科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出一種基于激光的新方法，可以以前所未有的靈敏度檢測感興趣的電荷和化學(xué)物質(zhì)。這種新方法有一天可能提供一種掃描大面積放射性物質(zhì)或危險(xiǎn)化學(xué)品的方法，用于安全和安全應(yīng)用。這項(xiàng)新技術(shù)被稱為中紅外皮秒激光驅(qū)動的電子雪崩，它能探測到空氣或其他氣體中極低的電荷密度(特定體積中的電荷數(shù))。研究人員能夠測量輻射源產(chǎn)生空氣中的電子密度，其水平低于千萬億分之一，相當(dāng)于從百億個正常空氣分子中選出一個自由電子。
其研究發(fā)表在《光學(xué)學(xué)報(bào)》(Optica)上，馬里蘭大學(xué)研究人員報(bào)告稱，使用這種新方法校準(zhǔn)了用于檢測1米外受輻射空氣的激光。這種方法可以用于檢測其他化學(xué)物質(zhì)和物種，并可以擴(kuò)大到10米甚至100米的距離進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測。論文第一作者丹尼爾·伍德伯里說：可以確定電荷密度太低，無法用任何其他方法測量。”研究展示了這種方法檢測放射源的能力。但它最終可以用于任何需要測量氣體中微量化學(xué)物質(zhì)的情況，比如幫助追蹤污染、化學(xué)品或安全隱患。
探測空氣中的電子
這項(xiàng)新技術(shù)是基于一個被稱為電子雪崩的過程，在這個過程中，激光束加速氣體中的單個自由電子，直到它獲得足夠的能量將另一個電子從分子上撞下來，從而產(chǎn)生第二個自由電子。這個過程重復(fù)并發(fā)展成一個碰撞級聯(lián)，或雪崩，增長指數(shù)，直到一個明亮的可觀察到的火花出現(xiàn)在激光焦點(diǎn)。盡管激光驅(qū)動的電子雪崩自20世紀(jì)60年代以來就存在。但該研究使用了一種新的高能長波長激光（皮秒中紅外激光）
來探測只由初始自由電子播下種子的局部碰撞級連，當(dāng)使用較短波長的激光脈沖時(shí)，最初播下雪崩種子的自由電子被直接由激光光子產(chǎn)生的自由電子所掩蓋，而不是通過碰撞。該研究建立在該小組之前研究的基礎(chǔ)上，該研究表明，中紅外激光器驅(qū)動的雪崩擊穿對放射源附近電子的密度很敏感，并改變了擊穿發(fā)生所需的時(shí)間。研究設(shè)想用這種方法遠(yuǎn)程測量放射源附近的輻射。
因?yàn)閭鹘y(tǒng)放射性衰變產(chǎn)物探測器蓋革計(jì)數(shù)器和閃爍體發(fā)出的信號，在遠(yuǎn)離放射源的地方會顯著下降。然而，利用激光束，可以遠(yuǎn)程探測到源附近空氣中產(chǎn)生的電子，然而之前的實(shí)驗(yàn)中，由于電子雪崩增長是指數(shù)級的，所以很難確定到底有多少電子正在播下?lián)舸┑姆N子。10個、100個甚至1000個電子都可以產(chǎn)生非常相似的信號。
雖然可以用理論模型給出粗略的估計(jì)，但不能確定所測量的電子密度是多少。對于合適的激光脈沖長度，激光聚焦內(nèi)單個電子引發(fā)的多次擊穿將保持不同。拍攝激光聚焦體積的圖像并計(jì)算這些火花的數(shù)量（每個火花由單個電子播下）相當(dāng)于測量這些原始種子電子的密度。發(fā)現(xiàn)，波長為50皮秒的中紅外激光器(3.9微米波長)在波長和脈沖持續(xù)時(shí)間方面都達(dá)到了最佳狀態(tài)。
靈敏度+位置和時(shí)間信息
研究人員通過測量電離空氣放射源附近產(chǎn)生的電荷密度，證明了探測概念的可行性。測量了電子密度到每立方厘米1000個電子，這受到來自宇宙射線的背景電荷和自然發(fā)生的放射性限制。利用該方法對其激光雪崩探測器進(jìn)行了精確的基準(zhǔn)檢測，實(shí)現(xiàn)了對放射源的遠(yuǎn)程探測。其他方法被限制在大約1000萬倍高的電子密度下，幾乎沒有空間和時(shí)間分辨率。該方法可以直接計(jì)數(shù)電子，并在10皮秒的時(shí)間尺度上以10微米的精度確定它們位置。
這項(xiàng)技術(shù)可以用來測量各種來源的超低電荷密度，包括強(qiáng)場物理相互作用或化學(xué)物質(zhì)。將皮秒中紅外激光器與選擇性電離感興趣分子的第二束激光配對，可以讓這項(xiàng)技術(shù)測量靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過萬億分之一的化學(xué)物質(zhì)存在。萬億分之一是目前檢測氣體中非常小密度的極限，研究人員正在繼續(xù)努力，使這種方法在實(shí)地更實(shí)用。
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