Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han publicado resultados de pruebas históricas que sugieren que se puede usar una clase prometedora de sensores en entornos de alta radiación y para promover importantes avances médicos, aplicaciones industriales y de investigación.

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

Son atractivos por su pequeño tamaño, bajo consumo de energía y tolerancia a variables ambientales como vibraciones mecánicas. Pero el consenso general ha sido que altos niveles de radiación modificarían las propiedades ópticas de su silicio, dando lugar a lecturas incorrectas.

Entonces NIST, durante mucho tiempo líder mundial en muchas áreas de la investigación fotónica, lanzó un programa para responder a esas preguntas. Los resultados de la prueba 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 Informes científicos de la naturaleza .

Específicamente, Los resultados del NIST sugieren que los sensores podrían usarse para rastrear niveles de radiación ionizante (con energía lo suficientemente alta como para alterar la estructura de los átomos) que se usan en la irradiación de alimentos para destruir microbios y en la esterilización de dispositivos médicos; se estima que es un mercado anual de $ 7 mil millones en el Nosotros solos. Los sensores también tienen aplicaciones potenciales en imágenes médicas y terapia, que en conjunto se proyecta que totalicen casi $ 50 mil millones en valor anual en todo el mundo para 2022.

"Cuando miramos las publicaciones sobre el tema, diferentes laboratorios estaban obteniendo resultados dramáticamente diferentes, "dijo el científico del proyecto Zeeshan Ahmed, quien es 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 implementar sensores fotónicos que puedan funcionar con precisión en entornos muy hostiles, como cerca de reactores nucleares, donde el daño por radiación es una preocupación importante, "Ahmed dijo." Además, la industria espacial necesita saber cómo funcionarían estos dispositivos en entornos de alta radiación, ", dijo el científico del proyecto Ronald Tosh." ¿Se van a dañar o no? Lo que muestra este estudio es que para una determinada clase de dispositivos y radiación, el daño es insignificante ".

"Descubrimos que los dispositivos fotónicos de silicio recubiertos de óxido pueden resistir 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 julio de energía absorbida por un kilogramo de masa, y 1 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 suponer que los dispositivos funcionan de manera confiable a niveles de radiación industrial o médica que son cientos o miles de veces más bajos ". Irradiación de alimentos, por ejemplo, varía de unos pocos cientos a unos miles de grises, y normalmente se controla por sus efectos sobre los gránulos de alanina, un aminoácido que cambia sus propiedades atómicas cuando se expone a 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 radiactivo. 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. Midiendo esos cambios, los dispositivos se pueden utilizar como termómetros de alta sensibilidad o galgas extensométricas. Esto sigue siendo cierto en entornos extremos como los vuelos espaciales o los reactores nucleares, sólo si continúan funcionando correctamente bajo exposición a 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 sobre las propiedades físicas de los dispositivos irradiados, ", Dijo Fitzgerald." Eso debería ser una buena noticia para la industria manufacturera de EE. UU. que está ansioso por servir al mercado grande y en crecimiento para la entrega precisa de radiación a escalas de longitud muy pequeñas. A continuación, se podrían desarrollar sensores fotónicos para medir haces de rayos X y electrones de baja energía utilizados en la esterilización de dispositivos médicos y la irradiación de alimentos ".

También serán de gran interés para la medicina clínica, en el que los médicos se esfuerzan por tratar cánceres y otras afecciones con los niveles efectivos más bajos de radiación enfocados en las dimensiones más pequeñas para evitar afectar el tejido sano, incluido el electrón, haces de iones y protones. Alcanzar ese objetivo exige sensores de radiación con una sensibilidad y una resolución espacial extraordinariamente altas. "Finalmente, Esperamos desarrollar dispositivos a escala de chip para aplicaciones industriales y médicas que puedan determinar gradientes de dosis absorbida en distancias en el rango de micrómetros y, por lo tanto, proporcionar un detalle sin precedentes en las mediciones. ", dijo el científico del proyecto Nikolai Klimov. Un micrómetro es una millonésima parte de un metro. Un cabello humano tiene unos 100 micrómetros de ancho.

Los resultados del equipo pueden tener grandes implicaciones para las nuevas terapias médicas que emplean haces extremadamente estrechos de protones o iones de carbono y procesos de esterilización médica que utilizan haces de electrones de baja energía. "Nuestros sensores son naturalmente pequeños y a escala de chip, "Dijo Fitzgerald." Los dosímetros actuales son del orden de milímetros a centímetros, lo que puede dar lecturas erróneas para campos que varían en esas dimensiones ".

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