□ 연구개요 진공 내 플라즈마 전자빔 가속장치를 활용하여 상대론적인 전자빔 소용돌이 발생 기반 체렌코프 방사 조건에서 각운동량(OAM) 특성을 가지는 꼬인 광자 편광 현상을 실험을 통하여 확인하고, 플라즈마상태의 진공소자내부에서 판드로모티브 힘(Ponderomotive force)으로 인하여 발생한 항적장에서 포획된 전자-양전자 쌍의 준안정의 원자상태인 포지트로늄(Positronium; Ps)의 전자기 공명 조건을 유도할 수 있는 테라헤르츠(THz) 전자기파 발생 기술을 연구하여 분자 영상 원천기술 확보를 통한 의료 영상시스템에 적용 □ 연구 목표대비 연구결과 ● 1차년도 (2021년6월~2022년2월) 진공소자기반의 플라즈마 전자빔 가속장치를 통한 광자발생 연구 - CCD 카메라를 이용하여 상대론적인 전자빔 소용돌이 발생 확인 - Heterodyne 방법을 이용하여 주파수 및 출력 측정 - 동축빔 회전 렌즈의 Cold test, 진공소자의 Hot test, 편광된 광자 패턴 분석 ● 2차년도 (2022년3월~2023년2월) 플라즈마 항적장 가속기 기반 고출력 테라헤르츠파 발생원 구축 - Double Heterodyne 방법을 이용하여 공진주파수 및 출력 측정 - 액시콘(Axicon) 렌즈를 통한 편광된 베셀빔의 표적화 실험연구 - 포지트로늄의 초미세 에너지 준위 갈라짐을 위한 테라헤르츠파 전자기 공명 조건 최적화 실험 연구 ● 3차년도 (2023년3월~2024년2월) 영상화 구현을 위한 위한 포지트로늄 검출 시스템의 성능 시험 - 포지트로늄의 수명 시간은 양전자 소멸 수명 분광법을 이용을 통한 영상화 실험 기법 확립 - 테라헤르츠파-광변환된 포지트로늄 기술 확보를 통한 분자정밀 영상화시스템 구축 - 양전자단층촬영과 융합하여 THz-PET 영상화 시스템 가능성 연구 □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 본 과제를 수행하여 테라헤르츠파-광변환된 포지트로늄 발생 기술 확보를 통한 분자정밀 영상화 시스템 구축과 포지트로늄의 수명 시간 측정 양전자 소멸 수명 분광법을 이용을 통한 영상화 실험 기법 확립을 이루어 낸다. 포지트로늄 상태의 분광학적 정보를 영상화 하는 PET-THz 융합 연구는, 양전자 방출 단층촬영에서 발생하는 감마선에 따른 방사선 노출 영향에 대한 것과 테라헤르츠 이미징 기법에서의 수분 흡수율이 높고 투과성이 상대적으로 떨어질 수 있는 기존의 문제점을 포지트로늄 상태의 생체 분자의 영상화를 통하여 보다 정밀하고 비침습의 개량형 연구를 수행할 수 있다. 생체 분자영상 연계연구 원천기술 확보를 하여, 비임상 실험을 수행하여 질병을 조기에 진단하고 동시에 치료를 수행하는 테라그노시스(Theragnosis) 연구에 활용할 수 있도록 향후 연계연구에 적용할 계획이다. (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 민선홍
• 주관연구기관 : 서울대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 체렌코프방사;궤도각운동량;스핀각운동량;테라헤르츠파;생체분자영상; 2. Cherenkov Radiation;Orbital Angular Momentum;Spin Angular Momentum;Terahertz Wave;Biomolecule Imaging;

◻ 연구개요 1) 연구 배경 - 암은 사망률 1위 질환이며, 암환자의 90%가 전이암으로 인해 사망함 - 전이암의 경우, 면역항암제와 방사선 병용 치료를 통해 생존율이 향상됨 - 그러나 면역계는 방사선에 매우 취약하므로, 면역 장기를 보호하기 위한 새로운 치료계획 전략이 필요함 2) 연구 목적 - 방사선 피폭시 혈액 선량을 계산하여 방사선 혈액 독성 사전에 예측 모델 개발 - 개발된 모델 고도화를 통해 병용 치료 예후를 환자맞춤형으로 극대화 ◻ 연구 목표대비 연구결과 1) 주요 연구 변경사항 - 기존 연구 목표였던 폐암에서 추가로 간암 및 골반 암 환자 데이터도 수집하여 혈액 선량 유효성 확인 - 기존 연구 방법이었던 딥러닝 및 머신러닝에서 추가로 수리 모델(Markov-chain 및 Voxel-based analysis) 등을 추가하여 해석력을 증대하였음 2) 주요 연구 결과 - 3차원 선량 분포 – 방사선 혈액 독성 사이에 유의미한 영역 도출. Voxel-based analysis을 방사선 분포 분석에 적용. 간암(n=66) 환자군에서 간 상부 분절 (2,7,8)이 하부 분절 (5,6) 보다 중증 림프구 감소증과 높은 연관성을 보임. 골반암(n=122) 환자군에서 엉치뼈와 양쪽 넙다리뼈에서 중증 림프구 감소증과 높은 연관성을 보임. - 확률적 혈액 선량 모델 (HEDOS) - 방사선 혈액 독성 사이에 유의미한 상관 관계. Markov-chain 기반 혈액 선량 모델 구축. 간암(n=66) 환자군에서 로지스틱 모델기반 예측 모델 수립. - 결정론적 혈액 선량 모델 (EDIC) - 방사선 혈액 독성 사이에 유의미한 상관 관계. Equation 기반 혈액 선량 모델 구축. 폐암(n=260) 환자군에서 혈액 선량이 odds ratio 3.31로 높은 상관 관계를 보임. - 위 선량들 – 생존율 및 암 재발율 사이에 상관 관계 도출. 폐암(n=260) 환자군에서 혈액 선량이 2.7 Gy 보다 낮으면 암환자 생존율이 10개월 이상 길어짐. - 머신러닝 모델을 통한 암 환자맞춤형 치료후 생존율 예측. Random survival forest 및 Support vector machine 등 예측력 비교. 뇌종양(n=467) 환자군에서 머신러닝 모델을 사용하면 예측력 70%이상 효율로 환자군 선택이 용이해짐. 폐암(n=79) 환자군에서 전이암을 많이 조사할수록 생존율이 8개월 이상 길어짐. ◻ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 1) 활용 계획 - 개발된 예측 모델을 임상에 적용하여 환자맞춤형 방사선 치료계획 수립 - 면역항암제와 방사선 병용 치료시 최적의 방사선 조사 계획 설계 - 다양한 암종 및 전이암 환자를 대상으로 한 대규모 임상 연구수행 2) 기대효과 - 면역항암제와 방사선 병용 치료 효과를 극대화하여 전이암 환자 생존율 향상 - 방사선 피폭에 의한 면역 장기 손상을 최소화하여 환자 삶의 질 개선 - 환자맞춤형 치료계획 수립을 통해 불필요한 방사선 조사 줄이고 효율성 증대 - 면역항암제 및 방사선 병용 치료 새로운 가이드라인 제시 및 치료 패러다임 변화 - 국내 의료기술의 선진화 및 경쟁력 강화 (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 성원모
