전기를 띤 입자에 전자기장을 가해 속도를 높이는 입자 가속기는 이온빔 발생장치의 핵심 요소다. 1920년대에는 자연 방사선원에서 나오는 입자가 너무 적고 에너지가 부족해 원자핵을 타격하기 어려웠으나, 1931년 Lawrence가 개발한 최초의 입자가속기를 통해 이 문제를 해결했다. 이 가속기는 소형이지만, 수소 이온을 빛의 속도의 1%에 해당하는 속도로 가속하는 데 성공했다. 입자 가속기는 입자의 종류, 가속 방법, 형태 등에 따라 다양하게 분류될 수 있으며, 빔의 에너지와 전류, 통제 용이성 등의 특성이 각기 다르다. 대용량 가속기의 경우, 그 운용과 건설에 상당한 비용이 소요되지만, 그 결과로 나오는 과학기술적 파급효과는 높아 국력의 척도로 인식된다.
<h1>입자 가속기의 원리</h1> <p>이온빔의 발생장치로서 가장 중요한 것은 전기를 띤 입자에 전자기장을 가하여 속도를 높인 뒤 빔 형태로 인출하는 장비인 입자 가속기(particle accelerator)이다. 1920년대에 물리학자들은 입자 방사선으로 원자핵을 타격하여 그 구성 입자를 밝히고자 많은 노력을 기울였으나, 자연 방사선원에서 나오는 알파(헬륨 원자핵)나 베타 입자(전자)는 그 수가 너무 적고 에너지가 낮아서 핵의 전기장 장벽을 넘을 수 없었으므로 다른 방법으로 고속의 입자를 만들어내는 방법을 강구하기 시작하였다. 1931년 미국의 Lawrence가 개발한 최초의 입자가속기는 직경이 \( 4.5 \) 인치에 불과하였지만 1,800 볼트의 전압을 걸어서 수소 이온을 빛의 속도의 \( 1 \% \) 에 해당하는 \( 80 \mathrm { KeV } \) 로 가속하는데 성공하였다(Fig. 1). 후에 싸이클로트론(cyclotron)으로 명명된 이 장비는 핵물리학이라는 새로운 연구 분야를 개척하는데 큰 공헌을 하였으며, Lawrence 는 이 업적으로 인해 1939년 노벨 물리학상을 수상하였다. 이 장비는 현재에도 양성자 및 중이온(중입자)을 가속하는데 널리 쓰이는 원형(圓形) 가속기의 원형(原型)이 되었다. 입자 가속기는 하전 입자의 종류(양성자, 중입자 또는 전자), 하전 입자를 가속하는 방법(직류 또는 교류)과 형태(선형 또는 원형)에 따라 여러 가지로 나뉘며, 인출할 수 있는 빔의 에너지와 빔 전류 및 통제 용이성 등의 특성이 모두 다르다. 가속 입자의 활용성은 에너지에 따라 매우 다양한데, 예를 들면 이온 주입기(ion implanter)에서 발생하는 수십 \( \mathrm { KeV } \) 의 입자는 물질 속에 주입될 수 있으며, 재료의 표면 개질이나 반도체 도핑에 쓰인다. 수십 \( \mathrm { MeV } \) 의 가속 입자는 핵반응을 유발할 수 있고 돌연변이 육종이나 의료용 동위원소 생산에 쓰이게 되며, 가속 에너지가 \( \mathrm { GeV } \) 단위에 이르게 되면 원자핵을 구성하는 소립자와 반응이 가능하여 원자의 기본 단위를 탐구하는 중간자/중성미자 과학에 응용될 수 있다.</p> <p>이온 주입기(ion implanter)는 원래 실리콘 웨이퍼와 같은 고체 표면에 침투시킬 목적으로 불순물 이온의 고속도 빔을ㅜ생산하는 저에너지의 입자 가속기인데, 침투 길이가 짧기 때문에 돌연변이 유발용으로는 거의 쓰이지 않고 있었다. 그러나 1980년대 중반부터 비롯된 중국 과학자들의 노력으로 식물과 미생물의 육종 및 유전자의 전달 목적으로 쓰일 수 있음이 알려지게 되었다. 이는 중이온을 이용한 식물체의 개량과 더불어 이온빔을 이용한 육종의 대표적인 성공 사례가 되고 있다.</p> <p>노벨 물리학상 수상자 중 약 \( 20 \% \) 가 가속기에 관련될 정도로 입자 가속기는 물리학 연구의 매우 중요한 도구인 동시에 생명과학, 의학, 핵물리, 나노산업 등 그 응용분야가 점차 확대되고 있다. 의학 및 생명공학 분야만을 살펴보아도 의학용 동위원소 생산, 암 치료, 방사선 생물학 및 육종학 등에 널리 응용되고 있다. 특히 양성자는 우주선(cosmic ray) 의 \( 90 \% \) 이상을 차지하고 있는데, 지구의 자기장에 의해 차폐가 되므로 지상까지 도달하는 양은 우려할 만한 수준이 되지 않는다. 그러나 우주에서 임무를 수행해야 하는 우주 비행사의 경우 적절한 보호 대책을 세우지 않는다면 최대 \( \sim 10 ^ { 20 } \mathrm { eV } \) 에 이르는 초고에너지의 우주 방사선에 의해 생명이 위험할 수 있다. 이는 인류가 건설한 가장 큰 입자가속기에서 만들어내는 양성자에 비해 약 1천만 배에 달하는 막대한 에너지에 해당한다. 따라서 현재 실현 가능성이 논의되고 있는 행성 간 유인 우주선 탐사 계획을 성공적으로 실현하기 위해서는 입자 가속기를 이용하여 고에너지의 양성자 빔이 생물체와 전자기기에 미치는 영향을 미리 파악하고 대응책을 마련하는 것이 필수적이다. 어쩌면 우주선은 화학 진화의 시기를 이끌어서 지구 상에 생명체가 탄생하게 만든 가장 중요한 외부적인 요인이었을 수도 있으며, 따라서 생명자원의 개량에 양성자 이온빔을 이용한다면 지구 상에서 실제 일어났던 것과 유사한 방식의 진화를 가속하여 적용한다는 의미를 부여할 수 있을 것이다.</p> <p>대용량 가속기의 경우 건설과 운용에 막대한 자금이 소요되는 거대 과학의 대표적인 장치로서 그 파급효과가 막대함에 따라 과학기술분야 국력의 척도로 인식되고 있다. 우리나라의 경우 1994년 포항방사광가속기(http://pal.postech. \( \mathrm { ac } . \mathrm { kr } / \) 가 건설되면서 세계 10 대 가속기 보유국의 반열에 오르게 되었으며, 한국원자력연구원의 양성자기반공학기술개발사업단(PEFP: Proton Engineering Frontier Project, http:/ /www.komac.re.kr/)에서는 2012년 완공을 목표로 경상북도 경주시 건천읍에 \( 100 \mathrm { MeV } \) 급의 대용량 선형 양성자 가속기를 건설하고 있다. 또한, 정부에서는 과학비즈니스벨트의 핵심 연구 시설로서 중이온 가속기의 건립을 계획하고 있다.</p>