"Nous avons découvert que les dispositifs photoniques au silicium recouverts d'oxyde peuvent résister à une exposition aux rayonnements jusqu'à 1 million de grays, " a déclaré Ryan Fitzgerald, chef du projet de dosimétrie photonique, en utilisant l'unité SI pour le rayonnement absorbé. Un gris représente un joule d'énergie absorbée par un kilogramme de masse, et 1 gris correspond à 10, 000 radiographies pulmonaires. C'est à peu près ce qu'un capteur recevrait dans une centrale nucléaire.

« C'est la limite supérieure de ce qui préoccupe nos clients en étalonnage, " Fitzgerald a déclaré. " On peut donc supposer que les appareils fonctionnent de manière fiable à des niveaux de rayonnement industriels ou médicaux qui sont des centaines ou des milliers de fois inférieurs. " Irradiation des aliments, par exemple, varie de quelques centaines à quelques milliers de gris, et est généralement surveillé par ses effets sur les pastilles d'alanine, un acide aminé qui change ses propriétés atomiques lorsqu'il est exposé à des rayonnements ionisants.

Pour déterminer les effets des rayonnements, les chercheurs du NIST ont exposé deux types de capteurs photoniques au silicium à des heures de rayonnement gamma du cobalt-60, un isotope radioactif. Dans les deux types de capteurs, de petites variations dans leurs propriétés physiques modifient la longueur d'onde de la lumière qui les traverse. En mesurant ces changements, les appareils peuvent être utilisés comme thermomètres ou jauges de contrainte hautement sensibles. Cela reste vrai dans des environnements extrêmes comme les vols spatiaux ou les réacteurs nucléaires, que s'ils continuent à fonctionner correctement sous exposition aux rayonnements ionisants.

"Nos résultats montrent que ces dispositifs photoniques sont robustes même dans des environnements de rayonnement extrêmes, ce qui suggère qu'ils pourraient également être utilisés pour mesurer le rayonnement via ses effets sur les propriétés physiques des dispositifs irradiés, " Fitzgerald a déclaré. " Cela devrait être une bonne nouvelle pour la fabrication américaine, qui est soucieux de servir le marché vaste et en croissance pour la livraison précise de rayonnement à de très petites échelles de longueur. Des capteurs photoniques pourraient ensuite être développés pour mesurer les faisceaux d'électrons et de rayons X à faible énergie utilisés dans la stérilisation des dispositifs médicaux et l'irradiation des aliments. »

Ils seront également d'un grand intérêt pour la médecine clinique, dans lequel les médecins s'efforcent de traiter les cancers et d'autres affections avec les niveaux de rayonnement efficaces les plus bas, concentrés sur les plus petites dimensions pour éviter d'affecter les tissus sains, y compris l'électron, faisceaux de protons et d'ions. Atteindre cet objectif exige des capteurs de rayonnement avec une sensibilité et une résolution spatiale extraordinairement élevées. "Finalement, nous espérons développer des dispositifs à puce pour les applications industrielles et médicales qui peuvent déterminer les gradients de dose absorbée sur des distances de l'ordre du micromètre et ainsi fournir des détails sans précédent dans les mesures, ", a déclaré le scientifique du projet Nikolai Klimov. Un micromètre est un millionième de mètre. Un cheveu humain mesure environ 100 micromètres de large.

Les résultats de l'équipe peuvent avoir de grandes implications pour de nouvelles thérapies médicales qui utilisent des faisceaux extrêmement étroits de protons ou d'ions carbone et des processus de stérilisation médicale qui utilisent des faisceaux d'électrons de faible énergie. "Nos capteurs sont naturellement petits et à l'échelle des puces, " Fitzgerald a déclaré. " Les dosimètres actuels sont de l'ordre de millimètres à centimètres, ce qui peut donner des lectures erronées pour des champs qui varient sur ces dimensions."

Dans la prochaine étape de la recherche, l'équipe testera simultanément des réseaux de capteurs dans des conditions identiques pour voir si les variations de dose sur de petites distances peuvent être résolues.