馬里蘭大學(xué)物理學(xué)家開發(fā)了一種強(qiáng)大的新方法來檢測(cè)放射性物質(zhì)。利用紅外激光束在材料附近誘發(fā)電子雪崩擊穿現(xiàn)象，這項(xiàng)新技術(shù)能夠從遠(yuǎn)處探測(cè)到放射性材料，該方法改進(jìn)了目前需要與放射性物質(zhì)緊密接觸的技術(shù)。

隨著工程技術(shù)的進(jìn)一步進(jìn)步，這種方法可以擴(kuò)大規(guī)模，用于掃描入境口岸的卡車和集裝箱，為檢測(cè)隱藏的危險(xiǎn)放射性物質(zhì)提供了一個(gè)強(qiáng)大新工具。研究人員在2019年3月22日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上的一篇研究論文中描述了他們的概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

博科園-科學(xué)科普：傳統(tǒng)檢測(cè)方法依賴于放射性衰變粒子直接與探測(cè)器相互作用，所有這些方法的靈敏度都會(huì)隨著距離增加而降低。該方法的好處是：它本質(zhì)上是一個(gè)遠(yuǎn)程過程。隨著進(jìn)一步的發(fā)展，它可以從足球場(chǎng)那么遠(yuǎn)的距離探測(cè)到盒子里的放射性物質(zhì)。當(dāng)放射性物質(zhì)釋放出衰變粒子時(shí)，這些粒子將電子從空氣中鄰近的原子(或電離原子)中剝離出來，產(chǎn)生少量自由電子，這些電子能迅速附著在氧分子上。通過將紅外線激光束聚焦到這個(gè)區(qū)域，施瓦茨和同事們很容易地將這些電子從氧分子中分離出來。

從而在相對(duì)容易探測(cè)到的自由電子中播下了雪崩式的快速增長，電子雪崩可以從單個(gè)種子電子開始。因?yàn)榉派湓锤浇諝庵泻幸恍щ姾傻难醴肿樱词故窃谄帘蔚娜萜魍猓┧峁┝艘粋€(gè)利用強(qiáng)激光場(chǎng)播下雪崩種子的機(jī)會(huì)。電子雪崩是激光發(fā)明后的首批演示之一。這不是一個(gè)新現(xiàn)象，但該研究團(tuán)隊(duì)是第一個(gè)使用紅外激光種子雪崩擊穿輻射檢測(cè)。激光的紅外波長很重要，因?yàn)樗梢院苋菀锥姨貏e地將電子從氧離子中分離出來。在強(qiáng)紅外激光場(chǎng)作用下，光束中捕獲的自由電子會(huì)發(fā)生振蕩，并與附近的原子發(fā)生碰撞。

當(dāng)這些碰撞變得足夠有能量時(shí)，它們可以從原子中剝離更多的電子。電子雪崩的一個(gè)簡(jiǎn)單觀點(diǎn)是，在一次碰撞后，有兩個(gè)電子。然后，再來一次，得到4。然后整個(gè)過程級(jí)聯(lián)，直到完全電離為止，在這個(gè)過程中，系統(tǒng)中的所有原子都至少有一個(gè)電子被移除。當(dāng)激光路徑上的空氣開始電離時(shí)，它會(huì)對(duì)反射到探測(cè)器上紅外光產(chǎn)生可測(cè)量的影響。通過跟蹤這些變化，施瓦茨、米爾奇伯格和同事能夠確定空氣何時(shí)開始電離，以及達(dá)到完全電離需要多長時(shí)間。

電離過程的時(shí)間，或電子雪崩擊穿，給研究人員一個(gè)指示，有多少種子電子可以開始雪崩。這一估計(jì)反過來可以表明目標(biāo)中有多少放射性物質(zhì)。丹尼爾伍德伯里(Daniel Woodbury)說：電離時(shí)間是檢測(cè)初始電子密度最敏感的方法之一，我們使用的是相對(duì)較弱的探測(cè)激光脈沖，但它是‘啁啾’，這意味著較短波長首先通過雪崩的空氣，然后是較長的波長。通過測(cè)量通過紅外光的光譜成分與反射光譜成分，可以確定電離何時(shí)開始并到達(dá)終點(diǎn)。研究人員指出，該方法對(duì)放射性物質(zhì)的檢測(cè)具有高度特異性和敏感性。

沒有激光脈沖，放射性物質(zhì)本身不會(huì)引起電子雪崩。同樣，如果沒有放射性物質(zhì)產(chǎn)生的種子電子，光靠激光脈沖是不會(huì)引發(fā)雪崩的。雖然該方法目前仍處于概念驗(yàn)證階段，但研究人員展望了進(jìn)一步的工程發(fā)展，他們希望能使實(shí)際應(yīng)用增強(qiáng)全球入境口岸的安全性。目前使用的是實(shí)驗(yàn)室激光器，但在10年左右的時(shí)間里，工程師們也許能把這樣的系統(tǒng)裝進(jìn)一輛面包車?yán)?。無論你在哪里停車，都可以部署這樣的系統(tǒng)，這將提供一個(gè)非常強(qiáng)大的工具來監(jiān)控港口活動(dòng)。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自:??馬里蘭大學(xué)

參考期刊文獻(xiàn):《Science Advances》

DOI:?10.1126/sciadv.aAV6804

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