Berkeley Lab·Ideon, 휴대형 능동 뮤온 이미징 시스템 개발 자금 확보

프로젝트 배경과 목적

에너지·산업·국가 안보에 필수적인 핵심 광물의 국내 공급망 확보가 미국의 전략 과제로 부상한 가운데, Berkeley Lab과 Ideon Technologies는 ARPA-E의 ROCKS(Reliable Ore Characterization with Keystone Sensing) 이니셔티브 자금 지원으로 능동형 뮤온 이미징 시스템 개발에 착수한다. 3년 기간의 이 프로젝트는 기존 지표 탐사 기법이 도달하지 못하는 심부 지하에 대한 고해상도 3차원 이미지를 제공하는 기술 실증을 목표로 삼는다.

기존 수동형 뮤온 탐사의 한계

뮤온은 우주선이 대기 입자와 충돌해 자연적으로 생성되는 아원자 입자로, 암석·토양을 투과하는 능력이 탁월하다. Ideon Technologies는 이 '수동형' 자연 뮤온을 광석 매장지 탐사에 활용해왔다. 그러나 자연 뮤온은 위에서만 입사하는 방향 제약이 있고, 단위 면적당 유속이 분당 약 1개/㎠에 불과해 고해상도 이미지를 얻으려면 깊이와 해상도에 따라 수일~수개월의 노출 시간이 필요하다. 탐사 대상 광체 아래 검출기를 배치하는 구조에서는 이 제약이 더욱 두드러진다.

레이저-플라즈마 가속기 기반 능동형 뮤온 소스

이번 프로젝트의 핵심 기술은 Berkeley Lab BELLA 센터가 개척해온 레이저-플라즈마 가속기(LPA)다. 초단 고강도 레이저 펄스가 플라즈마 내 전자를 밀어내 웨이크필드(wakefield)라 불리는 정전기파를 형성하고, 이를 통해 기존 가속기 대비 수 배 높은 가속 전기장을 센티미터 단위 거리에서 구현한다. 이렇게 가속된 고에너지 전자빔을 고체 표적에 조사하면 자연 뮤온 유속보다 34 오더(수천수만 배) 강한 뮤온 빔이 생성되며, 이를 원하는 방향으로 지향할 수 있다. 에너지 기준으로 10 GeV 뮤온은 최대 20미터 두께의 암석·토양·광석 층을 투과하고, 30100 GeV 범위에서는 50150미터 투과가 가능하다.

2단계 가속기 설계와 기술 실증 경로

Berkeley Lab은 이미 단일 단계에서 30센티미터 거리로 10 GeV 전자빔 가속을 실증한 바 있다. 이번 프로젝트는 약 6 GeV LPA 두 단계를 결합해 12 GeV 이상 가속을 달성하는 2단계 개념 실증을 1차 목표로 삼는다. 이 결과는 최종 목표인 30~100 GeV 시스템으로 가는 기술 경로를 검증하는 데 의미가 있다. 단계 간 결합에는 전자빔을 재초점화하는 활성 플라즈마 렌즈와 레이저 특성을 유지하는 고반사율 플라즈마 미러가 핵심 역할을 한다. 시스템은 현장 적용이 가능한 수준의 소형화·이동성을 함께 갖추는 것이 요구된다.

역할 분담과 응용 가능성

세 파트너의 역할은 명확히 구분된다. Berkeley Lab ATAP 부문이 하드웨어 개발과 Particle-In-Cell 시뮬레이션을 담당하고, Ideon Technologies는 뮤온 단층촬영 기술, 데이터 융합, 미터 단위 해상도의 3D 질량 밀도 시각화 소프트웨어를 제공한다. Berkeley Lab 물리학부는 고에너지 입자 검출기 경험을 바탕으로 뮤온 계측과 입자 추적 진단을 맡는다. 기술의 잠재적 응용 범위는 광물 탐사를 넘어 지하 공동·균열 탐지, 토목 안전 점검, 국가 안보 인프라 분야에도 미친다.