Onderzoekers hebben een nieuwe lasergebaseerde methode ontwikkeld die elektrische ladingen en interessante chemicaliën kan detecteren met een ongekende gevoeligheid. De nieuwe aanpak zou ooit een manier kunnen bieden om grote gebieden te scannen op radioactief materiaal of gevaarlijke chemicaliën voor veiligheids- en beveiligingstoepassingen.

De nieuwe techniek, genaamd mid-infrarood picoseconde lasergestuurde elektronenlawine, detecteert extreem lage ladingsdichtheden - het aantal elektrische ladingen in een bepaald volume - in lucht of andere gassen. De onderzoekers waren in staat om elektronendichtheden te meten in lucht geproduceerd door een radioactieve bron op niveaus onder één deel per quadriljoen, gelijk aan het uitkiezen van één vrij elektron uit een miljoen miljard normale luchtmoleculen.

In optiek , het tijdschrift van de Optical Society, onderzoekers van de Universiteit van Maryland rapporteren dat ze de nieuwe methode gebruiken om lasers te kalibreren die worden gebruikt om bestraalde lucht vanaf 1 meter afstand te inspecteren. Ze zeggen dat de aanpak kan worden toegepast op het detecteren van andere chemicaliën en soorten en kan worden opgeschaald voor detectie op afstand op afstanden van 10 meter en, eventueel, 100 meter.

"We kunnen ladingsdichtheden bepalen die veel te laag zijn om met een andere methode te meten, " zei Daniël Woodbury, de hoofdauteur van het papier. "We demonstreren het vermogen van de methode om een ​​radioactieve bron te detecteren, maar het kan uiteindelijk worden gebruikt voor elke situatie waarbij sporenhoeveelheden van een chemische stof in een gas moeten worden gemeten, zoals het helpen opsporen van vervuiling, chemicaliën of veiligheidsrisico's."

Detectie van elektronen in lucht

De nieuwe techniek is gebaseerd op een proces dat bekend staat als elektronenlawine, waarbij een laserstraal een enkel vrij elektron in een gas versnelt totdat het voldoende energie heeft om een ​​ander elektron van een molecuul te slaan. wat resulteert in een tweede vrij elektron. Dit proces herhaalt zich en ontwikkelt zich tot een botsingscascade, of lawine, die exponentieel groeit totdat een heldere waarneembare vonk in de laserfocus verschijnt.

"Hoewel laser-aangedreven elektronenlawine al bestaat sinds de jaren zestig, we gebruikten een nieuw soort hoge energie, lange-golflengte laser - een picoseconde mid-IR laser - om detectie mogelijk te maken van gelokaliseerde botsingscascades die alleen worden gezaaid door de aanvankelijke vrije elektronen, " zei Howard M. Milchberg, de onderzoeksteamleider. "Als laserpulsen met een kortere golflengte worden gebruikt, de oorspronkelijke vrije elektronen die de lawines zaaien, worden gemaskeerd door vrije elektronen die rechtstreeks worden gegenereerd door laserfotonen, in plaats van door botsingen."

Het onderzoek bouwt voort op het eerdere werk van de groep, wat aantoonde dat lawinedoorslag aangedreven door een mid-IR-laser gevoelig was voor de dichtheid van elektronen in de buurt van een radioactieve bron en de hoeveelheid tijd veranderde die nodig was om de doorslag te laten plaatsvinden.

"We hebben deze methode bedacht om op afstand straling in de buurt van een radioactieve bron te meten, omdat de signalen van geigertellers en scintillatoren, conventionele detectoren van radioactieve vervalproducten, aanzienlijk afnemen op afstanden ver van de bron, " zei Robert M. Schwartz, een student die aan het project werkt. "Met een laserstraal, echter, we kunnen op afstand elektronen onderzoeken die in de lucht nabij de bron worden geproduceerd."

Echter, in hun vorige experimenten was het moeilijk om precies te bepalen hoeveel elektronen een afbraak zaaiden, omdat de lawinegroei exponentieel is. "Tien, 100 of zelfs 1000 elektronen kunnen allemaal zeer vergelijkbare signalen produceren, " zei Woodbury. "Hoewel we theoretische modellen zouden kunnen gebruiken om ruwe schattingen te geven, we konden niet definitief zeggen welke elektronendichtheden we aan het meten waren."

In het nieuwe werk de onderzoekers beseften dat, voor de juiste laserpulslengte, de meervoudige storingen veroorzaakt door individuele elektronen in de laserfocus zouden verschillend blijven. Het maken van beelden van het brandpuntsvolume van de laser en het tellen van deze vonken - elk gezaaid door een individueel elektron - komt overeen met het meten van de dichtheid van deze oorspronkelijke kiemelektronen.

Ze ontdekten dat een midden-infraroodlaser (3,9 micron golflengte) met een pulsduur van 50 picoseconde de goede plek bereikte in termen van zowel golflengte als pulsduur.

Gevoeligheid plus locatie- en tijdinformatie

De onderzoekers toonden de levensvatbaarheid van het detectieconcept aan door het te gebruiken om ladingsdichtheden te meten die worden geproduceerd in de buurt van een radioactieve bron die de lucht ioniseert. Ze maten elektronendichtheden tot een concentratie van 1000 elektronen per kubieke centimeter, beperkt door de achtergrondlading in de lucht door kosmische straling en natuurlijk voorkomende radioactiviteit. De methode werd gebruikt om hun laserlawinesonde nauwkeurig te benchmarken voor detectie op afstand van de radioactieve bron.

"Andere methoden zijn beperkt tot ongeveer 10 miljoen keer hogere concentraties van elektronen met weinig tot geen ruimtelijke en temporele resolutie, "zei Milchberg. "Onze methode kan elektronen direct tellen en hun locatie bepalen met een precisie in de orde van tien micron op tijdschalen van ongeveer 10 picoseconden."

De onderzoekers zeggen dat de techniek kan worden gebruikt om ultralage ladingsdichtheden te meten uit een reeks bronnen, waaronder sterke veldfysica-interacties of chemische soorten. "Door de picoseconde mid-IR-laser te koppelen aan een tweede laser die selectief een molecuul van belang ioniseert, zou de techniek de aanwezigheid van chemicaliën kunnen meten met gevoeligheden die veel beter zijn dan 1 deel per biljoen, de huidige limiet voor het detecteren van zeer kleine concentraties in een gas, " zei Woodbury. Ze blijven werken om de methode praktischer te maken voor gebruik in het veld.