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지난호





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PHYSICS PLAZA

새물리 하이라이트

등록일 : 2021-05-11 ㅣ 조회수 : 194

z축으로 쌓은 GdBCO 초전도 선재의 교류 손실의 간격 및 쌓은 횟수 의존성

김찬, 김영경, 전성민, 이형철, New Physics: Sae Mulli 71, 111 (2021).

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.

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