馬里蘭大學物理學家開發(fā)了一種強大的新方法來檢測放射性物質。利用紅外激光束在材料附近誘發(fā)電子雪崩擊穿現象，這項新技術能夠從遠處探測到放射性材料，該方法改進了目前需要與放射性物質緊密接觸的技術。隨著工程技術的進一步進步，這種方法可以擴大規(guī)模，用于掃描入境口岸的卡車和集裝箱，為檢測隱藏的危險放射性物質提供了一個強大新工具。研究人員在2019年3月22日發(fā)表在《科學進展》期刊上的一篇研究論文中描述了他們的概念驗證實驗。

傳統(tǒng)檢測方法依賴于放射性衰變粒子直接與探測器相互作用，所有這些方法的靈敏度都會隨著距離增加而降低。該方法的好處是：它本質上是一個遠程過程。隨著進一步的發(fā)展，它可以從足球場那么遠的距離探測到盒子里的放射性物質。當放射性物質釋放出衰變粒子時，這些粒子將電子從空氣中鄰近的原子(或電離原子)中剝離出來，產生少量自由電子，這些電子能迅速附著在氧分子上。通過將紅外線激光束聚焦到這個區(qū)域，施瓦茨和同事們很容易地將這些電子從氧分子中分離出來。

從而在相對容易探測到的自由電子中播下了雪崩式的快速增長，電子雪崩可以從單個種子電子開始。因為放射源附近空氣中含有一些帶電荷的氧分子（即使是在屏蔽的容器外）它提供了一個利用強激光場播下雪崩種子的機會。電子雪崩是激光發(fā)明后的首批演示之一。這不是一個新現象，但該研究團隊是第一個使用紅外激光種子雪崩擊穿輻射檢測。激光的紅外波長很重要，因為它可以很容易而且特別地將電子從氧離子中分離出來。在強紅外激光場作用下，光束中捕獲的自由電子會發(fā)生振蕩，并與附近的原子發(fā)生碰撞。

當這些碰撞變得足夠有能量時，它們可以從原子中剝離更多的電子。電子雪崩的一個簡單觀點是，在一次碰撞后，有兩個電子。然后，再來一次，得到四個。然后整個過程級聯，直到完全電離為止，在這個過程中，系統(tǒng)中的所有原子都至少有一個電子被移除。當激光路徑上的空氣開始電離時，它會對反射到探測器上紅外光產生可測量的影響。通過跟蹤這些變化，施瓦茨、米爾奇伯格和同事能夠確定空氣何時開始電離，以及達到完全電離需要多長時間。

電離過程的時間，或電子雪崩擊穿，給研究人員一個指示，有多少種子電子可以開始雪崩。這一估計反過來可以表明目標中有多少放射性物質。丹尼爾伍德伯里(Daniel Woodbury)說：電離時間是檢測初始電子密度最敏感的方法之一，我們使用的是相對較弱的探測激光脈沖，但它是‘啁啾’，這意味著較短波長首先通過雪崩的空氣，然后是較長的波長。通過測量通過紅外光的光譜成分與反射光譜成分，可以確定電離何時開始并到達終點。研究人員指出，該方法對放射性物質的檢測具有高度特異性和敏感性。

馬里蘭大學(University of Maryland)物理學家開出一種檢測放射性物質的新方法，可以擴大到掃描入境口岸的集裝箱——這為安全應用提供了一個強大的新工具。圖片來源：USDA/APHIS

沒有激光脈沖，放射性物質本身不會引起電子雪崩。同樣，如果沒有放射性物質產生的種子電子，光靠激光脈沖是不會引發(fā)雪崩的。雖然該方法目前仍處于概念驗證階段，但研究人員展望了進一步的工程發(fā)展，他們希望能使實際應用增強全球入境口岸的安全性。目前使用的是實驗室激光器，但在10年左右的時間里，工程師們也許能把這樣的系統(tǒng)裝進一輛面包車里。無論你在哪里停車，都可以部署這樣的系統(tǒng)，這將提供一個非常強大的工具來監(jiān)控港口活動。