중이온 가속기 활용

중입자치료는 피부 안쪽 깊숙이 자리 잡은 암 세포에 중입자를 발사하여 치료기에서 미리 조절된 깊이에 다다르면 주변 암세포를 파괴하고 사라지는 치료이다. 꿈의 암치료기라고 불리우는 중입자치료기는 간암 90%, 전립선암 100%, 폐암 80%, 재발된 암도 약 42% 완치율을 보이고 있다. 중입자치료기는 Bragg peak(브랙 픽) 효과로 인해 암세포 살상력은 높으나 부작용이나 고통이 거의 없는 장점을 가지고 있다.

기존 방사선치료에 쓰이는 X선, 감마선 등은 암이 있는 곳까지 가는 동안 방사선량이 급격히 줄어 치료효과가 적으며 또, 중간과정에 위치한 정상세포도 치명적으로 손상시켜, 머리카락이 빠지는 등의 부작용을 동반한다. 반면, 중입자치료는 탄소 속에 있는 중이온을 빛과 비슷한 속도로 만들어 초당 10억개의 원자핵 알갱이를 몸 속으로 보내 암세포를 파괴시킨다. 이것은 감마선이나 X선을 이용할 때보다 3배 이상으로 암세포를 파괴할 수 있기 때문에 치료기간도 짧고 정상세포의 손상도 줄일 수 있어 부작용도 거의 없다.

자연계에 존재하는 기본적인 4가지의 힘 (강력, 약전자기력, 중력) 중 강한상호작용 즉 핵력은 많은 개수의 양성자와 중성자를 매우 작은 공간에 가둘 수 있을 정도로 강력하다. 그러므로 이러한 핵력의 본질 특히 희귀동위원소 핵을 이루는 핵자들 간의 상호작용의 본질을 규명하는 것은 매우 중요하다. 한국형 중이온가속기에서 생성 및 인출되는 희귀동위원소 빔과 실험장치를 이용하여 핵력의 본질을 규명하고자 한다. 우주를 구성하는 질량이 큰 원소들은 대부분 초신성 폭발 때 만들어진다. 대표적인 초신성으로 우주를 규명하는데 필수적인 표준촛불이 되는 I형 초신성과 중성자별을 수반하는 II형 초신성이 있다. 이 외에도 최근에는 블랙홀을 수반하는 극초신성 (Hypernova)과 쌍불안정성 초신성 폭발의 증거들이 관측으로 확인되고 있다. 따라서 다양한 형태의 초신성 폭발과 우주 원소 생성의 상관관계 규명을 위해서 중이온가속기 실험을 통하여 핵의 산란단면적을 포함한 특성연구가 필수적이다.

질량의 측정의 정확도를 높이기 위해 이온의 전하 값을 높이는 방법(charge breeding)이 이용되고 있는데, 냉각하는 과정에서 전하 값을 잃지 않기 위해 sympathetic cooling 기법이 개발되어야 하며, 주요 구성품은 charge breeder trap, precision penning trap, laser cooling system 등이 있다. 이온 빔의 분광학적 특성을 조사하는 collinear 레이저 분광 시설은 형광을 직접 측정하는 방식과 광이온화(photo-ionization)을 이용하는 방식으로 설계 개발한다. 질량측정 시스템 및 레이저 분광 시설이 완성된 후 한국형 중이온가속기에서 생산되는 SHE나 neutron-rich isotope의 정밀 질량 측정 및 분광 분석 실험이 필요하다. SHE의 질량 측정을 통해 island of stability에 관한 이론적 예측을 검증하고 새로운 핵 모델의 이론적 기반을 제공한다. n-rich isotope의 separation energy data 축적 및 r-process 연구 자료를 제공한다.

β-NMR 및 μSR은 반도체, 초전도체, 자성체 및 이차전지물질 등 매우 광범위한 분야의 연구에 활용이 가능하고 물질의 국소적인 전자기적 구조 규명 및 동역학적인 특성 연구에 그 활용도가 높이 평가되고 있다. 약 0.1 Gauss 크기의 미세한 내부 자기장에도 민감하여 전자스핀뿐만이 아니라 핵스핀에 의한 영향력까지 관측 가능하다. 이처럼 기존의 물성분석법에 비해 민감도가 10-100 배 이상 크기 때문에 나노급 물성분석이 가능하고 물성의 화학적 원인규명도 가능하다.

중이온빔의 생명과학의 활용연구는 세포, 조직, 개체, 특히 인간에 있어서 광범위한 중이온빔의 생물학적 영향에 관련된 다방면의 정보를 제공한다. 유전 및 단백질의 반응연구 및 이들의 생리, 생화학적 반응연구가 이루어져야 한다. 지구상의 생명체는 visible ray를 제외하고는 지구상의 모든 생명시스템이 감마선, 중 이온빔 등의 전리방사선이 가지고 있는 에너지를 생명체에 적합한 에너지형태로 전환하지 못하다. 따라서 전리 방사선은 생명체를 구성하고 하고 있는 세포 및 세포를 구성하고 있는 DNA등 생물분자들(biomolecules)에 손상을 주게 되며 이러한 손상에 대한 수복반응이 나타나게 된다. 중이 온빔의 영향연구를 통하여 생명발생기전의 및 생명체 노화의 규명, 질병, 특히 종양의 치료 및 유전적 변이(돌연변이)획득을 통한 환경 친화적 혹은 산업적 활용이 가능한 새로운 종(식물 및 미생물종)의 개발이 가능하다.