방사광 가속기(Synchrotron Radiation) 원리

가속기란?

 

전자, 양성자, 중이온과 같이 전기를 띤 입자를 만들어, 에너지를 높여 빠른 속도까지 가속을 시키는 장치를 가속기라고 합니다. 양성자를 가속시키면 양성자 가속기, 중이온을 가속시키면 중이온 가속기라고 합니다.

 

방사광 가속기

 

그런데 전자를 가속시키는 경우 가속기의 이름을 전자 가속기라 해야 할 것 같지만 전자를 가속시켜 나온 결과물인 방사광을 이름에 붙여서 방사광 가속기라고 부릅니다. 빛은 가속되는게 아니기 때문에 빛을 만드는 가속기가 방사광 가속기 입니다.

 

방사광 가속기는 왜 쓰나요?

미세한 것을 보려면 빛의 파장이 미세한 크기에 맞게 줄어들어야 합니다. 대부분의 우리가 볼 수 있는 원자의 크기는 대략 1옹스트롬(Å) 또는 0.1 나노미터(nm)인데, 그 근처의 파장은 X선입니다. 이 X선을 만들어 내는 것이 방사광 가속기의 궁극적인 목표입니다.

 

우리가 보통 작은 물체를 보려면 현미경을 통해 확대해서 보게 되는데, 아주 작은 물체를 보기 위해서는 광학 현미경이 아닌 전자 현미경이 필요합니다. 전자 현미경은 일반적으로 건물 안에 들어가는데 현재 우리나라 포항에 있는 4세대 방사광 가속기는 그 현미경의 길이가 약 1.1Km쯤 됩니다.

 

방사광 가속기의 원리

포항에 있는 4세대 방사광 가속기의 총길이 1.1km 중 800m는 빛을 만드는 원료인 전자를 만드는 가속구간이고, 전자가이 800m 구간을 지나가면 그 에너지가 100억 볼트(V)까지 올라갑니다.

 

이렇게 만들어진 100억 볼트의 전자가 아주 정교하게 만든 영구자석을 통과하면서 아주 강력한 X선이 나오는데 이 X선이 맨 마지막에 있는 시료를 통과하게 됩니다.

 

거기에 사람의 눈에 해당하는 검출기가 있고, 이 검출기는 X선 영역에서 검출됩니다. 이 검출기를 통해 나오는 이미지를 컴퓨터에 넣고 합성하면 아주 미세한 유전자의 단백질 구조, 화학반응이 어떤 형태로 변해가는지 알 수 있게됩니다.

 

우리 눈으로 볼 수 있는 가시광선의 파장길이는 400~800나노미터인데 가시광선보다 파장이 더 짧으면 우리 눈으로는 볼 수가 없습니다. 파장이 짧을 수록 더 작은 것을 볼 수 있는데 가시광선보다 더 짧은 파장이 자외선, 그 다음이 X선 입니다. 짧은 파장을 만들어내야 더 작은 것을 볼 수 있는 것입니다.

 

병원에서도 X선을 사용하는데요?

병원에서 쓰는 엑스레이 기계도 X선을 만들어냅니다. 하지만 병원에서 쓰는 X선은 과학자들이 쓰기에는 너무 어두워서 미세한 물체를 관찰하고 연구하기에는 부적합합니다. 4세대, 3세대 방사광 가속기 X선은 병원에서 쓰는 것보다 밝기가 100만배 이상 밝습니다.

 

방사광 가속기는 어디에 쓰나요?

크게 학술분야와 산업분야에 사용됩니다.

 

한 예로 크리스탈지노믹스라는 회사가 비아그라의 주성분인 'PDE-5' 효소의 결정 구조를 방사광 가속기를 이용해 분석해서 그 내용을 세계적인 학술지인 '네이처'에 실었습니다. 이를 기반으로 신약을 개발하는데 큰 역할을 하게 됐습니다.

 

그리고 눈에 보이지 않는 철강재의 결함을 파악한다던지, 광통신 반도체소자의 불량률을 줄인다던지 하는데 사용됐습니다.

 

앞으로는 개개인의 유전자 정보를 알아서 그 유전자에 맞는 맞춤 약이나, 굉장히 빠른 속도로 퍼지는 전염병의 바이러스를 조사하고 유전자를 조사해 그 결과를 컴퓨터로 계산하고 화학실에서 합성해 순식간에 치료할 수 있는 약을 개발하는데 사용될 수 있습니다.

 

참고영상