p Os físicos da Universidade de Maryland desenvolveram um novo método poderoso para detectar material radioativo. Ao usar um feixe de laser infravermelho para induzir um fenômeno conhecido como quebra de avalanche de elétrons perto do material, a nova técnica é capaz de detectar material blindado à distância. O método é aprimorado em relação às tecnologias atuais que exigem grande proximidade com o material radioativo. p Com avanços adicionais de engenharia, o método pode ser ampliado e usado para digitalizar caminhões e contêineres nos portos de entrada, fornecendo uma nova ferramenta poderosa para detectar objetos ocultos, material radioativo perigoso. Os pesquisadores descreveram seus experimentos de prova de conceito em um artigo de pesquisa publicado em 22 de março de 2019 no jornal Avanços da Ciência .

p "Os métodos de detecção tradicionais dependem de uma partícula de decaimento radioativo interagindo diretamente com um detector. Todos esses métodos diminuem de sensibilidade com a distância, "disse Robert Schwartz, um estudante de graduação em física na UMD e o principal autor do artigo de pesquisa. "O benefício do nosso método é que ele é inerentemente um processo remoto. Com o desenvolvimento posterior, ele poderia detectar material radioativo dentro de uma caixa do comprimento de um campo de futebol. "

p Como o material radioativo emite partículas de decomposição, as partículas retiram elétrons - ou ionizam - átomos próximos no ar, criando um pequeno número de elétrons livres que rapidamente se ligam às moléculas de oxigênio. Ao focalizar um feixe de laser infravermelho nesta área, Schwartz e seus colegas destacaram facilmente esses elétrons de suas moléculas de oxigênio, semeando um rápido aumento semelhante a uma avalanche em elétrons livres que é relativamente fácil de detectar.

p "Uma avalanche de elétrons pode começar com uma única semente de elétron. Como o ar perto de uma fonte radioativa tem algumas moléculas de oxigênio carregadas - mesmo fora de um recipiente blindado - ele oferece uma oportunidade de semear uma avalanche aplicando um intenso campo de laser, "disse Howard Milchberg, professor de física e engenharia elétrica e da computação na UMD e autor sênior do artigo de pesquisa, que também tem um compromisso no IREAP. "As avalanches de elétrons estiveram entre as primeiras demonstrações depois que o laser foi inventado. Este não é um fenômeno novo, mas somos os primeiros a usar um laser infravermelho para semear uma avalanche para detecção de radiação. O comprimento de onda infravermelho do laser é importante, porque pode facilmente e especificamente separar elétrons de íons de oxigênio. "

p Aplicando um intenso, O campo infravermelho do laser faz com que os elétrons livres capturados no feixe oscilem e colidam com os átomos próximos. Quando essas colisões se tornam energéticas o suficiente, eles podem arrancar mais elétrons dos átomos.

p "Uma visão simples da avalanche é que após uma colisão, você tem dois elétrons. Então, isso acontece novamente e você tem quatro. Então, a coisa toda cai em cascata até que você tenha ionização completa, onde todos os átomos no sistema têm pelo menos um elétron removido, "Milchberg explicou.

p À medida que o ar no caminho do laser começa a ionizar, tem um efeito mensurável na luz infravermelha refletida, ou retroespalhado, em direção a um detector. Acompanhando essas mudanças, Schwartz, Milchberg e seus colegas foram capazes de determinar quando o ar começou a ionizar e quanto tempo levou para atingir a ionização total.

p O tempo do processo de ionização, ou a quebra da avalanche de elétrons, dá aos pesquisadores uma indicação de quantos elétrons sementes estavam disponíveis para começar a avalanche. Esta estimativa, por sua vez, pode indicar quanto material radioativo está presente no alvo.

p "O tempo de ionização é uma das maneiras mais sensíveis de detectar a densidade inicial de elétrons, "disse Daniel Woodbury, um estudante de graduação em física na UMD e um co-autor do artigo de pesquisa. "Estamos usando um pulso de laser de sonda relativamente fraco, mas é 'chilreado, 'significando que comprimentos de onda mais curtos passam primeiro pelo ar em avalanche, depois os mais longos. Ao medir os componentes espectrais da luz infravermelha que passa e o que é refletido, podemos determinar quando a ionização começa e atinge seu ponto final. "

p Os pesquisadores observam que seu método é altamente específico e sensível à detecção de material radioativo. Sem pulso de laser, o material radioativo por si só não induzirá uma avalanche de elétrons. De forma similar, um pulso de laser sozinho não irá induzir uma avalanche, sem os elétrons-semente criados pelo material radioativo.

p Embora o método continue sendo um exercício de prova de conceito por enquanto, os pesquisadores prevêem novos desenvolvimentos de engenharia que eles esperam permitirão aplicações práticas para aumentar a segurança em portas de entrada em todo o mundo.

p "No momento, estamos trabalhando com um laser do tamanho de um laboratório, mas em 10 anos ou mais, engenheiros podem ser capazes de instalar um sistema como este dentro de uma van, "Disse Schwartz." Em qualquer lugar que você possa estacionar um caminhão, você pode implantar tal sistema. Isso seria uma ferramenta muito poderosa para monitorar a atividade nos portos. "

p O artigo de pesquisa, "Detecção remota de material radioativo usando avalanche de infravermelho médio avalanche, "Robert Schwartz, Daniel Woodbury, Joshua Isaacs, Phillip Sprangle e Howard Milchberg, foi publicado no jornal Avanços da Ciência em 22 de março, 2019.