Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben baanbrekende testresultaten gepubliceerd die suggereren dat een veelbelovende klasse sensoren kan worden gebruikt in omgevingen met veel straling en om belangrijke medische, industriële en onderzoekstoepassingen.

Fotonische sensoren brengen informatie over met licht in plaats van elektrische stromen in draden. Ze kunnen meten, stromen van fotonen verzenden en manipuleren, meestal via optische vezels, en worden gebruikt om druk te meten, temperatuur, afstand, magnetische velden, omgevingsomstandigheden en meer.

Ze zijn aantrekkelijk vanwege hun kleine formaat, laag stroomverbruik en tolerantie van omgevingsvariabelen zoals mechanische trillingen. Maar de algemene consensus was dat hoge stralingsniveaus de optische eigenschappen van hun silicium zouden veranderen, wat leidt tot foutieve aflezingen.

Dus NIST, lang een wereldleider op vele gebieden van fotonica-onderzoek, een programma gelanceerd om die vragen te beantwoorden. De testresultaten geven aan dat de sensoren kunnen worden aangepast voor het meten van de stralingsdosis in zowel industriële toepassingen als klinische radiotherapie. De resultaten van de eerste testronde worden gerapporteerd in Natuurwetenschappelijke rapporten .

specifiek, de NIST-resultaten suggereren dat de sensoren kunnen worden gebruikt om niveaus van ioniserende straling te volgen (met energie die hoog genoeg is om de structuur van atomen te veranderen) die wordt gebruikt bij voedselbestraling om microben te vernietigen en bij sterilisatie van medische apparaten - naar schatting een jaarlijkse markt van $ 7 miljard in de Wij alleen. De sensoren hebben ook potentiële toepassingen in medische beeldvorming en therapie, die samen naar verwachting in 2022 wereldwijd bijna $ 50 miljard aan jaarlijkse waarde zullen bedragen.

"Toen we naar publicaties over dit onderwerp keken, verschillende laboratoria kregen dramatisch verschillende resultaten, " zei projectwetenschapper Zeeshan Ahmed, die deel uitmaakt van NIST's Photonic Dosimetry Project en leider van NIST's cutting-edge Photonic Thermometry Project. "Dat was onze belangrijkste motivatie om ons experiment te doen."

"Een andere motivatie was de groeiende interesse in het inzetten van fotonische sensoren die nauwkeurig kunnen functioneren in zeer ruwe omgevingen, zoals in de buurt van kernreactoren, waar stralingsschade een groot probleem is, " zei Ahmed. "Bovendien, de ruimtevaartindustrie moet weten hoe deze apparaten zouden functioneren in omgevingen met veel straling, ", zei projectwetenschapper Ronald Tosh. "Zullen ze beschadigd raken of niet? Wat deze studie laat zien, is dat voor een bepaalde klasse van apparaten en straling, de schade is te verwaarlozen."

"We ontdekten dat met oxide gecoate fotonische apparaten van silicium bestand zijn tegen stralingsblootstelling tot 1 miljoen grijs, " zei projectleider fotonische dosimetrie Ryan Fitzgerald, met behulp van de SI-eenheid voor geabsorbeerde straling. Eén grijs staat voor één joule energie geabsorbeerd door één kilogram massa, en 1 grijs komt overeen met 10, 000 thoraxfoto's. Dit is ongeveer wat een sensor zou ontvangen in een kerncentrale.

"Het is de bovengrens van waar onze kalibratieklanten om geven, Fitzgerald zei. "Dus kan worden aangenomen dat de apparaten betrouwbaar werken bij industriële of medische stralingsniveaus die honderden of duizenden keren lager zijn." bijvoorbeeld, varieert van een paar honderd tot een paar duizend grijs, en wordt meestal gevolgd door de effecten ervan op alaninekorrels, een aminozuur dat zijn atomaire eigenschappen verandert bij blootstelling aan ioniserende straling.

Om de effecten van straling te bepalen, de NIST-onderzoekers stelden twee soorten silicium fotonische sensoren bloot aan urenlange gammastraling van kobalt-60, een radioactieve isotoop. Bij beide typen sensoren kleine variaties in hun fysieke eigenschappen veranderen de golflengte van het licht dat er doorheen reist. Door die veranderingen te meten, de apparaten kunnen worden gebruikt als zeer gevoelige thermometers of rekstrookjes. Dit blijft het geval in extreme omgevingen zoals ruimtevluchten of kernreactoren, alleen als ze goed blijven functioneren onder blootstelling aan ioniserende straling.

"Onze resultaten laten zien dat deze fotonische apparaten robuust zijn in zelfs extreme stralingsomgevingen, wat suggereert dat ze ook kunnen worden gebruikt om straling te meten via de effecten op de fysieke eigenschappen van bestraalde apparaten, Fitzgerald zei. "Dat zou goed nieuws moeten zijn voor de Amerikaanse productie, die graag de grote en groeiende markt wil bedienen voor nauwkeurige afgifte van straling op zeer kleine lengteschalen. Fotonische sensoren zouden vervolgens kunnen worden ontwikkeld om laagenergetische elektronen- en röntgenstralen te meten die worden gebruikt bij sterilisatie van medische apparaten en bestraling van voedsel."

Ze zullen ook van groot belang zijn voor de klinische geneeskunde, waarin artsen ernaar streven kankers en andere aandoeningen te behandelen met de laagste effectieve stralingsniveaus gericht op de kleinste afmetingen om te voorkomen dat gezond weefsel wordt aangetast, inclusief elektron, protonen- en ionenbundels. Om dat doel te bereiken zijn stralingssensoren nodig met een buitengewoon hoge gevoeligheid en ruimtelijke resolutie. "Eventueel, we hopen apparaten op chipschaal te ontwikkelen voor industriële en medische toepassingen die geabsorbeerde dosisgradiënten kunnen bepalen over afstanden in het bereik van micrometers en zo ongekende details in metingen kunnen bieden, " zei projectwetenschapper Nikolai Klimov. Een micrometer is een miljoenste van een meter. Een mensenhaar is ongeveer 100 micrometer breed.

De resultaten van het team kunnen grote implicaties hebben voor nieuwe medische therapieën die gebruik maken van extreem smalle bundels van protonen of koolstofionen en medische sterilisatieprocessen die gebruikmaken van laagenergetische bundels van elektronen. "Onze sensoren zijn van nature klein en op chipschaal, Fitzgerald zei. "Huidige dosismeters zijn in de orde van millimeters tot centimeters, die foutieve uitlezingen kan geven voor velden die over die dimensies variëren."

In de volgende fase van het onderzoek, het team zal arrays van sensoren tegelijkertijd testen in identieke omstandigheden om te zien of variaties in dosis over kleine afstanden kunnen worden opgelost.