I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno pubblicato risultati di test storici che suggeriscono che una promettente classe di sensori può essere utilizzata in ambienti ad alta radiazione e per far progredire importanti applicazioni industriali e di ricerca.

I sensori fotonici trasmettono informazioni con la luce invece che con le correnti elettriche nei fili. possono misurare, trasmettere e manipolare flussi di fotoni, tipicamente attraverso fibre ottiche, e servono per misurare la pressione, temperatura, distanza, campi magnetici, condizioni ambientali e altro ancora.

Sono attraenti per le loro piccole dimensioni, basso consumo energetico e tolleranza di variabili ambientali come le vibrazioni meccaniche. Ma il consenso generale è stato che alti livelli di radiazioni modificherebbero le proprietà ottiche del loro silicio, portando a letture errate.

Quindi NIST, da tempo leader mondiale in molte aree della ricerca sulla fotonica, ha lanciato un programma per rispondere a queste domande. I risultati dei test indicano che i sensori potrebbero essere personalizzati per misurare la dose di radiazioni sia in applicazioni industriali che in radioterapia clinica. I risultati del suo primo ciclo di test sono riportati in Rapporti scientifici sulla natura .

Nello specifico, i risultati del NIST suggeriscono che i sensori potrebbero essere utilizzati per tracciare i livelli di radiazioni ionizzanti (con un'energia sufficientemente elevata da alterare la struttura degli atomi) utilizzata nell'irradiazione alimentare per distruggere i microbi e nella sterilizzazione dei dispositivi medici, stimata in un mercato da 7 miliardi di dollari l'anno nel Stati Uniti da soli. I sensori hanno anche potenziali applicazioni nell'imaging medico e nella terapia, che insieme dovrebbero raggiungere un valore annuo di quasi 50 miliardi di dollari in tutto il mondo entro il 2022.

"Quando abbiamo esaminato le pubblicazioni sull'argomento, diversi laboratori stavano ottenendo risultati notevolmente diversi, " ha detto lo scienziato del progetto Zeeshan Ahmed, che fa parte del progetto di dosimetria fotonica del NIST e leader del progetto di termometria fotonica all'avanguardia del NIST. "Questa è stata la nostra motivazione principale per fare il nostro esperimento".

"Un'altra motivazione è stata il crescente interesse per l'implementazione di sensori fotonici in grado di funzionare con precisione in ambienti molto difficili, come vicino a reattori nucleari, dove il danno da radiazioni è una delle principali preoccupazioni, " Ahmed ha detto. "Inoltre, l'industria spaziale ha bisogno di sapere come funzionerebbero questi dispositivi in ​​ambienti ad alta radiazione, " ha detto lo scienziato del progetto Ronald Tosh. "Saranno danneggiati o no? Ciò che questo studio mostra è che per una certa classe di dispositivi e radiazioni, il danno è trascurabile".

"Abbiamo scoperto che i dispositivi fotonici al silicio rivestiti di ossido possono resistere all'esposizione a radiazioni fino a 1 milione di grigi, ", ha affermato il leader del progetto sulla dosimetria fotonica Ryan Fitzgerald, utilizzando l'unità SI per la radiazione assorbita. Un grigio rappresenta un joule di energia assorbita da un chilogrammo di massa, e 1 grigio corrisponde a 10, 000 radiografie del torace. Questo è più o meno ciò che riceverebbe un sensore in una centrale nucleare.

"È il limite superiore di ciò che interessa ai nostri clienti delle calibrazioni, " Fitzgerald ha detto. "Quindi si può presumere che i dispositivi funzionino in modo affidabile a livelli di radiazioni industriali o medici che sono centinaia o migliaia di volte inferiori". Per esempio, varia da poche centinaia a qualche migliaio di grigio, ed è tipicamente monitorato dai suoi effetti sui pellet di alanina, un amminoacido che cambia le sue proprietà atomiche quando esposto a radiazioni ionizzanti.

Per determinare gli effetti delle radiazioni, i ricercatori del NIST hanno esposto due tipi di sensori fotonici al silicio a ore di radiazioni gamma da cobalto-60, un isotopo radioattivo. In entrambi i tipi di sensori, piccole variazioni nelle loro proprietà fisiche modificano la lunghezza d'onda della luce che li attraversa. Misurando questi cambiamenti, i dispositivi possono essere utilizzati come termometri o estensimetri altamente sensibili. Questo rimane vero in ambienti estremi come il volo spaziale o i reattori nucleari, solo se continuano a funzionare correttamente sotto l'esposizione a radiazioni ionizzanti.

"I nostri risultati mostrano che questi dispositivi fotonici sono robusti anche in ambienti con radiazioni estreme, il che suggerisce che potrebbero essere utilizzati anche per misurare le radiazioni attraverso i suoi effetti sulle proprietà fisiche dei dispositivi irradiati, " Fitzgerald ha detto. "Questa dovrebbe essere una buona notizia per la produzione statunitense, che è ansioso di servire il mercato grande e in crescita per la consegna precisa di radiazioni su scale di lunghezza molto piccole. I sensori fotonici potrebbero quindi essere sviluppati per misurare elettroni a bassa energia e fasci di raggi X utilizzati nella sterilizzazione dei dispositivi medici e nell'irradiazione degli alimenti".

Saranno di grande interesse anche per la medicina clinica, in cui i medici si sforzano di trattare i tumori e altre condizioni con i più bassi livelli efficaci di radiazioni focalizzate sulle dimensioni più piccole per evitare di danneggiare i tessuti sani, compreso l'elettrone, fasci di protoni e ioni. Raggiungere questo obiettivo richiede sensori di radiazione con una sensibilità e una risoluzione spaziale straordinariamente elevate. "Infine, speriamo di sviluppare dispositivi su scala di chip per applicazioni industriali e mediche in grado di determinare i gradienti di dose assorbita su distanze nell'intervallo di micrometri e quindi fornire dettagli senza precedenti nelle misurazioni, " ha detto lo scienziato del progetto Nikolai Klimov. Un micrometro è un milionesimo di metro. Un capello umano è largo circa 100 micrometri.

I risultati del team potrebbero avere grandi implicazioni per nuove terapie mediche che impiegano fasci estremamente stretti di protoni o ioni carbonio e processi di sterilizzazione medica che utilizzano fasci di elettroni a bassa energia. "I nostri sensori sono naturalmente piccoli e su scala di chip, " Fitzgerald ha detto. "Gli attuali dosimetri sono dell'ordine di millimetri a centimetri, che possono dare letture errate per campi che variano su quelle dimensioni."

Nella fase successiva della ricerca, il team testerà simultaneamente array di sensori in condizioni identiche per vedere se è possibile risolvere le variazioni di dose su piccole distanze.