Fotoniske strålingssensorer overlever enorme doser ubeskadiget

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har offentliggjort skelsættende testresultater, der tyder på, at en lovende klasse af sensorer kan bruges i miljøer med høj stråling og til at fremme vigtige medicinske, industri- og forskningsapplikationer.

Fotoniske sensorer formidler information med lys i stedet for elektriske strømme i ledninger. De kan måle, transmittere og manipulere strømme af fotoner, typisk gennem optiske fibre, og bruges til at måle tryk, temperatur, afstand, magnetiske felter, miljøforhold og mere.

De er attraktive på grund af deres lille størrelse, lavt strømforbrug og tolerance over for miljøvariabler såsom mekanisk vibration. Men den generelle konsensus har været, at høje strålingsniveauer ville ændre de optiske egenskaber ved deres silicium, fører til forkerte aflæsninger.

Så NIST, længe verdens førende inden for mange områder inden for fotonikforskning, lancerede et program til at besvare disse spørgsmål. Testresultaterne indikerer, at sensorerne kan tilpasses til måling af stråledosis i både industrielle applikationer og klinisk strålebehandling. Resultaterne af sin første testrunde er rapporteret i Naturvidenskabelige rapporter .

Specifikt, NIST -resultaterne tyder på, at sensorerne kan bruges til at spore niveauer af ioniserende stråling (med energi, der er høj nok til at ændre strukturen af ​​atomer), der bruges til madbestråling til at ødelægge mikrober og til sterilisering af medicinsk udstyr - anslået til et årligt marked på 7 milliarder dollars i USA alene. Sensorerne har også potentielle anvendelser inden for medicinsk billeddannelse og terapi, der tilsammen forventes at beløbe sig til næsten 50 milliarder dollars i årlig værdi på verdensplan inden 2022.

"Da vi kiggede på publikationer om emnet, forskellige laboratorier fik dramatisk forskellige resultater, "sagde projektforsker Zeeshan Ahmed, som er en del af NIST's Photonic Dosimetry Project og leder af NIST's banebrydende Photonic Thermometry Project. "Det var vores vigtigste motivation for at lave vores eksperiment."

"En anden motivation var den stigende interesse for at implementere fotoniske sensorer, der kan fungere præcist i meget hårde miljøer, såsom tæt på atomreaktorer, hvor strålingsskader er en stor bekymring, "Sagde Ahmed." Desuden rumindustrien har brug for at vide, hvordan disse enheder ville fungere i miljøer med høj stråling, "sagde projektforsker Ronald Tosh." Kommer de til at blive beskadiget eller ej? Hvad denne undersøgelse viser er, at for en bestemt klasse af enheder og stråling, skaden er ubetydelig. "

"Vi fandt ud af, at oxid-belagte silicon-fotoniske enheder kan modstå strålingseksponering op til 1 million grå, "sagde Photonic Dosimetry -projektleder Ryan Fitzgerald, ved hjælp af SI -enheden til absorberet stråling. En grå repræsenterer en joule energi absorberet af et kilogram masse, og 1 grå svarer til 10, 000 røntgenbilleder af brystet. Det er nogenlunde, hvad en sensor ville modtage på et atomkraftværk.

"Det er den øvre grænse for, hvad vores kalibreringer kunder bekymrer sig om, "Fitzgerald sagde." Så det kan antages, at enhederne fungerer pålideligt ved industrielle eller medicinske strålingsniveauer, der er hundreder eller tusinder af gange lavere. "Madbestråling, for eksempel, spænder fra et par hundrede til et par tusinde grå, og overvåges typisk af dets virkninger på piller af alanin, en aminosyre, der ændrer sine atomare egenskaber, når den udsættes for ioniserende stråling.

For at bestemme virkningerne af stråling, NIST-forskerne udsatte to slags siliciumfotoniske sensorer for timers gammastråling fra kobolt-60, en radioaktiv isotop. I begge typer sensorer, små variationer i deres fysiske egenskaber ændrer bølgelængden af ​​lyset, der bevæger sig gennem dem. Ved at måle disse ændringer, enhederne kan bruges som yderst følsomme termometre eller spændingsmålere. Dette gælder stadig i ekstreme miljøer som rumfart eller atomreaktorer, kun hvis de fortsat fungerer korrekt under udsættelse for ioniserende stråling.

"Vores resultater viser, at disse fotoniske enheder er robuste i selv ekstreme strålingsmiljøer, hvilket tyder på, at de også kan bruges til at måle stråling via dens virkninger på fysiske egenskaber ved bestrålede enheder, "Sagde Fitzgerald." Det burde komme som en god nyhed for amerikansk produktion, som er ivrig efter at betjene det store og voksende marked for præcis levering af stråling i meget små længder. Fotoniske sensorer kunne derefter udvikles til måling af lavenergi elektron- og røntgenstråler, der bruges til sterilisering af medicinsk udstyr og madbestråling. "

De vil også have stor interesse for klinisk medicin, hvor læger bestræber sig på at behandle kræft og andre tilstande med de laveste effektive strålingsniveauer fokuseret på de mindste dimensioner for at undgå at påvirke sundt væv, herunder elektron, proton- og ionstråler. At nå dette mål kræver strålingssensorer med ekstraordinær høj følsomhed og rumlig opløsning. "Til sidst, vi håber at udvikle chip-skala-enheder til industrielle og medicinske applikationer, der kan bestemme absorberede dosisgradienter over afstande inden for mikrometer og dermed give enestående detaljer i målinger, "sagde projektforsker Nikolai Klimov. Et mikrometer er en milliontedel af en meter. Et menneskehår er omkring 100 mikrometer bredt.

Teamets resultater kan have store konsekvenser for nye medicinske behandlinger, der anvender ekstremt smalle stråler af protoner eller kulstofioner og medicinske steriliseringsprocesser, der anvender lavenergistråler af elektroner. "Vores sensorer er naturligt små og chip-skala, "Sagde Fitzgerald." Nuværende dosimetre er i størrelsesordenen millimeter til centimeter, som kan give fejlagtige aflæsninger for felter, der varierer over disse dimensioner. "

I den næste fase af forskningen, teamet vil teste arrays af sensorer samtidigt under identiske forhold for at se, om variationer i dosis over små afstande kan løses.