다. 입자가 에너지를 얻음에 따라 이러한 매개변수들을 적절히 증가시킴으로써, 가속되는 동안 입자의 순환 경로를 일정하게 유지할 수 있다. 이를 통해 입자가 지나가는 진공 챔버를 이전의 소형 가속기 설계처럼 원판 형태가 아닌 거대하고 얇은 원환면(토러스) 형태로 만들 수 있다. 또한, 진공 챔버의 얇은 프로파일 덕분에 사이클로트론보다 자기장을 더 효율적으로 사용할 수 있어 대형 싱크로트론을 비용 효율적으로 건설할 수 있게 되었다.

코즈모트론이나 ADA와 같은 초기 싱크로트론 및 스토리지 링은 엄격하게 토러스 형상을 사용했지만, 에르네스트 쿠랑 등이 독립적으로 발견한 강집속 원리는 가속기를 입자 경로를 따라 전문화된 기능을 가진 구성 요소들로 완전히 분리할 수 있게 하여 경로를 모서리가 둥근 다각형 모양으로 만들 수 있게 했다.[7][8][9] 주요 구성 요소로는 직접적인 가속을 위한 무선 주파수 공동, 입자를 굴절시켜 경로를 닫기 위한 이중극 전자석(굴절 자석), 빔 집속을 위한 사중극 전자석 및 육중극 전자석 등이 있다.[10]

싱크로트론 방사 광원 시설인 오스트레일리아 싱크로트론의 내부. 이미지의 대부분을 스토리지 링이 차지하고 있으며, 오른쪽 전면에 빔라인이 보인다. 스토리지 링의 내부에는 싱크로트론과 선형입자가속기가 포함되어 있다.

시간에 따라 변화하는 유도 자기장과 강집속 원리의 결합은 충돌기 및 싱크로트론 방사 광원과 같은 현대의 대규모 가속기 시설의 설계와 운영을 가능하게 했다. 이러한 시설의 폐쇄 경로를 따른 직선 구간은 무선 주파수 공동뿐만 아니라, (충돌기의 경우) 입자 검출기, (3세대 싱크로트론 광원의 경우) 위글러 및 언듈레이터와 같은 광자 생성 장치를 위해서도 필요하다.

원형 가속기가 전달할 수 있는 최대 에너지는 일반적으로 자기장의 최대 세기와 입자 경로의 최소 반경(최대 곡률)에 의해 제한된다. 따라서 에너지 한계를 높이는 한 가지 방법은 자기 포화에 제한되지 않는 초전도 전자석을 사용하는 것이다. 전자/양전자 가속기는 싱크로트론 방사 방출로 인해 입자 빔의 운동 에너지 일부를 잃게 되어 에너지가 제한될 수도 있다. 빔 경로를 원형으로 유지하기 위해 필요한 측면 가속으로 인해 손실되는 에너지가 매 주기마다 추가되는 에너지와 같아질 때 한계 에너지에 도달한다.

더 강력한 가속기는 큰 반경의 경로를 사용하고 더 많고 강력한 마이크로파 공동을 사용하여 건설된다. 더 가벼운 입자(예: 전자)는 굴절될 때 더 큰 비율의 에너지를 잃는다. 실질적으로 전자/양전자 가속기의 에너지는 이러한 방사 손실에 의해 제한되는 반면, 양성자나 이온 가속기의 역학에서는 이것이 큰 역할을 하지 않는다. 이러한 가속기의 에너지는 엄격하게 자석의 세기와 비용에 의해 제한된다.

주입 절차

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사이클로트론과 달리 싱크로트론은 운동 에너지가 0인 상태에서 입자를 가속할 수 없다. 명백한 이유 중 하나는 입자를 방출하는 장치에 의해 폐쇄된 입자 경로가 끊기기 때문이다. 따라서 사전 가속된 입자 빔을 싱크로트론에 주입하는 방식이 개발되었다. 사전 가속은 선형입자가속기, 마이크로트론 또는 다른 싱크로트론과 같은 일련의 가속기 구조를 통해 이루어질 수 있다. 이들은 다시 전형적으로 콕크로프트-월턴 발전기와 같은 단순한 고전압 전원 공급 장치로 구성된 입자 소스로부터 입자를 공급받아야 한다.

