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�！白匀豢茖W(xué)報(bào)告”中報(bào)告了其第一輪測(cè)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?cè)�子的結(jié)構(gòu)）的水平，據(jù)估計(jì)，該市場(chǎng)的年銷售額為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(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?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，輻射破壞是一個(gè)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(guò)光而不是電流來(lái)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(mén)以停止光束，也可以打開(kāi)快門(mén)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。

“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(wàn)灰度的輻射，”光子劑量測(cè)定技術(shù)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，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(shuō)：“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(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。在這兩種類型的傳感器中，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。僅在太空環(huán)境或核反應(yīng)堆等極端環(huán)境下，它們?cè)诒┞队陔婋x輻射下仍能正常運(yùn)行時(shí)，情況仍然如此。

Fitzgerald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，這表明它們還可以通過(guò)其對(duì)被輻照設(shè)備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)師將努力以最小的輻射有效水平最低的放射線來(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)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(guò)程產(chǎn)生重大影響。Fitzgerald說(shuō)：“我們的傳感器天生很小，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)為在這些尺寸范圍內(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。