Los físicos de la Universidad de Maryland han desarrollado un nuevo y poderoso método para detectar material radiactivo. Mediante el uso de un rayo láser infrarrojo para inducir un fenómeno conocido como ruptura por avalancha de electrones cerca del material, la nueva técnica es capaz de detectar material protegido a distancia. El método mejora las tecnologías actuales que requieren una gran proximidad al material radiactivo.

Con avances de ingeniería adicionales, el método podría ampliarse y utilizarse para escanear camiones y contenedores de envío en los puertos de entrada, proporcionando una nueva y poderosa herramienta para detectar ocultos, material radiactivo peligroso. Los investigadores describieron sus experimentos de prueba de concepto en un artículo de investigación publicado el 22 de marzo. 2019 en la revista Avances de la ciencia .

"Los métodos de detección tradicionales se basan en una partícula de desintegración radiactiva que interactúa directamente con un detector. Todos estos métodos disminuyen en sensibilidad con la distancia, "dijo Robert Schwartz, estudiante de posgrado en física en la UMD y autor principal del artículo de investigación. "El beneficio de nuestro método es que es inherentemente un proceso remoto. Con un mayor desarrollo, podría detectar material radiactivo dentro de una caja desde la longitud de un campo de fútbol ".

Como el material radiactivo emite partículas de desintegración, las partículas quitan o ionizan los electrones de los átomos cercanos en el aire, creando una pequeña cantidad de electrones libres que se adhieren rápidamente a las moléculas de oxígeno. Al enfocar un rayo láser infrarrojo en esta área, Schwartz y sus colegas separaron fácilmente estos electrones de sus moléculas de oxígeno, sembrando un rápido aumento similar a una avalancha de electrones libres que es relativamente fácil de detectar.

"Una avalancha de electrones puede comenzar con un solo electrón semilla. Debido a que el aire cerca de una fuente radiactiva tiene algunas moléculas de oxígeno cargadas, incluso fuera de un contenedor blindado, brinda la oportunidad de sembrar una avalancha mediante la aplicación de un campo láser intenso, "dijo Howard Milchberg, profesor de física e ingeniería eléctrica e informática en la UMD y autor principal del artículo de investigación, que también tiene cita en IREAP. "Las avalanchas de electrones estuvieron entre las primeras demostraciones después de que se inventó el láser. Este no es un fenómeno nuevo, pero somos los primeros en utilizar un láser infrarrojo para sembrar una avalancha para la detección de radiación. La longitud de onda infrarroja del láser es importante, porque puede separar fácil y específicamente los electrones de los iones de oxígeno ".

Aplicando un intenso, El campo láser infrarrojo hace que los electrones libres atrapados en el rayo oscilen y colisionen con los átomos cercanos. Cuando estas colisiones se vuelven lo suficientemente enérgicas, pueden arrancar más electrones de los átomos.

"Una vista simple de la avalancha es que después de una colisión, tienes dos electrones. Luego, esto vuelve a pasar y tienes cuatro. Luego, todo cae en cascada hasta que tienes la ionización completa, donde todos los átomos del sistema tienen al menos un electrón eliminado, "Milchberg explicó.

A medida que el aire en la trayectoria del láser comienza a ionizarse, tiene un efecto medible sobre la luz infrarroja reflejada, o dispersos, hacia un detector. Al rastrear estos cambios, Schwartz, Milchberg y sus colegas pudieron determinar cuándo comenzó a ionizarse el aire y cuánto tiempo tardó en alcanzar la ionización completa.

El momento del proceso de ionización, o la ruptura de la avalancha de electrones, da a los investigadores una indicación de cuántos electrones semilla estaban disponibles para comenzar la avalancha. Esta estimación, Sucesivamente, puede indicar la cantidad de material radiactivo presente en el objetivo.

"El momento de la ionización es una de las formas más sensibles de detectar la densidad inicial de electrones, "dijo Daniel Woodbury, estudiante de posgrado en física en la UMD y coautor del trabajo de investigación. "Estamos usando un pulso láser de sonda relativamente débil, pero es 'gorjeo, 'lo que significa que las longitudes de onda más cortas pasan primero a través del aire en avalancha, luego los más largos. Al medir los componentes espectrales de la luz infrarroja que pasa frente a lo que se refleja, podemos determinar cuándo comienza la ionización y alcanza su punto final ".

Los investigadores señalan que su método es muy específico y sensible a la detección de material radiactivo. Sin pulso láser, el material radiactivo por sí solo no inducirá una avalancha de electrones. Similar, un pulso de láser por sí solo no inducirá una avalancha, sin los electrones semilla creados por el material radiactivo.

Si bien el método sigue siendo un ejercicio de prueba de concepto por ahora, Los investigadores prevén nuevos desarrollos de ingeniería que esperan que permitan aplicaciones prácticas para mejorar la seguridad en los puertos de entrada en todo el mundo.

"Ahora mismo estamos trabajando con un láser del tamaño de un laboratorio, pero en 10 años más o menos, los ingenieros pueden instalar un sistema como este en el interior de una furgoneta, ", Dijo Schwartz." En cualquier lugar donde pueda estacionar un camión, puede implementar un sistema de este tipo. Esto proporcionaría una herramienta muy poderosa para monitorear la actividad en los puertos ".

El trabajo de investigación, "Detección remota de material radiactivo mediante avería de avalancha impulsada por láser de infrarrojo medio, "Robert Schwartz, Daniel Woodbury, Joshua Isaacs, Phillip Sprangle y Howard Milchberg, fue publicado en la revista Avances de la ciencia el 22 de marzo 2019.