新的測試可以加速在醫學，食品安全，航天器中使用小型精密設備

標準與技術研究院(NIST)的研究人員發表了具有里程碑意義的測試結果，這些測試結果表明，一類有前景的傳感器可用于高輻射環境，并推動重要的醫療，工業和研究應用。

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性質，導致讀數錯誤。

因此，NIST長期以來一直是許多光子學研究領域的領導者，它推出了一個回答這些問題的計劃。測試結果表明，傳感器可以定制用于測量工業應用和臨床放射治療中的輻射劑量。“ 自然科學報告”報道了第一輪測試的結果。

具體來說，NIST的結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療設備滅菌的電離輻射水平(能量高到足以改變原子的結構) - 估計每年市場價值70億美元僅在。這些傳感器在醫學成像和治療方面也有潛在的應用，預計到2022年，全球每年的總價值將近500億美元。

“當我們查看有關該主題的出版物時，不同的實驗室得到的結果大不相同，”項目科學家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注部署光子傳感器，這些傳感器可以在非常惡劣的環境中正常工作，例如靠近核反應堆，輻射損壞是一個主要問題，”艾哈邁德說。

“此外，航天工業需要知道這些設備如何在高輻射環境中發揮作用，”項目科學家Ronald Tosh說。“他們會不會受到損壞?這項研究表明，對于某類設備和輻射，損害可以忽略不計。“

“我們發現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項目負責人Ryan Fitzgerald說，他使用SI單元吸收輻射。一個灰色代表一公斤質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果。

“這是我們校準客戶關心的上限，”菲茨杰拉德說。“因此，可以假設這些設備可以在工業或醫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，通常由其影響監測丙氨酸顆粒，一種在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的數小時伽馬輻射中。在兩種類型的傳感器中，它們的物理性質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，這些設備可用作高靈敏度溫度計或應變計。這種情況在太空飛行或核反應堆等極端環境中仍然存在，只要它們在暴露于電離輻射下繼續正常運行。

“我們的研究結果表明，這些光子器件即使在極端輻射環境下也能保持穩定，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。“對于制造業而言，這應該是個好消息，因為制造業急需為龐大且不斷增長的市場提供服務，以便在非常小的長度范圍內精確地提供輻射。然后可以開發光子傳感器來測量醫療設備滅菌和食品輻照中使用的低能電子和X射線束。“

它們也對臨床醫學非常感興趣，其中醫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，我們希望開發用于工業和醫療應用的芯片級器件，可以確定微米范圍內的吸收劑量梯度，從而提供前所未有的測量細節，”項目科學家Nikolai Klimov說。千分尺是百萬分之一米。人的頭發寬約100微米。

該團隊的研究結果可能對采用極窄質子束或碳離子的新醫學療法以及使用低能電子束的醫療滅菌過程產生重大影響。“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域帶來錯誤的讀數。”

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。