Sensores de radiación fotónica sobreviven enormes dosis sin daños

Sensores de radiación fotónica sobreviven enormes dosis sin daños
Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han publicado resultados de pruebas que sugieren una clase prometedora de sensores que se pueden usar en entornos de alta radiación y para avanzar en importantes aplicaciones médicas, industriales y de investigación.

Los sensores fotónicos transmiten información con luz en lugar de corrientes eléctricas en los cables. Pueden medir, transmitir y manipular flujos de fotones, generalmente a través de fibras ópticas, y se utilizan para medir la presión, la temperatura, la distancia, los campos magnéticos, las condiciones ambientales y más.

Son atractivos debido a su pequeño tamaño, bajo consumo de energía y tolerancia a variables ambientales como la vibración mecánica. Pero el consenso general ha sido que los altos niveles de radiación modificarían las propiedades ópticas de su silicio, lo que llevaría a lecturas incorrectas.

Entonces, NIST, durante mucho tiempo líder mundial en muchas áreas de investigación fotónica, lanzó un programa para responder a esas preguntas.

Los resultados de las pruebas indican que los sensores podrían personalizarse para medir la dosis de radiación tanto en aplicaciones industriales como en radioterapia clínica. Los resultados de su primera ronda de pruebas se informan en Nature Scientific Reports .

Específicamente, los resultados del NIST sugieren que los sensores podrían usarse para rastrear los niveles de radiación ionizante (con una energía lo suficientemente alta como para alterar la estructura de los átomos) utilizada en la irradiación de alimentos para destruir microbios y en la esterilización de dispositivos médicos.

mercado en los Estados Unidos solo. Los sensores también tienen aplicaciones potenciales en imágenes médicas y terapia, que en conjunto proyectan un total de casi $ 50 mil millones en valor anual en todo el mundo para el año 2022.

«Cuando observamos publicaciones sobre el tema, diferentes laboratorios obtenían resultados dramáticamente diferentes», dijo el científico del proyecto Zeeshan Ahmed, que forma parte del Proyecto de Dosimetría Fotónica del NIST y líder del Proyecto de Termometría Fotónica de vanguardia del NIST. «Esa fue nuestra principal motivación para hacer nuestro experimento».

«Otra motivación fue el creciente interés en desplegar sensores fotónicos que pueden funcionar con precisión en entornos muy duros, como cerca de reactores nucleares, donde el daño por radiación es una preocupación importante», dijo Ahmed.

«Además, la industria espacial necesita saber cómo funcionarán estos dispositivos en entornos de alta radiación«, dijo el científico del proyecto Ronald Tosh. «¿Se van a dañar o no? Lo que este estudio muestra es que para una cierta clase de dispositivos y radiación, el daño es insignificante».

«Encontramos que los dispositivos fotónicos de silicona recubiertos de óxido pueden soportar la exposición a la radiación hasta 1 millón de grises«, dijo el líder del proyecto de Dosimetría Fotónica Ryan Fitzgerald, utilizando la unidad SI para la radiación absorbida.

Un gris representa un joule de energía absorbida por un kilogramo de masa y un gris corresponde a 10,000 radiografías de tórax. Esto es aproximadamente lo que recibiría un sensor en una planta de energía nuclear.

«Es el límite superior de lo que les importa a nuestros clientes de calibraciones», dijo Fitzgerald. «Por lo tanto, se puede asumir que los dispositivos funcionan de manera confiable a niveles de radiación industrial o médica que son cientos o miles de veces más bajos».

La irradiación de alimentos, por ejemplo, varía de unos pocos cientos a unos pocos miles de grises, y generalmente se controla por sus efectos sobre los gránulos de alanina, un aminoácido que cambia sus propiedades atómicas cuando se expone a la radiación ionizante.

Para determinar los efectos de la radiación, los investigadores del NIST expusieron dos tipos de sensores fotónicos de silicio a horas de radiación gamma de cobalto-60, un isótopo radioactivo.

En ambos tipos de sensores, pequeñas variaciones en sus propiedades físicas cambian la longitud de onda de la luz que viaja a través de ellos. Al medir esos cambios, los dispositivos pueden utilizarse como termómetros o medidores de tensión altamente sensibles.

Esto sigue siendo cierto en ambientes extremos como los vuelos espaciales o los reactores nucleares, solo si continúan funcionando adecuadamente bajo la exposición a la radiación ionizante.

«Nuestros resultados muestran que estos dispositivos fotónicos son robustos incluso en entornos de radiación extrema, lo que sugiere que también podrían usarse para medir la radiación a través de sus efectos en las propiedades físicas de los dispositivos irradiados», dijo Fitzgerald.

«Eso debería ser una buena noticia para la manufactura de los EE. UU., Que está ansiosa por atender el mercado grande y en crecimiento para el suministro preciso de radiación en escalas de longitud muy pequeña.

Luego, se pueden desarrollar sensores fotónicos para medir los rayos de electrones y rayos de baja energía utilizados. En esterilización de dispositivos médicos e irradiación de alimentos «.

También serán de gran interés para la medicina clínica, en la que los médicos se esfuerzan por tratar los cánceres y otras afecciones con los niveles efectivos más bajos de radiación enfocados en las dimensiones más pequeñas para evitar afectar el tejido sano, incluidos los haces de electrones, protones e iones.

Alcanzar ese objetivo exige sensores de radiación con una sensibilidad y resolución espacial extraordinariamente altas. «Eventualmente, esperamos desarrollar dispositivos a escala de chip para aplicaciones industriales y médicas que puedan determinar los gradientes de dosis.

Absorbidos en distancias en el rango de micrómetros y, por lo tanto, proporcionar detalles sin precedentes en las mediciones», dijo el científico del proyecto Nikolai Klimov. Un micrómetro es la millonésima parte de un metro. Un cabello humano es de unos 100 micrómetros de ancho.

Los resultados del equipo pueden tener grandes implicaciones para las nuevas terapias médicas que emplean haces de protones o iones de carbono extremadamente estrechos y procesos de esterilización médica que usan haces de electrones de baja energía.

«Nuestros sensores son naturalmente pequeños y con una escala de chips», dijo Fitzgerald. «Los dosímetros actuales son del orden de milímetros a centímetros, lo que puede dar lecturas erróneas para campos que varían sobre esas dimensiones».

En la siguiente etapa de la investigación, el equipo probará las matrices de sensores simultáneamente en condiciones idénticas para ver si se pueden resolver las variaciones en la dosis en pequeñas distancias.

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