• 주관연구기관 : 가톨릭대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 방사선 치료;면역항암제;혈액 독성;머신러닝;수리 모델; 2. radiation therapy;immunotherapy;blood toxicity;machine learning;mathematical model;

□ 연구개요 최근 폐암을 비롯한 여러 암 발생과 진행에 있어 immune checkpoint가 중요하며 immune checkpoint inhibitor가 암 치료에 매우 효과적임이 밝혀지고 있음. 한편 성차가 있는 대장암에서는 immune checkpoint inhibitor의 효과에도 성차가 있을 것으로 추정됨. 이러한 배경에서 본 연구의 최종목표는 '대장암 발생과 진행에 있어서 estrogen/Nrf2/immune checkpoints의 상호관계를 규명하여 성차에 근거한 기전을 밝히고 이에 기반한 immune checkpoints inhibitor 효과를 극대화하는 방법 수립'하고자 함에 있음. □ 연구 목표대비 연구결과 1차년도: 염증성 대장암 유발 모델을 이용하여 androgen 및 estrogen이 대장암 발병 및 발생 위치에 미치는 영향 비교: 내인성 및 외인성 testosterone이 대장염 및 대장암 발생을 증가시키고, 특히 2mm를 초과하는 큰 사이즈의 tumor 발생 및 submucosal invasive tumor 발생 등 aggressive tumor 발생과 관련 있음을 증명함. 또한 대변 장내미생물 분석을 통해 testosterone 이 장내미생물총의 불균형을 초래하여 대장암 발생에 기여한다는 새로운 사실을 확인함. 2차년도: 대장암 성별 차이의 발생 기작으로 estrogen 또는 Nuclear factor erythroid 2 p45-related factor2 (Nrf2)의 immune checkpoints 발현에 미치는 영향: Male 대장암군에서 발생한 좌측대장 종양이 estrogen 처리에 의해 유의성 있게 감소했으며, 대장암군에서 증가한 PD-L1 발현 또는 감소한 ERβ 발현 역시 estrogen에 의해 감소 또는 증가했음. 이러한 PD-L1 발현 및 대장암 발생에 대한 estrogen의 항종양 효과는 야생형(WT)군 보다 Nrf2 결핍(KO)군에서 더 강하게 나타남. 특히 대장 tumor 및 non-tumor 조직에서 epithelial cell 보다는 암미세환경에 중요한 stromal cell과 mononuclear immune cell에서 PD-L1이 발현됨을 확인. 더 나아가 성별, 대장암, 에스트로겐, 나이 및 Nrf2 유전자에 의해 조절되고 동시에 이들에 영향을 주는 장내미생물을 규명함. 3차년도: 대장암 진행 및 전이에 있어 estrogen/Nrf2/immune checkpoints의 dual role에 대해 연구함: Estrogen은 DSS에 의한 대장염 발생 시기에 동시 복강주사해야 항종양 효과를 나타남을 확인하였고, 에스트로겐이 Nrf2 메틸화 수준을 저해함으로써 대장암 발생에 영향을 미칠 수 있음을 규명함. 이를 확실하게 밝하기 위해 MC38 대장암 세포주를 등에 주입한 male 대장암군과 비교하여 항-PD-L1 항체 및 estrogen 병용 투여시 MC38 female 수준으로 종양 성장이 저해되었고, 이는 Estrogen이 종양내 PD-L1 발현 및 종양 면역세포의 분포를 조절함으로써 대장암 저해에 관여함을 규명함. 또한 성별, 에스트로겐, 항-PD-L1 조절에 관여하는 장내미생물을 규명함. 4차년도: 인체 대장암 및 대장선종, 정상 조직에서 immune checkpoints 및 Nrf2 발현에 대해 알아보고 이의 성별 차이를 연구함: PD-L1 발현은 정상대조군보다 대장선종과 대장암군에서, 고식적 선종에 비해 톱니바퀴선종 조직에서 높게 발현하였음. 다변량 분석 결과, PD-L1 발현은 결합된 양성 점수(CPS) cutoff 가 1인 proximal CRC를 가진 남성과 반비례 관계, proximal CRC를 가진 여성은 dMMR/MSI-high 및 높은 EGFR 발현과 유의한 연관성을 보임을 확인함. 특히 COX-2, Nrf2, PD-1 mRNA 발현은 정상대조군보다 대장선종, 대장암군의 병변조직에서 유의하게 증가함을 확인. 건강대조군, 선종, 대장암 환자의 대변샘플 NGS 실험에서 락테이트와 뷰티레이트 생산 균주가 대장질환 예방에 기여할 수 있음을 규명함. 5차년도: 대장암 코호트에서 남녀별 Nrf2 및 immune checkpoints 발현이 대장암 병기 및 전이에 미치는 영향을 평가하고 immune checkpoints inhibitor 사용 유무에 따른 효과 연구: 대장암 진행에 따라 대장 병변조직 내 NRF2와 PD-L1의 발현증가를 확인하였고 이는 건강대조군 대장보다 높았음. 또한 NRF2 및 KEAP1의 메틸레이션 수준이 건강대조군보다 대장암 조직에서 낮음을 확인함. 또한 Ninjurin1 KO mouse AOM/DSS 대장암 모델에서 Ninjurin1과 남성호르몬 testosterone 이 대장염 및 대장암 발생을 증가시키고, 특히 2mm를 초과하는 큰 사이즈의 tumor 발생 및 submucosal invasive tumor 발생 등 aggressive tumor 발생과 관련 있음을 증명함. □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 첫째, 과학적 연구 설계로 대장암 성별 차이의 중요성을 증명함. 