美国国家标准与技术研究所（NIST）的研究人员发布了一项具有里程碑意义的实验结果，发现了一种可在高辐射环境下正常工作的传感器，应用于医疗、工业、研究等领域。光子传感器不同于传统的传感器，它是用光来传递信息的。光子传感器通过光纤可以测量、传输和操纵光子，并用于测量压力、温度、距离、磁场、环境条件等方面。

光子传感器具有体积小、功耗低、机械振动等环境变量的耐受性好等优点。但普遍的共识认为高辐射会改变硅的光学特性，导致错误的读数。

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NIST在光子学研究的许多领域长期处于世界领先地位，所以NIST启动了一个项目来回答这些问题。测试结果表明，该传感器可用于工业和临床放射治疗中辐射剂量的测量。第一轮测试的结果发表在《Nature Scientific Reports》上。

具体来讲，NIST的研究结果表明，这种传感器可以用来跟踪电离辐射的水平（能量高到足以改变原子的结构），这种辐射用于食品辐照杀菌和医疗器械消毒——仅在美国，估计每年就有70亿美元的市场。这些传感器在医学成像和治疗领域也有潜在的应用前景。到2022年，这些领域的总价值预计将达到近500亿美元。

NIST光子剂量测量项目的领导人Zeeshan Ahmed 讲“当我们查看关于这个主题的出版物时，不同的实验室得到了不同的结果，这是我们做实验的主要动机。”

Ahmed说：“另一个动机是，人们对部署光子传感器越来越感兴趣，这种传感器能够在非常恶劣的环境中正常工作，比如在核反应堆附近，辐射损害是一个主要问题。此外，航天工业需要知道这些设备如何在高辐射环境中发挥作用。”项目科学家Ronald Tosh说，“它们会不会受损？这项研究表明，对于某种类型的设备和辐射，损害是可以忽略不计的。”

红外光子传感器

“我们发现，氧化物涂层的硅光子器件可以承受高达100万戈瑞的辐射。”光子剂量测量项目负责人Ryan

Fitzgerald说。一个戈瑞代表一焦耳的能量被一千克的质量吸收，一个戈瑞代表一万次胸部X光。这大概是一个传感器在核电站接收到的信号。

Fitzgerald表示“这是我们的校准客户所关心的上限，因此可以假定这些设备可以在较低辐射水平的工业或医疗领域可靠工作。”例如，食物辐照的戈瑞范围从几百到几千，一般通过对丙氨酸颗粒的影响来监测，丙氨酸是一种氨基酸，暴露在电离辐射下会改变其原子性质。

为了确定辐射的影响，NIST的研究人员将两种硅光子传感器暴露在钴60（一种放射性同位素）数小时的伽马辐射中。在这两种传感器中，物理特性的微小变化都会改变通过它们的光的波长。通过测量这些变化，这些装置可以用作高灵敏度的温度计或应变仪。在太空飞行或核反应堆等极端环境中，它们在电离辐射下能够继续正常工作。

Fitzgerald说，“我们的研究结果表明，这些光子器件在极端辐射环境下也很耐用，这表明它们可以通过对辐照器件物理性能的影响来测量辐射。对于美国制造业来说，这应该是一个好消息。美国制造业正急于为规模庞大且不断增长的市场提供辐射精确检测服务。光子传感器可以用来测量用于医疗器械消毒和食品辐照的低能电子和x射线。”

它们还将引起临床医学的极大兴趣，在临床医学中，医生努力以最低的有效辐射治疗癌症和其他疾病，以避免影响健康组织，包括电子、质子和离子束。要达到这一目标，就需要具有极高灵敏度和空间分辨率的辐射传感器。项目科学家Nikolai

Klimov说：“最终，我们希望为工业和医疗应用开发芯片级的设备，这种设备可以测定微米范围内的距离上的吸收剂量梯度，从而提供前所未有的测量细节。”一微米是百万分之一米。人类的头发大约有100微米宽。

研究小组的结果可能对采用极窄质子束或碳离子束的新型医疗疗法和使用低能电子束的医疗消毒过程具有重大意义。Fitzgerald说：“我们的传感器天生体积小，只有芯片大小。目前的剂量计是毫米到厘米的数量级，这可能对这些维度上不同场给出错误的读数。”

研究的下一个阶段，该小组将在相同的条件下同时测试传感器阵列，看看小距离上的剂量变化是否可以解决。