Los físicos de la Universidad de Maryland han desarrollado un nuevo y poderoso método para detectar material radiactivo. Mediante el uso de un rayo láser infrarrojo para inducir un fenómeno conocido como colapso de avalancha de electrones cerca del material, la nueva técnica puede detectar material blindado de undistancia. El método mejora las tecnologías actuales que requieren una proximidad cercana al material radiactivo.
Con avances de ingeniería adicionales, el método podría ampliarse y utilizarse para escanear camiones y contenedores de envío en los puertos de entrada, proporcionando una nueva herramienta poderosa para detectar material radiactivo oculto y peligroso. Los investigadores describieron sus experimentos de prueba de concepto enun artículo de investigación publicado el 22 de marzo de 2019 en la revista Avances científicos .
"Los métodos de detección tradicionales se basan en una partícula de desintegración radiactiva que interactúa directamente con un detector. Todos estos métodos disminuyen en sensibilidad con la distancia", dijo Robert Schwartz, un estudiante graduado de física en la UMD y autor principal del trabajo de investigación.El beneficio de nuestro método es que es un proceso inherentemente remoto. Con un mayor desarrollo, podría detectar material radiactivo dentro de una caja desde la longitud de un campo de fútbol ".
A medida que el material radiactivo emite partículas de descomposición, las partículas extraen electrones de los átomos cercanos en el aire o los ionizan, creando una pequeña cantidad de electrones libres que se unen rápidamente a las moléculas de oxígeno. Al enfocar un rayo láser infrarrojo en esta área,Schwartz y sus colegas separaron fácilmente estos electrones de sus moléculas de oxígeno, sembrando un aumento rápido similar a una avalancha en los electrones libres que es relativamente fácil de detectar.
"Una avalancha de electrones puede comenzar con un solo electrón de semilla. Debido a que el aire cerca de una fuente radiactiva tiene algunas moléculas de oxígeno cargadas, incluso fuera de un contenedor blindado, brinda la oportunidad de sembrar una avalancha aplicando un campo láser intenso,"dijo Howard Milchberg, profesor de física e ingeniería eléctrica e informática en la UMD y autor principal del trabajo de investigación, que también tiene una cita en IREAP." Las avalanchas de electrones fueron una de las primeras demostraciones después de que se inventó el láser. Esto no es unfenómeno nuevo, pero somos los primeros en usar un láser infrarrojo para sembrar un colapso de avalancha para la detección de radiación. La longitud de onda infrarroja del láser es importante, ya que puede separar fácilmente y específicamente los electrones de los iones de oxígeno ".
La aplicación de un intenso campo de láser infrarrojo hace que los electrones libres atrapados en el haz oscilen y colisionen con átomos cercanos. Cuando estas colisiones se vuelven lo suficientemente enérgicas, pueden arrancar más electrones de los átomos.
"Una visión simple de la avalancha es que después de una colisión, tienes dos electrones. Luego, esto sucede de nuevo y tienes cuatro. Luego todo cae en cascada hasta que tienes una ionización completa, donde todos los átomos del sistema tienen al menos unoElectrones eliminados ", explicó Milchberg.
A medida que el aire en el camino del láser comienza a ionizarse, tiene un efecto medible en la luz infrarroja reflejada, o retrodispersada, hacia un detector. Al rastrear estos cambios, Schwartz, Milchberg y sus colegas pudieron determinar cuándo comenzó el airepara ionizar y cuánto tiempo se tardó en alcanzar la ionización completa.
El momento del proceso de ionización, o la descomposición de la avalancha de electrones, les da a los investigadores una indicación de cuántos electrones semilla estaban disponibles para comenzar la avalancha. Esta estimación, a su vez, puede indicar cuánto material radiactivo está presente en el objetivo.
"La sincronización de la ionización es una de las formas más sensibles de detectar la densidad electrónica inicial", dijo Daniel Woodbury, un estudiante graduado de física en la UMD y coautor del trabajo de investigación. "Estamos utilizando un láser de sonda relativamente débil"pulso, pero es "chirrido", lo que significa que las longitudes de onda más cortas pasan primero a través del aire de avalancha, luego las más largas. Al medir los componentes espectrales de la luz infrarroja que pasa a través de lo que se refleja, podemos determinar cuándo comienza la ionización y alcanza su punto final"
Los investigadores señalan que su método es altamente específico y sensible a la detección de material radioactivo. Sin un pulso láser, el material radioactivo por sí solo no inducirá una avalancha de electrones. Del mismo modo, un pulso láser solo no inducirá una avalancha, sin la semillaelectrones creados por el material radiactivo.
Si bien el método sigue siendo un ejercicio de prueba de concepto por el momento, los investigadores prevén nuevos desarrollos de ingeniería que esperan que permitan aplicaciones prácticas para mejorar la seguridad en los puertos de entrada en todo el mundo.
"En este momento estamos trabajando con un láser del tamaño de un laboratorio, pero en aproximadamente 10 años, los ingenieros pueden instalar un sistema como este dentro de una camioneta", dijo Schwartz. "En cualquier lugar donde pueda estacionar un camión, ustedpuede implementar dicho sistema. Esto proporcionaría una herramienta muy poderosa para monitorear la actividad en los puertos ".
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