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2025-12-05 05:17:00
図 1 フィラメントベースの IR センシング技術 (FIRST) の実験セットアップ図。
図 2 α線源による窒素蛍光の増強と寿命延長。 (a) および (b) それぞれ 337 nm および 391 nm を中心とする距離依存の窒素蛍光強度。
従来の測定技術は通常、検出範囲が数センチメートルに制限されており、オペレーターに大きなリスクをもたらします。
中国、2025年12月5日 /EINPresswire.com/ — チェルノブイリ原発事故から福島第一原子力発電所の核汚染水の海洋放出に至るまで、電離放射線（IR）は継続的に世界的な懸念を引き起こし続けています。 IR は、原子をイオン化できる粒子または電磁波を指し、原子力発電所、医療用放射線療法、工業用放射線写真に広く使用されています。医学診断、がん治療、科学研究においては重要ですが、過剰摂取は重大な生物学的損傷につながります。したがって、放射線源を安全、正確、効率的に検出することは、常に公共の安全に関する重要な課題となっています。
従来の IR 検出技術は主にガイガーカウンターですが、検出範囲が ~cm しかないため、暴露リスクが大きくなります。大規模な遠隔監視や非接触監視を実現することも困難であるため、その効率も大幅に制限されます。数百メートル離れた微弱な放射線源をどのようにして「見る」かは、長い間未解決の問題でした。超高速レーザー技術の発展により、 フェムト秒レーザーフィラメンテーションは、イオン化によって蛍光を誘発し、前述の問題を解決する新しいアイデアを提供します。
フェムト秒レーザー フィラメンテーションとは、光学的なカー自己集束効果とプラズマ デフォーカス効果の間の動的バランスによって形成される、薄くて安定したプラズマ チャネルを指します。フィラメントは、メートルからキロメートルの範囲の距離にわたって非常に高い光強度 (約 10¹3 ～ 10¹4 W/cm²) を維持することができ、物質を励起して指紋の特徴を持つ蛍光スペクトルを発することができます。 IR は、レーザー誘起イオン化、空気分子の励起、緩和の間の相互作用に直接影響を与えるイオン化バックグラウンドを引き起こし、蛍光強度の変調を引き起こします。したがって、フェムト秒レーザー フィラメンテーションは、従来の IR センシング技術の限界を突破する新たな機会を提供します。
このような背景を踏まえ、南開大学現代光学研究所の劉偉偉教授率いる研究グループは、フィラメントベースのIRセンシング技術（FIRST）を提案し、実証しました。チームはIRがどのような影響を与えるかを系統的に研究した フィラメント誘起窒素蛍光スペクトル とそれらの空気中でのダイナミクスを研究し、IR、プラズマ、フェムト秒レーザー間の相互作用を記述する定量的モデルを構築しました。フィラメントは数キロメートルにわたって蛍光を誘導および検出できるため、この技術は大面積の遠隔非接触赤外線モニタリングを実現すると期待されています。
実験装置を図1に示します。フェムト秒レーザーパルス（中心波長800 nm、繰り返し周波数500 Hz、パルス幅60 fs、シングルパルスエネルギー3.5 mJ）は、凹レンズと凸レンズで作られた望遠鏡システムを通過し、凸レンズの1 m後方に長さ15 mmの安定したフィラメントを形成します（位置はレンズペアを調整することで調整できます）。 1 kBq α の平面線源をフィラメントと平行に配置します。後方窒素蛍光はファイバーによって収集され、iCMOS 時間分解分光計に送信されます。結果は、α線源が337 nm/391 nmでの窒素分子/イオン蛍光強度を30％以上増加させ（図2a、b）、蛍光寿命を約1ns延長する（図2c、d）ことを示しています。次にチームは、α生成の自由電子密度、電子加速と衝突電離、励起窒素状態の分布と緩和を結びつける放射線増強フィラメント誘起窒素蛍光の顕微鏡モデル（図3a）を構築した。
計算では、αで生成された電子が光場によって加速され、衝突電離を誘発し、励起された窒素分子の数と電子密度が約20%増加することが示されています（図3b）。これにより、後方蛍光が約 30 % 増加し (図 3c)、蛍光寿命が約 0.8 ns 延長され (図 3d、e)、実験とよく一致しています。この研究におけるα線源の放射能はわずか 1 kBq であり、低線量放射線検出の可能性を証明する IAEA 安全基準シリーズ No. GSR パート 3 で規定されている免除レベル 10 kBq をはるかに下回っていることに留意してください。さらに、コアメカニズムは普遍的であり、原則としてすべての IR タイプに拡張できます。ソーラーブラインド UV 検出と時間ゲート技術を組み合わせることで、実際の展開でバックグラウンドをさらに抑制できます。この技術は、原子力発電所の検査、放射性物質の追跡、原子力事故の緊急対応などに活用され、安全でインテリジェントで持続可能な核セキュリティシステムを構築することが期待されています。さらに、放射線変調フィラメント誘起蛍光ダイナミクスの物理的メカニズムが明らかになったことで、IR、プラズマ、強力レーザー場の間の相互作用についての理解が深まり、強場レーザーと放射線検出の統合が促進されるでしょう。
研究グループについて:
極限スケール光電子検出技術・装置に関する研究グループ（https://imo.nankai.edu.cn/femto/cdefault.html）は、教育省の著名な教授である劉偉偉教授が率いています。チームの研究は、航空宇宙、生物医学、集積回路およびその他の分野における主要な国家ニーズに向けて、超高速光学を中心に行っています。マイクロ・ナノ・オプトエレクトロニクス製造と宇宙・空・地上システムにおけるインテリジェントな知覚の最先端技術を統合します。このグループは、量子プローブ、超精密レーザー加工、光電子相互作用と検出などの新しいメカニズムと方法に取り組んでいます。現在の超高速レーザー技術の性能限界を克服し、高度なレーザー検出と処理のためのユニークで優れたツールを提供することを目的としています。
同チームは、国家重点研究開発プログラム、CNSF、天津重点プロジェクトなど、40以上の国家および地方プロジェクトを主導しており、現在進行中の予算は4,000万元である。このグループは、中国初の軌道上有害ガス分析装置を開発し、 天宮1号および天宮2号宇宙ステーション、大気環境検出衛星のフルチェーン光学シミュレーションを主導し、中国初の大気衛星「Atmosphere-1」の承認をサポートしました。チームの成果は中国光学分野のトップ 10 の進歩の 1 つに選ばれ、Light、JPCL、AOM、中国光学、中国中央テレビなどの雑誌で取り上げられています。
記事全文はこちらからお読みください: https://doi.org/10.29026/oea.2025.250144
アンドリュー・スミス
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2025 年 12 月 5 日、05:17 GMT
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