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近日，美國(guó)馬里蘭大學(xué)(University of Maryland)的科學(xué)家展示了一種利用中紅外激光探測(cè)放射性物質(zhì)的技術(shù)，經(jīng)過工程改進(jìn)，這種技術(shù)可以用于掃描繁忙入境口岸的集裝箱，距離最遠(yuǎn)可達(dá)100米。
       在以集裝箱運(yùn)輸和卡車貨物跨境運(yùn)輸為主導(dǎo)的全球經(jīng)濟(jì)中，檢測(cè)危險(xiǎn)或非法材料成為了一項(xiàng)日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。特別是對(duì)于放射性物質(zhì)，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法——使用蓋革計(jì)數(shù)器或其他手持設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，這需要近距離接觸可疑樣本，不適用于繁忙的港口運(yùn)輸。
      由OSA研究員Howard Milchberg領(lǐng)導(dǎo)的美國(guó)馬里蘭大學(xué)的一個(gè)研究小組展示了一個(gè)概念性的檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用中紅外激光探測(cè)放射性物質(zhì)(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(yuǎn)達(dá)100米的屏蔽容器的入口點(diǎn)發(fā)現(xiàn)輻射源。
電子雪崩擊穿 
       馬里蘭研究小組的方法是通過探測(cè)一種叫做激光誘導(dǎo)電子雪崩擊穿的現(xiàn)象來實(shí)現(xiàn)的。在放射源附近，來自放射源的阿爾法、貝塔和伽瑪輻射會(huì)使附近的大氣氣體電離，產(chǎn)生帶正電荷的離子和電子。通過這片電離空氣發(fā)射出高強(qiáng)度的電磁場(chǎng)，例如激光脈沖，加速了這些自由電子的運(yùn)動(dòng)。這反過來又將自由電子推入其他氣體分子中，引發(fā)進(jìn)一步的電離作用，形成一種鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，產(chǎn)生導(dǎo)電等離子體，直到達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定水平，自由電子的增長(zhǎng)放緩。
       Milchberg和這項(xiàng)新研究的主要作者、研究生Robert Schwartz及其同事指出，激光驅(qū)動(dòng)的振蕩和電離將導(dǎo)致脈沖后向散射輻射的時(shí)間位移。更重要的是，“擊穿時(shí)間”即激光驅(qū)動(dòng)的電子擊穿變?yōu)榭蓽y(cè)量的時(shí)間，取決于最初出現(xiàn)在激光焦體積中的自由電子的密度，以及該區(qū)域放射性物質(zhì)的數(shù)量。綜上所述，這些觀念體現(xiàn)了利用激光誘導(dǎo)的電子雪崩擊穿遠(yuǎn)距離探測(cè)放射性物質(zhì)的可能性。
概念驗(yàn)證 
       為了驗(yàn)證這個(gè)概念，研究團(tuán)隊(duì)建立一個(gè)臺(tái)式混合光學(xué)參量放大器(OPA)/光參量啁啾脈沖放大器(OPCPA)系統(tǒng)用以產(chǎn)生兩個(gè)脈沖：一個(gè)是弱的在近紅外波長(zhǎng)1.4-1.5μm內(nèi)的70 ps探測(cè)脈沖；另一個(gè)是能量較高的波長(zhǎng)為3.9μm的50ps泵浦脈沖。泵浦脈沖用于驅(qū)動(dòng)電子雪崩擊穿和提供擊穿區(qū)域的反向散射信號(hào)，可以用來測(cè)量擊穿時(shí)間。探針脈沖通過擊穿區(qū)，被光電探測(cè)器捕獲用于光譜分析，為擊穿過程提供了參考信號(hào)，可以與背散射信號(hào)進(jìn)行比較。
       研究人員將這些脈沖對(duì)準(zhǔn)了放射性釙-210薄片樣品附近的一塊空氣區(qū)域，釙-210薄片是電離阿爾法粒子的一個(gè)強(qiáng)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(xì)跟蹤不同泵浦激光強(qiáng)度、距離和初始電離值下電子雪崩擊穿的時(shí)間演化。他們發(fā)現(xiàn)他們可以將探測(cè)脈沖記錄的演化過程映射到長(zhǎng)波長(zhǎng)泵浦脈沖后向散射信號(hào)的變化。
向規(guī)模化系統(tǒng)邁進(jìn) 
       研究人員承認(rèn)，要將他們的臺(tái)式系統(tǒng)擴(kuò)展到適合繁忙入口的現(xiàn)場(chǎng)就緒設(shè)置，還有很多工作要做。挑戰(zhàn)之一將是調(diào)整的強(qiáng)度、波長(zhǎng)和激光啟動(dòng)電子雪崩擊裝置的現(xiàn)場(chǎng)尺寸，使其在距離穿放射性物質(zhì)附近100米時(shí)仍然保持低強(qiáng)度足以避免觸發(fā)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(tuán)隊(duì)正致力于這些和其他工程的改進(jìn)，使系統(tǒng)從概念驗(yàn)證到現(xiàn)場(chǎng)使用。
       然而，該研究的第一作者Schwartz樂觀地認(rèn)為，該系統(tǒng)最終可能為解決入境口岸的棘手問題提供有效的幫助?！艾F(xiàn)在我們正在使用實(shí)驗(yàn)室大小的激光器，”他在研究報(bào)告的新聞發(fā)布會(huì)上指出?！暗?0年左右的時(shí)間里，工程師們也許能把這樣的系統(tǒng)裝進(jìn)一輛面包車?yán)?。在任何可以停車的地方，都可以部署這樣的系統(tǒng)。這將提供一個(gè)非常強(qiáng)大的工具來監(jiān)控港口的活動(dòng)。”

圖：該技術(shù)使用中紅外激光源觸發(fā)附近放射性物質(zhì)電離的空氣中的電子雪崩，導(dǎo)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(zhì)的數(shù)量上。