Los investigadores han desarrollado un nuevo método basado en láser que puede detectar cargas eléctricas y sustancias químicas de interés con una sensibilidad sin precedentes. El nuevo enfoque podría algún día ofrecer una forma de escanear grandes áreas en busca de material radiactivo o productos químicos peligrosos para aplicaciones de seguridad.

La nueva técnica, llamada avalancha de electrones impulsada por láser de picosegundos en el infrarrojo medio, detecta densidades de carga extremadamente bajas (el número de cargas eléctricas en un cierto volumen) en el aire u otros gases. Los investigadores pudieron medir las densidades de electrones en el aire producidas por una fuente radiactiva a niveles inferiores a una parte por cuatrillón. equivalente a extraer un electrón libre de un millón de billones de moléculas de aire normales.

En Optica , La revista de la Optical Society, Investigadores de la Universidad de Maryland informan que utilizan el nuevo método para calibrar los láseres utilizados para inspeccionar el aire irradiado a 1 metro de distancia. Dicen que el enfoque podría aplicarse a la detección de otras sustancias químicas y especies y podría ampliarse para la detección remota a distancias de 10 metros y, finalmente, 100 metros.

"Podemos determinar densidades de carga demasiado bajas para medirlas con cualquier otro método, "dijo Daniel Woodbury, el autor principal del artículo. "Demostramos la capacidad del método para detectar una fuente radiactiva, pero eventualmente podría usarse para cualquier situación que requiera medir trazas de una sustancia química en un gas, como ayudar a rastrear la contaminación, productos químicos o peligros para la seguridad ".

Detectando electrones en el aire

La nueva técnica se basa en un proceso conocido como avalancha de electrones en el que un rayo láser acelera un solo electrón libre en un gas hasta que obtiene suficiente energía para eliminar un electrón diferente de una molécula. resultando en un segundo electrón libre. Este proceso se repite y se convierte en una cascada de colisiones, o avalancha, que crece exponencialmente hasta que aparece una brillante chispa observable en el foco láser.

"Aunque la avalancha de electrones impulsada por láser ha existido desde la década de 1960, utilizamos un nuevo tipo de alta energía, Láser de longitud de onda larga (un láser de infrarrojo medio de picosegundos) para permitir la detección de cascadas de colisión localizadas sembradas solo por los electrones libres iniciales. "dijo Howard M. Milchberg, el líder del equipo de investigación. "Cuando se utilizan pulsos láser de longitud de onda más corta, los electrones libres originales que siembran las avalanchas están enmascarados por electrones libres generados directamente por fotones láser, en lugar de a través de colisiones ".

La investigación se basa en el trabajo previo del grupo, lo que demostró que la ruptura de avalancha impulsada por un láser de infrarrojo medio era sensible a la densidad de electrones cerca de una fuente radiactiva y cambió la cantidad de tiempo que tardó en ocurrir la ruptura.

"Concebimos este método para medir de forma remota la radiación cerca de una fuente radiactiva porque las señales de los contadores y centelleadores Geiger, detectores convencionales de productos de desintegración radiactiva, caer significativamente a distancias alejadas de la fuente, "dijo Robert M. Schwartz, un estudiante que trabaja en el proyecto. "Con un rayo láser, sin embargo, podemos sondear de forma remota los electrones producidos en el aire cerca de la fuente ".

Sin embargo, en sus experimentos anteriores era difícil determinar exactamente cuántos electrones estaban sembrando una ruptura porque el crecimiento de la avalancha es exponencial. "Diez, 100 o incluso 1000 electrones podrían producir señales muy similares, ", dijo Woodbury." Si bien podríamos usar modelos teóricos para dar estimaciones aproximadas, definitivamente no podríamos decir qué densidades de electrones estábamos midiendo ".

En el nuevo trabajo los investigadores se dieron cuenta de que, para la longitud correcta del pulso láser, las múltiples averías sembradas por electrones individuales dentro del foco láser seguirían siendo distintas. Tomar imágenes del volumen focal del láser y contar estas chispas, cada una sembrada por un electrón individual, es equivalente a medir la densidad de estos electrones semilla originales.

Descubrieron que un láser de infrarrojo medio (longitud de onda de 3,9 micrones) con una duración de pulso de 50 picosegundos alcanzaba el punto óptimo en términos de longitud de onda y duración del pulso.

Sensibilidad más información de ubicación y hora

Los investigadores demostraron la viabilidad del concepto de detección usándolo para medir las densidades de carga producidas cerca de una fuente radiactiva que ioniza el aire. Midieron densidades de electrones hasta una concentración de 1000 electrones por centímetro cúbico, limitado por la carga de fondo en el aire de los rayos cósmicos y la radiactividad natural. El método se utilizó para comparar con precisión su sonda de avalancha láser para la detección remota de la fuente radiactiva.

“Otros métodos están limitados a concentraciones de electrones aproximadamente 10 millones de veces más altas con poca o ninguna resolución espacial y temporal, ", dijo Milchberg." Nuestro método puede contar electrones directamente y determinar su ubicación con una precisión del orden de diez micrones en escalas de tiempo de aproximadamente 10 picosegundos ".

Los investigadores dicen que la técnica se puede utilizar para medir densidades de carga ultrabajas de una variedad de fuentes que incluyen fuertes interacciones físicas de campo o especies químicas. "Emparejar el láser de infrarrojo medio de picosegundos con un segundo láser que ioniza selectivamente una molécula de interés podría permitir que la técnica mida la presencia de sustancias químicas con sensibilidades mucho mejores que 1 parte por billón, el límite de corriente para detectar concentraciones muy pequeñas en un gas, ", dijo Woodbury. Continúan trabajando para hacer que el método sea más práctico para su uso en el campo.