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光子輻射傳感器可以承受未損壞的大劑量
來(lái)源:賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2021/1/5

NIST原型光子溫度計(jì)。圖片來(lái)源:Jennifer Lauren Lee / NIST


美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)的研究人員發(fā)表了具有里程碑意義的測(cè)試結(jié)果,表明有希望的一類(lèi)傳感器可用于高輻射環(huán)境,并促進(jìn)重要的醫(yī)學(xué),工業(yè)和研究應(yīng)用。


光子傳感器通過(guò)光而不是電線中的電流來(lái)傳遞信息。它們可以測(cè)量,傳輸和操縱光子流(通常通過(guò)光纖),并用于測(cè)量壓力,溫度,距離,磁場(chǎng),環(huán)境條件等。


它們具有體積小,功耗低以及對(duì)環(huán)境變量(例如機(jī)械振動(dòng))的耐受性,因此具有吸引力。但是普遍的共識(shí)是,高水平的輻射會(huì)改變硅的光學(xué)特性,從而導(dǎo)致讀數(shù)不正確。


因此,長(zhǎng)期以來(lái)在許多光子學(xué)研究領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位的NIST發(fā)起了一個(gè)程序來(lái)回答這些問(wèn)題。該試驗(yàn)結(jié)果表明,傳感器可定制用于測(cè)量輻射劑量在工業(yè)應(yīng)用和臨床放射治療。第一輪測(cè)試的結(jié)果在《自然科學(xué)報(bào)告》中進(jìn)行了報(bào)道。


NIST的結(jié)果特別表明,這些傳感器可用于跟蹤用于食品輻照以消滅微生物和用于醫(yī)療器械滅菌的電離輻射(能量足以改變?cè)拥慕Y(jié)構(gòu))的水平,據(jù)估計(jì),該市場(chǎng)的年銷(xiāo)售額為70億美元僅在美國(guó)。傳感器還具有在醫(yī)學(xué)成像和治療方面的潛在應(yīng)用,預(yù)計(jì)到2022年,它們?cè)谌虻哪昕們r(jià)值將達(dá)到近500億美元。


項(xiàng)目科學(xué)家Zeeshan Ahmed說(shuō):“當(dāng)我們查看有關(guān)該主題的出版物時(shí),不同的實(shí)驗(yàn)室得出的結(jié)果截然不同!痹摽茖W(xué)家是NIST光子劑量學(xué)項(xiàng)目的成員,也是NIST尖端光子測(cè)溫項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人。“這是我們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的主要?jiǎng)訖C(jī)!


艾哈邁德說(shuō):“另一個(gè)動(dòng)機(jī)是,人們?cè)絹?lái)越需要部署能在非常惡劣的環(huán)境中正常工作的光子傳感器,例如在核反應(yīng)堆附近,在核反應(yīng)堆附近,輻射損害是主要問(wèn)題。項(xiàng)目科學(xué)家羅納德·托什說(shuō):“此外,航天工業(yè)需要知道這些設(shè)備在高輻射環(huán)境下如何工作! “它們是否會(huì)受到損壞?這項(xiàng)研究表明,對(duì)于某些類(lèi)別的設(shè)備和輻射,其損壞可以忽略不計(jì)!


光子傳感器(如此處所示)通過(guò)光而非電流傳輸信息。最近,NIST的科學(xué)家測(cè)試了輻射是否會(huì)損害這些傳感器的性能。在這種設(shè)置下,科學(xué)家將光子傳感器置于產(chǎn)生輻射的強(qiáng)大電子束下。光束沿軸向下行進(jìn)并撞擊百葉窗,可以將其關(guān)閉以停止光束或打開(kāi)以允許光束通過(guò)。當(dāng)光束撞擊芯片時(shí),它會(huì)發(fā)光。物理學(xué)家可以從隔壁的控制室操縱光束并監(jiān)視數(shù)據(jù),以告訴他們芯片的性能如何。科學(xué)家希望有一天能將這些芯片用作輻射水平高的區(qū)域的傳感器,例如在太空中或在用于醫(yī)學(xué)成像和癌癥放射治療的設(shè)備附近。圖片來(lái)源:Jennifer Lauren Lee / NIST。音樂(lè)信用:“信使”


