**CO2激光器实现放射性物质的远距离探测**
2025年3月19日
远距离探测 定位超过发射粒子范围的放射性物质的能力，可能在核灾难响应和核安全中发挥重要作用。(图片来源: Shutterstock/fewerton)
研究人员已经证明，他们可以使用短脉冲 CO2 激光器从 10 米外远距离探测放射性物质，这一距离比以前的方法远十倍以上。
传统的辐射探测器，如盖革计数器，探测由放射性物质发射的粒子，通常将其操作范围限制在物质的直接附近。由University of Maryland领导的研究团队开发的新方法，利用周围空气中的电离作用，实现从更远距离的探测。
这项研究有朝一日可能促成遥感技术的诞生，该技术可用于核灾难响应和核安全。
利用大气电离
放射性物质会发射粒子——如 alpha、beta 或 gamma 粒子——可以电离空气分子，产生自由电子和负离子。这些带电粒子的浓度通常非常低，使其难以检测。
资深作者 Howard Milchberg 及其来自 Brookhaven National Laboratory、Los Alamos National Laboratory 和 Lawrence Livermore National Laboratory 的同事们证明，CO2 激光器可以加速这些带电粒子，使其与中性气体分子碰撞，从而产生进一步的电离。这些额外的自由电荷随后将经历相同的激光诱导加速和碰撞，从而导致带电粒子的级联。
这种效应，被称为“电子雪崩击穿”，可以产生散射激光的微等离子体。通过测量反向散射光的轮廓，研究人员可以检测放射性物质的存在。
该团队使用一个 3.6-mCi 钋-210 alpha 粒子源，在 10 米的隔离距离上测试了他们的技术，这比以前使用不同类型激光器和电磁辐射源的实验要长得多。
“结果令人印象深刻，”来自韩国蔚山科学技术院的 EunMi Choi 评论道。Choi 的团队曾在 2017 年使用 回旋管源来探测放射性物质。
“研究人员成功地展示了 10 米隔离距离的放射性物质探测，大大超过了以前约 1 米的范围，”她说。
Milchberg 及其合作者此前曾在 2019 年的类似实验中使用了 中红外激光器。他表示，改用长波长 (9.2 μm) CO2 激光器带来了显著优势。
“你不能使用任何激光器来进行这种级联击穿过程，”Milchberg 解释说。CO2 激光器的波长能够增强雪崩过程，同时能量足够低，不会产生自己的电离源。“CO2 在强大激光器的长波长方面有点像极限，而且事实证明 CO2 激光器也非常非常有效，”他说。“所以这就像一个最佳点。”
成像微等离子体
该团队还使用 CMOS 相机捕捉来自微等离子体的可见光发射。Milchberg 说，放射源周围的荧光类似于等离子体球，表明发生了电子雪崩击穿的局部区域。
通过计算这些“等离子体球”并根据反向散射的激光信号校准它们，研究人员可以将荧光强度与空气中的电离密度联系起来，并使用它来确定辐射源的类型。
然而，CMOS 成像仪必须放置在靠近测量的辐射源的位置，从而降低了其在遥感中的适用性。“虽然由于需要近距离相机，荧光成像对于现场部署不切实际，但它提供了一种有价值的校准工具，”Milchberg 说。
扩展到更长的距离
研究人员认为他们的方法可以扩展到超过 100 米的隔离距离。主要的限制是激光器的聚焦几何形状，这将影响其可能触发雪崩击穿的区域。更长的焦距需要更大的激光孔径，但可以实现公里级的探测。
然而，Choi 指出，在实际应用中部署 CO2 激光器可能很困难。“CO₂ 激光器是一个庞大的系统，使得在现场以便携方式部署具有挑战性，”她说，并补充说，安装激光器进行远距离探测可能是一种解决方案。
受俄罗斯方块启发的辐射探测器使用机器学习 Milchberg 表示，下一步将继续开发一种能够完全远程区分不同类型放射源的技术。Choi 对此表示赞同，并指出准确量化放射性物质的数量和类型仍然是在该领域实现遥感技术的一个重大障碍。
“还有环境条件的问题，”Milchberg 说，他解释说，确保探测技术能够抵抗气溶胶或空气湍流引入的噪音至关重要。
该研究发表在 Physical Review Applied 上。