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利用激光技术检测空气中微量化学物质

2019-08-16 96 字号


 

这项新技术被称为中红外皮秒激光驱动的电子雪崩技术,它能探测到极低的电荷密度——在一定体积的空气或其他气体中电荷的数量。研究人员能够测量出一个放射源产生的空气中的电子密度,其水平低于每万亿分之一,相当于从一百万个正常空气分子中挑选出一个自由电子。

在光学学会杂志optica上,马里兰大学的研究人员使用新的方法校准了激光,这种激光用于检测1米外的辐射空气。他们说,这种方法可以应用于检测其他化学物质和物种,并且可以扩大到10米远,最终100米远的地方进行远程检测。

该论文的主要作者丹尼尔·伍德伯里(DanielWoodbury)说:“我们可以确定的电荷密度太低,无法用任何其他方法测量。我们证明了该方法检测放射源的能力,但它最终可用于任何需要测量气体中微量化学品的情况,例如帮助跟踪污染、化学品或安全隐患。”

探测空气中的电子

这项新技术是基于一个被称为电子雪崩的过程,在这个过程中,激光束加速气体中的一个自由电子,直到它获得足够的能量将另一个电子从分子上击落,从而产生第二个自由电子。这个过程重复并发展成一个碰撞级联,或雪崩,成倍增长,直到一个明亮的可见火花出现在激光焦点。

“虽然激光驱动的电子雪崩自20世纪60年代就已经存在,但我们使用了一种新的高能长波激光——皮秒中频红外激光器,以检测仅由初始自由电子播种的局部碰撞级联,”研究小组负责人霍华德M.米尔奇伯格说。“当使用较短波长的激光脉冲时,引发雪崩的原始自由电子被激光光子直接产生的自由电子所掩盖,而不是通过碰撞。”

这项研究建立在该小组先前的工作的基础上,该工作表明,由中频红外激光器驱动的雪崩击穿对靠近放射源的电子密度很敏感,并改变了发生击穿所需的时间。

“我们设想了这种方法来远程测量放射源附近的辐射,因为来自盖革计数器和闪烁体(传统的放射性衰变产物探测器)的信号在远离放射源的距离处明显下降,”从事该项目的学生罗伯特M.施瓦茨说。“然而,利用激光束,我们可以远程探测源附近空气中产生的电子。”

然而,在他们之前的实验中,很难精确地确定有多少电子引发了击穿,因为雪崩增长是指数级的。”伍德伯里说:“10个、100个甚至1000个电子都能产生非常相似的信号。”虽然我们可以使用理论模型给出粗略的估计,但我们不能确切地说出我们测量的电子密度。”

在这项新的工作中,研究人员意识到,对于正确的激光脉冲长度,由激光焦点内的单个电子产生的多重故障将保持明显。拍摄激光焦距的图像并计算这些火花,每个火花由一个单独的电子播种,相当于测量这些原始种子电子的密度。

他们发现,脉冲持续时间为50皮秒的中红外激光器(3.9微米波长)在波长和脉冲持续时间方面都达到了最佳状态。

高的灵敏度加上位置和时间信息

研究人员通过测量电离空气的放射源附近产生的电荷密度,证明了探测概念的可行性。他们测量的电子密度低至每立方厘米1000个电子的浓度,受宇宙射线和自然产生的放射性在空气中的背景电荷的限制。利用该方法对激光雪崩探测器进行了精确的基准测试,实现了对放射源的远程检测。

 “其他的方法被限制在大约1000万倍高的电子浓度,几乎没有时间和空间分辨率,”米尔奇伯格说。“我们的方法可以直接对电子进行计数,并在大约10皮秒的时间尺度上以10微米的精度确定电子的位置。

研究人员说,这项技术可用于从一系列来源(包括强场物理相互作用或化学物质)测量超低电荷密度。“将皮秒中频红外激光器与第二个选择性电离感兴趣分子的激光器配对,可以使这项技术测量灵敏度远高于万亿分之一的化学物质的存在,这是检测气体中非常小浓度的电流限制,”伍德伯里说。他们正在继续努力使这一方法在该领域更为实用。

 

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