光子輻射傳感器幸免于巨大的損失

新的測(cè)試可以加速在醫(yī)學(xué)，食品安全，航天器中使用小型精密設(shè)備

標(biāo)準(zhǔn)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(cè)試結(jié)果，這些測(cè)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(dòng)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(cè)量，傳輸和操縱光子流，通常通過(guò)光纖，并用于測(cè)量壓力，溫度，距離，磁場(chǎng)，環(huán)境條件等。

它們具有吸引力，因?yàn)樗鼈凅w積小，功耗低，并且容許環(huán)境變量，例如機(jī)械振動(dòng)。但普遍的共識(shí)是，高水平的輻射會(huì)改變其硅的光學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致讀數(shù)錯(cuò)誤。

因此，NIST長(zhǎng)期以來(lái)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(gè)回答這些問(wèn)題的計(jì)劃。測(cè)試結(jié)果表明，傳感器可以定制用于測(cè)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(bào)告”報(bào)道了第一輪測(cè)試的結(jié)果。

具體來(lái)說(shuō)，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?cè)拥慕Y(jié)構(gòu)) - 估計(jì)每年市場(chǎng)價(jià)值70億美元僅在。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(jì)到2022年，全球每年的總價(jià)值將近500億美元。

“當(dāng)我們查看有關(guān)該主題的出版物時(shí)，不同的實(shí)驗(yàn)室得到的結(jié)果大不相同，”項(xiàng)目科學(xué)家Zeeshan Ahmed表示，他是NIST 光子劑量測(cè)定項(xiàng)目的一員，也是NIST尖端光子測(cè)溫項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人。“這是我們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的主要?jiǎng)訖C(jī)。”

“另一個(gè)動(dòng)機(jī)是人們?cè)絹?lái)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(gè)主要問(wèn)題，”艾哈邁德說(shuō)。

“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(xiàng)目科學(xué)家Ronald Tosh說(shuō)。“他們會(huì)不會(huì)受到損壞?這項(xiàng)研究表明，對(duì)于某類設(shè)備和輻射，損害可以忽略不計(jì)。“

“我們發(fā)現(xiàn)氧化物涂層硅光子器件能夠承受高達(dá)100萬(wàn)灰度的輻射，”Photonic Dosimetry項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Ryan Fitzgerald說(shuō)，他使用SI單元吸收輻射。一個(gè)灰色代表一公斤質(zhì)量吸收的一焦耳能量，一個(gè)灰色代表10,000個(gè)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(zhǔn)客戶關(guān)心的上限，”菲茨杰拉德說(shuō)。“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，這些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，通常由其影響監(jiān)測(cè)丙氨酸顆粒，一種在暴露于電離輻射時(shí)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(shí)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(guò)它們的光的波長(zhǎng)。通過(guò)測(cè)量這些變化，這些設(shè)備可用作高靈敏度溫度計(jì)或應(yīng)變計(jì)。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?cè)诒┞队陔婋x輻射下繼續(xù)正常運(yùn)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(guò)其對(duì)輻照器件物理特性的影響來(lái)測(cè)量輻射，”Fitzgerald說(shuō)。“對(duì)于制造業(yè)而言，這應(yīng)該是個(gè)好消息，因?yàn)橹圃鞓I(yè)急需為龐大且不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)提供服務(wù)，以便在非常小的長(zhǎng)度范圍內(nèi)精確地提供輻射。然后可以開(kāi)發(fā)光子傳感器來(lái)測(cè)量醫(yī)療設(shè)備滅菌和食品輻照中使用的低能電子和X射線束。“

它們也對(duì)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(dá)到該目標(biāo)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(kāi)發(fā)用于工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用的芯片級(jí)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(cè)量細(xì)節(jié)，”項(xiàng)目科學(xué)家Nikolai Klimov說(shuō)。千分尺是百萬(wàn)分之一米。人的頭發(fā)寬約100微米。

該團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果可能對(duì)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(guò)程產(chǎn)生重大影響。“我們的傳感器自然很小，芯片級(jí)，”菲茨杰拉德說(shuō)。“目前的劑量計(jì)大小為毫米到厘米，這可能會(huì)給那些在這些尺寸上變化的區(qū)域帶來(lái)錯(cuò)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(shí)測(cè)試傳感器陣列，以確定是否可以解決小距離的劑量變化。