Radioaktivt materiale detekteres eksternt ved hjælp af laserinduceret elektronskredbrud

Fysikere ved University of Maryland har udviklet en kraftfuld ny metode til at detektere radioaktivt materiale. Ved at bruge en infrarød laserstråle til at fremkalde et fænomen, der kaldes en elektronskred i nærheden af ​​materialet, den nye teknik er i stand til at detektere afskærmet materiale på afstand. Metoden forbedrer de nuværende teknologier, der kræver nærhed til det radioaktive materiale.

Med yderligere tekniske fremskridt, metoden kunne skaleres op og bruges til at scanne lastbiler og forsendelsescontainere ved indgangshavne, leverer et kraftfuldt nyt værktøj til at opdage skjult, farligt radioaktivt materiale. Forskerne beskrev deres proof-of-concept-eksperimenter i et forskningsartikel, der blev offentliggjort den 22. marts, 2019 i journalen Videnskab fremskridt .

"Traditionelle detektionsmetoder er afhængige af, at en radioaktiv henfaldspartikel interagerer direkte med en detektor. Alle disse metoder falder i følsomhed med afstand, "sagde Robert Schwartz, en fysik kandidatstuderende ved UMD og hovedforfatteren af ​​forskningsopgaven. "Fordelen ved vores metode er, at det i sagens natur er en fjernproces. Med videre udvikling, det kunne detektere radioaktivt materiale inde i en kasse fra længden af ​​en fodboldbane. "

Da radioaktivt materiale udsender forfaldspartikler, partiklerne fjerner elektroner fra - eller ioniserer - nærliggende atomer i luften, skaber et lille antal frie elektroner, der hurtigt vedhæfter iltmolekyler. Ved at fokusere en infrarød laserstråle ind i dette område, Schwartz og hans kolleger løsner let disse elektroner fra deres iltmolekyler, såning af en lavine-lignende hurtig stigning i frie elektroner, der er relativt let at opdage.

"En elektronskred kan starte med en enkelt frøelektron. Fordi luften nær en radioaktiv kilde har nogle ladede iltmolekyler - selv uden for en afskærmet beholder - giver det mulighed for at frø en lavine ved at anvende et intensivt laserfelt, "sagde Howard Milchberg, professor i fysik og elektroteknik og computerteknik ved UMD og seniorforfatter af forskningspapiret, der også har en aftale hos IREAP. "Elektronskred var blandt de første demonstrationer, efter at laseren blev opfundet. Dette er ikke et nyt fænomen, men vi er de første til at bruge en infrarød laser til at så et lavineopbrud til strålingsdetektering. Laserens infrarøde bølgelængde er vigtig, fordi det let og specifikt kan løsne elektroner fra iltioner. "

Anvendelse af en intens, infrarødt laserfelt får de frie elektroner fanget i strålen til at svinge og kollidere med atomer i nærheden. Når disse kollisioner bliver energiske nok, de kan rive flere elektroner væk fra atomerne.

"En enkel opfattelse af lavine er, at efter et sammenstød, du har to elektroner. Derefter, dette sker igen, og du har fire. Så kaskader det hele, indtil du har fuld ionisering, hvor alle atomer i systemet har fjernet mindst én elektron, "Forklarede Milchberg.

Da luften i laserens vej begynder at ionisere, det har en målbar effekt på det reflekterede infrarøde lys, eller tilbagespredt, mod en detektor. Ved at spore disse ændringer, Schwartz, Milchberg og deres kolleger var i stand til at afgøre, hvornår luften begyndte at ionisere, og hvor lang tid det tog at nå fuld ionisering.

Tidspunktet for ioniseringsprocessen, eller elektronskredbrud, giver forskerne en indikation af, hvor mange frøelektroner der var til rådighed til at påbegynde lavinen. Dette skøn, på tur, kan angive, hvor meget radioaktivt materiale der er til stede i målet.

"Tidspunktet for ionisering er en af ​​de mest følsomme måder at registrere indledende elektrontæthed på, "sagde Daniel Woodbury, en fysik kandidatstuderende ved UMD og en medforfatter af forskningspapiret. "Vi bruger en relativt svag sonde -laserpuls, men det kvidrede, 'betyder, at kortere bølgelængder passerer gennem lavineluften først, derefter længere. Ved at måle de spektrale komponenter i det infrarøde lys, der passerer gennem det, der reflekteres, vi kan bestemme, hvornår ionisering starter og når sit slutpunkt. "

Forskerne bemærker, at deres metode er yderst specifik og følsom over for påvisning af radioaktivt materiale. Uden en laserpuls, radioaktivt materiale alene vil ikke fremkalde en elektronskred. Tilsvarende en laserpuls alene vil ikke fremkalde en lavine, uden frøelektronerne skabt af det radioaktive materiale.

Selvom metoden fortsat er en proof-of-concept-øvelse for nu, forskerne forestiller sig yderligere ingeniørudviklinger, som de håber vil muliggøre praktiske applikationer for at øge sikkerheden ved indrejsehavne over hele kloden.

"Lige nu arbejder vi med en laser i laboratoriestørrelse, men om 10 år eller deromkring, ingeniører kan muligvis montere et system som dette i en varevogn, "Schwartz sagde." Overalt hvor du kan parkere en lastbil, du kan implementere et sådant system. Dette ville give et meget kraftfuldt værktøj til at overvåge aktivitet i havne. "

Forskningspapiret, "Fjerndetektering af radioaktivt materiale ved hjælp af laser-drevet midter-IR-lavine-nedbrydning, "Robert Schwartz, Daniel Woodbury, Joshua Isaacs, Phillip Sprangle og Howard Milchberg, blev offentliggjort i tidsskriftet Videnskab fremskridt den 22. marts 2019.