대장암 연구에서 널리 사용되는 AOM/DSS 동물모델에 대한 성별 차이를 밝힘으로 향후 대장암 연구에서 성별 차이를 바탕으로 연구해야함을 매우 확실하고 과학적으로 밝힘. 둘째, 대장에서의 에스트로겐/Nrf2/면역관문 작용 기전에 대한 다양한 접근으로 성차의학의 이해를 도모. Nrf2의 역할을 에스트로겐 및 면역관문 억제제 anti-PD-L1과 관련해 재조명함으로써 대장암 치료에 있어 보다 안전하고 효율적인 맞춤요법 수립에 기여. 셋째, 대장암 예방 및 치료에 있어 프로바이오틱스의 효과적인 이용 가능성을 높임. 장내 미생물과 숙주의 상호작용을 성호르몬 및 대장암 치료제의 관점에서 접근하였고 probiotics를 통한 효과적인 대장암 예방 및 치료 전략수립의 근거를 제공. 넷째, 성차의학의 중요성에 대한 사회적 공감대의 형성에 기여. 성차의학의 발달은 성별 차이에 대한 지식을 보강하여 특정 성별에 검증되지 못한 부작용 가능성에 대한 관심을 유발함으로써 대장암은 물론 타 질환에서의 성차의학적 접근의 필요성에 대한 과학자들의 인식 형성에 기여함. (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 김나영
• 주관연구기관 : 서울대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 대장염 및 대장암;AOM/DSS 마우스 모델;성별 차이;면역관문 PD-L1;코호트; 2. Colitis and colon cancer;AOM/DSS mouse model;Sex difference;Immune checkpoint PD-L1;Cohort;

□ 연구개요 본 과제의 궁극적 연구목표는 “국내 핵폐기물 처리방향 제시”이다. 원자력 발전을 하고 나면 그 부산물로서 방사성 폐기물이 필연적으로 발생된다. 고준위 폐기물에는 수명 핵종이 다량 포함되어 있기 때문에, 그 방사능의 잠재 위해도가 자연 수준으로 감소하기까지 수 만년이 걸리며 수백년동안 높은 방사선과 붕괴열을 방출하는 특성을 갖고 있다. 본 과제는 국내 핵폐기물 처리방향 제시를 목표로한다. □ 연구 목표대비 연구결과 가속기 구동 핵변환 시스템에서 고밀도 양성자 발생장치가 많은 비중을 차지하는데 보통 양성자 에너지는 1 GeV 정도가 필요하고 그 출력은 최소 10 MW가 필요하다. 이 부분의 한 후보로 상세 사이클로트론 설계를 한다. 그림 1에서 보듯이 현재 존재하는 가장 고밀도 양성자 발생장치는 사이클로트론이며 향후 10 MW 급 사이클로트론도 스위스 PSI에서 개발예정이다. 본 과제에서는 핵심 부분으로 실제 운전에 사용될 수 있는 상세 사이클로트론 설계를 하였다. 운영 중이거나 건설예정인 국내 가속기를 활용할 수 있는 방안에 대한 조사를 하는 것이다. 국내에는 거대 규모의 가속기가 이미 운영 중이거나 (경주 양성자 가속기) 건설 예정중인데 (대전 중이온 가속기) 새로 가속기를 건설하는 것이 아니라 기존의 가속기를 바로 활용 할 수 있도록 안을 제시하는 것이다. 참고로 현재 개념설계가 완료된 한국형 중이온 가속기는 가장 가벼운 양성자에서 무거운 우라늄까지 가속기 가능하도록 제안되고 있다. 조사결과 두 시설은 각 기관의 고유사업에 집중적으로 운영이 되어야 하는 상황으로 핵변환 시스템 연구에는 적합하지 않다는 결론을 내렸다. □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) * 에너지 측면에서의 중요성 원자력 발전을 하고 나면 그 부산물로써 방사성 폐기물이 필연적으로 발생되는데 이중 고준위 폐기물에는 장수명 핵종이 다량 포함되어 있기 때문에 그 방사능의 잠재 위해도가 자연수준으로 감소하기까지 수십만년이 걸리며 수백년동안 높은 방사선과 붕괴열을 방출한다. 세계적으로 이에 대한 해법을 찾는데 많은 지원을 하고 있는데 우리 나라에서는 아직 이에 대한 연구가 진행되고 있지 않다. 따라서 본 연구과제를 통해 가속기 구동 핵변환 시스템의 원천 기술 개발에 대한 연구와 향후 방향을 제시함으로써 고준위 폐기물 처리 및 대체 에너지 개발에 획기적인 전기를 마련할 것이다. (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 신승환
• 주관연구기관 : 고려대학교
• 발행년도 : 20240200
• Keyword : 1. 핵폐기물;구동용가속기;사이클로트론; 2. Nuclear waste;Accelerator driven system;Cyclotron;

□ 연구개요 섬광검출기 기반의 투과형 검출기 (Transmission detector) 개발로 방사선(X-ray, Proton) 치료전 품질보증 (Quality Assurance)과 치료빔 온라인 분석을 통해 방사선 치료의 오류를 거의 실시간으로 검출하고 선량 검증할 수 있는 방사선 치료 품질 보증 시스템을 구축한다. 그리고 이를 통하여 방사선치료의 오류 가능성을 제거하고 치료품질 향상에 최적화된 품질보증 원천기술을 확보한다. □ 연구 목표대비 연구결과 ■ 섬광검출기에서의 X-ray빔, Proton 빔 측정 타당성 확인 • Linac 6MV, 10MV에서 Beam Profile 및 Transmission factor 확인 • Proton beam 대표에너지 (70 MeV, 110 MeV, 150 MeV등) 에서의 Beam Profile 및 Transmission factor 확인 ■ 선형가속기용 투과형 검출기 제작 및 치료환자QA 적용 • 선형가속기용 시스템 개발 및 환자 QA시의 섬광 이미지 분석 • 치료빔 온라인 분석 및 비교 기능 구현 • 비교 후 임상적용 가능성 도출 ■ 양성자치료기용 투과형 검출기 제작과 환자 QA 적용 • 양성자 치료기 Snout 부착 가능한 투과형 검출 시스템 개발 • Patient-specific QA Image (position, intensity) 분석 • Beam Online-monitoring 기능 개발 ■ 투과형 검출기 시스템을 이용한 온라인 분석 및 선량 검증 시스템 구축 • 선형가속기용과 양성자치료기용 투과형 검출기의 온라인 모니터링 시스템 통합 개발 □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 본 연구 결과는 방사선치료 온라인 검증 시스템 개발 결과로 방사선 (X-ray, Proton) 치료 전 품질보증 (Quality Assurance)과 치료빔 온라인 분석을 통해 방사선 치료의 오류를 검출하고 온라인으로 선량 검증할 수 있는 시스템을 구축할 수 있다는 중요성이 있다. 