“我們發(fā)現(xiàn)使用氧化物涂層的硅光子器件可以承受高達(dá)100萬(wàn)灰度的輻射,”光子劑量測(cè)定項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Ryan Fitzgerald說(shuō)道,他使用SI單元吸收了輻射。1灰度表示1千克質(zhì)量吸收的1焦耳能量,1灰度表示10,000例胸部X射線。這大致是傳感器在核電站中接收到的。


Fitzgerald說(shuō):“這是我們的校準(zhǔn)客戶(hù)所關(guān)心的上限。” “因此,可以假定這些設(shè)備在低數(shù)百或數(shù)千倍的工業(yè)或醫(yī)療輻射水平下可以可靠地工作! 例如,食物輻照的范圍從幾百到幾千個(gè)灰色不等,通常通過(guò)其對(duì)丙氨酸顆粒的影響來(lái)監(jiān)控,丙氨酸是一種氨基酸,當(dāng)暴露于電離輻射時(shí)會(huì)改變其原子特性。


為了確定輻射的影響,NIST研究人員將兩種硅光子傳感器暴露于數(shù)小時(shí)的放射性同位素鈷60產(chǎn)生的伽馬輻射。在兩種類(lèi)型的傳感器中,其物理特性的微小變化都會(huì)改變通過(guò)它們的光的波長(zhǎng)。通過(guò)測(cè)量這些變化,這些設(shè)備可以用作高靈敏度的溫度計(jì)或應(yīng)變儀。在太空飛行或核反應(yīng)堆等極端環(huán)境中,只有在暴露于電離輻射下仍能正常運(yùn)行的情況下,情況仍然如此。


菲茨杰拉德說(shuō):“我們的結(jié)果表明,即使在極端輻射環(huán)境下,這些光子器件也很堅(jiān)固,這表明它們也可以通過(guò)其對(duì)被輻射器件的物理性能的影響來(lái)測(cè)量輻射! “這對(duì)于美國(guó)制造業(yè)來(lái)說(shuō)是個(gè)好消息,它渴望為龐大且不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)提供服務(wù),以很小的長(zhǎng)度尺度精確地傳輸輻射。然后,可以開(kāi)發(fā)出光子傳感器來(lái)測(cè)量所用的低能電子和X射線束在醫(yī)療器械滅菌和食物輻照中!


它們也將對(duì)臨床醫(yī)學(xué)產(chǎn)生極大的興趣,在該醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中,醫(yī)生將努力以最小的有效輻射水平集中于最小的尺寸來(lái)治療癌癥和其他疾病,以避免影響健康的組織,包括電子,質(zhì)子和離子束。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo),需要輻射傳感器具有極高的靈敏度和空間分辨率!白罱K,我們希望開(kāi)發(fā)出用于工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用的芯片級(jí)設(shè)備,該設(shè)備可以確定微米范圍內(nèi)距離上的吸收劑量梯度,從而提供前所未有的測(cè)量細(xì)節(jié),”項(xiàng)目科學(xué)家Nikolai Klimov說(shuō)。千分尺是一米的百萬(wàn)分之一。人的頭發(fā)大約100微米寬。


研究小組的結(jié)果可能對(duì)使用極窄的質(zhì)子或碳離子束的新醫(yī)學(xué)療法以及使用低能電子束的醫(yī)學(xué)滅菌過(guò)程產(chǎn)生重大影響。Fitzgerald說(shuō):“我們的傳感器自然很小,只有芯片級(jí)! “目前的劑量計(jì)大約在毫米到厘米之間,這可能會(huì)給在這些尺寸范圍內(nèi)變化的場(chǎng)提供錯(cuò)誤的讀數(shù)!


在研究的下一階段,研究小組將在相同條件下同時(shí)測(cè)試傳感器陣列,以查看是否可以解決小距離劑量的變化。


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