페르미 가속기 연구소에서의 입자 연구

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여러분들은 페르미 국립 가속기 연구소의 입자연구와 관련된 많은 흥미로운 발견들을 읽거나 들어 보신 적이 있으실 것입니다. 하나의 페라이트가 감겨져 있는 RF 캐비티를 가진 증속 싱크로트론(Synchrotron)이 있는 강력한 입자 가속기는 꾸준히 새로운 것을 발견하는데 많은 도움을 주고 있습니다. 40년된 증속 RF 캐비티를 업그레이드 한 후 더 높은 농도의 입자 빔을 생산하고 유지시켜 줄 수 있게 되었습니다. 하지만 입자 가속기가 과열된다면 어떻게 될까요? 지금부터 어떻게 페르미 국립 가속기 연구소의 연구원들이 중요 설계 목표를 해결하였는지를 알아 보도록 하겠습니다.

 

증속 싱크로트론(Synchrotron)

타우 중성미자와 보텀 쿼크와 같은 발견 뒤에는 1970년대 이후 페르미 연구소에서 입자 실험에 사용되는 고농도의 빔을 생성하기 위한 입자 가속기의 꾸준한 발전이 있었습니다. 가속기의 중간 단계는 하단의 그림과 지표면에서 20피트 하단에 증속 싱크로트론(Synchrotron)으로 알려진 순환적인 입자 가속기가 있습니다. 이름에서도 알 수 있듯이, 싱크로트론(Synchrotron)은 들어오는 입자의 에너지를 실험을 위한 주요 주입기나 지하의 빔 선으로 전달하기 전에 20배 증폭시킵니다.
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증속 싱크로트론(Synchrotron)이 존재하는 페르미 연구소의 가속기를 보여 주고 있습니다.

현재 474미터 길이의 증속 싱크로트론 터널에 19개의 페라이트가 감겨진 RF캐비티들이 존재 합니다. RF캐비티들은 구부러져 있는 자석들이 순환적인 경로를 따라 입자들이 움직이도록 하는 동안 들어오는 양성자 빔을 가속시키기 위해 사용됩니다. 증속기의 RF캐비티들은 7Hz의 속도로 입자가 생성되고 가속 체인을 통해 보내어 지게 됩니다.
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구리 페라이트가 감겨있는 RF캐비티가 제거된 증속 싱크로트론(Synchrotron) (왼쪽), 페라이트 조절기 중 하나(오른쪽).

증속 RF 캐비티들을 하단의 그림에서 상세히 보여 주고 있으며, 이것들은 37MHz에서 53MHz의 주파수에 대한 반파장 공진기로 설계되었습니다.

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증속 RF캐비티의 측면도와 정면도.

캐비티 외부에는 RF신호를 공급하기 위해 4극 진공관 파워 증폭기가 있으며, 외력을 제공하기 위한 3개의 페라이트 조절기 또한 존재합니다. 캐비티 주변에 90도 간격으로 배치된 3개의 페라이트 조절기들을 이용하여 조절기당 파워 손실 밀도를 감소시키고, 낮은 동작온도를 유지하도록 도와 줍니다.
연속적으로 각각의 RF캐비티들에 증속기를 통하여 들어가는 양성자들은 진동하는 전자기장에 의해 중심 빔 파이프를 따라 가속되어 집니다. 이러한 동작은 양성자들은 8GeV의 목표 에너지에 도달할 때까지 반복되어 집니다. 목표 에너지에 도달하기 위해 진동 주기는 페라이트 조절기의 바이어스 변화에 의해 급속도로 증가되어 집니다.

 

입자가속기의 현대화

향후 연구소의 실험에 필요한 높은 농도의 빔 생성을 포함한 양성자 개선 계획(PIP: Proton Improvement Plan)은 현재 요구되는 성능에 도달하기 위해 William Pellico와 Robert Zwaska의 감독하에 진행되고 있습니다. 증속기를 포함한 입자가속기의 현대화는 2025년까지 두 배의 전류세기에서 입자 빔을 생성하고 유지 시키고자 합니다. 증속 RF 캐비티는 반복동작속도를 현재 속도의 두 배인 15Hz까지 향상시키고자 하며 가능한 더 높은 가속 전압을 인가하고자 합니다.
페르미 연구소 가속기부서의 John Reid는 PIP계획에 따라 페라이트가 감긴 증속기의 RF캐비티에 대한 재단장 및 인증, 시험에 대한 연구과정을 편성하고 있습니다. 초전도와 전자파 개발 부서의 Mohamed Awida Hassan과 Timergali Khabiboulline는 전자기 손실에 의해 조절기와 RF캐비티의 과열에 의해 장비의 수명이 감소하지 않도록Reid와 함께 일하고 있습니다. 최근 인터뷰나 기사에 의하면 Hassan은 “증속 RF캐비티의 전자파와 열, 구조적 특성을 알기 위해 가속도부서의 다른 동료들과 함께 다중물리현상에 대한 해석과 물리적인 실험을 모두 수행하고 있다.” 라고 말했습니다.

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유지보수를 위해 싱크로트론(Synchrotron)이 꺼진 동안 증속기 터널에서 찍은 엔지니어들의 사진. 왼쪽부터 Robert Zwaska와 William Pellico, Mohamed Hassan, Timergali Khabiboulline. (John Reid는 사정상 함께 하지 못했습니다.)

 

증속 RF캐비티에 대한 열 해석

증속 싱크로트론(Synchrotron)의 시간당 양성자 방출량을 두 배로 증가시키기 위해서는 40년된 페라이트가 감긴 RF캐비티의 성능을 향상시켜야 합니다. 왜냐하면 동작 속도와 가속전압을 증가시키면 RF캐비티와 조절기에서 과열을 발생시키는 소모되는 전력이 증가할 것이기 때문입니다. 그러나 연구원들이 수행한 물리적 온도 측정은 상당히 어려우며, 간혹 부정확하기도 합니다. 그러므로 오랜 시간 동안 안정적으로 양성자를 생성하기 위한 RF캐비티의 추가적인 냉각성능 향상을 예측하기 위해 열 측정 뿐만 아니라 COMSOL Multiphysics를 이용한 열해석도 함께 사용되고 있습니다.
Hassan과 Khabiboulline은 COMSOL Desktop®을 이용하여 하단의 그림과 같이 RF캐비티 모델을 만들었습니다.

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그림은 페라이트 조절기를 가진 증속 RF캐비티의 다중물리현상 모델에 대한 설정 및 결과를 보여주고 있습니다. Graphics창에는 온도에 대한 결과를 나타내고 있습니다.

이 모델에서는 전자기장 해석을 위한 RF해석을 통해 열원을 먼저 구한 후, 열 해석을 수행하였습니다. 이 모델을 통하여 가속전압과 반복동작속도를 55kV, 7Hz에서 60kV,15Hz로 증가시키면 온도가 40°C이상 증가한다는 것을 확인 하였습니다.

RF캐비티의 성능향상에 소모되는 시간 및 위험, 비용 등을 줄이기 위해 해석결과는 냉각방식과 관련된 설계 결정에 사용 되어집니다. 향상된 증속기는 향 후 십 년간 새로운 물리적 발견을 위해 더 많은 양성자를 생성하도록 도와줄 것입니다.

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