소형장비로 초정밀 폭발물 탐지 가능한 초강력 중성자원 구현 성공

GIST, 150테라와트(TW) 레이저로 전자 가속…한 번에 3천만 개 만들어

초정밀 보안검색이 가능한 초강력 중성자원이 개발됐다.

광주과학기술원(GIST)은 방우석 물리·광과학과 교수(교신저자) 연구팀이 고출력 레이저로 가속된 전자를 이용해 안정적인 에너지 특성을 갖는 초강력(고선속) 중성자원을 개발하고, 이 기술을 바탕으로 폭발물 식별 등 보안 검색 분야에서의 활용 가능성을 제시했다고 3일 밝혔다.

중성자는 엑스레이로 통과하기 어려운 두꺼운 금속도 쉽게 투과할 뿐만 아니라, 물질 내부 수소(H)·탄소(C)·질소(N) 같은 유기물 성분을 구분하는 데 활용 가능하다. 이로인해 차세대 정밀 보안 검색 기술로 주목받고 있다.

레이저 기반 중성자 생성 실험 개요. 고출력 레이저로 가속된 전자가 납 변환체에 입사해 중성자가 생성되는 실험 과정을 단계적으로 나타낸다.(그림=GIST)

특히 ‘레이저 기반 중성자원’은 중성자를 만들어내는 장치로서 대형 가속기나 원자로 같은 거대 시설 없이도 구현할 수 있어 장비 소형화와 현장 적용에 유리하다.

연구팀은 레이저 기반 중성자 생성 실험과 컴퓨터 시뮬레이션을 병행하고 결과를 비교 분석함으로써, 중성자 발생량과 에너지 특성을 체계적으로 검증했다.

고출력 레이저로 전자를 빠르게 가속한 뒤 이를 납 변환체에 충돌시켜 중성자를 만들었다.

방우석 교수는 "이 중성자는 아주 짧은 순간 다양한 에너지 상태로 방출되는 특성을 나타냈다"며 "이는 중성자 투과 영상 촬영이나 정밀 물질 분석에 매우 유리하다"고 설명했다.

연구팀은 대학 실험실 규모에서도 높은 발생량의 중성자원을 구현할 수 있음을 확인했다. 중성자를 이용한 보안 검색 기술에 필요한 중성자 특성과 안정적인 운용 조건도 함께 확보했다.

연구팀은 GIST가 보유한 150테라와트(TW=1조 와트) 고출력 레이저로 가속한 고에너지 전자빔을 납 변환체에 조사해, 한 번의 레이저 펄스로 약 3,000만 개의 중성자를 만들어내는 데 성공했다.

방우석 교수는 "실험실 규모 레이저 기반 중성자원 가운데 세계 최고 수준에 근접한 수치로, 소형 장비에서도 이처럼 높은 중성자 발생량을 구현할 수 있음을 보여준다는 점에서 의미가 크다"고 부연설명했다.

연구팀은 또 ‘변환체’의 두께와 재료를 최적화할 경우, 현재보다 5배 이상 많은 최대 1억 6,000만 개의 중성자를 생성할 수 있음을 시뮬레이션으로 제시했다. 이는 향후 중성자 기반 영상 및 탐지 기술의 현장 적용 가능성을 한층 높이는 성과다.

연구팀은 레이저로 가속한 전자빔 에너지나 변환체 조건이 달라져도 중성자 에너지 분포 형태가 거의 변하지 않는 안정적인 특성도 확인했다. 이는 그동안 레이저 기반 중성자원의 한계로 지적되어 왔던 에너지 변동 문제를 크게 개선할 수 있음을 보여주는 중요한 결과이다.

GIST 연구진. 왼쪽부터 방우석 물리·광과학과 교수, 김형일 석박사통합과정생.(사진=GIST)

방우석 교수는 "향후 공항 보안 검색이나 산업용 비파괴 검사 등 실제 현장 적용의 기반을 마련했다"며 "영상·탐지 분야에서 실험실 수준을 넘어 실제 응용 단계로 확장될 수 있음을 입증한 성과”라고 밝혔다.

한편 이번 성과는 최근 전남 나주시가 구축 사업지로 선정된 핵융합(인공태양) 연구시설의 중성자 연구와도 연관성을 갖고 있어 주목된다. 인공태양에서 발생하는 중성자를 정밀 측정하기 위한 검출·계측 기술을 검증하는 과정에서, 이번 연구의 레이저 기반 중성자원이 효과적인 시험 플랫폼으로 활용될 것으로 기대된다.

연구는 김형일 석박사통합과정생이 제1저자로 참여했다. 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받았다. 연구 결과는 재료·물리·에너지 분야 국제학술지 셀의 자매지인 '셀 리포트 피지컬 사이언스'(IF 7.3)에 게재됐다.