주입 에너지에 의해 결정된 적절한 초기값에서 시작하여 이중극 전자석의 자기장 세기를 증가시킨다. 가속 절차의 끝에서 고에너지 입자가 표적이나 다른 가속기로 방출되면, 자기장 세기는 다시 주입 수준으로 감소하여 새로운 주입 주기를 시작한다. 사용하는 자석 제어 방식에 따라 한 주기의 시간 간격은 설치 시설마다 크게 다를 수 있다.

역사 및 발전

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1세대 싱크로트론

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싱크로트론 원리는 1944년 블라디미르 벡슬레르에 의해 제안되었다.[11] 에드윈 맥밀런은 1945년에 독자적으로 아이디어를 구상하여 최초의 전자 싱크로트론을 건설했다. 그는 벡슬레르의 논문(영어로 작성되었으나 소련 학술지에만 실렸음)을 보지 못한 상태였다.[12][13][14]

건설 중인 버밍엄 양성자 싱크로트론

최초의 양성자 싱크로트론은 마커스 올리펀트 경에 의해 설계되었으며,[13][15] 1952년 버밍엄 대학교에서 건설되었다.[13] 1963년, 맥밀런과 벡슬레르는 싱크로트론 발명 공로로 원자력 평화상을 공동 수상했다.[13]

초기 대형 싱크로트론 중 하나는 1950년 로렌스 버클리 국립연구소에 건설된 베바트론이다. 베바트론은 양성자를 6.2 GeV의 에너지로 가속할 수 있었다.[16](당시에는 10억 전자볼트를 BeV라고 불렀으며, 이 명칭은 기가라는 SI 접두어 채택 이전의 것이다.)[17] 또한 중수소, 알파 입자, 질소와 같은 더 무거운 이온도 가속할 수 있었다.[18] 자연계에서 볼 수 없는 여러 초우라늄 원소들이 이 장치로 처음 생성되었다. 이곳은 원자 충돌 결과를 조사하기 위한 최초의 대형 거품 상자 중 하나가 만들어진 장소이기도 하다.[19] 1955년, 물리학자 오언 체임벌린과 에밀리오 지노 세그레는 베바트론을 사용하여 반양성자의 존재 증거를 발견했으며, 이 공로로 1959년 노벨 물리학상을 수상했다.[20] 베바트론은 1993년 2월에 퇴역했다.[21]

또 다른 초기 대형 싱크로트론은 브룩헤이븐 국립연구소에 건설되어 1953년에 3.3 GeV에 도달한 코즈모트론이다.[22]

2세대 싱크로트론

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1980년대에 2세대 싱크로트론에 대한 구체적인 내용이 나타나기 시작했다. 이 장치들은 입자 물리학 연구보다는 싱크로트론 방사 생성 실험을 위해 특별히 건설되었다.[23] 1981년에 가동된 영국 데어즈베리의 2 GeV 싱크로트론 방사 광원(SRS)이 이러한 "2세대" 싱크로트론 광원의 효시였다. 또한 1세대 싱크로트론들이 업그레이드되어 2세대 광원이 되기도 했다.[24]

충돌기의 일부로서

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2008년 8월까지 세계에서 가장 에너지가 높은 충돌기는 미국 페르미 국립 가속기 연구소의 테바트론이었다. 이는 양성자와 반양성자를 1 TeV에 약간 못 미치는 운동 에너지까지 가속하여 정면 충돌시켰다. 유럽 입자 물리 연구소(CERN)에 건설된 대형 강입자 충돌기(LHC)는 이보다 약 7배 높은 에너지를 가지고 있다(양성자-양성자 충돌은 약 14 TeV에서 발생함). 이는 이전에 대형 전자-양전자(LEP) 충돌기가 있던 27.6 km 터널에 들어서 있다.[25] LHC는 또한 충돌 시 최대 1.15 PeV의 에너지로 무거운 이온(납 등)을 가속할 수 있다.[26] 2025년 현재, 이는 세계에서 가장 크고 강력한 입자 충돌기로 간주된다.[27]

