這項(xiàng)新技術(shù)被稱為中紅外皮秒激光驅(qū)動(dòng)的電子雪崩技術(shù)，它能探測(cè)到極低的電荷密度——在一定體積的空氣或其他氣體中電荷的數(shù)量。研究人員能夠測(cè)量出一個(gè)放射源產(chǎn)生的空氣中的電子密度，其水平低于每萬億分之一，相當(dāng)于從一百萬個(gè)正?？諝夥肿又刑暨x出一個(gè)自由電子。

  在光學(xué)學(xué)會(huì)雜志optica上，馬里蘭大學(xué)的研究人員使用新的方法校準(zhǔn)了激光，這種激光用于檢測(cè)1米外的輻射空氣。他們說，這種方法可以應(yīng)用于檢測(cè)其他化學(xué)物質(zhì)和物種，并且可以擴(kuò)大到10米遠(yuǎn)，最終100米遠(yuǎn)的地方進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測(cè)。

  該論文的主要作者丹尼爾·伍德伯里（DanielWoodbury）說：“我們可以確定的電荷密度太低，無法用任何其他方法測(cè)量。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)量氣體中微量化學(xué)品的情況，例如幫助跟蹤污染、化學(xué)品或安全隱患?！?/span>

探測(cè)空氣中的電子

  這項(xiàng)新技術(shù)是基于一個(gè)被稱為電子雪崩的過程，在這個(gè)過程中，激光束加速氣體中的一個(gè)自由電子，直到它獲得足夠的能量將另一個(gè)電子從分子上擊落，從而產(chǎn)生第二個(gè)自由電子。這個(gè)過程重復(fù)并發(fā)展成一個(gè)碰撞級(jí)聯(lián)，或雪崩，成倍增長(zhǎng)，直到一個(gè)明亮的可見火花出現(xiàn)在激光焦點(diǎn)。

  “雖然激光驅(qū)動(dòng)的電子雪崩自20世紀(jì)60年代就已經(jīng)存在，但我們使用了一種新的高能長(zhǎng)波激光——皮秒中頻紅外激光器，以檢測(cè)僅由初始自由電子播種的局部碰撞級(jí)聯(lián)，”研究小組負(fù)責(zé)人霍華德M.米爾奇伯格說?！爱?dāng)使用較短波長(zhǎng)的激光脈沖時(shí)，引發(fā)雪崩的原始自由電子被激光光子直接產(chǎn)生的自由電子所掩蓋，而不是通過碰撞?！?/span>

  這項(xiàng)研究建立在該小組先前的工作的基礎(chǔ)上，該工作表明，由中頻紅外激光器驅(qū)動(dòng)的雪崩擊穿對(duì)靠近放射源的電子密度很敏感，并改變了發(fā)生擊穿所需的時(shí)間。

  “我們?cè)O(shè)想了這種方法來遠(yuǎn)程測(cè)量放射源附近的輻射，因?yàn)閬碜陨w革計(jì)數(shù)器和閃爍體（傳統(tǒng)的放射性衰變產(chǎn)物探測(cè)器）的信號(hào)在遠(yuǎn)離放射源的距離處明顯下降，”從事該項(xiàng)目的學(xué)生羅伯特M.施瓦茨說。“然而，利用激光束，我們可以遠(yuǎn)程探測(cè)源附近空氣中產(chǎn)生的電子?！?/span>

  然而，在他們之前的實(shí)驗(yàn)中，很難精確地確定有多少電子引發(fā)了擊穿，因?yàn)檠┍涝鲩L(zhǎng)是指數(shù)級(jí)的?！蔽榈虏镎f：“10個(gè)、100個(gè)甚至1000個(gè)電子都能產(chǎn)生非常相似的信號(hào)?！彪m然我們可以使用理論模型給出粗略的估計(jì)，但我們不能確切地說出我們測(cè)量的電子密度?！?/span>

  在這項(xiàng)新的工作中，研究人員意識(shí)到，對(duì)于正確的激光脈沖長(zhǎng)度，由激光焦點(diǎn)內(nèi)的單個(gè)電子產(chǎn)生的多重故障將保持明顯。拍攝激光焦距的圖像并計(jì)算這些火花，每個(gè)火花由一個(gè)單獨(dú)的電子播種，相當(dāng)于測(cè)量這些原始種子電子的密度。

  他們發(fā)現(xiàn)，脈沖持續(xù)時(shí)間為50皮秒的中紅外激光器（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)到了最佳狀態(tài)。

高的靈敏度加上位置和時(shí)間信息

  研究人員通過測(cè)量電離空氣的放射源附近產(chǎn)生的電荷密度，證明了探測(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，受宇宙射線和自然產(chǎn)生的放射性在空氣中的背景電荷的限制。利用該方法對(duì)激光雪崩探測(cè)器進(jìn)行了精確的基準(zhǔn)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了對(duì)放射源的遠(yuǎn)程檢測(cè)。

 “其他的方法被限制在大約1000萬倍高的電子濃度，幾乎沒有時(shí)間和空間分辨率，”米爾奇伯格說。“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微米的精度確定電子的位置?！?/span>

  研究人員說，這項(xiàng)技術(shù)可用于從一系列來源（包括強(qiáng)場(chǎng)物理相互作用或化學(xué)物質(zhì)）測(cè)量超低電荷密度?！皩⑵っ胫蓄l紅外激光器與第二個(gè)選擇性電離感興趣分子的激光器配對(duì)，可以使這項(xiàng)技術(shù)測(cè)量靈敏度遠(yuǎn)高于萬億分之一的化學(xué)物質(zhì)的存在，這是檢測(cè)氣體中非常小濃度的電流限制，”伍德伯里說。他們正在繼續(xù)努力使這一方法在該領(lǐng)域更為實(shí)用。

原文鏈接：http://www.omsc.org.cn/news/html/?851.html

論文鏈接：Laser method promising for detecting trace chemicals in air

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