가속기
[accelerator]입자를 전기장 등을 사용해 빛의 속도에 가깝게 가속시켜 초미세 세계를 연구하는 장치다. 과거엔 핵물리학 등 기초연구에 주로 이용됐지만 최근엔 생명과학, 의학, 재료공학 등 응용과학과 관련 산업 전체로 활용 범위가 넓어지고 있다. 반도체, 2차전지, 신약 개발 등에서도 초격차를 내는 데 필요한 ‘꿈의 현미경’으로 가치가 높아졌다. 가속기를 이용해 낸 연구 성과가 노벨과학상(물리·화학) 수상으로 이어진 경우도 부지기수다. 일본이 노벨과학상 강국으로 올라선 것은 1920~1930년대부터 가속기를 활용해 기초연구를 했기 때문이다.
가속기는 가속 대상 입자의 종류에 따라 전자가속기(방사광가속기), 양성자가속기, 중이온가속기 등으로 분류된다. 가속시키는 형태에 따라선 원형가속기와 선형가속기로 구분된다. 방사광가속기는 전자를 가속시켜 운동 방향이 변할 때 방출하는 빛(방사광)을 이용해 물질을 나노미터(㎚·1㎚=10억분의 1m) 단위로 들여다본다. 청주에 새로 들어설 가속기는 태양빛보다 1조 배 밝은 빛으로 물질을 들여다볼 수 있다. 원형가속기는 저에너지 입자, 선형가속기는 고에너지 입자 가속에 상대적으로 유리하다.
1994년 포항에 들어선 3세대 방사광가속기는 꾸준히 성능을 개량해 현재 35기 빔라인(고객 연구시설)을 운영하고 있다. 선형 및 원형 복합 가속기로 빔에너지는 3기가전자볼트(3GeV)다. 12만6800㎡ 규모 대지의 18개 건물에 관련 시설이 설치돼 있다.
2016년엔 포항에 4세대 방사광가속기가 완공됐다. 빔에너지는 10GeV, 방사광 밝기가 태양빛의 무려 100경 배에 달한다. 선형가속기로 장치의 총길이는 1.1㎞다. 미 스탠퍼드대와 아르곤연구소가 이 가속기의 성능을 공인했다.
양성자가속기는 수소 원자에서 양성자를 꺼내 가속한 뒤 표적(다른 원자핵)과 충돌시켜 생성되는 2차 입자(뮤온 등)를 연구하는 장비다. 양성자를 초당 13만㎞ 속도로 발사한다. 2012년 미국과 일본에 이어 경주 건천읍에 세계 세 번째로 들어섰다. 양성자가속기를 쓰면 플라스틱을 강철처럼 만들거나 노랑·파랑 다이아몬드를 만드는 등 재료의 물성을 변화시킬 수 있다. 암 치료 및 진단용 방사성 동위원소를 생산하기도 한다. 반도체 오류 및 손상 방지에도 활용된다. 태양에서 생성돼 지구까지 도달하는 우주 방사선 형태의 수소 양성자가 반도체 성능을 저하시키거나 고장낼 수 있기 때문이다. 이를 사전에 막는 실험을 할 때 양성자가속기를 사용한다. 그동안 생명공학, 신소재, 반도체 등 700여 개 연구과제에서 2000여 명의 연구자가 양성자가속기를 썼다.
중이온가속기는 양성자가속기와 원리는 비슷하지만 가속 입자가 전혀 다르다. 중이온은 원자에서 전자들이 제거된 상태의 원자핵(양성자+중성자)을 말한다. 중이온가속기는 양성자보다 훨씬 더 무거운 입자(탄소, 칼슘, 우라늄 등 중이온)를 가속한 뒤 표적과 충돌시켜 ‘세상에 없던’ 원소를 새로 만들어낸다. 탄소는 양성자 무게의 12배, 자연계 원자핵 중 가장 무거운 우라늄은 238배다. 양성자는 전자 질량(9.109÷10의31제곱㎏)의 1840배로 알려져있다. 2011년부터 총 1조5000억여원이 투입된 중이온가속기는 당초 올해부터 대전 국제과학비즈니스벨트(신동지구)에서 가동될 예정이었으나, 주요 시설 미비로 운영이 2025년까지 연기됐다.
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