심각하게 제안되었던 가장 큰 장치는 미국에 건설될 예정이었던 초전도 초충돌기(SSC)였다. 이 설계는 다른 장치들과 마찬가지로 코어 포화의 제한 없이 더 강력한 자기장을 생성할 수 있는 초전도 전자석을 사용했다.[28]: 10  건설이 시작되었으나, 미숙한 비용 추정과 경제 관리 문제로 인한 과도한 예산 초과를 이유로 1994년에 프로젝트가 취소되었다.[28]: 232–233  냉전의 종식이 과학 연구 기금의 우선순위 변화를 가져와 결국 취소에 기여했다는 주장도 있다.[28]: 232–233  비록 비어 있지만, 건설된 터널은 여전히 남아 있다. 더 강력한 양성자 및 중입자 원형 가속기의 가능성은 여전히 남아 있지만, 전자 빔 에너지의 다음 단계는 싱크로트론 방사로 인한 손실을 피해야 할 것으로 보인다. 이를 위해서는 선형입자가속기로의 회귀가 필요하며, 현재 사용 중인 장치보다 훨씬 더 길어야 한다. 현재 두 개의 대향하는 선형입자가속기(하나는 전자용, 하나는 양전자용)로 구성될 국제 선형 충돌기(ILC)를 설계하고 건설하기 위한 주요한 노력이 진행 중이다. 이는 총 질량 중심 에너지 0.5 TeV에서 충돌하게 된다.

싱크로트론 방사 광원의 일부로서

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싱크로트론 방사는 광범위한 응용 분야를 가지고 있으며(싱크로트론 광 참조), 이를 활용하기 위해 많은 2세대 및 3세대 싱크로트론이 특별히 건설되었다. 가장 큰 3세대 싱크로트론 광원으로는 프랑스 그르노블의 유럽 싱크로트론 방사 시설(ESRF), 미국 일리노이주 리몬트의 어드밴스드 포톤 소스(APS), 일본 효고현의 SPring-8이 있으며, 각각 전자를 6, 7, 8 GeV까지 가속한다.[29][30][31]

싱크로트론은 건설에 수천만 달러에서 수억 달러가 드는 대형 장치이며, 각 빔라인(대형 싱크로트론에는 20~50개가 있을 수 있음)에도 평균적으로 200만~300만 달러가 추가로 소요된다.[32][33] 또한 이러한 시설은 넓은 부지를 필요로 한다. 뮌헨 콤팩트 라이트 소스와 같은 더 작은 소형 모델들도 개발되어 테스트를 거쳤다.[34]

전 세계 수십 개의 싱크로트론 중 16개가 미국에 위치해 있다. 이들 중 상당수는 국립연구소 소속이며, 대학에 위치한 경우는 드물다.[35]

응용 분야

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중이온 입자 치료에 사용되는 히타치 제작소 싱크로트론

