近日，美国马里兰大学(University of Maryland)的科学家展示了一种利用中红外激光探测放射性物质的技术，经过工程改进，这种技术可以用于扫描繁忙入境口岸的集装箱，距离最远可达100米。
在以集装箱运输和卡车货物跨境运输为主导的全球经济中，检测危险或非法材料成为了一项日益严峻的挑战。特别是对于放射性物质，传统的检测方法——使用盖革计数器或其他手持设备进行检测，这需要近距离接触可疑样本，不适用于繁忙的港口运输。
由OSA研究员Howard Milchberg领导的美国马里兰大学的一个研究小组展示了一个概念性的检测系统，该系统使用中红外激光探测放射性物质(Sci. Adv., doi: 10.1126/sciadv.aav6804)。研究人员相信，这种方法最终可以在距离最远达100米的屏蔽容器的入口点发现辐射源。
电子雪崩击穿
马里兰研究小组的方法是通过探测一种叫做激光诱导电子雪崩击穿的现象来实现的。在放射源附近，来自放射源的阿尔法、贝塔和伽玛辐射会使附近的大气气体电离，产生带正电荷的离子和电子。通过这片电离空气发射出高强度的电磁场，例如激光脉冲，加速了这些自由电子的运动。这反过来又将自由电子推入其他气体分子中，引发进一步的电离作用，形成一种链式反应，产生导电等离子体，直到达到一个稳定水平，自由电子的增长放缓。
Milchberg和这项新研究的主要作者、研究生Robert Schwartz及其同事指出，激光驱动的振荡和电离将导致脉冲后向散射辐射的时间位移。更重要的是，“击穿时间”即激光驱动的电子击穿变为可测量的时间，取决于最初出现在激光焦体积中的自由电子的密度，以及该区域放射性物质的数量。综上所述，这些观念体现了利用激光诱导的电子雪崩击穿远距离探测放射性物质的可能性。
概念验证
为了验证这个概念，研究团队建立一个台式混合光学参量放大器(OPA)/光参量啁啾脉冲放大器(OPCPA)系统用以产生两个脉冲：一个是弱的在近红外波长1.4-1.5μm内的70 ps探测脉冲；另一个是能量较高的波长为3.9μm的50ps泵浦脉冲。泵浦脉冲用于驱动电子雪崩击穿和提供击穿区域的反向散射信号，可以用来测量击穿时间。探针脉冲通过击穿区，被光电探测器捕获用于光谱分析，为击穿过程提供了参考信号，可以与背散射信号进行比较。
研究人员将这些脉冲对准了放射性钋-210薄片样品附近的一块空气区域，钋-210薄片是电离阿尔法粒子的一个强大来源。他们能够利用啁啾近红外探针脉冲的光谱分析，仔细跟踪不同泵浦激光强度、距离和初始电离值下电子雪崩击穿的时间演化。他们发现他们可以将探测脉冲记录的演化过程映射到长波长泵浦脉冲后向散射信号的变化。
向规模化系统迈进
研究人员承认，要将他们的台式系统扩展到适合繁忙入口的现场就绪设置，还有很多工作要做。挑战之一将是调整的强度、波长和激光启动电子雪崩击装置的现场尺寸，使其在距离穿放射性物质附近100米时仍然保持低强度足以避免触发由于稀薄自然背景的电离大气中氧气与宇宙射线引起的故障。该团队正致力于这些和其他工程的改进，使系统从概念验证到现场使用。
然而，该研究的第一作者Schwartz乐观地认为，该系统最终可能为解决入境口岸的棘手问题提供有效的帮助。“现在我们正在使用实验室大小的激光器，”他在研究报告的新闻发布会上指出。“但在10年左右的时间里，工程师们也许能把这样的系统装进一辆面包车里。在任何可以停车的地方，都可以部署这样的系统。这将提供一个非常强大的工具来监控港口的活动。”

图：该技术使用中红外激光源触发附近放射性物质电离的空气中的电子雪崩，导致部分脉冲能量的后向散射，这种反向散射能量的特性可以映射到放射性物质的数量上。