I ricercatori hanno sviluppato un nuovo metodo basato su laser in grado di rilevare cariche elettriche e sostanze chimiche di interesse con una sensibilità senza precedenti. Il nuovo approccio potrebbe un giorno offrire un modo per scansionare vaste aree alla ricerca di materiale radioattivo o sostanze chimiche pericolose per applicazioni di sicurezza.

La nuova tecnica, chiamata valanga di elettroni guidata da laser a picosecondi nel medio infrarosso, rileva densità di carica estremamente basse, il numero di cariche elettriche in un determinato volume, nell'aria o in altri gas. I ricercatori sono stati in grado di misurare la densità di elettroni nell'aria prodotta da una sorgente radioattiva a livelli inferiori a una parte per quadrilione, equivale a prelevare un elettrone libero da un milione di miliardi di normali molecole d'aria.

In ottica , Il giornale dell'Optical Society, ricercatori dell'Università del Maryland riferiscono di utilizzare il nuovo metodo per calibrare i laser utilizzati per ispezionare l'aria irradiata da 1 metro di distanza. Dicono che l'approccio potrebbe essere applicato per rilevare altre sostanze chimiche e specie e potrebbe essere ampliato per il rilevamento remoto a distanze di 10 metri e, infine, 100 metri.

"Possiamo determinare densità di carica troppo basse per essere misurate con qualsiasi altro metodo, " ha detto Daniel Woodbury, l'autore principale della carta. "Dimostriamo la capacità del metodo di rilevare una sorgente radioattiva, ma potrebbe eventualmente essere utilizzato per qualsiasi situazione che richieda la misurazione di tracce di una sostanza chimica in un gas, come aiutare a monitorare l'inquinamento, sostanze chimiche o rischi per la sicurezza".

Rilevamento di elettroni nell'aria

La nuova tecnica si basa su un processo noto come valanga di elettroni in cui un raggio laser accelera un singolo elettrone libero in un gas finché non acquisisce energia sufficiente per far cadere un elettrone diverso da una molecola, dando luogo a un secondo elettrone libero. Questo processo si ripete e si sviluppa in una cascata collisionale, o valanga, che cresce in modo esponenziale fino a quando una scintilla osservabile luminosa appare nel fuoco del laser.

"Sebbene la valanga di elettroni guidata dal laser esista dagli anni '60, abbiamo usato un nuovo tipo di alta energia, laser a lunghezza d'onda lunga, un laser a medio infrarosso a picosecondi, per consentire il rilevamento di cascate collisionali localizzate seminate solo dagli elettroni liberi iniziali, " ha detto Howard M. Milchberg, il capo del gruppo di ricerca. "Quando si utilizzano impulsi laser a lunghezza d'onda più corta, gli elettroni liberi originari che seminano le valanghe sono mascherati da elettroni liberi generati direttamente dai fotoni laser, piuttosto che attraverso collisioni."

La ricerca si basa sul lavoro precedente del gruppo, che ha dimostrato che la rottura della valanga guidata da un laser a medio IR era sensibile alla densità di elettroni vicino a una sorgente radioattiva e ha cambiato la quantità di tempo necessaria per la rottura.

"Abbiamo concepito questo metodo per misurare a distanza la radiazione vicino a una sorgente radioattiva perché i segnali dei contatori Geiger e degli scintillatori, rivelatori convenzionali di prodotti di decadimento radioattivo, diminuire notevolmente a distanze lontane dalla sorgente, " ha detto Robert M. Schwartz, uno studente che lavora al progetto. "Con un raggio laser, però, possiamo sondare a distanza gli elettroni prodotti nell'aria vicino alla sorgente."

Però, nei loro esperimenti precedenti era difficile determinare esattamente quanti elettroni stavano seminando una rottura perché la crescita delle valanghe è esponenziale. "Dieci, 100 o anche 1000 elettroni potrebbero produrre segnali molto simili, " ha detto Woodbury. "Mentre potremmo usare modelli teorici per dare stime approssimative, non potevamo dire con certezza quali densità di elettroni stavamo misurando".

Nel nuovo lavoro, i ricercatori si sono resi conto che, per la giusta lunghezza dell'impulso laser, le rotture multiple seminate dai singoli elettroni all'interno del fuoco laser rimarrebbero distinte. Scattare immagini del volume focale del laser e contare queste scintille, ciascuna seminata da un singolo elettrone, equivale a misurare la densità di questi elettroni seme originali.

Hanno scoperto che un laser nel medio infrarosso (lunghezza d'onda di 3,9 micron) con una durata dell'impulso di 50 picosecondi ha colpito il punto debole in termini di lunghezza d'onda e durata dell'impulso.

Sensibilità più informazioni su posizione e ora

I ricercatori hanno dimostrato la fattibilità del concetto di rilevamento utilizzandolo per misurare le densità di carica prodotte vicino a una sorgente radioattiva che ionizza l'aria. Hanno misurato la densità di elettroni fino a una concentrazione di 1000 elettroni per centimetro cubo, limitato dalla carica di fondo nell'aria dai raggi cosmici e dalla radioattività naturale. Il metodo è stato utilizzato per confrontare con precisione la sonda da valanga laser per il rilevamento remoto della sorgente radioattiva.

"Altri metodi sono limitati a concentrazioni di elettroni di circa 10 milioni di volte superiori con una risoluzione spaziale e temporale minima o nulla, " ha detto Milchberg. "Il nostro metodo può contare direttamente gli elettroni e determinarne la posizione con una precisione dell'ordine di dieci micron su scale temporali di circa 10 picosecondi".

I ricercatori affermano che la tecnica può essere utilizzata per misurare densità di carica ultra-basse da una serie di fonti, tra cui forti interazioni fisiche di campo o specie chimiche. "Accoppiare il laser a medio infrarosso a picosecondi con un secondo laser che ionizza selettivamente una molecola di interesse potrebbe consentire alla tecnica di misurare la presenza di sostanze chimiche con sensibilità molto migliori di 1 parte per trilione, il limite di corrente per il rilevamento di concentrazioni molto piccole in un gas, " ha detto Woodbury. Stanno continuando a lavorare per rendere il metodo più pratico per l'uso sul campo.