近日，美國馬里蘭大學(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)。特別是對于放射性物質(zhì)，傳統(tǒng)的檢測方法——使用蓋革計(jì)數(shù)器或其他手持設(shè)備進(jìn)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(yùn)輸。
      由OSA研究員Howard Milchberg領(lǐng)導(dǎo)的美國馬里蘭大學(xué)的一個(gè)研究小組展示了一個(gè)概念性的檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用中紅外激光探測放射性物質(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，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1.4-1.5μm內(nèi)的70 ps探測脈沖；另一個(gè)是能量較高的波長為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，可以用來測量擊穿時(shí)間。探針脈沖通過擊穿區(qū)，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(jìn)行比較。
       研究人員將這些脈沖對準(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(guī)?；到y(tǒng)邁進(jìn) 
       研究人員承認(rèn)，要將他們的臺式系統(tǒng)擴(kuò)展到適合繁忙入口的現(xiàn)場就緒設(shè)置，還有很多工作要做。挑戰(zhàn)之一將是調(diào)整的強(qiáng)度、波長和激光啟動(dòng)電子雪崩擊裝置的現(xiàn)場尺寸，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)铩Ｔ谌魏慰梢酝＼嚨牡胤?，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)?！?/span>

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。