Fysiker vid University of Maryland har utvecklat en ny kraftfull metod för att upptäcka radioaktivt material. Genom att använda en infraröd laserstråle för att framkalla ett fenomen som kallas en elektronskred i närheten av materialet, den nya tekniken kan upptäcka avskärmat material på avstånd. Metoden förbättrar dagens teknik som kräver närhet till det radioaktiva materialet.

Med ytterligare tekniska framsteg, metoden skulle kunna skalas upp och användas för att skanna lastbilar och fraktcontainrar vid infartshamnar, tillhandahåller ett kraftfullt nytt verktyg för att upptäcka dolda, farligt radioaktivt material. Forskarna beskrev sina proof-of-concept-experiment i en forskningsartikel publicerad 22 mars, 2019 i tidningen Vetenskapliga framsteg .

"Traditionella detektionsmetoder förlitar sig på att en radioaktiv sönderfallspartikel interagerar direkt med en detektor. Alla dessa metoder minskar känsligheten med avstånd, "sade Robert Schwartz, en fysik doktorand vid UMD och huvudförfattare till forskningspapperet. "Fördelen med vår metod är att den i sig är en avlägsen process. Med ytterligare utveckling, det kan upptäcka radioaktivt material inuti en låda från längden på en fotbollsplan. "

Eftersom radioaktivt material avger sönderfallspartiklar, partiklarna tar bort elektroner från – eller joniserar – närliggande atomer i luften, skapar ett litet antal fria elektroner som snabbt fäster till syremolekyler. Genom att fokusera en infraröd laserstråle i detta område, Schwartz och hans kollegor lossade enkelt dessa elektroner från sina syremolekyler, sådd en lavinliknande snabb ökning av fria elektroner som är relativt lätt att upptäcka.

"En elektronskred kan börja med en enda fröelektron. Eftersom luften nära en radioaktiv källa har några laddade syremolekyler - även utanför en avskärmad behållare - ger det en möjlighet att fröa en lavin genom att applicera ett intensivt laserfält, sa Howard Milchberg, professor i fysik och el- och datateknik vid UMD och seniorförfattare till forskningsrapporten, som också har en tid på IREAP. "Elektronskred var bland de första demonstrationerna efter att lasern uppfanns. Detta är inget nytt fenomen, men vi är de första som använder en infraröd laser för att utsäda en lavinavbrott för strålningsdetektering. Laserens infraröda våglängd är viktig, eftersom det enkelt och specifikt kan lossa elektroner från syrejoner."

Att applicera en intensiv, infrarött laserfält gör att de fria elektronerna som fångas i strålen oscillerar och kolliderar med atomer i närheten. När dessa kollisioner blir tillräckligt energiska, de kan slita bort fler elektroner från atomerna.

"En enkel bild av lavin är att efter en kollision, du har två elektroner. Sedan, detta händer igen och du har fyra. Sedan kaskaderar allt tills du har full jonisering, där alla atomer i systemet har minst en elektron borttagen, " förklarade Milchberg.

När luften i laserns väg börjar jonisera, det har en mätbar effekt på det infraröda ljuset som reflekteras, eller bakåtsträvad, mot en detektor. Genom att spåra dessa ändringar, Schwartz, Milchberg och deras kollegor kunde avgöra när luften började joniseras och hur lång tid det tog att nå full jonisering.

Tidpunkten för joniseringsprocessen, eller elektronskredet, ger forskarna en indikation på hur många fröelektroner som var tillgängliga för att påbörja lavinen. Denna uppskattning, i tur och ordning, kan indikera hur mycket radioaktivt material som finns i målet.

"Tidpunkten för jonisering är ett av de mest känsliga sätten att upptäcka initial elektrontäthet, "sa Daniel Woodbury, en fysik doktorand vid UMD och en medförfattare till forskningspapperet. "Vi använder en relativt svag sondlaserpuls, men det kvittrade, betyder att kortare våglängder passerar genom lavinluften först, sedan längre. Genom att mäta de spektrala komponenterna i det infraröda ljuset som passerar genom det som reflekteras, vi kan avgöra när joniseringen startar och når dess slutpunkt. "

Forskarna noterar att deras metod är mycket specifik och känslig för upptäckt av radioaktivt material. Utan en laserpuls, radioaktivt material ensam kommer inte att orsaka en elektronskred. Liknande, en laserpuls ensam kommer inte att orsaka en lavin, utan fröelektronerna skapade av det radioaktiva materialet.

Även om metoden för närvarande fortfarande är en proof-of-concept-övning, forskarna föreställer sig ytterligare teknisk utveckling som de hoppas kommer att möjliggöra praktiska tillämpningar för att öka säkerheten vid inträdeshamnar över hela världen.

"Just nu arbetar vi med en laser i laboratoriestorlek, men om tio år eller så, ingenjörer kanske kan montera ett sådant här system i en skåpbil, " Sa Schwartz. "Var som helst du kan parkera en lastbil, du kan distribuera ett sådant system. Detta skulle vara ett mycket kraftfullt verktyg för att övervaka aktivitet vid hamnar. "

Forskningsrapporten, "Fjärradetektering av radioaktivt material med hjälp av laser-driven mid-IR-lavinnedbrytning, "Robert Schwartz, Daniel Woodbury, Joshua Isaacs, Phillip Sprangle och Howard Milchberg, publicerades i tidningen Vetenskapliga framsteg den 22 mars, 2019.