近日，美國馬里蘭大學(University of Maryland)的科學家展示了一種利用中紅外激光探測放射性物質的技術，經過工程改進，這種技術可以用于掃描繁忙入境口岸的集裝箱，距離最遠可達100米。
在以集裝箱運輸和卡車貨物跨境運輸為主導的全球經濟中，檢測危險或非法材料成為了一項日益嚴峻的挑戰。特別是對于放射性物質，傳統的檢測方法——使用蓋革計數器或其他手持設備進行檢測，這需要近距離接觸可疑樣本，不適用于繁忙的港口運輸。
由OSA研究員Howard Milchberg領導的美國馬里蘭大學的一個研究小組展示了一個概念性的檢測系統，該系統使用中紅外激光探測放射性物質(Sci. Adv., doi: 10.1126/sciadv.aav6804)。研究人員相信，這種方法最終可以在距離最遠達100米的屏蔽容器的入口點發現輻射源。
電子雪崩擊穿
馬里蘭研究小組的方法是通過探測一種叫做激光誘導電子雪崩擊穿的現象來實現的。在放射源附近，來自放射源的阿爾法、貝塔和伽瑪輻射會使附近的大氣氣體電離，產生帶正電荷的離子和電子。通過這片電離空氣發射出高強度的電磁場，例如激光脈沖，加速了這些自由電子的運動。這反過來又將自由電子推入其他氣體分子中，引發進一步的電離作用，形成一種鏈式反應，產生導電等離子體，直到達到一個穩定水平，自由電子的增長放緩。
Milchberg和這項新研究的主要作者、研究生Robert Schwartz及其同事指出，激光驅動的振蕩和電離將導致脈沖后向散射輻射的時間位移。更重要的是，“擊穿時間”即激光驅動的電子擊穿變為可測量的時間，取決于最初出現在激光焦體積中的自由電子的密度，以及該區域放射性物質的數量。綜上所述，這些觀念體現了利用激光誘導的電子雪崩擊穿遠距離探測放射性物質的可能性。
概念驗證
為了驗證這個概念，研究團隊建立一個臺式混合光學參量放大器(OPA)/光參量啁啾脈沖放大器(OPCPA)系統用以產生兩個脈沖：一個是弱的在近紅外波長1.4-1.5μm內的70 ps探測脈沖；另一個是能量較高的波長為3.9μm的50ps泵浦脈沖。泵浦脈沖用于驅動電子雪崩擊穿和提供擊穿區域的反向散射信號，可以用來測量擊穿時間。探針脈沖通過擊穿區，被光電探測器捕獲用于光譜分析，為擊穿過程提供了參考信號，可以與背散射信號進行比較。
研究人員將這些脈沖對準了放射性釙-210薄片樣品附近的一塊空氣區域，釙-210薄片是電離阿爾法粒子的一個強大來源。他們能夠利用啁啾近紅外探針脈沖的光譜分析，仔細跟蹤不同泵浦激光強度、距離和初始電離值下電子雪崩擊穿的時間演化。他們發現他們可以將探測脈沖記錄的演化過程映射到長波長泵浦脈沖后向散射信號的變化。
向規模化系統邁進
研究人員承認，要將他們的臺式系統擴展到適合繁忙入口的現場就緒設置，還有很多工作要做。挑戰之一將是調整的強度、波長和激光啟動電子雪崩擊裝置的現場尺寸，使其在距離穿放射性物質附近100米時仍然保持低強度足以避免觸發由于稀薄自然背景的電離大氣中氧氣與宇宙射線引起的故障。該團隊正致力于這些和其他工程的改進，使系統從概念驗證到現場使用。
然而，該研究的第一作者Schwartz樂觀地認為，該系統最終可能為解決入境口岸的棘手問題提供有效的幫助。“現在我們正在使用實驗室大小的激光器，”他在研究報告的新聞發布會上指出。“但在10年左右的時間里，工程師們也許能把這樣的系統裝進一輛面包車里。在任何可以停車的地方，都可以部署這樣的系統。這將提供一個非常強大的工具來監控港口的活動。”
圖：該技術使用中紅外激光源觸發附近放射性物質電離的空氣中的電子雪崩，導致部分脈沖能量的后向散射，這種反向散射能量的特性可以映射到放射性物質的數量上。
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