또한 기존 상업적으로 사용하던 Ion Chamber나 Diode detector 기반의 투과형 검출기가 가지는 공간분해능의 단점을 해결함과 동시에 섬광판과 카메라로 구성되는 저비용 시스템으로 치료 방사선 모니터링과 그 품질보증 원천기술을 최초로 확보할 수 있어서 본 연구의 파급효과와 잠재성은 매우 크다고 할 수 있다. (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 안성환
• 주관연구기관 : 삼성서울병원
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 방사선치료;X-ray 치료;양성자 치료;섬광검출기;투과형검출기; 2. Radiation Therapy;X-ray Therapy;Proton Therapy;Scintillator Detector;Transmission Detector;

□ 연구개발 목표 및 내용 ◼ 최종 목표 ㅇ 원자력전용품목의 불법이전 차단 기반 기술 개발 - 전략물자 DB화 및 모델링(원자력전용품목) - 전략물자 불법이전 차단 시나리오 개발 및 평가 - 전략물자 식별 알고리즘 개발 ◼ 전체 내용 ㅇ 전략물자 DB화 및 모델링(원자력전용품목) - IAEA 북한 안전조치 관련 자료 및 국내외 자료를 활용한 북한 원자력전용품목 관련 시설 및 장비 DB 구축 - 북한시설 및 장비 DB 중 주요장비 선별 및 NSG 핸드북과 비교·평가 ※북한 핵심물품 도면 획득 제한 시 가장 유사한 장비로 대체 ㅇ 전략물자 불법이전 차단 시나리오 개발 및 평가 - 핵심장비 이동가능 주요방법 및 경로 검토 - 불법이전 차단 시나리오 개발 및 위험도 평가 ㅇ 전략물자 식별 알고리즘 개발 - 물품 식별, X-ray 화물검색 기법 및 비정형 이미지 노이즈 처리 사례 및 기법 검토 - 2D기반 식별 알고리즘 개발 - 핵심장비 식별 알고리즘 개발 ◼ 1단계 ❏ 목표 ㅇ 기초 자료 조사 및 주요품목 DB 구축 ❏ 내용 ㅇ 전략물자 DB화 및 모델(원자력전용품목) - 원자력전용품목 관련 시설 및 장비(영변 연구로, 재처리 시설, 가공 시설, 플루토늄 금속변환 시설, 우라늄 농축 시설, 육불화우라늄 금속변환 시설 등) 조사 및 분석 - 주요시설 및 원자력전용품목 연관성 분석·비교 - 핵주기 핵심장비 선정 방법론 개발 및 DB화 - 핵심장비 및 부품 이미지 DB 구축 ㅇ 전략물자 식별 알고리즘 개발 - 물품 식별 기법 조사 및 검토, 물품 식별 기법 조사 및 적용 가능 방안 검토 - X-ray 화물검색 및 항만 방사선감시기 기법 조사 및 검토 - 비정형 이미지 노이즈 처리 사례 및 기법 검토 ◼ 2단계 ❏ 목표 ㅇ 불법이전 식별 알고리즘 개발 및 시나리오 기반 위험도 평가 ❏ 내용 ㅇ 전략물자 DB화 및 모델(원자력전용품목) - 핵심장비 및 부품 이미지 DB 구축 ㅇ 전략물자 불법이전 차단 시나리오 개발 및 평가 - 핵심장비 이동가능 주요 경로 및 방법 검토 - 핵심장비 불법이전 차단 시나리오 개발 및 리스크 평가 ㅇ 전략물자 식별 알고리즘 개발 - 물품 식별 알고리즘 개발 - 적용성 평가 및 식별 알고리즘 최적화 □ 연구개발성과 ㅇ 전략물자 DB화 및 모델(원자력전용품목) - 전략물자 DB 구축 및 핵심장비 선정 - 핵심장비 2D 모델(※북한 핵심물품 도면 획득 제한시 가장 유사한 장비로 대체) ㅇ 전략물자 불법이전 차단 시나리오 개발 및 평가 - 핵심장비 이동가능 주요방법 및 경로 도출 - 시나리오별 위험도 평가 ㅇ 전략물자 식별 알고리즘 개발 - 이미지 유사도 측정 및 핵심장비 식별 알고리즘 개발 ㅇ 정량적 성과 - 원자력안전성과 : 안전기술보고서 7건, 규제정책제안 2건 - 저널논문 게재 : SCI 1건, 비SCI 1건 - 학술대회 발표 : 국외 학술대회 발표 2건, 국내 학술대회 발표 21건 - 특허 및 소프트웨어 : 특허 1건 출원, 소프트웨어 등록 1건 - 성과홍보 : 성과홍보 4건 □ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과 ㅇ 원자력핵심품목DB는 원자력 수출통제 규제 업무(전문판정, 수출허가 등)에 활용 ㅇ 대외 공개가능한 원자력 핵심품목 3D모델링 및 모형은 원자력품목 수출 관련 전시회 혹은 KINAC 비핵화 상황실 전시 용도로 사용하여 수출통제 제도 및 기관 홍보에 활용 ㅇ 불법이전 시나리오 개발 및 위험도 평가를 수행한 방법론을 우리나라에 적용하여 수출통제 미비점 확인 및 개선 가능 ㅇ 북한 비핵화 과정에서의 원자력전용품목의 불법 이전을 사전에 차단하여 주변국의 핵개발 능력 보유를 사전에 방지 ㅇ 북한 내 모든 원자력핵심품목에 대한 DB 구축을 통해 핵심장비의 체계적 관리에 기여 ㅇ 신규 기법의 기존 항만보안검색 시스템 규제 적용을 통한 국가 안보 향상에 기여 (출처 : 요약문 2p)

• 연구책임자 : 이찬서
• 주관연구기관 : 한국원자력통제기술원
• 발행년도 : 20240400
• Keyword : 1. 수출통제;원자력전용품목;전략물자;불법이전;위험도 평가; 2. Export Control;Trigger List Items;Strategic Items;Illicit Transfer;Risk Assessment;

비공개항목입니다.

