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

美國國家標(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試結(jié)果，表明有希望的一類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。

光子傳感器通過光而不是電線中的電流來傳遞信息。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(huán)境條件等。

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

因此，長期以來在許多光子學(xué)研究領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位的NIST發(fā)起了一個程序來回答這些問題。該試驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器可定制用于測量輻射劑量在工業(yè)應(yīng)用和臨床放射治療�！白匀豢茖W(xué)報(bào)告”中報(bào)告了其第一輪測試的結(jié)果。

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（能量足以改變原子的結(jié)構(gòu)）的水平，據(jù)估計(jì)，該市場的年銷售額為70億美元僅在美國。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年全球這些傳感器的年總價(jià)值將達(dá)到近500億美元。

項(xiàng)目科學(xué)家Zeeshan Ahmed說：“當(dāng)我們查看有關(guān)該主題的出版物時，不同的實(shí)驗(yàn)室取得了截然不同的結(jié)果�！� “這是我們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的主要動機(jī)�！�

艾哈邁德說：“另一個動機(jī)是，人們越來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，輻射破壞是一個主要問題。” 項(xiàng)目科學(xué)家羅納德·托什說：“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。” “它們是否會受到損壞？這項(xiàng)研究表明，對于某些類別的設(shè)備和輻射，其損壞可以忽略不計(jì)�！�

光子傳感器通過光而不是電流來傳輸信息。最近，NIST的科學(xué)家測試了輻射是否會損害這些傳感器的性能。在這種設(shè)置中，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，可以關(guān)閉快門以停止光束，也可以打開快門以允許光束通過。當(dāng)光束撞擊芯片時，它會發(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。

“我們發(fā)現(xiàn)氧化物涂層的硅光子器件可以承受高達(dá)100萬灰度的輻射，”光子劑量測定技術(shù)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Ryan Fitzgerald說道，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，而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：“這是我們的校準(zhǔn)客戶所關(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灰色不等，通常通過其對丙氨酸顆粒的影響來監(jiān)控，丙氨酸是一種氨基酸，當(dāng)暴露于電離輻射時會改變其原子特性。

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)小時的放射性同位素鈷60產(chǎn)生的伽馬輻射。在這兩種類型的傳感器中，其物理特性的微小變化都會改變通過它們的光的波長。通過測量這些變化，這些設(shè)備可以用作高靈敏度的溫度計(jì)或應(yīng)變儀。僅在太空環(huán)境或核反應(yīng)堆等極端環(huán)境下，它們在暴露于電離輻射下仍能正常運(yùn)行時，情況仍然如此。

Fitzgerald說：“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，這表明它們還可以通過其對被輻照設(shè)備的物理性能的影響來測量輻射。” “這對于美國制造業(yè)來說是個好消息，它渴望為龐大且不斷增長的市場提供服務(wù)，以很小的長度尺度精確地傳輸輻射。然后可以開發(fā)出光子傳感器來測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)師將努力以最小的輻射有效水平最低的放射線來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)到這個目標(biāo)，需要輻射傳感器具有極高的靈敏度和空間分辨率。“最終，我們希望開發(fā)出用于工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用的芯片級設(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量細(xì)節(jié)，”項(xiàng)目科學(xué)家Nikolai Klimov說。千分尺是一米的百萬分之一。人的頭發(fā)大約100微米寬。

研究小組的結(jié)果可能對采用極窄的質(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)滅菌過程產(chǎn)生重大影響。Fitzgerald說：“我們的傳感器天生很小，只有芯片級�！� “目前的劑量計(jì)大約在毫米到厘米之間，這可能會為在這些尺寸范圍內(nèi)變化的場提供錯誤的讀數(shù)�！�

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