2세대 고온 초전도 선재(2G High \(\small T_c\) Superconductor Coated Conductor)는 ReBCO(\(\small ReB_{2} Cu_{3} O_{7-\delta}\), Re: Y, Gd, Sm, etc.)를 얇은 박막 형태로 금속 기판 위에 증착하여 제작한다. 2세대 고온 초전도 선재는 외부 자기장 환경에서도 높은 임계 전류를 유지하고 좋은 기계적 특성을 가지고 있어, 대용량 초전도 응용기기와 고자기장 자석 개발에 활용할 수 있다. 하지만 박막 형태의 2세대 고온 초전도 선재는 종횡비(\(\small w/d\), \(\small w\)는 선재의 반폭, \(\small d\)는 초전도층의 두께)가 매우 크기 때문에, 외부 자기장이 초전도 선재의 면에 수직한 방향으로 걸리는 경우 큰 교류 손실이 발생한다는 단점을 가진다. 교류 손실은 초전도 선재의 열 부하(thermal load)를 주어 초전도 기기의 안정적 운전을 제약한다. 이러한 교류 손실을 줄이기 위해 다양한 방법이 개발 중에 있으며, 특히 z축(z//c) 방향으로 수직하게 다층 구조를 만들 경우 종횡비가 줄어들고 수직한 외부 자기장에 의한 소거장 효과(demagnetizing effect)가 감소하여 교류 손실을 줄일 수 있다. 본 연구에서는 동일한 면적의 GdBCO 초전도 선재 3개를 일정한 간격으로 쌓은 구조로 만들고 임계 온도(\(\small T_c\) = 94 K) 이하의 온도인 83 K(\(\small t=T/T_c =\) 0.88)에서 외부 자기장에 대한 자화 곡선을 측정하였다. 수직하게 쌓은 선재 사이의 거리와 쌓은 횟수를 바꿔가며 각 조건에 대한 자화 곡선을 측정하고 부피당 교류 손실을 계산하였다. 실험 결과 부피당 교류 손실은 선재 사이의 간격이 줄어들수록[그림 a], 쌓은 횟수가 늘어날수록[그림 b] 줄어들었다. 특히 3겹으로 쌓은 경우(3-layers) 선재 사이의 간격을 줄여감에 따라 단일 시료(1-layer)에 비해 부피당 교류 손실이 최대 37% 감소하였다. 이러한 결과는 2세대 고온 초전도 선재를 초전도 자석으로 설계할 때 이용할 수 있을 것으로 예상된다.

⁶He와 ⁴He 중이온 빔이 종양에 전달하는 에너지 조사량 비교(중이온의 의용물리 활용)

우종관, Liu Dong, New Physics: Sae Mulli 71, 124 (2021).

물리학 실험의 선구적인 실험 기법들은 여러 분야로 응용이 활발하게 이루어지고 있다. 특히 입자물리학이나 핵물리학 실험기법의 응용은 의용물리학 쪽으로도 활발하게 이루어지고 있는데, 대표적인 활용은 X-ray, CT, MRI(NMR), PET 등으로 이런 것들은 진단 쪽으로 활용되었다. 입자 및 핵물리 실험 기법이 의학 분야의 치료 쪽으로도 활용이 가능한데, 한 예로 종양의 치료가 있다. 이미, 국립암센터나 삼성의료원 등지에서 sub-GeV 수준의 양성자 가속기를 이용해서 암치료를 하고 있다.

이번에 소개하는 연구 내용은 종양치료에 있어서 ⁶He와 ⁴He 중이온의 조사량 비교이다. 종양에 입사하는 입자의 질량이 커지면 일반적으로 종양에 전달되는 에너지가 커지고 치료효율도 높아진다. ⁶He은 ⁴He보다 무거운 동위원소로서 종양에 전달하는 에너지 조사량에 있어서 차이가 있는데, 이번 연구에서 그 정도를 전산모사를 통해서 알아보았다.

현재 대전에 건설되고 있는 중이온가속기(Rare Isotope Accelerator complex for On-ine Experiment, RAON)는 여러 종류의 중이온을 공급해 줄 수 있는데, 그중에서 헬륨이 가장 먼저 공급될 수 있으리라고 판단한다.

⁶He와 ⁴He 중이온이 종양에 전달하는 에너지의 양을 연구하기 위해서 의학물리학 분야에서 주로 사용하고 있는 Particle and Heavy Ion Transport code System(PHITS)를 이용해서 전산모사하였다. 헬륨-6은 리튬-6와 전자로 붕괴하는데(⁶He → ⁶Li + e (3.5 MeV)), 이때 전자의 에너지는 약 3.5 MeV이다. 이 전자의 에너지가 종양에 전달되면서 종양을 사멸시킨다. 그림은 두 개의 원기둥으로 설정된 4개의 종양 영역 내로 ⁶He가 좌측으로부터 우측으로 입사되어 붕괴하며 에너지를 전달하는 정도를 나타낸다. 똑같이 ⁴He도 입사시켜 종양에 전달하는 에너지를 계산해 보았고, 4개의 영역에서 ⁴He는 ⁶He의 에너지 전달의 73.77%, 31.44%, 73.5%, 98.50% 정도만 전달하였다. 이번 전산모사에서 ⁶He가 ⁴He보다 효율적으로 종양에 에너지를 전달함을 알았다.