빛을 만드는 공장 : 방사광가속기

chosungyun (59)in #kr-science • 8 years ago

안녕하세요 @chosungyun입니다.

저번 포스팅에서 싱크로트론에 대해 소개를 했었는데요.
이 싱크로트론에서 가속이 됨에 따라 회전을 함으로써 제동복사를 하여 전자기파를 방출하게 되고 이는 회전을 하게 되면서 발생하기 때문에 싱크로트론 입장에서는 가속에 있어 방해되는 요인 중에 하나라고 했었습니다.
그런데, 이때 방출되는 빛이 중요한 쓰임새가 있음을 알게 되고 이를 산업, 의료분야에서 활용을 하게 되는데 이것이 방사광 가속기입니다.
오늘 이 방사광 가속기에 대해서 간략히 알아보고 발전해온 과정을 알아보려고 합니다.

방사광가속기의 구성

기본적으로 싱크로트론과 비슷한 구조를 가졌습니다. 크게 3가지로 구분하여 입자를 입사시키는 장치인 전자입사장치, 전자를 장시간 회전하도록 하는 저장링 그리고 커브를 돌 때 방출된 빛을 받아오는 방사광관으로 이루어집니다.

가속입자

사용되는 입자는 위에서 언급했듯이 전자를 사용하는데 전자를 사용하는 이유는 커브를 돌면서 제동복사를 하기 때문입니다. 싱크로트론과 달리 돌면서 빛을 최대한 방출해야 하기 때문이죠.
여기서 방출되는 빛은 매우 높은 에너지를 가지고 있습니다. 전자의 제동복사로 방출되기 때문에 X-선과 같은 전자기파인데 원자로와 같은 곳에서 나오는 것과는 차이가 있습니다.
원자로 같은 곳에서는 방사성 물질이 X선을 내게 됨으로 전방향으로 나오기 때문에 방향성이라고는 없지만, 가속기에서는 접선방향인 방사광관의 방출 방향으로 직진하기 때문에 방향성이 있는 에너지라고 생각하시면 됩니다.
즉, 원자로애서 나오는 X선은 퍼져있지만 가속기에서 나오는 X선은 고휘도의 빛입니다.

방사광가속기의 변화

1세대 방사광가속기

방사광을 사용하는데 있어 처음에는 싱크로트론의 골칫거리로 여겨진 만큼 나중에 중요성이 인식되면서 방사광 가속기는 처음에는 싱크로트론에 기생적으로 사용하게 됩니다.

2세대 방사광가속기

방사광의 중요성이 더욱 인지되면서 방사광 발생을 주목적으로 하는 가속기를 건설하게 됩니다.
더 강하고 좋은 방사광을 생산하기 위해서는 1세대 방사광 가속기가 전자의 방향을 바꿔주는 역할을 하는 휨자석을 사용하였던 것에서 추가하여 전자빔이 이동하는 직선구간에서도 가속을 시키는 장치를 추가하게 됩니다.
이 장치가 위글러와 언듈레이터라는 장치인데 극성이 반대인 자석을 주기적인 배열을하여 방사광을 발생시키게 됩니다.
하지만 위글러와 언듈레이터와 같은 삽입장치는 전자빔의 조정이 어려워 보편적으로 사용되지는 못합니다.
하지만 2세대 방사광가속기를 사용하게 됨에 따라 다양한 기초연구분야에 활용되기 시작합니다.

3세대 방사광가속기

방사광의 질을 결정하게 되는 빔의 단면적과 퍼짐의 정도를 나타내는 값을 에미턴스값이라고 하는데 이 값이 작을수록 방사광의 질이 좋아지게 됩니다.
그래서 3세대 방사광가속기는 이 에미턴스값을 줄이기위해 노력을 하게 되는데 결과적으로 2세대에 비해 1/10이하로 줄여 개선됩니다.
작은 에미턴스값을 가지게 하기 위해서 입사 전자빔의 에너지를 높이고 저장링이 커져야 했는데 이 때문에 가속기는 점점 커지게 되고 커진만큼 정교하게 전자빔을 제어할 수 있게 됩니다.
이 때문에 위글러와 언듈레이터의 사용이 보편적으로 이루어졌고 오히려 휨자석보다 방사광의 생산의 중요 역할을 하게 됩니다.

4세대 방사광가속기

3세대까지의 방사광은 매우 높은 고휘도의 전자빔을 방출하지만 각각의 방출하는 빛들은 독립적으로 발생하며 서로 관련이 없습니다.
즉, 발생하는 빔의 파동의 위상들이 다 제각각이라는 것인데 이러한 특성은 빛의 간섭효과를 이용하는 실험에서는 사용하기가 힘듭니다.
그래서 만약 모든 전자들이 일정한 관계를 가지고 가속을 받는 다면 방출되는 빛의 위상이 같아져 레이저 같은 특성을 가진 강한 빛을 만들어 낼 겁니다.
즉, X-선 레이저라고 할 수 있는 자유전자 레이저(free electron laser)를 방출하는 가속기가 4세대 방사광가속기입니다.
이러한 방식의 가속기는 3세대 방사광가속기보다 훨씬 좋은 방사광을 만들어 내어 다양한 분야의 연구에서 활용이 가능합니다.

여러 활용분야

방사광을 이용해 여러 분광학에 사용이 가능합니다.
그래서 물질의 구조를 분석하는데 사용이 가능하고 이러한 구조분석을 바탕으로 산업에서는 더 좋은 구조를 만드는데 활용을 하고 생물 및 의료분야에서는 암구조 분석 혹은 구조분석을 바탕으로 둔 신약 개발에도 활용이 된다고 합니다.
특히 의료분야에서 활용성이 높아 방사선을 활용한 치료에도 사용이 됩니다.
이뿐만 아니라 미세구조 제작에도 용이하여 반도체를 제작하는데 있어서 웨이퍼에 페턴을 그리는 리소그래피를 할 때 이 X선을 활용하여 제작한다면 더 정교한 반도체를 생산할 수 있을 겁니다.

오늘의 포스팅은 여기까지입니다.
저도 정확히 아는 분야가 아니다보니 설명하기가 어려웠던 시간이었습니다.
그리고 포스팅을 하다보니 레이저에 관한 설명이 필요한 부분이 있었는데 그냥 생략하고 넘어갔습니다.
괜히 설명하면 더 복잡해질 것 같고 주제를 벗어날 것 같아서 생략했습니다.
그래서 레이저에 관한 설명은 여기서 하기 보다는 다음에 따로 포스팅을 하는게 더 괜찮을 것 같네요.
이제 가속기에 대한 설명은 여기서 마무리하고 다시 방사선이야기로 돌아가도록 하겠습니다.
여기서 포스팅을 마칩니다. 감사합니다!!