• 연구책임자 : 김찬수
• 주관연구기관 : 한국항공우주연구원
• 발행년도 : 20240100
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□ 연구 목표 및 내용 ○ 최종 목표 핵 대칭에너지는 한국형 중이온 가속기인 RAON (Rare isotope Accelerator complex for ON-line experiment)의 LAMPS (Large Acceptance Multi-Purpose Spectrometer) 실험에서 가장 중요한 관측량이다. 그리고 중이온-중이온 충돌 후 나오는 양성자와 중성자를 모두 관측하여 산출하는 집단 흐름 (collective flow) 계수 측정은 이 핵 대칭에너지를 관측하는 데 중요한 요소 중의 하나이다. 집단 흐름 계수 측정은 중이온 충돌 후 나오는 양성자와 중성자를 넓은 영역의 의사신속도 (pseudorapidity) 영역에서 관측하는 게 중요하다. 그러나 현재의 LAMPS 실험은 중이온 충돌 후 생성되는 총 하전 입자들 중 전방(forward)으로 빠져나가는 약 40%의 하전 입자들을 관측할 수 없다. 본 연구의 목표는 LAMPS 실험에서 전방 영역에 하전 입자를 관측할 수 있는 검출기 후보를 연구하고 설치하여 중이온 충돌 후 발생하는 전 방위의 하전 입자를 관측 가능하게 하는 것이다. 나아가 LAMPS 실험의 핵심 목표인 다양한 핵물질의 핵 대칭에너지 연구에 기여하는 것이다. ○ 전체 내용 1) RAON의 LAMPS 실험에서 전방 검출기의 유력한 후보를 연구 LAMPS 실험의 주요 하전 입자 가스 검출기인 TPC 검출기 바로 바깥쪽에 하전 입자를 관측할 수 있는 전방 검출기의 유력한 세가지 후보를 연구하고 그 중 하나를 설치하는 것이다. 중이온-중이온 충돌 후 타겟에서 나오는 하전 입자들 중 TPC의 전방 영역을 통과할 때에는 TPC에서 해당 입자들을 잘 관측할 수 없다. 이 영역은 TPC의 하전 입자 운동량 분해능이 매우 낮은 영역이기 때문이다. 더욱이 이 영역은 중이온-중이온 충돌 시 생성되는 총 하전 입자의 약 40%가 통과하는 영역으로 현재 LAMPS의 검출기로는 LAMPS 내부의 타겟에서 생성되는 총 하전 입자 정보의 약 40%를 연구에 활용하지 못 하게 된다. 이 전방 영역에 하전 입자 검출기를 설치하여 중이온-중이온 충돌 시 나오는 100%의 하전 입자 정보를 핵 대칭에너지 연구에 활용하는 게 본 연구의 주요 내용이다. 2) 유력한 검출기 후보들 중 결정된 전방 검출기를 제작 2-1) 전산모사를 통해 얻은 파라미터를 바탕으로 조건에 맞는 검출기 구조를 설계한다. 2-2) 검출기의 아날로그 정보를 처리하고 검출기를 제어하는 전자보드를 연구하여 제작한다. 2-3) 검출기 테스트 시스템을 구축하고 검출기 시제품을 제작한다. 2-4) 검출기 테스트 시스템을 활용하여 검출기 시제품 특성을 연구하고 성능 요구에 부합하는지 확인한다. 2-5) 빔 테스트를 통하여 전방 검출기의 최종 성능 요소를 확인한다. 2-6) 전방 검출기의 전자보드에서 나온 시그널 정보를 이용하여 하전 입자를 재구성 하는 프로그램을 제작하고 LAMPS의 재구성 프로그램 패키지에 이식한다. 3) 제작한 전방 검출기를 설치한다. 3-1) 1~3년차 동안 연구 개발하고 제작한 전방 검출기를 LAMPS 실험에 설치한다. 3-2) LAMPS 실험에 전방 검출기와 전방 검출기의 하전 입자 신호를 처리할 전자 보드를 LAMPS 실험에 설치한다. 3-3) 전방 검출기와 다른 LAMPS 검출기들의 동조 테스트를 진행하여 최종 설치를 완료한다. 4) LAMPS 실험의 핵심 목표인 핵물질의 대칭에너지 연구에 기여 본 연구의 후반기 연구는 LAMPS 실험에 설치한 전방 검출기를 활용하여 RAON의 LAMPS 실험에서 중이온-중이온 충돌 후 나오는 넓은 영역의 의사신속도 영역에서 하전 입자를 관측하여 집단 흐름 계수 측정을 진행한다. 집단 흐름 계수 측정을 통해 LAMPS 실험의 핵심 목표인 다양한 핵종에 대한 핵 대칭에너지를 관측한다. 집답 흐름 관측 결과는 밀도 의존 핵 대칭에너지 함수의 1차 및 2차 도함수를 이론적 예측과 비교하여, 핵 대칭에너지를 측정한다. ○ 1단계 ● 연구 목표 1단계 연구목표는 LAMPS 실험에 새로운 전방 검출기를 설치하여 현재 LAMPS의 TPC 검출기를 통해 관측할 수 없는 전방 영역을 통과하는 약 40%의 하전 입자를 온전하게 관측할 수 있게 하도록 하는 것이다. 즉, 새로운 검출기는 기존 TPC와 연계하여 넓은 의사신속도 영역에서 핵 물질의 집단 흐름 계수를 측정할 수 있도록 해주며 LAMPS 실험의 연구 목표인 다양한 핵 물질의 핵 대칭 에너지 연구에 이바지하게 된다. ● 연구 내용 1) 전방 검출기 후보 선택과 후보 전방 검출기의 개념디자인 채택 1단계에서는 전방 검출기 후보를 다음과 같이 고려하였다. 