같이 보기

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각주

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  1. ↑ Chao, A. W.; Mess, K. H.; Tigner, M. 외 편집 (2013). 《Handbook of Accelerator Physics and Engineering》 2판. World Scientific. doi:10.1142/8543. ISBN 978-981-4417-17-4. S2CID 108427390.
  2. ↑ “The Large Hadron Collider” (영어). 《CERN》. 2023년 12월 15일. 2024년 1월 15일에 확인함.
  3. ↑ “The LHC as a photon collider | CMS Experiment”. 《cms.cern》. 2025년 1월 16일에 확인함.
  4. ↑ “The Large Hadron Collider” (영어). 《CERN》. 2024년 12월 4일. 2025년 1월 16일에 확인함.
  5. ↑ “Storage Rings | Accelerator Directorate”. 《accelerators.slac.stanford.edu》. 2025년 1월 16일에 확인함.
  6. 1 2 McMillan, Edwin M. (February 1984). “A history of the synchrotron” (영어). 《Physics Today》 37 (2): 31–37. doi:10.1063/1.2916080. ISSN 0031-9228. S2CID 121370125.
  7. ↑ Courant, E. D.; Livingston, M. S.; Snyder, H. S. (1952). “The Strong-Focusing Synchrotron—A New High Energy Accelerator”. 《Physical Review》 88 (5): 1190–1196. Bibcode:1952PhRv...88.1190C. doi:10.1103/PhysRev.88.1190. hdl:2027/mdp.39015086454124.
  8. ↑ Blewett, J. P. (1952). “Radial Focusing in the Linear Accelerator”. 《Physical Review》 88 (5): 1197–1199. Bibcode:1952PhRv...88.1197B. doi:10.1103/PhysRev.88.1197.
  9. ↑ US patent 2736799, Nicholas Christofilos, "Focussing System for Ions and Electrons", issued 1956-02-28
  10. ↑ Muto, M.; Niki, K.; Mori, Y. (May 1997). 〈Magnets and their power supplies of JHF 50-GeV synchrotron〉. 《Proceedings of the 1997 Particle Accelerator Conference (Cat. No.97CH36167)》 3. 3306–3308 vol.3쪽. doi:10.1109/PAC.1997.753190. ISBN 0-7803-4376-X.
  11. ↑ Veksler, V. I. (1944). “A new method of accelerating relativistic particles” (PDF). 《Comptes Rendus de l'Académie des Sciences de l'URSS》 43 (8): 346–348.
  12. ↑ J. David Jackson and W.K.H. Panofsky (1996). “EDWIN MATTISON MCMILLAN: A Biographical Memoir” (PDF). National Academy of Sciences.
  13. 1 2 3 4 Wilson, E. J. N. (1996). “Fifty Years of Synchrotrons” (PDF). CERN. 2012년 1월 15일에 확인함.
  14. ↑ Zinovyeva, Larisa (2011년 6월 10일). “On the question about the autophasing discovery authorship”. 《Лариса Зиновьева》. 2015년 6월 29일에 확인함.
  15. ↑ Rotblat, Joseph (2000). “Obituary: Mark Oliphant (1901–2000)”. 《Nature》 407 (6803): 468. doi:10.1038/35035202. PMID 11028988.
  16. ↑ Lofgren, Edward J. (April 1959). “The Bevatron” (영어). 《Proceedings of the National Academy of Sciences》 45 (4): 451–456. doi:10.1073/pnas.45.4.451. ISSN 0027-8424.
  17. ↑ “The Bevatron starts up at Berkeley, California”. 《CERN》. 2025년 11월 2일에 확인함.
  18. ↑ Grunder, H. A.; Hartsough, W. D.; Lofgren, E. J. (1971년 12월 10일). “Acceleration of Heavy Ions at the Bevatron”. 《Science》 174 (4014): 1128–1129. doi:10.1126/science.174.4014.1128.
  19. ↑ 《Historic American Engineering Record: University of California Radiation Laboratory, Bevatron》 (PDF). University of California Radiation Laboratory. September 1997.
  20. ↑ “Nobel Prize for Physics for 1959: Dr. Emilio Segre and Dr. Owen Chamberlain” (영어). 《Nature》 184 (4694): 1189–1189. October 1959. doi:10.1038/1841189a0. ISSN 1476-4687.
