p Os pesquisadores desenvolveram um novo método baseado em laser que pode detectar cargas elétricas e produtos químicos de interesse com sensibilidade sem precedentes. A nova abordagem pode um dia oferecer uma maneira de fazer a varredura de grandes áreas em busca de material radioativo ou produtos químicos perigosos para aplicações de segurança e proteção. p A nova técnica, chamada avalanche de elétrons impulsionada por laser de picossegundo infravermelho médio, detecta densidades de carga extremamente baixas - o número de cargas elétricas em um determinado volume - no ar ou em outros gases. Os pesquisadores conseguiram medir as densidades de elétrons no ar produzido por uma fonte radioativa em níveis abaixo de uma parte por quatrilhão, equivalente a escolher um elétron livre de um milhão de bilhões de moléculas de ar normais.

p No Optica , O jornal da Optical Society, pesquisadores da Universidade de Maryland relatam o uso do novo método para calibrar lasers usados ​​para inspecionar o ar irradiado a 1 metro de distância. Eles dizem que a abordagem pode ser aplicada para detectar outros produtos químicos e espécies e pode ser ampliada para detecção remota em distâncias de 10 metros e, eventualmente, 100 metros.

p "Podemos determinar densidades de carga muito baixas para medir com qualquer outro método, "disse Daniel Woodbury, o autor principal do artigo. "Demonstramos a capacidade do método de detectar uma fonte radioativa, mas poderia eventualmente ser usado para qualquer situação que requeira a medição de traços de um produto químico em um gás, como ajudar a controlar a poluição, produtos químicos ou riscos à segurança. "

p Detectando elétrons no ar

p A nova técnica é baseada em um processo conhecido como avalanche de elétrons, no qual um feixe de laser acelera um único elétron livre em um gás até que ganhe energia suficiente para derrubar um elétron diferente de uma molécula, resultando em um segundo elétron livre. Este processo se repete e se desenvolve em uma cascata colisional, ou avalanche, que cresce exponencialmente até que uma faísca observável brilhante apareça no foco do laser.

p "Embora a avalanche de elétrons movida a laser exista desde 1960, usamos um novo tipo de alta energia, laser de comprimento de onda longo - um laser infravermelho médio de picossegundo - para permitir a detecção de cascatas colisionais localizadas, semeadas apenas pelos elétrons livres iniciais, "disse Howard M. Milchberg, o líder da equipe de pesquisa. "Quando pulsos de laser de comprimento de onda mais curtos são usados, os elétrons livres originais que semeiam as avalanches são mascarados por elétrons livres gerados diretamente por fótons de laser, ao invés de colisões. "

p A pesquisa baseia-se no trabalho anterior do grupo, que demonstrou que a quebra de avalanche conduzida por um laser infravermelho médio era sensível à densidade dos elétrons perto de uma fonte radioativa e mudou a quantidade de tempo que levou para a quebra acontecer.

p "Nós concebemos este método para medir remotamente a radiação perto de uma fonte radioativa porque os sinais dos contadores Geiger e cintiladores, detectores convencionais de produtos de decomposição radioativa, cair significativamente em distâncias longe da fonte, "disse Robert M. Schwartz, um aluno trabalhando no projeto. "Com um feixe de laser, Contudo, podemos sondar remotamente elétrons produzidos no ar perto da fonte. "

p Contudo, em seus experimentos anteriores, era difícil determinar exatamente quantos elétrons semeavam uma quebra porque o crescimento da avalanche é exponencial. "Dez, 100 ou mesmo 1000 elétrons podem produzir sinais muito semelhantes, "disse Woodbury." Embora pudéssemos usar modelos teóricos para fornecer estimativas aproximadas, não podíamos dizer com certeza quais densidades de elétrons estávamos medindo. "

p No novo trabalho, os pesquisadores perceberam que, para o comprimento correto do pulso de laser, as múltiplas quebras semeadas por elétrons individuais dentro do foco do laser permaneceriam distintas. Tirar imagens do volume focal do laser e contar essas faíscas - cada uma semeada por um elétron individual - é equivalente a medir a densidade desses elétrons originais.

p Eles descobriram que um laser infravermelho médio (comprimento de onda de 3,9 mícrons) com duração de pulso de 50 picossegundos atingiu o ponto ideal em termos de comprimento de onda e duração de pulso.

p Sensibilidade mais informações de localização e hora

p Os pesquisadores demonstraram a viabilidade do conceito de detecção usando-o para medir as densidades de carga produzidas perto de uma fonte radioativa que ioniza o ar. Eles mediram as densidades de elétrons até uma concentração de 1000 elétrons por centímetro cúbico, limitado pela carga de fundo no ar dos raios cósmicos e radioatividade que ocorre naturalmente. O método foi usado para comparar com precisão a sua sonda de avalanche de laser para detecção remota da fonte radioativa.

p "Outros métodos são limitados a concentrações aproximadamente 10 milhões de vezes maiores de elétrons com pouca ou nenhuma resolução espacial e temporal, "disse Milchberg." Nosso método pode contar elétrons diretamente e determinar sua localização com uma precisão da ordem de dez mícrons em escalas de tempo de cerca de 10 picossegundos ".

p Os pesquisadores dizem que a técnica pode ser usada para medir densidades de carga ultrabaixas de uma variedade de fontes, incluindo fortes interações físicas de campo ou espécies químicas. "O emparelhamento do laser infravermelho médio de picossegundo com um segundo laser que ioniza seletivamente uma molécula de interesse pode permitir que a técnica meça a presença de produtos químicos com sensibilidades muito melhores do que 1 parte por trilhão, o limite de corrente para detectar concentrações muito pequenas em um gás, "disse Woodbury. Eles continuam trabalhando para tornar o método mais prático para uso no campo.