첫 번째 후보 검출기는 DC(Drift Chamber) 가스 검출기이다. DC 검출기는 TPC와 같은 방식으로 하전 입자를 관측한다. 두 번째 후보 검출기는 실리콘 검출기이다. 마지막으로 세 번째 후보 검출기는 섬광 검출기를 이용하는 것이다. 위의 세 가지 후보 검출기에 대한 장단점 비교하여 가용한 예산과 인력을 고려하여 시제품 연구 및 개발을 위한 후보로 섬광 검출기를 선택하였다. 섬광 검출기 기반 시제품은 다음과 같이 구상하였다. 1 mm² 전후의 정사각형 단면을 지닌 섬광 섬유를 수평 혹은 수직 방향으로 배열하여 최소 검출기 단위를 만들며, 하나의 검출기는 각각 한 쌍의 수평 및 수직 배열을 갖춰 2차원 위치를 특정할 수 있도록 하였다. 섬광 섬유에서 발생한 광자 신호를 읽기 위해서는 섬유의 끝 단면에 광학 케이블(optical cable)을 연결하여 광자가 신호 수집 보드(read-out board)까지 도달하도록 유도하고, 전체적인 크기를 가능한 줄이기 위해 다채널 픽셀포토카운터(Multi-Pixel Photo Counter, MPPC)를 광자 센서로 사용한다. 다시 하나의 검출기는 팔각형(TPC 및 FTOF 역시 유사하게 팔각형을 이어 붙인 형태로 제작되어 있다)으로 제작하여 빔 파이프를 중심으로 동일한 팔각형 8개를 이어 붙여 1개의 층을 구성하도록 하였다. 2) 견본품 제작 및 시제품 시뮬레이션 개발 전방 검출기 시제품을 제작하기 이전에 팔각형 형태의 구조를 정사각형 구조로 간단히 구현하여 성능을 시험할 수 있는 시제품 제작을 위한 견본품 설계를 시작하였으며, 시행착오를 줄이고 실험 결과를 분석할 수 있는 시뮬레이션 구현과 분석 시스템에 노력하였다. 검출기의 성능과 위치를 최적화하기 위해서는 검출기 시뮬레이션도 진행하였다. 전방 검출기의 시뮬레이션은 LAMPS의 전용 시뮬레이션 프로그램인 KEBI를 활용하였다. 3) 견본품 제작 및 시제품 시뮬레이션 시제품 제작에 앞서, 시행착오를 줄이기 위해 견본품을 제작하였다. 견본품은 섬광 섬유와 MPPC를 사용하여 우선적으로 제작하였으며, 섬광 섬유와 MPPC를 구성하는 활성 감지 영역(active volume)에 사용되는 재료의 기계적, 물리적 특성을 파악하고 실제 시제품(최종 제품)의 구조를 제작하기 전에 특성을 연구하기 위해 제작되었다. 동시에, 실제와 동일하게 구현된 시뮬레이션을 통해 입자의 검출효율(reconstruction efficiency), 운동량 분해능 등을 테스트하였다. ○ 2단계 ● 연구 목표 전방검출기 견본품의 빔테스트를 완료하여 예상 성능과 비교한 후 실제 크기의 시제품을 제작한다. 제작한 시제품/견본품과 다른 LAMPS 검출기와 동조하여 시운전을 실시하여 LAMPS의 검출 성능을 확장한다. RAON의 고에너지 가속기 구간 건설의 연기로 인한 본 목표인 핵물질 대칭에너지 연구는 고에너지 가속기 구간 건설 이후의 미래 계획으로 남겨두며 저에너지 RAON 빔을 활용한 LAMPS 활용 과제를 발굴하여 실험 및 연구하고 연구결과를 실적물로 가시화한다. ● 연구 내용 1) 제작한 견본품의 빔 테스트, 방사선소스 테스트, 우주선 테스트 경주양성자가속기에 빔 이용 신청을 차년도에 다시 진행한다. 또한 다양한 다른 빔 테스트 장소를 물색한다. 또한 RAON의 NDPS의 중성자 빔을 이용하여 빔 테스트를 하는 계획도 병행하고 방사선 소스를 구매하여 방사선 소스에 의한 견본품 테스트 및 우주선 테스트를 진행하여 다른 시설의 의존성을 낮추고 다각도로 검출기 테스트를 진행한다. 2) 제작한 전방 검출기 시제품을 제작 1~3년차 동안 연구 개발하고 제작한 견본품의 빔 테스트/방사선소스/우주선 테스트를 완료하여 시뮬레이션에서 예상한 성능과 비교한다. 견본품 성능이 예상 성능에 근접하면 시제품의 제작단계로 이행한다. 견본품 성능이 예상 성능을 벗어날 때는 원인을 파악하고 성능이 벗어난 정도가 실제 실험결과에 영향을 주는 정도를 예측하여 시제품 제작 단계로 이행한다. 3) 제작한 전방 검출기 시제품과 다른 LAMPS 검출기와 동조 테스트 전방 검출기 시제품을 LAMPS의 다른 검출기와 조합하여 이용한다. 현재 RAON의 고에너지 가속기 구간의 설치가 연기되어 부득이하게 LAMPS 실험의 실제 가동도 연기된 상태이나 LAMPS 실험은 고에너지 가속기 구간이 설치되기 전까지 LAMPS 검출기들의 성능 테스트 및 우주선 테스트, 그리고 동조 테스트를 계획하고 있다. 시제품과 LAMPS 검출기들과 동기화하고 시운전 및 성능 테스트에 같이 참여한다. 4) LAMPS 활용 과제를 발굴 고에너지 가속기 구간 건설 연기로 LAMPS 실험의 실제 가동이 연기된 상태이나 저에너지 빔을 활용한 연구 주제를 발굴하며 LAMPS 일부 다른 검출기와 같이 시제품을 외국 시설에 활용하는 방안을 발굴한다. □ 연구성과 1단계 기간 동안 LAMPS 실험에서 요구하는 전방 검출기의 성능 사양을 정리하며 전산모사를 구현하여 최적의 위치 및 운동량 분해능을 갖는 검출기의 주요 파라미터를 계산하였다. 