马里兰大学物理学家开发了一种强大的新方法来检测放射性物质。利用红外激光束在材料附近诱发电子雪崩击穿现象，这项新技术能够从远处探测到放射性材料，该方法改进了目前需要与放射性物质紧密接触的技术。随着工程技术的进一步进步，这种方法可以扩大规模，用于扫描入境口岸的卡车和集装箱，为检测隐藏的危险放射性物质提供了一个强大新工具。研究人员在2019年3月22日发表在《科学进展》期刊上的一篇研究论文中描述了他们的概念验证实验。
博科园-科学科普：传统检测方法依赖于放射性衰变粒子直接与探测器相互作用，所有这些方法的灵敏度都会随着距离增加而降低。该方法的好处是：它本质上是一个远程过程。随着进一步的发展，它可以从足球场那么远的距离探测到盒子里的放射性物质。当放射性物质释放出衰变粒子时，这些粒子将电子从空气中邻近的原子(或电离原子)中剥离出来，产生少量自由电子，这些电子能迅速附着在氧分子上。通过将红外线激光束聚焦到这个区域，施瓦茨和同事们很容易地将这些电子从氧分子中分离出来。
从而在相对容易探测到的自由电子中播下了雪崩式的快速增长，电子雪崩可以从单个种子电子开始。因为放射源附近空气中含有一些带电荷的氧分子（即使是在屏蔽的容器外）它提供了一个利用强激光场播下雪崩种子的机会。电子雪崩是激光发明后的首批演示之一。这不是一个新现象，但该研究团队是第一个使用红外激光种子雪崩击穿辐射检测。激光的红外波长很重要，因为它可以很容易而且特别地将电子从氧离子中分离出来。在强红外激光场作用下，光束中捕获的自由电子会发生振荡，并与附近的原子发生碰撞。
当这些碰撞变得足够有能量时，它们可以从原子中剥离更多的电子。电子雪崩的一个简单观点是，在一次碰撞后，有两个电子。然后，再来一次，得到4。然后整个过程级联，直到完全电离为止，在这个过程中，系统中的所有原子都至少有一个电子被移除。当激光路径上的空气开始电离时，它会对反射到探测器上红外光产生可测量的影响。通过跟踪这些变化，施瓦茨、米尔奇伯格和同事能够确定空气何时开始电离，以及达到完全电离需要多长时间。
电离过程的时间，或电子雪崩击穿，给研究人员一个指示，有多少种子电子可以开始雪崩。这一估计反过来可以表明目标中有多少放射性物质。丹尼尔伍德伯里(Daniel Woodbury)说：电离时间是检测初始电子密度最敏感的方法之一，我们使用的是相对较弱的探测激光脉冲，但它是‘啁啾’，这意味着较短波长首先通过雪崩的空气，然后是较长的波长。通过测量通过红外光的光谱成分与反射光谱成分，可以确定电离何时开始并到达终点。研究人员指出，该方法对放射性物质的检测具有高度特异性和敏感性。
马里兰大学(University of Maryland)物理学家开出一种检测放射性物质的新方法，可以扩大到扫描入境口岸的集装箱——这为安全应用提供了一个强大的新工具。图片：USDA/APHIS
没有激光脉冲，放射性物质本身不会引起电子雪崩。同样，如果没有放射性物质产生的种子电子，光靠激光脉冲是不会引发雪崩的。虽然该方法目前仍处于概念验证阶段，但研究人员展望了进一步的工程发展，他们希望能使实际应用增强全球入境口岸的安全性。目前使用的是实验室激光器，但在10年左右的时间里，工程师们也许能把这样的系统装进一辆面包车里。无论你在哪里停车，都可以部署这样的系统，这将提供一个非常强大的工具来监控港口活动。
博科园-科学科普｜研究/来自:马里兰大学
参考期刊文献:《Science Advances》
DOI:10.1126/sciadv.aav6804
博科园-传递宇宙科学之美
