光子辐射传感器幸免于巨大的损失

新的测试可以加速在医学，食品安全，航天器中使用小型精密设备
标准与技术研究院(NIST)的研究人员发表了具有里程碑意义的测试结果，这些测试结果表明，一类有前景的传感器可用于高辐射环境，并推动重要的医疗，工业和研究应用。
光子传感器用光线传输信息而不是电线中的电流。它们可以测量，传输和操纵光子流，通常通过光纤，并用于测量压力，温度，距离，磁场，环境条件等。
【光子辐射传感器幸免于巨大的损失】它们具有吸引力，因为它们体积小，功耗低，并且容许环境变量，例如机械振动。但普遍的共识是，高水平的辐射会改变其硅的光学性质，导致读数错误。
因此，NIST长期以来一直是许多光子学研究领域的领导者，它推出了一个回答这些问题的计划。测试结果表明，传感器可以定制用于测量工业应用和临床放射治疗中的辐射剂量。“ 自然科学报告”报道了第一轮测试的结果。
具体来说，NIST的结果表明传感器可用于跟踪食品辐照中用于破坏微生物和医疗设备灭菌的电离辐射水平(能量高到足以改变原子的结构) - 估计每年市场价值70亿美元仅在。这些传感器在医学成像和治疗方面也有潜在的应用，预计到2022年，全球每年的总价值将近500亿美元。
“当我们查看有关该主题的出版物时，不同的实验室得到的结果大不相同，”项目科学家Zeeshan Ahmed表示，他是NIST 光子剂量测定项目的一员，也是NIST尖端光子测温项目的负责人。“这是我们进行实验的主要动机。”
“另一个动机是人们越来越关注部署光子传感器，这些传感器可以在非常恶劣的环境中正常工作，例如靠近核反应堆，辐射损坏是一个主要问题，”艾哈迈德说。
“此外，航天工业需要知道这些设备如何在高辐射环境中发挥作用，”项目科学家Ronald Tosh说。“他们会不会受到损坏?这项研究表明，对于某类设备和辐射，损害可以忽略不计。“
“我们发现氧化物涂层硅光子器件能够承受高达100万灰度的辐射，”Photonic Dosimetry项目负责人Ryan Fitzgerald说，他使用SI单元吸收辐射。一个灰色代表一公斤质量吸收的一焦耳能量，一个灰色代表10,000个胸部X射线。这大致是传感器在核电站获得的结果。
“这是我们校准客户关心的上限，”菲茨杰拉德说。“因此，可以假设这些设备可以在工业或医疗辐射水平下可靠地工作，这些辐射水平要低几百或几千倍。”例如，食物辐射的范围从几百到几千灰，通常由其影响监测丙氨酸颗粒，一种在暴露于电离辐射时改变其原子特性的氨基酸。
为了确定辐射的影响，NIST的研究人员将两种硅光子传感器暴露在放射性同位素钴-60的数小时伽马辐射中。在两种类型的传感器中，它们的物理性质的微小变化改变了穿过它们的光的波长。通过测量这些变化，这些设备可用作高灵敏度温度计或应变计。这种情况在太空飞行或核反应堆等极端环境中仍然存在，只要它们在暴露于电离辐射下继续正常运行。
“我们的研究结果表明，这些光子器件即使在极端辐射环境下也能保持稳定，这表明它们也可以通过其对辐照器件物理特性的影响来测量辐射，”Fitzgerald说。“对于制造业而言，这应该是个好消息，因为制造业急需为庞大且不断增长的市场提供服务，以便在非常小的长度范围内精确地提供辐射。然后可以开发光子传感器来测量医疗设备灭菌和食品辐照中使用的低能电子和X射线束。“
它们也对临床医学非常感兴趣，其中医生努力治疗癌症和其他条件，其最低有效辐射水平集中在最小尺寸上，以避免影响健康组织，包括电子，质子和离子束。
达到该目标需要具有极高灵敏度和空间分辨率的辐射传感器。“最终，我们希望开发用于工业和医疗应用的芯片级器件，可以确定微米范围内的吸收剂量梯度，从而提供前所未有的测量细节，”项目科学家Nikolai Klimov说。千分尺是百万分之一米。人的头发宽约100微米。
该团队的研究结果可能对采用极窄质子束或碳离子的新医学疗法以及使用低能电子束的医疗灭菌过程产生重大影响。“我们的传感器自然很小，芯片级，”菲茨杰拉德说。“目前的剂量计大小为毫米到厘米，这可能会给那些在这些尺寸上变化的区域带来错误的读数。”
在研究的下一阶段，研究小组将在相同的条件下同时测试传感器阵列，以确定是否可以解决小距离的剂量变化。

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