계산된 주요 파라미터는 LAMPS 실험에서 최적의 견본품 및 시제품을 제작하고 결정하는 데 사용하였고 사용할 예정이다. 시제품 제작에 앞서, 시행착오를 줄이기 위해 시제품의 구조를 단순화한 견본품을 제작하였다. 견본품은 섬광 섬유와 MPPC를 사용하여 우선적으로 제작 완료하였고 판독 보드와 수집 장비(DAQ)까지 구비하여 본격적인 우주선 테스트와 빔테스트를 할 수 있도록 모든 준비를 완료하였다. 2단계 기간은 전방 검출기 견본품의 빔 테스트를 완료하여 예상 성능과 비교한 후 실제 크기의 시제품을 제작한다. 제작한 시제품(혹은 견본품)과 다른 LAMPS 검출기와 동조하여 시운전을 실시하여 LAMPS의 검출 성능을 확장한다. 저에너지 RAON 빔을 활용한 LAMPS 활용 과제를 발굴하여 실험 및 연구하고 연구 결과를 실적물로 가시화한다. 해당 과제로 이희동 학부 학생은 학위 논문을 제출하고 졸업하였으며 가을물리학회에서 참여연구원인 김총 박사는 전방 검출기 제작에 대한 구두 발표를 실시하였다. 2단계에서는 연구성과물로 검출기 시뮬레이션 스터디와 검출기 제작 및 빔테스트, 그리고 주제 발굴한 연구에 대해 최소 3 편 이상의 SCR 논문을 출판 계획이다. □ 연구성과의 활용 계획 및 기대효과 핵 대칭에너지는 RAON의 LAMPS 실험에서 가장 중요한 관측량이다. 그리고 중이온-중이온 충돌 후 나오는 양성자와 중성자를 모두 관측하여 산출하는 집단 흐름 계수 측정은 이 핵 대칭에너지를 관측하는 데 중요한 요소 중의 하나이다. 특히, 집단흐름 계수 측정은 중이온 충돌 후 나오는 양성자와 중성자를 넓은 의사신속도 영역에서 관측하는 게 중요하다. 본 연구는 LAMPS 실험에 새로운 전방 검출기를 설치하여 현재 LAMPS의 TPC 검출기를 통해 관측하지 못 하는 중이온-중이온 충돌 시 생성되어 전방 영역으로 통과하는 약 40%의 하전 입자를 온전하게 관측하게 해준다. 즉, 본 연구는 중이온 충돌 후 나오는 모든 하전 입자를 관측 가능하게 해주며 넓은 의사 신속도 영역에서 핵 물질의 집단 흐름 계수를 측정할 수 있게 하여 LAMPS 실험의 연구 목표인 다양한 핵 물질의 핵 대칭에너지 연구에 이바지하게 된다. (출처 : 요약문 2p)

• 연구책임자 : 김범규
• 주관연구기관 : 성균관대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 전방검출기;한국형중이온 가속기;대수용다목적 핵분광장치;집단 흐름;핵대칭에너지; 2. Forward Detector;RAON;LAMPS;Collective Flow;Nuclear symmetry energy;

□ 연구개요 본 연구는 자연적으로 발생한 악성 종양 환자에서 뇌, 두경부, 척수, 비뇨기, 생식기 등 다양한 악성 종양의 관류 데이터를 CT관류검사, MR 관류검사, 조영증강 초음파검사로 평가하여 종양의 관류를 바탕으로 방사선 치료에 대한 조직 반응을 조기에 평가하여 종양의 크기 변화를 바탕으로 평가하는 기존의 방법을 대체할 조기 진단기준을 제시함 □ 연구 목표대비 연구결과 본 연구는 『방사선치료 후 종양조직의 관류를 조영증강 초음파검사 및 관류CT검사로 정성/정량 분석하여 종양조직내 혈관 밀도의 감소와 관류저하를 바탕으로 종양의 크기 변화가 나타나기 전 방사선치료에 대한 치료반응을 조기에 진단함으로써 추가적인 항암요법 등 치료계획 수립과 환자 예후를 평가할 수 있는 관류 기준을 제시하는 것』을 목표로 함. [1] 1차년도 연구목표:악성 종양 예측을 위한 혈관신생 정도 및 관류지표 제시 조영증강 초음파검사 및 관류CT검사를 통해 종양 혈관신생 및 관류지표를 정량적으로 분석한 후 조직검사로 확인한 종양내 혈관신생 및 분포와 비교하여 종양의 악성도를 예측할 수 있는 비침습적이고 정량적인 관류지표를 제시함 [2] 2차년도 연구목표: 방사선치료에 대한 종양 관류평가 기준 확립 1차년도에서 도출된 악성종양의 관류지표를 이용해 방사선치료 전/후의 종양조직의 혈관 밀도 및 관류량의 변화를 측정한 후 조직검사 결과 및 방사선치료 평가의 국제표준으로 이용되고 있는 ‘고형암 반응평가 기준’과 비교하여 관류평가 기준이 종양의 방사선 치료 반응을 조기에 예측할 수 있는지 규명하고, 데이터 수집함 [3] 3차년도 연구목표: 고주파온열치료 병행시 종양에 대한 영향을 관류평가 규명 방사선치료 후 나타나는 종양의 관류저하를 보완할 수 있는 고주파온열치료를 병행한 후, 두 치료가 종양 미세혈류에 미치는 영향을 평가함 □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) - 본 연구를 통해 자연적으로 발생한 악성 종양에서 뇌, 두경부, 척수, 비뇨기, 생식기, 부신 등의 복강 장기에 걸쳐 광범위한 관류 데이터를 CT 관류검사, MR 관류검사, 조영증강 초음파검사로 평가하여 제시하였음. 이러한 관류 데이터를 바탕으로 방사선 치료 후 종양의 반응을 조기에 예측하여 환자 생존과 삶의 질에 기여하고, 즉각적인 임상적용이 가능함 - 또한, 기존의 고형암 평가 기준에 비해 방사선 치료 종료 후 60일 이내 변화가 나타나 치료 반응을 조기 평가한 후 추가 병행 치료를 적용할 수 있음 - 악성 종양에 적용할 수 있는 면역 요법이나 전기항암치료 등 새로 도입되는 다양한 치료에 대한 반응 평가 연구에도 적용가능해 폭넓은 후속연구 진행이 기대됨 - 본 연구를 통해 2명의 박사과정생을 양성하고 있으며, 6명의 석사과정생이 배출되어 관류분석에 대한 전문 지식을 갖춘 학문후속세대를 양성하는데 기여하고 있음 (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 최지혜
