美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)的研究人員發(fā)表了具有里程碑意義的測試結(jié)果，這些測試結(jié)果表明，一類有前景的傳感器可用于高輻射環(huán)境，并推動重要的醫(yī)療，工業(yè)和研究應(yīng)用。

光子傳感器用光線傳輸信息而不是電線中的電流。它們可以測量，傳輸和操縱光子流，通常通過光纖，并用于測量壓力，溫度，距離，磁場，環(huán)境條件等。

它們具有吸引力，因為它們體積小，功耗低，并且容許環(huán)境變量，例如機械振動。但普遍的共識是，高水平的輻射會改變其硅的光學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致讀數(shù)錯誤。

因此，NIST長期以來一直是許多光子學(xué)研究領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，它推出了一個回答這些問題的計劃。測試結(jié)果表明，傳感器可以定制用于測量工業(yè)應(yīng)用和臨床放射治療中的輻射劑量。“ 自然科學(xué)報告”報道了第一輪測試的結(jié)果。

具體來說，NIST的結(jié)果表明傳感器可用于跟蹤食品輻照中用于破壞微生物和醫(yī)療設(shè)備滅菌的電離輻射水平(能量高到足以改變原子結(jié)構(gòu)) - 估計每年70億美元僅在美國市場。這些傳感器在醫(yī)學(xué)成像和治療方面也有潛在的應(yīng)用，預(yù)計到2022年，全球每年的總價值將近500億美元。

“當我們查看有關(guān)該主題的出版物時，不同的實驗室得到的結(jié)果大不相同，”項目科學(xué)家Zeeshan Ahmed表示，他是NIST光子劑量測定項目的一員，也是NIST尖端光子測溫項目的負責(zé)人。“這是我們進行實驗的主要動機。”

“另一個動機是人們越來越關(guān)注部署光子傳感器，這些傳感器可以在非常惡劣的環(huán)境中正常工作，例如靠近核反應(yīng)堆，輻射損壞是一個主要問題，”艾哈邁德說。“此外，航天工業(yè)需要知道這些設(shè)備如何在高輻射環(huán)境中發(fā)揮作用，”項目科學(xué)家Ronald Tosh說。“它們是否會受到損壞?這項研究表明，對于某類設(shè)備和輻射，損害可以忽略不計。”

“我們發(fā)現(xiàn)氧化物涂層硅光子器件能夠承受高達100萬灰度的輻射，”Photonic Dosimetry項目負責(zé)人Ryan Fitzgerald說，他使用SI單元吸收輻射。一個灰色代表一公斤質(zhì)量吸收的一焦耳能量，一個灰色代表10,000個胸部X射線。這大致是傳感器在核電站獲得的結(jié)果。

“這是我們校準客戶關(guān)心的上限，”菲茨杰拉德說。“因此，可以假設(shè)這些設(shè)備可以在工業(yè)或醫(yī)療輻射水平下可靠地工作，這種輻射水平要低幾百或幾千倍。” 例如，食物輻射的范圍從幾百到幾千灰，并且通常通過其對丙氨酸顆粒的影響來監(jiān)測，丙氨酸是當暴露于電離輻射時改變其原子特性的氨基酸。

為了確定輻射的影響，NIST的研究人員將兩種硅光子傳感器暴露在放射性同位素鈷-60的數(shù)小時伽馬輻射中。在兩種類型的傳感器中，它們的物理性質(zhì)的微小變化改變了穿過它們的光的波長。通過測量這些變化，這些設(shè)備可用作高靈敏度溫度計或應(yīng)變計。這種情況在太空飛行或核反應(yīng)堆等極端環(huán)境中仍然存在，只要它們在暴露于電離輻射下繼續(xù)正常運行。

“我們的研究結(jié)果表明，這些光子器件即使在極端輻射環(huán)境下也能保持穩(wěn)定，這表明它們也可以通過其對輻照器件物理特性的影響來測量輻射，”Fitzgerald說。“這對于美國制造業(yè)來說應(yīng)該是個好消息，因為美國制造業(yè)急需為龐大且不斷增長的市場提供精確的非常小尺度的輻射傳輸。然后可以開發(fā)光子傳感器來測量使用的低能電子和X射線束。醫(yī)療器械滅菌和食品輻照。“

它們也對臨床醫(yī)學(xué)非常感興趣，其中醫(yī)生努力治療癌癥和其他條件，其最低有效輻射水平集中在最小尺寸上，以避免影響健康組織，包括電子，質(zhì)子和離子束。達到該目標需要具有極高靈敏度和空間分辨率的輻射傳感器。“最終，我們希望開發(fā)用于工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用的芯片級器件，可以確定微米范圍內(nèi)的吸收劑量梯度，從而提供前所未有的測量細節(jié)，”項目科學(xué)家Nikolai Klimov說。千分尺是百萬分之一米。人的頭發(fā)寬約100微米。

該團隊的研究結(jié)果可能對采用極窄質(zhì)子束或碳離子的新醫(yī)學(xué)療法以及使用低能電子束的醫(yī)療滅菌過程產(chǎn)生重大影響。“我們的傳感器自然很小，芯片級，”菲茨杰拉德說。“目前的劑量計大小為毫米到厘米，這可能會給那些在這些尺寸上變化的區(qū)域帶來錯誤的讀數(shù)。”

在研究的下一階段，研究小組將在相同的條件下同時測試傳感器陣列，以確定是否可以解決小距離的劑量變化。