Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har publicerat landmärken testresultat som tyder på att en lovande klass av sensorer kan användas i miljöer med hög strålning och för att främja viktiga medicinska, industri- och forskningsapplikationer.

Fotoniska sensorer förmedlar information med ljus istället för elektriska strömmar i ledningar. De kan mäta, överföra och manipulera strömmar av fotoner, vanligtvis genom optiska fibrer, och används för att mäta tryck, temperatur, distans, magnetiska fält, miljöförhållanden med mera.

De är attraktiva på grund av sin lilla storlek, låg strömförbrukning och tolerans för miljövariabler som mekanisk vibration. Men den allmänna konsensus har varit att höga strålningsnivåer skulle ändra de optiska egenskaperna hos deras kisel, leder till felaktiga avläsningar.

Så NIST, länge en världsledande inom många områden av fotonikforskning, lanserade ett program för att svara på dessa frågor. Testresultaten indikerar att sensorerna kan anpassas för mätning av stråldos i både industriella tillämpningar och klinisk strålbehandling. Resultaten av dess första testomgång rapporteras i Naturvetenskapliga rapporter .

Specifikt, NIST-resultaten tyder på att sensorerna skulle kunna användas för att spåra nivåer av joniserande strålning (med energi som är tillräckligt hög för att ändra strukturen hos atomer) som används vid bestrålning av livsmedel för att förstöra mikrober och sterilisering av medicinsk utrustning – beräknad till en årlig marknad på 7 miljarder dollar i bara USA. Sensorerna har också potentiella tillämpningar inom medicinsk bildbehandling och terapi, som tillsammans beräknas uppgå till nästan 50 miljarder dollar i årligt värde över hela världen till 2022.

"När vi tittade på publikationer om ämnet, olika laboratorier fick dramatiskt olika resultat, " sa projektforskaren Zeeshan Ahmed, som är en del av NIST:s Photonic Dosimetry Project och ledare för NIST:s banbrytande Photonic Thermometri Project. "Det var vår främsta motivation för att göra vårt experiment."

"En annan motivation var det växande intresset för att distribuera fotoniska sensorer som kan fungera exakt i mycket tuffa miljöer, såsom nära kärnreaktorer, där strålskador är ett stort problem, " sade Ahmed. "Dessutom, rymdindustrin behöver veta hur dessa enheter skulle fungera i miljöer med hög strålning, " sa projektforskaren Ronald Tosh. "Kommer de att skadas eller inte? Vad denna studie visar är att för en viss klass av enheter och strålning, skadan är försumbar."

"Vi fann att oxidbelagda kiselfotoniska enheter kan motstå strålningsexponering upp till 1 miljon grått, " sa fotonisk dosimetri projektledare Ryan Fitzgerald, använda SI-enheten för absorberad strålning. En grå representerar en joule energi absorberad av ett kilo massa, och 1 grå motsvarar 10, 000 lungröntgen. Detta är ungefär vad en sensor skulle ta emot vid ett kärnkraftverk.

"Det är den övre gränsen för vad våra kalibreringskunder bryr sig om, " Sa Fitzgerald. "Så enheterna kan antas fungera tillförlitligt vid industriella eller medicinska strålningsnivåer som är hundratals eller tusentals gånger lägre." Matbestrålning, till exempel, varierar från några hundra till några tusen grå, och övervakas vanligtvis av dess effekter på pellets av alanin, en aminosyra som ändrar sina atomegenskaper när den utsätts för joniserande strålning.

För att bestämma effekterna av strålning, NIST-forskarna exponerade två typer av fotoniska kiselsensorer för timmar av gammastrålning från kobolt-60, en radioaktiv isotop. I båda typerna av sensorer, små variationer i deras fysiska egenskaper ändrar våglängden på ljuset som färdas genom dem. Genom att mäta dessa förändringar, enheterna kan användas som mycket känsliga termometrar eller töjningsmätare. Detta förblir sant i extrema miljöer som rymdflyg eller kärnreaktorer, endast om de fortsätter att fungera korrekt under exponering för joniserande strålning.

"Våra resultat visar att dessa fotoniska enheter är robusta även i extrema strålningsmiljöer, vilket tyder på att de också skulle kunna användas för att mäta strålning via dess effekter på de fysiska egenskaperna hos bestrålade enheter, " sa Fitzgerald. "Det borde komma som goda nyheter för amerikansk tillverkning, som är angelägen om att betjäna den stora och växande marknaden för exakt leverans av strålning på mycket små längdskalor. Fotoniska sensorer kan sedan utvecklas för att mäta lågenergielektron- och röntgenstrålar som används vid sterilisering av medicinsk utrustning och matbestrålning."

De kommer också att vara av stort intresse för klinisk medicin, där läkare strävar efter att behandla cancer och andra tillstånd med de lägsta effektiva strålningsnivåerna fokuserade på de minsta dimensionerna för att undvika att påverka frisk vävnad, inklusive elektron, proton- och jonstrålar. För att nå det målet krävs strålningssensorer med extraordinärt hög känslighet och rumslig upplösning. "Så småningom, vi hoppas kunna utveckla enheter i chipskala för industriella och medicinska tillämpningar som kan bestämma absorberade dosgradienter över avstånd inom mikrometerområdet och därmed ge oöverträffade detaljer i mätningar, " sa projektforskaren Nikolai Klimov. En mikrometer är en miljondels meter. Ett människohår är cirka 100 mikrometer brett.

Teamets resultat kan ha stora konsekvenser för nya medicinska terapier som använder extremt smala strålar av protoner eller koljoner och medicinska steriliseringsprocesser som använder lågenergistrålar av elektroner. "Våra sensorer är naturligtvis små och chip-skala, ", sa Fitzgerald. "Nuvarande dosimetrar är i storleksordningen millimeter till centimeter, vilket kan ge felaktiga avläsningar för fält som varierar över dessa dimensioner."

I nästa steg av forskningen, teamet kommer att testa uppsättningar av sensorer samtidigt under identiska förhållanden för att se om variationer i dos över små avstånd kan lösas.