傳統(tǒng)的輻射探測(cè)器，如蓋革計(jì)數(shù)器，通常只能探測(cè)放射性物質(zhì)發(fā)射的粒子，且操作范圍限制在物質(zhì)的直接附近。然而，由馬里蘭大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開(kāi)發(fā)的新方法，利用了周圍空氣中的電離現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)了更遠(yuǎn)距離的探測(cè)。

放射性物質(zhì)會(huì)釋放出阿爾法粒子、貝塔粒子或伽馬粒子等，這些粒子可以電離空氣分子，產(chǎn)生自由電子和負(fù)離子。但由于這些帶電粒子的濃度通常很低，因此很難被檢測(cè)到。研究小組通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，二氧化碳激光可以加速這些帶電粒子，使它們與中性氣體分子碰撞，進(jìn)而進(jìn)一步電離，產(chǎn)生帶電粒子級(jí)聯(lián)效應(yīng)，這一效應(yīng)被稱為“電子雪崩擊穿”，可以產(chǎn)生散射激光的微等離子體。

研究小組使用3.6 mCi的釙-210阿爾法粒子源在10米的距離上測(cè)試了他們的技術(shù)。這一探測(cè)距離大大超過(guò)了之前使用不同類型激光和電磁輻射源的實(shí)驗(yàn)范圍。韓國(guó)蔚山國(guó)家科學(xué)技術(shù)研究院的EunMi Choi對(duì)此評(píng)論道：“結(jié)果令人印象深刻。”她的團(tuán)隊(duì)早在2017年就曾使用回旋管源檢測(cè)放射性物質(zhì)，但探測(cè)范圍僅約1米。

米爾希伯格及其合作者在2019年的類似實(shí)驗(yàn)中使用過(guò)中紅外激光。他們表示，換用長(zhǎng)波長(zhǎng)(9.2 μm)的CO2激光帶來(lái)了顯著的優(yōu)勢(shì)。米爾希伯格解釋道：“你不能使用任何激光來(lái)實(shí)現(xiàn)這種級(jí)聯(lián)擊穿過(guò)程。”二氧化碳激光的波長(zhǎng)能夠增強(qiáng)雪崩過(guò)程，同時(shí)能量足夠低，不會(huì)產(chǎn)生自己的電離源。他進(jìn)一步指出：“二氧化碳是強(qiáng)效激光長(zhǎng)波長(zhǎng)的極限，事實(shí)證明二氧化碳激光也非常非常高效。”

研究小組還使用CMOS相機(jī)捕捉微等離子體發(fā)出的可見(jiàn)光。米爾希伯格表示，放射源周圍的熒光類似于等離子體球，表明發(fā)生了電子雪崩擊穿的局部區(qū)域。通過(guò)計(jì)算這些“等離子球”的數(shù)量并根據(jù)背散射激光信號(hào)對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)，研究人員可以將熒光強(qiáng)度與空氣中的電離密度聯(lián)系起來(lái)，并以此確定輻射源的類型。

然而，CMOS成像儀必須放置在靠近測(cè)量輻射源的位置，從而降低了其在遙感中的適用性。米爾希伯格指出，盡管熒光成像由于需要近距離相機(jī)而不適合現(xiàn)場(chǎng)部署，但它提供了一種有價(jià)值的校準(zhǔn)工具。

研究人員認(rèn)為，他們的方法可以擴(kuò)展到超過(guò)100米的距離。主要限制是激光的聚焦幾何形狀，這會(huì)影響它可能引發(fā)雪崩擊穿的區(qū)域。更長(zhǎng)的焦距需要更大的激光孔徑，但可以實(shí)現(xiàn)千米級(jí)的探測(cè)。

不過(guò)，Choi也指出，在實(shí)際應(yīng)用中部署CO2激光器可能很困難。她表示：“CO2激光器是一個(gè)笨重的系統(tǒng)，很難在現(xiàn)場(chǎng)以便攜方式部署。”她補(bǔ)充說(shuō)，安裝激光器進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測(cè)可能是一個(gè)解決方案。

米爾希伯格表示，下一步將繼續(xù)開(kāi)發(fā)一種能夠完全遠(yuǎn)程區(qū)分不同類型放射源的技術(shù)。Choi對(duì)此表示同意，并指出準(zhǔn)確量化放射性物質(zhì)的數(shù)量和類型仍然是實(shí)現(xiàn)該領(lǐng)域遙感技術(shù)的重大障礙。此外，米爾希伯格還提到環(huán)境條件的問(wèn)題，確保檢測(cè)技術(shù)能夠抵御氣溶膠或空氣湍流引起的噪聲至關(guān)重要。