  21. ↑ Bodvarsson, Mary (1993년 2월 26일). “Bevatron Shutdown In 1993 Ceremony”. 《Lawrence Berkeley National Laboratory》. 2025년 11월 2일에 확인함.
  22. ↑ “The Cosmotron”. Brookhaven National Laboratory. 2013년 4월 2일에 원본 문서에서 보존된 문서.
  23. ↑ Helliwell, John R. (August 1998). “Synchrotron radiation facilities”. 《Nature Structural Biology》 5 (8): 614–617. doi:10.1038/1307. ISSN 1072-8368.
  24. ↑ Willmott, Philip (March 2019). 《An Introduction to Synchrotron Radiation: Techniques and Applications》 1판 (영어). Wiley. doi:10.1002/9781119280453.ch1. ISBN 978-1-119-28039-2.
  25. ↑ Brüning, O.; Burkhardt, H.; Myers, S. (July 2012). “The large hadron collider” (영어). 《Progress in Particle and Nuclear Physics》 67 (3): 705–734. Bibcode:2012PrPNP..67..705B. doi:10.1016/j.ppnp.2012.03.001.
  26. ↑ Jowett, John M (2008년 10월 1일). “The LHC as a nucleus–nucleus collider”. 《Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics》 35 (10). arXiv:0807.1397. doi:10.1088/0954-3899/35/10/104028. ISSN 0954-3899.
  27. ↑ Castelvecchi, Davide (2025년 3월 19일). “The biggest machine in science: inside the fight to build the next giant particle collider” (영어). 《Nature》 639 (8055): 560–563. Bibcode:2025Natur.639..560C. doi:10.1038/d41586-025-00793-x. ISSN 1476-4687. PMID 40108320.
  28. 1 2 3 Riordan, Michael; Hoddeson, Lillian; Kolb, Adrienne W. (2015). 《Tunnel visions: the rise and fall of the superconducting super collider》. Chicago: University of Chicago Press. ISBN 978-0-226-29479-7.
  29. ↑ Bruno, Patrick; Biasci, Jean-Claude; Detlefs, Carsten 외 (2024년 10월 24일). “X-ray science using the ESRF—extremely brilliant source” (영어). 《The European Physical Journal Plus》 139 (10): 928. Bibcode:2024EPJP..139..928B. doi:10.1140/epjp/s13360-024-05719-6. ISSN 2190-5444.
  30. ↑ Galayda, J.N. (1995). 〈The Advanced Photon Source〉. 《Proceedings Particle Accelerator Conference》 1. 4–8쪽. doi:10.1109/PAC.1995.504556. ISBN 0-7803-2934-1.
  31. ↑ Kamitsubo, H. (1998년 5월 1일). “SPring-8 Program”. 《Journal of Synchrotron Radiation》 5 (3): 162–167. Bibcode:1998JSynR...5..162K. doi:10.1107/S0909049597018517. ISSN 0909-0495. PMID 15263472.
  32. ↑ Swinbanks, David (1996년 12월 1일). “Costs cloud Korea's synchrotron expansion” (영어). 《Nature》 384 (6608): 394–394. doi:10.1038/384394a0. ISSN 1476-4687.
  33. ↑ Scott, Alex (2025년 1월 21일). “U.K. Seeks To Enhance Its Synchrotron” (영어). 《Chemical & Engineering News》. 2025년 11월 29일에 확인함.
  34. ↑ Eggl, Elena; Dierolf, Martin; Achterhold, Klaus; Jud, Christoph; Günther, Benedikt; Braig, Eva; Gleich, Bernhard; Pfeiffer, Franz (2016년 9월 1일). “The Munich Compact Light Source: initial performance measures”. 《Journal of Synchrotron Radiation》 23 (5): 1137–1142. doi:10.1107/S160057751600967X. ISSN 1600-5775.
  35. ↑ “Synchrotron - All Items”. 《nucleus.iaea.org》. 2025년 1월 16일에 확인함.
  36. ↑ Li, Fengcheng; Liu, Runze; Li, Wenjun; Xie, Mingyuan; Qin, Song (December 2024). “Synchrotron Radiation: A Key Tool for Drug Discovery” (영어). 《Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters》 114. doi:10.1016/j.bmcl.2024.129990.

외부 링크

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