Forskare har utvecklat en ny laserbaserad metod som kan upptäcka elektriska laddningar och kemikalier av intresse med oöverträffad känslighet. Den nya metoden kan en dag erbjuda ett sätt att skanna stora områden efter radioaktivt material eller farliga kemikalier för säkerhets- och säkerhetsapplikationer.

Den nya tekniken, kallad mitten av infraröd pikosekund laserdriven elektronskred, upptäcker extremt låga laddningstätheter – antalet elektriska laddningar i en viss volym – i luft eller andra gaser. Forskarna kunde mäta elektrondensiteter i luft som produceras av en radioaktiv källa vid nivåer under en del per kvadrillion, motsvarande att plocka ut en fri elektron från en miljon miljarder normala luftmolekyler.

I Optica , The Optical Societys tidskrift, forskare från University of Maryland rapporterar att de använder den nya metoden för att kalibrera lasrar som används för att inspektera bestrålad luft på 1 meters avstånd. De säger att tillvägagångssättet kan användas för att detektera andra kemikalier och arter och kan skalas upp för fjärrdetektering på avstånd av 10 meter och, så småningom, 100 meter.

"Vi kan bestämma laddningstätheten alldeles för låg för att mäta med någon annan metod, "sa Daniel Woodbury, huvudförfattaren på tidningen. "Vi visar metodens förmåga att upptäcka en radioaktiv källa, men det kan så småningom användas för alla situationer som kräver mätning av spårmängder av en kemikalie i en gas, som att hjälpa till att spåra föroreningar, kemikalier eller säkerhetsrisker. "

Detekterar elektroner i luft

Den nya tekniken är baserad på en process som kallas elektronlavin där en laserstråle accelererar en enda fri elektron i en gas tills den får tillräckligt med energi för att slå en annan elektron från en molekyl, vilket resulterar i en andra fri elektron. Denna process upprepas och utvecklas till en kollisionskaskad, eller lavin, som växer exponentiellt tills en ljus observerbar gnista dyker upp i laserfokus.

"Även om laserdriven elektronskred har funnits sedan 1960-talet, vi använde en ny typ av högenergi, långvågslaser - en pikosekund mellan-IR-laser - för att möjliggöra detektering av lokaliserade kollisionskaskader som endast seeds av de initiala fria elektronerna, "sade Howard M. Milchberg, forskargruppens ledare. "När laserpulser med kortare våglängd används, de ursprungliga fria elektronerna som sådd lavinerna maskeras av fria elektroner som genereras direkt av laserfotoner, snarare än genom kollisioner. "

Forskningen bygger på gruppens tidigare arbete, som visade att lavinnedbrott som drivs av en mid-IR-laser var känsligt för tätheten av elektroner nära en radioaktiv källa och ändrade hur lång tid det tog för sammanbrottet att ske.

"Vi tänkte på den här metoden för att fjärrmäta strålning nära en radioaktiv källa eftersom signalerna från Geigerräknare och scintillatorer, konventionella detektorer av radioaktiva sönderfallsprodukter, sjunka avsevärt på avstånd långt från källan, " sade Robert M. Schwartz, en student som arbetar med projektet. "Med en laserstråle, dock, vi kan fjärrprova elektroner som produceras i luft nära källan. "

Dock, i deras tidigare experiment var det svårt att avgöra exakt hur många elektroner som sådde ett sammanbrott eftersom lavintillväxten är exponentiell. "Tio, 100 eller till och med 1000 elektroner kan alla producera mycket liknande signaler, ", sade Woodbury. "Medan vi kunde använda teoretiska modeller för att ge grova uppskattningar, vi kunde inte definitivt säga vilka elektrontätheter vi mätte. "

I det nya arbetet, forskarna insåg att, för rätt laserpulslängd, de multipla nedbrytningarna som seedas av individuella elektroner inuti laserfokuset skulle förbli distinkta. Att ta bilder av laserfokalvolymen och räkna dessa gnistor - var och en utsäde av en individuell elektron - motsvarar mätning av densiteten hos dessa ursprungliga fröelektroner.

De fann att en mellan-infraröd laser (3,9 mikron våglängd) med en 50-pikosekunds pulsvaraktighet träffade sweet spot när det gäller både våglängd och pulslängd.

Känslighet plus information om plats och tid

Forskarna demonstrerade livskraften för detektionskonceptet genom att använda det för att mäta laddningstätheter som produceras nära en radioaktiv källa som joniserar luften. De mätte elektrontätheten ner till en koncentration av 1000 elektroner per kubikcentimeter, begränsad av bakgrundsladdningen i luft från kosmiska strålar och naturligt förekommande radioaktivitet. Metoden användes för att exakt jämföra deras laser lavinsond för fjärrdetektering av den radioaktiva källan.

"Andra metoder är begränsade till cirka 10 miljoner gånger högre koncentrationer av elektroner med liten eller ingen rumslig och tidsmässig upplösning, ", sa Milchberg. "Vår metod kan räkna elektroner direkt och bestämma deras plats med en precision i storleksordningen tio mikron på tidsskalor på cirka 10 pikosekunder."

Forskarna säger att tekniken kan användas för att mäta ultralåga laddningstätheter från en rad källor, inklusive starka fältfysikinteraktioner eller kemiska arter. "Att para ihop pikosekundens mitt-IR-laser med en andra laser som selektivt joniserar en molekyl av intresse kan tillåta tekniken att mäta förekomsten av kemikalier med känslighet som är mycket bättre än 1 del per biljon, den nuvarande gränsen för att detektera mycket små koncentrationer i en gas, "sa Woodbury. De fortsätter arbetet med att göra metoden mer praktisk för användning på fältet.