I fisici dell'Università del Maryland hanno sviluppato un nuovo potente metodo per rilevare il materiale radioattivo. Utilizzando un raggio laser a infrarossi per indurre un fenomeno noto come rottura di una valanga di elettroni vicino al materiale, la nuova tecnica è in grado di rilevare a distanza materiale schermato. Il metodo migliora le attuali tecnologie che richiedono una stretta vicinanza al materiale radioattivo.

Con ulteriori progressi ingegneristici, il metodo potrebbe essere ampliato e utilizzato per scansionare camion e container nei porti di ingresso, fornendo un nuovo potente strumento per rilevare nascosti, materiale radioattivo pericoloso. I ricercatori hanno descritto i loro esperimenti di proof-of-concept in un documento di ricerca pubblicato il 22 marzo, 2019 sulla rivista Progressi scientifici .

"I metodi di rilevamento tradizionali si basano su una particella di decadimento radioattivo che interagisce direttamente con un rilevatore. Tutti questi metodi diminuiscono di sensibilità con la distanza, " ha detto Robert Schwartz, uno studente laureato in fisica all'UMD e l'autore principale del documento di ricerca. "Il vantaggio del nostro metodo è che è intrinsecamente un processo remoto. Con un ulteriore sviluppo, potrebbe rilevare materiale radioattivo all'interno di una scatola dalla lunghezza di un campo di calcio."

Poiché il materiale radioattivo emette particelle di decadimento, le particelle strappano elettroni da—o ionizzano—gli atomi vicini nell'aria, creando un piccolo numero di elettroni liberi che si attaccano rapidamente alle molecole di ossigeno. Focalizzando un raggio laser a infrarossi in quest'area, Schwartz e i suoi colleghi hanno facilmente staccato questi elettroni dalle loro molecole di ossigeno, seminando un rapido aumento simile a una valanga di elettroni liberi che è relativamente facile da rilevare.

"Una valanga di elettroni può iniziare con un singolo elettrone seme. Poiché l'aria vicino a una sorgente radioattiva ha alcune molecole di ossigeno cariche, anche al di fuori di un contenitore schermato, offre l'opportunità di seminare una valanga applicando un intenso campo laser, " ha detto Howard Milchberg, professore di fisica e ingegneria elettrica e informatica presso l'UMD e autore senior del documento di ricerca, che ha anche un appuntamento all'IREAP. "Le valanghe di elettroni sono state tra le prime dimostrazioni dopo l'invenzione del laser. Questo non è un fenomeno nuovo, ma siamo i primi ad utilizzare un laser a infrarossi per seminare una valanga per il rilevamento delle radiazioni. La lunghezza d'onda dell'infrarosso del laser è importante, perché può facilmente e specificamente staccare gli elettroni dagli ioni di ossigeno."

Applicando un intenso, il campo laser a infrarossi fa oscillare gli elettroni liberi catturati nel raggio e si scontrano con gli atomi vicini. Quando queste collisioni diventano abbastanza energiche, possono strappare più elettroni dagli atomi.

"Una semplice visione della valanga è che dopo una collisione, hai due elettroni. Quindi, succede di nuovo e ne hai quattro. Quindi il tutto scorre a cascata fino a quando non hai una ionizzazione completa, dove tutti gli atomi del sistema hanno almeno un elettrone rimosso, "Milkberg ha spiegato.

Quando l'aria nel percorso del laser inizia a ionizzare, ha un effetto misurabile sulla luce infrarossa riflessa, o retrodiffuso, verso un rivelatore. Tracciando questi cambiamenti, Schwartz, Milchberg e i loro colleghi sono stati in grado di determinare quando l'aria ha iniziato a ionizzare e quanto tempo ci è voluto per raggiungere la piena ionizzazione.

I tempi del processo di ionizzazione, o la rottura della valanga di elettroni, fornisce ai ricercatori un'indicazione di quanti elettroni seme erano disponibili per iniziare la valanga. Questa stima, a sua volta, può indicare la quantità di materiale radioattivo presente nel bersaglio.

"Il tempismo della ionizzazione è uno dei modi più sensibili per rilevare la densità elettronica iniziale, " ha detto Daniel Woodbury, uno studente laureato in fisica all'UMD e coautore del documento di ricerca. "Stiamo usando un impulso laser sonda relativamente debole, ma è "cinguettato, ' il che significa che le lunghezze d'onda più corte passano prima attraverso l'aria di valanga, poi quelli più lunghi. Misurando le componenti spettrali della luce infrarossa che passa attraverso rispetto a ciò che viene riflesso, possiamo determinare quando la ionizzazione inizia e raggiunge il suo punto finale."

I ricercatori fanno notare che il loro metodo è altamente specifico e sensibile al rilevamento di materiale radioattivo. Senza un impulso laser, il materiale radioattivo da solo non indurrà una valanga di elettroni. Allo stesso modo, un impulso laser da solo non indurrà una valanga, senza gli elettroni seme creati dal materiale radioattivo.

Sebbene il metodo rimanga per ora un esercizio di prova del concetto, i ricercatori prevedono ulteriori sviluppi ingegneristici che sperano consentiranno applicazioni pratiche per migliorare la sicurezza nei porti di ingresso in tutto il mondo.

"In questo momento stiamo lavorando con un laser delle dimensioni di un laboratorio, ma tra 10 anni o giù di lì, gli ingegneri potrebbero essere in grado di montare un sistema come questo all'interno di un furgone, " ha detto Schwartz. "Ovunque tu possa parcheggiare un camion, è possibile distribuire un tale sistema. Ciò fornirebbe uno strumento molto potente per monitorare l'attività nei porti".

Il documento di ricerca, "Rilevamento a distanza di materiale radioattivo utilizzando la rottura della valanga guidata da laser nel medio IR, "Robert Schwartz, Daniel Woodbury, Giosuè Isacco, Phillip Sprangle e Howard Milchberg, è stato pubblicato sulla rivista Progressi scientifici il 22 marzo, 2019.