정전기를 이용한 가속기

안녕하세요!!

오늘은 정전기를 이용한 가속기 Van de Graaff 가속기를 알아보려고 합니다.
그럼 가장 먼저 정전기에 대해서 알고 가야 합니다. @chosungyun입니다.

정전기

우리의 삶 속에는 정전기가 아주 깊숙이 들어와 있고 이를 모르는 사람도 없습니다.

겨울철에 니트를 입고 문을 잡으면 전기가 통한다는 사실을 우리는 삶의 체험으로 알고 있죠.
혹은 구름에서 땅으로 치는 번개도 이 정전기의 방전임을 알 수 있습니다.

이 번개가 치는 현상이 오늘 소개할 가속기의 원리와 똑 닮아 있습니다.

이러한 사실은 최근에 와서야 알게 된 것이 아닙니다. 고대 기원전 600년경에 탈레스에 의한 마찰전기 기술이 존재한다고 하니 이 존재를 깨달은 것은 정말 오래되었다는 것을 알 수 있습니다.

이 옛날부터 사람들은 이 전기라는 존재를 모으려고 노력을 했었지만 별다른 소득이 없었습니다. 이 머물러 있는 전기를 모으기라는 쉬운 일이 아니니까요.

그러한 여러 노력 끝에 나온 장치가 여러분들이 중학교 때 실험실에서 보았을 수도 있는 라이덴병입니다. 최초의 축전기죠.

그리고 그 후 시간이 흘러 클롱의 법칙과 옴의 법칙이 나오며 동전기라고 할 수 있는 오늘날 전류가 나오게 됩니다.
오늘날 말하는 전기는 일반적으로 동전기를 말합니다.

그렇다면 왜 정전기가 발생하는 것일까요?

간단하게 말하면 서로 다른 물질의 상호작용으로 발생합니다.

주기율표를 잠깐 보겠습니다.

이 주기율표에서 다른 것은 볼 필요가 없고 가로 기준으로 왼쪽에서 오른쪽으로 간다면 어떻게 될까요?
두번째 줄의 리튬, 베릴륨, 붕소, 탄소 순으로 진행이 되고 이들이 가지는 양성자수는 3개, 4개, 5개, 6개 이런식으로 가집니다.
어떤식이죠?
양성자 순서 즉, 원자번호 순서대로 나열이 되어 있는 겁니다.
이때 전자는 양성자수와 동일한 수만큼 존재하게 되는데 이 점이 중요합니다.
왜냐하면 이 자연계에 존재하는 모든 것은 안정한 방향으로 진행이 되어집니다. 이 전자에서도 마찬가지입니다.
전자들은 양성자의 수만큼 존재하지만 각각의 가로줄마다 최대로 채워질 수 있는 전자의 수가 정해져 있습니다.

이는 파울리 베타원리와 양자수 개념을 이용합니다.

그런데 원자 기준으로 최대한 안정된 상태로 존재하려면 들뜬 전자가 있다면 안정시켜야 하고 혹은 거의 다 채워진 상태라면 더 채워서 안정되게 결합을 하려고 할 겁니다.
이러한 이유로 원소들은 가능한 한 전자가 부족한 상태에서 채워서 안정화가 되거나 혹은 버려서 안정화가 되는 방법을 선택하게 됩니다.

이런 이유로 상호작용이 일어나게 되는데 평상시에는 이러한 안정화를 위해 서로 상호작용을 통해 안정된 상태로 존재하려고 합니다. 이러한 이유로 원자보다는 분자로 존재하게 되는겁니다.

그런데 원자핵에서 멀리 있는 전자들은 비교적 탈출에 있어 용이하고 이를 에너지를 주어 들뜨게 해주면 비교적 쉽게 전자의 이동이 발생하게 됩니다. 그 방법은 마찰, 충돌 , 접촉 등의 대전현상을 이용하는 겁니다. 그런데 우리가 가속기에서 이용할 대전방법은 코로나 방전입니다.

코로나 방전은 높은 고전압을 걸어주었을 때 이 도체 주위의 공기 혹은 유체가 이온화 되면서 흐르지 않던 전기가 갑자기 흐르며 방전이 되는 현상을 말합니다.
갑자기 흐르는 만큼 흐르는 순간 스파크가 보이는 현상입니다.
이 코로나현상으로 전하는 순식간에 방전되면서 그 반대편으로 이동하게 됩니다.
일종의 번개처럼요.

여기까지가 정전기에 대한 개략적인 설명이었습니다.
이제 이 정전기를 이용한 가속기에 대해서 알아볼까요?

Van de Graaff 가속기

그림을 먼저 보겠습니다.

그림에서 왼쪽 하단부터 설명하겠습니다.

Spray point가 코로나 방전이 일어나는 지점입니다.
이 부분에서 고전압을 걸어주어 모터구동 벨트를 방전시켜 줍니다. 즉, 벨트에 있는 전자를 빼앗아 양전하를 띄게 되는 벨트를 만들어 줍니다.
즉, 양전하를 가진 벨트를 spray points에서 계속적으로 만들어 줍니다.
이때 사용하는 벨트는 고무 재질입니다.
이 벨트는 모터에 의해 위쪽으로 올라가게 됩니다. 양전하를 공급하기 위해 이동시켜 주는것이죠.
그리고 거대한 구체의 속이빈 금속반구가 나타납니다.

이때 패러데이 새장의 효과를 가진 구조로 된 속이 비어있는 반구가 높은 전압이 걸렸다고 하더라도 벨트에 접촉만 시키면 벨트가 가진 양전하를 빼앗아 가져가게 됩니다.
이를 아이스페일 효과라고 하는데 두 금속구 사이에는 전하가 존재할 수 없고 전기장은 외부로 나가는 방향으로 생성되어 있기 때문에 반구에 전하가 지속적으로 쌓이는 원리입니다.
이러한 과정을 지속적으로 진행하다 보면 결국 이 반구에는 높은 고전압이 걸리게 됩니다.

이 뒤의 과정은 전에 소개한 콕크로프트-월턴 가속기와 같습니다. 직류형 방법인 것이죠.
그래서 양전하를 가진 입자를 가스방전관에 주입시켜 가속시키게 됩니다.

이 가속기는 콕크로프트-월턴 가속기보다는 높은 전압을 생성해냅니다.
콕크로프트-월턴 가속기가 ~KV의 전압으로 가속이 되었다면

요즘은 작은 값의 MV까지는 만들 수 있다고 합니다.

반데그라프 가속기는 몇 MV까지 만들 수 있고 이를 잘 유지한다고 합니다. 제가 본 참고자료에 의하면 1%의 분산정도 안의 값으로 일정한 고전압을 만들어 낸다고 합니다.

여기까지의 설명이 반데그라프 가속기에 대한 설명입니다.
사실, 가속기 자체는 별 내용이 없고 정전기 내용이 더 많았던 포스팅이었습니다.
그만큼 원리만큼은 간단한 방식이니 쉽게 이해하셨기를 바래봅니다.
오늘까지 해서 직류형 가압방법을 끝내고 교류형의 방법을 사용한 가속기들로 들어가도록 하겠습니다.

오늘은 여기서 포스팅을 마칩니다. 감사합니다!!