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光子辐射传感器能在大剂量下也能安然无恙地存活下来
来源:赛斯维传感器网 发表于 2021/3/1

nist原型光子温度计。图片来源:jennifer lauren lee / nist


美国国家标准技术研究院(nist)的研究人员发表了具有里程碑意义的测试结果,表明有希望的一类传感器可用于高辐射环境,并促进重要的医学,工业和研究应用。


光子传感器通过光而不是电线中的电流来传递信息。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。


它们具有体积小,功耗低以及对环境变量(例如机械振动)的耐受性,因此具有吸引力。但是普遍的共识是,高水平的辐射会改变硅的光学特性,从而导致读数不正确。


因此,长期以来在许多光子学研究领域处于世界领先地位的nist发起了一个程序来回答这些问题。该试验结果表明,传感器可定制用于测量辐射剂量在工业应用和临床放射治疗。“自然科学报告”中报告了其第一轮测试的结果。


nist的结果特别表明,这些传感器可用于跟踪用于食品辐照以消灭微生物和用于医疗器械灭菌的电离辐射(能量足以改变原子的结构)的水平,据估计,该市场的年销售额为70亿美元仅在美国。传感器还具有在医学成像和治疗方面的潜在应用,预计到2022年全球这些传感器的年总价值将达到近500亿美元。


项目科学家zeeshan ahmed说:“当我们查看有关该主题的出版物时,不同的实验室取得了截然不同的结果。” “这是我们进行实验的主要动机。”


艾哈迈德说:“另一个动机是,人们越来越需要部署能在非常恶劣的环境中正常工作的光子传感器,例如在核反应堆附近,在核反应堆附近,辐射破坏是一个主要问题。” 项目科学家罗纳德·托什说:“此外,航天工业需要知道这些设备在高辐射环境下如何工作。” “它们是否会受到损坏?这项研究表明,对于某些类别的设备和辐射,其损坏可以忽略不计。”


光子传感器通过光而不是电流来传输信息。最近,nist的科学家测试了辐射是否会损害这些传感器的性能。在这种设置中,科学家将光子传感器置于产生辐射的强大电子束下。光束沿轴向下行进并撞击百叶窗,可以关闭快门以停止光束,也可以打开快门以允许光束通过。当光束撞击芯片时,它会发光。物理学家可以从隔壁的控制室操纵光束并监视数据,以告诉他们芯片的性能如何。科学家希望有一天能将这些芯片用作辐射水平高的区域的传感器,例如在太空中或在用于医学成像和癌症放射治疗的设备附近。


“我们发现氧化物涂层的硅光子器件可以承受高达100万灰度的辐射,”光子剂量测定技术项目负责人ryan fitzgerald说道,他使用si单元吸收了辐射。1灰度表示1千克质量吸收的1焦耳能量,而1灰度表示10,000例胸部x射线。这大致是传感器在核电站中接收到的。


fitzgerald说:“这是我们的校准客户所关心的上限。” “因此可以假定这些设备在低数百或数千倍的工业或医疗辐射水平下可以可靠地工作。” 例如,食物辐照的范围从几百到几千个灰色不等,通常通过其对丙氨酸颗粒的影响来监控,丙氨酸是一种氨基酸,当暴露于电离辐射时会改变其原子特性。


为了确定辐射的影响,nist研究人员将两种硅光子传感器暴露于数小时的放射性同位素钴60产生的伽马辐射。在这两种类型的传感器中,其物理特性的微小变化都会改变通过它们的光的波长。通过测量这些变化,这些设备可以用作高灵敏度的温度计或应变仪。仅在太空环境或核反应堆等极端环境下,它们在暴露于电离辐射下仍能正常运行时,情况仍然如此。


fitzgerald说:“我们的结果表明,即使在极端辐射环境下,这些光子器件也很坚固,这表明它们还可以通过其对被辐照设备的物理性能的影响来测量辐射。” “这对于美国制造业来说是个好消息,它渴望为庞大且不断增长的市场提供服务,以很小的长度尺度精确地传输辐射。然后可以开发出光子传感器来测量所用的低能电子和x射线束在医疗器械灭菌和食物辐照中。”


它们也将对临床医学产生极大的兴趣,在该医学领域中,医师将努力以最小的辐射有效水平最低的放射线来治疗癌症和其他疾病,以避免影响健康的组织,包括电子,质子和离子束。为了达到这个目标,需要辐射传感器具有极高的灵敏度和空间分辨率。“最终,我们希望开发出用于工业和医疗应用的芯片级设备,该设备可以确定微米范围内距离上的吸收剂量梯度,从而提供前所未有的测量细节,”项目科学家nikolai klimov说。千分尺是一米的百万分之一。人的头发大约100微米宽。


研究小组的结果可能对采用极窄的质子或碳离子束的新医学疗法以及使用低能电子束的医学灭菌过程产生重大影响。fitzgerald说:“我们的传感器天生很小,只有芯片级。” “目前的剂量计大约在毫米到厘米之间,这可能会为在这些尺寸范围内变化的场提供错误的读数。”


在研究的下一阶段,研究小组将在相同条件下同时测试传感器阵列,以查看是否可以解决小距离剂量的变化。


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