Natuurkundigen van de Universiteit van Maryland hebben een krachtige nieuwe methode ontwikkeld om radioactief materiaal te detecteren. Door een infrarode laserstraal te gebruiken om een ​​fenomeen te induceren dat bekend staat als een elektronenlawine-doorslag nabij het materiaal, de nieuwe techniek kan afgeschermd materiaal op afstand detecteren. De methode is een verbetering ten opzichte van de huidige technologieën die de nabijheid van het radioactieve materiaal vereisen.

Met extra technische verbeteringen, de methode zou kunnen worden opgeschaald en gebruikt om vrachtwagens en zeecontainers in aankomsthavens te scannen, een krachtig nieuw hulpmiddel bieden om verborgen, gevaarlijk radioactief materiaal. De onderzoekers beschreven hun proof-of-concept-experimenten in een onderzoekspaper gepubliceerd op 22 maart, 2019 in het journaal wetenschappelijke vooruitgang .

"Traditionele detectiemethoden zijn afhankelijk van een radioactief vervaldeeltje dat rechtstreeks in wisselwerking staat met een detector. Al deze methoden nemen in gevoeligheid af met de afstand, " zei Robert Schwartz, een afgestudeerde natuurkundestudent aan de UMD en de hoofdauteur van het onderzoekspaper. "Het voordeel van onze methode is dat het inherent een proces op afstand is. Bij verdere ontwikkeling, het zou radioactief materiaal in een doos kunnen detecteren vanaf de lengte van een voetbalveld."

Omdat radioactief materiaal vervaldeeltjes uitzendt, de deeltjes strippen elektronen van - of ioniseren - nabije atomen in de lucht, waardoor een klein aantal vrije elektronen ontstaat die zich snel hechten aan zuurstofmoleculen. Door een infrarode laserstraal in dit gebied te focussen, Schwartz en zijn collega's maakten deze elektronen gemakkelijk los van hun zuurstofmoleculen, het zaaien van een lawine-achtige snelle toename van vrije elektronen die relatief eenvoudig te detecteren is.

"Een elektronenlawine kan beginnen met een enkel zaadelektron. Omdat de lucht in de buurt van een radioactieve bron enkele geladen zuurstofmoleculen heeft - zelfs buiten een afgeschermde container - biedt het de mogelijkheid om een ​​lawine te zaaien door een intens laserveld toe te passen, " zei Howard Milchberg, een professor in de natuurkunde en elektrische en computertechniek aan de UMD en senior auteur van het onderzoekspaper, die ook een afspraak heeft bij IREAP. "Elektronenlawines behoorden tot de eerste demonstraties nadat de laser was uitgevonden. Dit is geen nieuw fenomeen, maar we zijn de eersten die een infraroodlaser gebruiken om een ​​lawine-afbraak te zaaien voor stralingsdetectie. De infrarode golflengte van de laser is belangrijk, omdat het gemakkelijk en specifiek elektronen kan losmaken van zuurstofionen."

Het toepassen van een intense, infrarood laserveld zorgt ervoor dat de vrije elektronen die in de straal worden gevangen, oscilleren en botsen met atomen in de buurt. Wanneer deze botsingen energiek genoeg worden, ze kunnen meer elektronen wegscheuren van de atomen.

"Een eenvoudig beeld van een lawine is dat na één botsing, je hebt twee elektronen. Vervolgens, dit gebeurt opnieuw en je hebt er vier. Dan valt het hele ding in cascade tot je volledige ionisatie hebt, waarbij van alle atomen in het systeem ten minste één elektron is verwijderd, ’ legde Milchberg uit.

Als de lucht in het pad van de laser begint te ioniseren, het heeft een meetbaar effect op het gereflecteerde infrarood licht, of terugverstrooid, in de richting van een detector. Door deze veranderingen bij te houden, Schwartz, Milchberg en hun collega's konden bepalen wanneer de lucht begon te ioniseren en hoe lang het duurde om volledige ionisatie te bereiken.

De timing van het ionisatieproces, of de doorslag van de elektronenlawine, geeft de onderzoekers een indicatie van hoeveel zaadelektronen er beschikbaar waren om de lawine te beginnen. Deze schatting, beurtelings, kan aangeven hoeveel radioactief materiaal in het doelwit aanwezig is.

"Timing van ionisatie is een van de meest gevoelige manieren om de initiële elektronendichtheid te detecteren, " zei Daniël Woodbury, een afgestudeerde natuurkundestudent aan de UMD en een co-auteur van het onderzoekspaper. "We gebruiken een relatief zwakke sondelaserpuls, maar het is 'gepiept, ' wat betekent dat kortere golflengten eerst door de lawinelucht gaan, dan langere. Door de spectrale componenten te meten van het infrarode licht dat er doorheen gaat versus wat wordt gereflecteerd, we kunnen bepalen wanneer ionisatie begint en zijn eindpunt bereikt."

De onderzoekers merken op dat hun methode zeer specifiek en gevoelig is voor de detectie van radioactief materiaal. Zonder laserpuls, radioactief materiaal alleen zal geen elektronenlawine veroorzaken. evenzo, een laserpuls alleen veroorzaakt geen lawine, zonder de zaadelektronen die door het radioactieve materiaal worden gecreëerd.

Hoewel de methode voorlopig een proof-of-concept-oefening blijft, de onderzoekers voorzien verdere technische ontwikkelingen waarvan ze hopen dat ze praktische toepassingen mogelijk zullen maken om de beveiliging van toegangspoorten over de hele wereld te verbeteren.

"Op dit moment werken we met een laser op laboratoriumformaat, maar over een jaar of 10, ingenieurs kunnen zo'n systeem in een bestelwagen passen, "Zei Schwartz. "Overal waar je een vrachtwagen kunt parkeren, u kunt zo'n systeem implementeren. Dit zou een zeer krachtig hulpmiddel zijn om de activiteit in havens te monitoren."

Het onderzoeksrapport, "Op afstand detecteren van radioactief materiaal met behulp van mid-IR lasergestuurde lawinedoorslag, "Robert Schwartz, Daniël Woodbury, Jozua Isaaks, Phillip Sprangle en Howard Milchberg, werd gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang op 22 maart, 2019.