Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) publicaram resultados de testes marcantes que sugerem que uma classe promissora de sensores pode ser usada em ambientes de alta radiação e para o avanço médico importante, aplicações industriais e de pesquisa.

Sensores fotônicos transmitem informações com luz em vez de correntes elétricas em fios. Eles podem medir, transmitir e manipular fluxos de fótons, normalmente por meio de fibras ópticas, e são usados ​​para medir a pressão, temperatura, distância, Campos magnéticos, condições ambientais e muito mais.

Eles são atraentes por causa de seu tamanho pequeno, baixo consumo de energia e tolerância a variáveis ​​ambientais como vibração mecânica. Mas o consenso geral é que altos níveis de radiação modificariam as propriedades ópticas de seu silício, levando a leituras incorretas.

Então, NIST, há muito um líder mundial em muitas áreas de pesquisa fotônica, lançou um programa para responder a essas perguntas. Os resultados dos testes indicam que os sensores podem ser personalizados para medir a dose de radiação em aplicações industriais e radioterapia clínica. Os resultados de sua primeira rodada de testes são relatados em Nature Scientific Reports .

Especificamente, os resultados do NIST sugerem que os sensores podem ser usados ​​para rastrear os níveis de radiação ionizante (com energia alta o suficiente para alterar a estrutura dos átomos) usados ​​na irradiação de alimentos para destruir micróbios e na esterilização de dispositivos médicos - estimado em um mercado anual de $ 7 bilhões no Nós sozinhos. Os sensores também têm aplicações potenciais em terapia e imagens médicas, que, juntos, devem totalizar quase US $ 50 bilhões em valores anuais em todo o mundo até 2022.

“Quando analisamos as publicações sobre o assunto, laboratórios diferentes estavam obtendo resultados dramaticamente diferentes, "disse o cientista do projeto Zeeshan Ahmed, que faz parte do Projeto de Dosimetria Fotônica do NIST e líder do Projeto de Termometria Fotônica de ponta do NIST. "Essa foi nossa principal motivação para fazer nosso experimento."

"Outra motivação foi o crescente interesse em implantar sensores fotônicos que podem funcionar com precisão em ambientes muito hostis, como perto de reatores nucleares, onde os danos da radiação são uma grande preocupação, "Ahmed disse." Além disso, a indústria espacial precisa saber como esses dispositivos funcionariam em ambientes de alta radiação, "disse o cientista do projeto Ronald Tosh." Eles serão danificados ou não? O que este estudo mostra é que para uma determinada classe de dispositivos e radiação, o dano é insignificante. "

"Descobrimos que dispositivos fotônicos de silício revestidos de óxido podem resistir à exposição à radiação de até 1 milhão de cinza, "disse o líder do projeto de Dosimetria Fotônica Ryan Fitzgerald, usando a unidade SI para radiação absorvida. Um cinza representa um joule de energia absorvida por um quilograma de massa, e 1 cinza corresponde a 10, 000 radiografias de tórax. Isso é mais ou menos o que um sensor receberia em uma usina nuclear.

"É o limite superior do que interessa aos nossos clientes de calibrações, "Fitzgerald disse." Portanto, pode-se presumir que os dispositivos funcionam de forma confiável em níveis de radiação industrial ou médica que são centenas ou milhares de vezes mais baixos. "Irradiação de alimentos, por exemplo, varia de algumas centenas a alguns milhares de cinza, e é normalmente monitorado por seus efeitos sobre os grânulos de alanina, um aminoácido que muda suas propriedades atômicas quando exposto à radiação ionizante.

Para determinar os efeitos da radiação, os pesquisadores do NIST expuseram dois tipos de sensores fotônicos de silício a horas de radiação gama do cobalto-60, um isótopo radioativo. Em ambos os tipos de sensores, pequenas variações em suas propriedades físicas mudam o comprimento de onda da luz que viaja através deles. Medindo essas mudanças, os dispositivos podem ser usados ​​como termômetros ou medidores de tensão altamente sensíveis. Isso permanece verdadeiro em ambientes extremos, como voos espaciais ou reatores nucleares, somente se continuarem a funcionar adequadamente sob a exposição à radiação ionizante.

"Nossos resultados mostram que esses dispositivos fotônicos são robustos mesmo em ambientes de radiação extrema, o que sugere que eles também podem ser usados ​​para medir a radiação por meio de seus efeitos nas propriedades físicas de dispositivos irradiados, "Fitzgerald disse." Isso deve ser uma boa notícia para a manufatura dos EUA, que está ansioso para atender o grande e crescente mercado de entrega precisa de radiação em escalas de comprimento muito pequenas. Sensores fotônicos poderiam então ser desenvolvidos para medir feixes de elétrons e raios-X de baixa energia usados ​​na esterilização de dispositivos médicos e irradiação de alimentos. "

Eles também serão de grande interesse para a medicina clínica, em que os médicos se esforçam para tratar cânceres e outras condições com os níveis eficazes mais baixos de radiação com foco nas menores dimensões para evitar afetar o tecido saudável, incluindo elétron, feixes de prótons e íons. Alcançar esse objetivo exige sensores de radiação com sensibilidade e resolução espacial extraordinariamente altas. "Eventualmente, esperamos desenvolver dispositivos em escala de chip para aplicações industriais e médicas que podem determinar gradientes de dose absorvida em distâncias na faixa de micrômetros e, assim, fornecer detalhes sem precedentes nas medições, "disse o cientista do projeto Nikolai Klimov. Um micrômetro é um milionésimo de um metro. Um cabelo humano tem cerca de 100 micrômetros de largura.

Os resultados da equipe podem ter grandes implicações para novas terapias médicas que empregam feixes extremamente estreitos de prótons ou íons de carbono e processos de esterilização médica que usam feixes de elétrons de baixa energia. "Nossos sensores são naturalmente pequenos e em escala de chip, "Fitzgerald disse." Os dosímetros atuais são da ordem de milímetros a centímetros, que pode fornecer leituras errôneas para campos que variam nessas dimensões. "

Na próxima etapa da pesquisa, a equipe testará matrizes de sensores simultaneamente em condições idênticas para ver se as variações na dose em pequenas distâncias podem ser resolvidas.