Lasermetode lovende til påvisning af sporkemikalier i luften

Forskere har udviklet en ny laserbaseret metode, der kan detektere elektriske ladninger og kemikalier af interesse med en hidtil uset følsomhed. Den nye tilgang kan en dag tilbyde en måde at scanne store områder for radioaktivt materiale eller farlige kemikalier til sikkerheds- og sikkerhedsapplikationer.

Den nye teknik, kaldet mid-infrarødt picosekund laserdrevet elektronskred, registrerer ekstremt lave ladningstætheder - antallet af elektriske ladninger i et bestemt volumen - i luft eller andre gasser. Forskerne var i stand til at måle elektrontætheder i luft produceret af en radioaktiv kilde på niveauer under en del pr. Kvadrillion, svarer til at udvælge en fri elektron fra en million milliarder normale luftmolekyler.

I Optica , The Optical Society's journal, forskere fra University of Maryland rapporterer ved hjælp af den nye metode til kalibrering af lasere, der bruges til at inspicere bestrålet luft fra 1 meter væk. De siger, at metoden kan anvendes til påvisning af andre kemikalier og arter og kan skaleres op til fjerndetektering på 10 meters afstand og, til sidst, 100 meter.

"Vi kan bestemme ladningstætheder alt for lave til at måle med enhver anden metode, "sagde Daniel Woodbury, hovedforfatteren på papiret. "Vi demonstrerer metodens evne til at detektere en radioaktiv kilde, men det kan i sidste ende bruges til enhver situation, der kræver måling af spormængder af et kemikalie i en gas, såsom at hjælpe med at spore forurening, kemikalier eller sikkerhedsrisici. "

Registrering af elektroner i luften

Den nye teknik er baseret på en proces kendt som elektronskred, hvor en laserstråle accelererer en enkelt fri elektron i en gas, indtil den får nok energi til at slå en anden elektron ud af et molekyle, hvilket resulterer i en anden fri elektron. Denne proces gentages og udvikler sig til en kollisionskaskade, eller lavine, der vokser eksponentielt, indtil en lys observerbar gnist vises i laserfokus.

"Selvom laserdrevet elektronskred har eksisteret siden 1960'erne, vi brugte en ny form for høj energi, laser med lang bølgelængde-en picosekund mid-IR laser-for at muliggøre detektion af lokaliserede kollisionskaskader, der kun er podet af de første frie elektroner, "sagde Howard M. Milchberg, forskerholdets leder. "Når der bruges kortere bølgelængde laserpulser, de originale frie elektroner, der sår lavinerne, er maskeret af frie elektroner genereret direkte af laserfotoner, frem for gennem kollisioner. "

Forskningen bygger på gruppens tidligere arbejde, som demonstrerede, at lavine-nedbrydning drevet af en mid-IR-laser var følsom over for elektronens tæthed nær en radioaktiv kilde og ændrede den tid, det tog, før nedbrydningen skete.

"Vi udtænkte denne metode til fjernmåling af stråling nær en radioaktiv kilde, fordi signalerne fra Geiger -tællere og scintillatorer, konventionelle detektorer af radioaktive henfaldsprodukter, falde betydeligt på afstande langt fra kilden, "sagde Robert M. Schwartz, en elev, der arbejder på projektet. "Med en laserstråle, imidlertid, vi kan fjernprobe elektroner produceret i luft nær kilden. "

Imidlertid, i deres tidligere eksperimenter var det svært at bestemme præcis, hvor mange elektroner der såede et sammenbrud, fordi skredvæksten er eksponentiel. "Ti, 100 eller endda 1000 elektroner kunne alle producere meget lignende signaler, "sagde Woodbury." Selvom vi kunne bruge teoretiske modeller til at give grove skøn, vi kunne ikke endegyldigt sige, hvilke elektrontætheder vi målte. "

I det nye værk, forskerne indså, at til den rigtige laserpulslængde, de flere sammenbrud, der blev podet af individuelle elektroner inde i laserfokus, ville forblive tydelige. At tage billeder af laserfokalvolumen og tælle disse gnister - hver seedet af en individuel elektron - svarer til måling af densiteten af ​​disse originale frøelektroner.

De fandt ud af, at en mellem-infrarød laser (3,9 mikron bølgelængde) med en 50-pikosekunds pulsvarighed ramte det søde sted med hensyn til både bølgelængde og pulsvarighed.

Følsomhed plus oplysninger om placering og tid

Forskerne demonstrerede detektionskonceptets levedygtighed ved at bruge det til at måle ladningstætheder produceret nær en radioaktiv kilde, der ioniserer luften. De målte elektrontætheder ned til en koncentration på 1000 elektroner pr. Kubikcentimeter, begrænset af baggrundsladningen i luft fra kosmiske stråler og naturligt forekommende radioaktivitet. Metoden blev brugt til præcist at sammenligne deres laser -lavinesonde til fjerndetektering af den radioaktive kilde.

"Andre metoder er begrænset til cirka 10 millioner gange højere koncentrationer af elektroner med ringe eller ingen rumlig og tidsmæssig opløsning, "sagde Milchberg." Vores metode kan tælle elektroner direkte og bestemme deres placering med en præcision i størrelsesordenen ti mikron på tidsskalaer på omkring 10 picosekunder. "

Forskerne siger, at teknikken kan bruges til at måle ultra-lave ladningstætheder fra en række kilder, herunder stærke feltfysiske interaktioner eller kemiske arter. "Parring af picosekund-mid-IR-laseren med en anden laser, der selektivt ioniserer et molekyle af interesse, kunne give teknikken mulighed for at måle tilstedeværelsen af ​​kemikalier med følsomheder langt bedre end 1 del pr. Billioner, den nuværende grænse for påvisning af meget små koncentrationer i en gas, "sagde Woodbury. De fortsætter arbejdet med at gøre metoden mere praktisk til brug i marken.