Les chercheurs ont développé une nouvelle méthode basée sur le laser qui peut détecter les charges électriques et les produits chimiques d'intérêt avec une sensibilité sans précédent. La nouvelle approche pourrait un jour offrir un moyen de scanner de vastes zones à la recherche de matières radioactives ou de produits chimiques dangereux pour des applications de sûreté et de sécurité.

La nouvelle technique, appelée avalanche d'électrons entraînée par laser picoseconde dans l'infrarouge moyen, détecte des densités de charge extrêmement faibles (le nombre de charges électriques dans un certain volume) dans l'air ou d'autres gaz. Les chercheurs ont pu mesurer les densités d'électrons dans l'air produites par une source radioactive à des niveaux inférieurs à une partie par quadrillion, équivaut à choisir un électron libre parmi un million de milliards de molécules d'air normales.

Dans Optique , Le journal de la Société d'optique, des chercheurs de l'Université du Maryland rapportent qu'ils utilisent la nouvelle méthode pour calibrer les lasers utilisés pour inspecter l'air irradié à 1 mètre de distance. Ils disent que l'approche pourrait être appliquée à la détection d'autres produits chimiques et espèces et pourrait être étendue pour la détection à distance à des distances de 10 mètres et, finalement, 100 mètres.

« Nous pouvons déterminer des densités de charge beaucoup trop faibles pour être mesurées avec une autre méthode, " a déclaré Daniel Woodbury, l'auteur principal de l'article. « Nous démontrons la capacité de la méthode à détecter une source radioactive, mais il pourrait éventuellement être utilisé pour toute situation nécessitant de mesurer des traces d'un produit chimique dans un gaz, comme aider à suivre la pollution, produits chimiques ou des risques pour la sécurité."

Détecter les électrons dans l'air

La nouvelle technique est basée sur un processus connu sous le nom d'avalanche d'électrons dans lequel un faisceau laser accélère un seul électron libre dans un gaz jusqu'à ce qu'il gagne suffisamment d'énergie pour faire tomber un électron différent d'une molécule, résultant en un deuxième électron libre. Ce processus se répète et se transforme en une cascade collisionnelle, ou avalanche, qui croît de façon exponentielle jusqu'à ce qu'une étincelle observable brillante apparaisse dans le foyer laser.

"Bien que l'avalanche d'électrons entraînée par laser existe depuis les années 1960, nous avons utilisé un nouveau type de haute énergie, un laser à grande longueur d'onde - un laser picoseconde mid-IR - pour permettre la détection de cascades collisionnelles localisées ensemencées uniquement par les électrons libres initiaux, " dit Howard M. Milchberg, le chef d'équipe de recherche. "Lorsque des impulsions laser de longueur d'onde plus courte sont utilisées, les électrons libres d'origine ensemençant les avalanches sont masqués par des électrons libres générés directement par les photons laser, plutôt que par des collisions."

La recherche s'appuie sur les travaux antérieurs du groupe, qui a démontré que le claquage par avalanche entraîné par un laser à infrarouge moyen était sensible à la densité d'électrons à proximité d'une source radioactive et a modifié le temps qu'il a fallu pour que le claquage se produise.

"Nous avons conçu cette méthode pour mesurer à distance le rayonnement à proximité d'une source radioactive car les signaux des compteurs Geiger et des scintillateurs, détecteurs conventionnels de produits de désintégration radioactive, chute de manière significative à des distances éloignées de la source, " dit Robert M. Schwartz, un étudiant travaillant sur le projet. "Avec un rayon laser, cependant, nous pouvons sonder à distance les électrons produits dans l'air près de la source."

Cependant, dans leurs expériences précédentes, il était difficile de déterminer exactement combien d'électrons semaient un claquage car la croissance de l'avalanche est exponentielle. "Dix, 100 voire 1000 électrons pourraient tous produire des signaux très similaires, " a déclaré Woodbury. " Bien que nous puissions utiliser des modèles théoriques pour donner des estimations approximatives, nous ne pouvions pas dire avec certitude quelles densités d'électrons nous mesurions."

Dans le nouveau travail, les chercheurs se sont rendu compte que, pour la bonne longueur d'impulsion laser, les multiples pannes semées par des électrons individuels à l'intérieur du foyer laser resteraient distinctes. Prendre des images du volume focal du laser et compter ces étincelles, chacune ensemencée par un électron individuel, équivaut à mesurer la densité de ces électrons d'origine.

Ils ont découvert qu'un laser infrarouge moyen (longueur d'onde de 3,9 microns) avec une durée d'impulsion de 50 picosecondes atteignait le point idéal en termes de longueur d'onde et de durée d'impulsion.

Sensibilité plus informations sur l'emplacement et l'heure

Les chercheurs ont démontré la viabilité du concept de détection en l'utilisant pour mesurer les densités de charge produites à proximité d'une source radioactive qui ionise l'air. Ils ont mesuré des densités d'électrons jusqu'à une concentration de 1000 électrons par centimètre cube, limitée par la charge de fond dans l'air due aux rayons cosmiques et à la radioactivité naturelle. La méthode a été utilisée pour comparer avec précision leur sonde d'avalanche laser pour la détection à distance de la source radioactive.

"D'autres méthodes sont limitées à des concentrations d'électrons environ 10 millions de fois plus élevées avec peu ou pas de résolution spatiale et temporelle, " a déclaré Milchberg. "Notre méthode peut compter les électrons directement et déterminer leur emplacement avec une précision de l'ordre de dix microns sur des échelles de temps d'environ 10 picosecondes."

Les chercheurs affirment que la technique peut être utilisée pour mesurer des densités de charge ultra-faibles à partir d'une gamme de sources, notamment des interactions physiques à champ fort ou des espèces chimiques. "L'association du laser picoseconde IR moyen avec un deuxième laser qui ionise sélectivement une molécule d'intérêt pourrait permettre à la technique de mesurer la présence de produits chimiques avec des sensibilités bien supérieures à 1 partie par billion, la limite actuelle de détection de très faibles concentrations dans un gaz, " a déclaré Woodbury. Ils poursuivent leurs travaux pour rendre la méthode plus pratique pour une utilisation sur le terrain.