有望用于檢測(cè)空氣中痕量化學(xué)物質(zhì)的激光方法

研究人員開(kāi)發(fā)出一種新的基于激光的方法，可以以前所未有的靈敏度檢測(cè)感興趣的電荷和化學(xué)物質(zhì)。有朝一日，新方法可以提供一種掃描大面積放射性物質(zhì)或危險(xiǎn)化學(xué)品的方法，用于安全和安全應(yīng)用。

這種被稱為中紅外皮秒激光驅(qū)動(dòng)的電子雪崩的新技術(shù)可檢測(cè)出極低的電荷密度 - 空氣或其他氣體中一定體積的電荷數(shù)量。研究人員能夠測(cè)量放射源產(chǎn)生的空氣中電子密度，其水平低于每千萬(wàn)億分之一，相當(dāng)于從一百億個(gè)正常空氣分子中挑選出一個(gè)自由電子。

在Optica，光學(xué)學(xué)會(huì)的期刊上，馬里蘭大學(xué)的研究人員報(bào)告說(shuō)，使用這種新方法來(lái)校準(zhǔn)用于檢測(cè)1米外輻射空氣的激光。他們說(shuō)這種方法可以應(yīng)用于檢測(cè)其他化學(xué)物質(zhì)和物種，并且可以按比例放大，以便在10米的距離進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測(cè)，最終可以達(dá)到100米。

“我們可以確定電荷密度太低而無(wú)法用任何其他方法測(cè)量，”該報(bào)的第一作者丹尼爾伍德伯里說(shuō)。“我們證明了該方法檢測(cè)放射源的能力，但它最終可用于任何需要測(cè)量氣體中痕量化學(xué)物質(zhì)的情況，例如幫助追蹤污染，化學(xué)品或安全隱患。”

檢測(cè)空氣中的電子

這項(xiàng)新技術(shù)基于一種稱為電子雪崩的過(guò)程，其中激光束加速氣體中的單個(gè)自由電子，直到它獲得足夠的能量從分子中敲出不同的電子，從而產(chǎn)生第二個(gè)自由電子。這個(gè)過(guò)程重復(fù)并發(fā)展成碰撞級(jí)聯(lián)或雪崩，它以指數(shù)方式增長(zhǎng)，直到激光焦點(diǎn)出現(xiàn)明亮的可觀察火花。

“盡管自20世紀(jì)60年代以來(lái)激光驅(qū)動(dòng)的電子雪崩已經(jīng)存在，但我們使用了一種新型的高能長(zhǎng)波激光器 - 皮秒中紅外激光器 - 能夠檢測(cè)僅由初始自由電子接種的局部碰撞級(jí)聯(lián)， “研究小組負(fù)責(zé)人Howard M. Milchberg說(shuō)道。“當(dāng)使用較短波長(zhǎng)的激光脈沖時(shí)，接收雪崩的原始自由電子被激光光子直接產(chǎn)生的自由電子掩蓋，而不是通過(guò)碰撞。”

該研究以該小組之前的工作為基礎(chǔ)，該研究表明，由中紅外激光驅(qū)動(dòng)的雪崩擊穿對(duì)放射源附近的電子密度敏感，并改變了擊穿發(fā)生所需的時(shí)間。

“我們?cè)O(shè)想這種方法可以遠(yuǎn)程測(cè)量放射源附近的輻射，因?yàn)閬?lái)自蓋革計(jì)數(shù)器和閃爍體的信號(hào)，放射性衰變產(chǎn)品的常規(guī)探測(cè)器，遠(yuǎn)離源頭的距離顯著下降，”Robert M. Schwartz說(shuō)，他是一名學(xué)生。項(xiàng)目。“ 然而，使用激光束，我們可以遠(yuǎn)程探測(cè)源附近空氣中產(chǎn)生的電子。”

然而，在他們之前的實(shí)驗(yàn)中，由于雪崩生長(zhǎng)呈指數(shù)增長(zhǎng)，很難準(zhǔn)確確定有多少電子正在播種。“10,100甚至1000個(gè)電子都可以產(chǎn)生非常相似的信號(hào)，”伍德伯里說(shuō)。“雖然我們可以使用理論模型進(jìn)行粗略估計(jì)，但我們無(wú)法明確說(shuō)出我們測(cè)量的電子密度。”

在新的研究中，研究人員意識(shí)到，對(duì)于正確的激光脈沖長(zhǎng)度，激光焦點(diǎn)內(nèi)的單個(gè)電子所接種的多次擊穿將保持不同。拍攝激光聚焦體積的圖像并計(jì)算這些火花 - 每個(gè)由單個(gè)電子接種 - 相當(dāng)于測(cè)量這些原始種子電子的密度。

他們發(fā)現(xiàn)，具有50皮秒脈沖持續(xù)時(shí)間的中紅外激光(3.9微米波長(zhǎng))在波長(zhǎng)和脈沖持續(xù)時(shí)間方面都達(dá)到了最佳點(diǎn)。

靈敏度加上位置和時(shí)間信息

研究人員利用它來(lái)測(cè)量放射源附近產(chǎn)生的電荷密度，從而證明了檢測(cè)概念的可行性。他們測(cè)量的電子密度低至每立方厘米1000個(gè)電子的濃度，受到來(lái)自宇宙射線的空氣中的背景電荷和自然發(fā)生的放射性的限制。該方法用于精確地對(duì)其激光雪崩探針進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試，以遠(yuǎn)程檢測(cè)放射源。

“其他方法僅限于大約1000萬(wàn)倍高的電子濃度，幾乎沒(méi)有空間和時(shí)間分辨率，”Milchberg說(shuō)。“我們的方法可以直接對(duì)電子進(jìn)行計(jì)數(shù)，并在大約10皮秒的時(shí)間尺度上以10微米的精度確定它們的位置。”

研究人員表示，該技術(shù)可用于測(cè)量來(lái)自各種來(lái)源的超低電荷密度，包括強(qiáng)場(chǎng)物理相互作用或化學(xué)物質(zhì)。“將皮秒中紅外激光器與選擇性電離感興趣分子的第二激光器配對(duì)，可以使該技術(shù)測(cè)量化學(xué)物質(zhì)的存在，其靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于萬(wàn)億分之一，即檢測(cè)氣體中極小濃度的當(dāng)前限制，“伍德伯里說(shuō)。他們正在繼續(xù)努力使該方法更適用于該領(lǐng)域。

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