Дистанційне детектування радіоактивних матеріалів за допомогою CO2 лазера
Дистанційне детектування радіоактивних матеріалів за допомогою CO2 лазера
Виявлення радіоактивних матеріалів на великій відстані є актуальною задачею для екології, усунення наслідків стихійних лих, оборони. Сучасні детектори іонізуючого випромінювання реєструють радіоактивні частинки або фотони розпаду, що безпосередньо взаємодіють з детектором для створення сигналу. Однак геометричне спадання потоку з відстанню, а також втрати на розсіювання та поглинання, обмежують практичну відстань цих детекторів кількома десятками метрів. Отже, зростає інтерес до розробки нових інструментів для дистанційного виявлення радіоактивних матеріалів. Нещодавно [1] група дослідників з Університету Меріленд продемонструвала новий метод виявлення, який спирається на лазерно-керовану електронну лавину та підвищену іонізацію атмосфери поблизу радіоактивного джерела. Коли частинки або фотони розпаду поширюються від джерела, вони неминуче іонізують молекули повітря, утворюючи вільні електрони та негативні іони. Запропонований метод використовує ці електрони та негативні іони як зародки лазерно-керованої електронної лавини в повітрі. Початкова щільність зародка у фокальному об'ємі впливає на динаміку плазми лавини та розсіяне лазерне світло. Аналіз розсіяного світла дозволяє виявляти радіоактивні матеріали поблизу фокального об'єму лазера.
Вибір довгохвильового лазера має дві ключові переваги. По-перше, швидкість нагрівання електронів при інтенсивності I масштабується як Iλ², так що лавини ефективніше збуджуються при довших довжинах хвиль. По-друге, оскільки метод повинен виявляти електрони та негативні іони при наднизьких концентраціях (порядку 1 частинки на 1016), навіть дуже низька іонізація повітря безпосередньо від самого лазера може спричинити лавини та заглушити бажаний сигнал зворотного розсіювання. Низька енергія фотонів довгохвильових ІЧ-лазерів гарантує набагато нижчі ймовірності іонізації, ніж у лазерів ближнього ІЧ-діапазону. Наприклад, при 1 ТВт/см² ймовірність багатофотонної іонізації кисню при λ=9,2 мкм приблизно у 1023 разів нижча ніж при λ = 1 мкм. Хоча в попередніх результатах цієї групи для виявлення лавин використовувався лазер середнього інфрачервоного діапазону (λ=3,9 мкм), що реалізувало дві переваги, пов'язані з більшою довжиною хвилі, сучасні джерела середнього інфрачервоного діапазону не мають енергії імпульсу, необхідної для утворення лавини на відстанях > ~10 м. Природним вибором лазерного джерела стають лазери на молекулах CO2 через можливість генерації імпульсів з енергією порядку 1 Дж у пікосекундному діапазоні тривалості, які можуть цілком досягати порогу лавини на кілометровій відстані. А переваги масштабування довжини хвилі ще більше покращуються при λ ~10 мкм.
Дослідники повідомляють про виявлення випромінювання за допомогою імпульсів CO2-лазера потужністю 100 ГВт на відстані 10 м, діапазон обмежений розміром лазерної кімнати. Незважаючи на це, цей діапазон у 10 разів більший, ніж у їхній попередній роботі. Тривалість імпульсу 70 пс обмежує лавинний ріст плазми до ~10 мкм навколо кожного зародкового електрона, що призводить до утворення великої кількості плазмових кульок у фокальному об'ємі, які розсіюють вхідне лазерне випромінювання, коли густина плазми досягає критичної густини (~1019 см−3) для світла λ = 9,2 мкм. Пряме зворотне розсіювання від цих мікроплазм підсилюється, коли воно поширюється назад через лазер, і виявляється на відстані 48 м без будь-якої додаткової збиральної оптики. Цей сигнал був проаналізований на предмет виявлення радіоактивного джерела. Представлено модель зворотного розсіювання лазера від великої кількості мікроплазм, показано зв’язок сигналу з густиною зародка у фокальному об'ємі.
1. A. Zingale, S. Waczynski, I. Pogorelsky, M. Polyanskiy, J. Sears, R.E. Lakis, and H.M. Milchberg. Remote detection of radioactive material using a short-pulse CO2 laser. Phys. Rev. Applied 2025, 23, 034004, DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.23.034004
Авторська версія на https://arxiv.org/pdf/2408.13640