• 주관연구기관 : 서울대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 악성 종양;방사선 치료;관류;조영증강;CT 관류검사; 2. malignancy;radiotherapy;perfusion;contrast enhancement;CT perfusion;

□ 연구개요 중성자 과잉이나 양성자 과잉, 또는 찌그러진 핵등 특이한 성질을 가지는 핵을 포함하는 핵반응에 대한 모델을 연구하고 실험 결의 분석을 진행한다. 그 결과를 현재 사용하고 있는 초중핵 생성 핵반응 모델에 반영 및 그 모델의 개선을 목표로 한다. □ 연구 목표대비 연구결과 1. 중성자 과잉핵 뿐 아니라 양성자 과잉핵을 입사핵으로 하는 실험 결과들이 발표되기 시작함에 따라, 양성자 과잉핵인 17F+208 208Pb 탄성 산란 실험 결과를 확장된 광학 모형을 이용하여 분석을 시도하였다. 양성자 과잉핵의 경우는 중성자 과잉핵과 비교했을 때, 좀 더 높은 각도 다른 채널이 열리는 양상을 보여주었다. 그로 인해 상대적으로 작은 깨짐 반응을 가지게 되는데, 이는 약한 결합을 가지고 있는 핵임을 생각하면 특이한 결과라고 볼 수 있다. 아울러 실험적으로는 제시되지 않은 비탄선 산란반응의 크기에 대해서도 예측해 보았다. 2. 실험적으로 잘 알려진 이론 모형보다 더 큰 산란 단면적이 발표된 9Li+ 70Zn 에 대한 핵융합 반응에 대한 분석을 시도하였다. 이를 위해 실험에서 산출된 각 핵들의 밀도를 이용하여 겹침 포텐셜을 새롭게 구성하였고, 많이 사용하는 범용 포텐셜과 그 변화를 비교해보았다. 이 경우는 핵의 들뜸의 영향이 별로 크지 않기 때문에, 전이 반응을 포함한 결합 채널 방법으로의 해석을 시도하였다. 3. 특이핵의 경우는 약한 결합으로 인하여 쉽게 들뜨며, 또 깨어잔다는 것이 실험을 통해 잘 알려져 있다. 이러한 실험 분석 과정에서 쿨롱 쌍극자 강도 분포를 계산하기 위해서는 광자수 계산이 필수적인데, 이러한 광자수를 결정짓는 방법에 대해 고찰하고, 실험결과와 비교 하였다. 4. 2023년에 양성자 과잉핵인 17Ne을 포함하는 17Ne+208Pb의 탄성 산란과 깨짐 반응에 대한 실험 결과가 발표되었고, 그에 따라 확장된 광학 모형을 이용, 실험 결과에 대한 분석을 시도하였다. 확장된 광학 모형의 장점에 따라 탄성과 비탄성, 깨짐과 융합 반응에 대한 결과도 함께 얻을 수 있었다. □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 이번 연구를 통하여, 특이핵을 포함하는 경우에 대한 확장된 광학 모형을 이용한 분석 방법에 대한 개선과, 핵융합 반응의 해석 방법에 대한 확장을 가져올 수 있었다. 특히, 이 시기에 양성자 과잉 핵을 포함하는 핵융합 반응의 실험 결과 발표가 많이 이루어졌으며, 그 결과는 중성자 과잉 핵을 포함하는 핵반응의 결과와는 전혀 다른 결과였으므로 그 해석에 있어 의미가 있다고 볼 수 있다. 이를 위해, 밀도를 이용한 겹칩 포텐셜 구성, 편광 포텐셜을 이용한 포텐셜 모형의 확장, 비탄성 산란등의 다른 채널을 고려하기 위한 결합 채널 방법의 적용등 핵반응을 좀 더 잘 이해하기 위한 여러 방법들을 활용하는 기회가 되었다. 이를 이용하여 차후 RI 시설들에서 제공되는 여러 실험 결과들을 분석하는데 큰 도움이 될 것으로 생각된다. 아울러 같은 질량을 가지는 중성자 과잉핵과 양성자 과잉핵의 실험들이 앞으로 진행될 것으로 생각되는데, 그 결과는 이번 연구의 결과로 서로 큰 차이를 보일 것으로 예상된다. 이러한 질량수는 같으나 양성자 수가 다른 핵인 거울핵(mirror nuclei)에 대한 실험 결과의 해석 및 이해에도 도움을 줄 것으로 기대된다. (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 최기석
• 주관연구기관 : 한국항공대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 핵융합 반응;특이핵;양성자 과잉핵;광학 모형;결합채널 방법; 2. fusion reaction;exotic nuclei;proton rich nuclei;optical model;coupled channel method;