Detektiv på nanonivå

Ved Mikro- og nanolaboratoriet i Oslo har forskere utviklet en av verdens mest avanserte strålingssensorer: En røntgendetektor som kan avsløre innholdet i materialer på brøkdelen av et sekund.

Publisert
Et eneste støvkorn kan ødelegge for tjue ukers produksjonstid. (Foto: Sintef)
Et eneste støvkorn kan ødelegge for tjue ukers produksjonstid. (Foto: Sintef)

Sensoren er utviklet av nanoteknologer ved Sintef, og er i dag en eksklusiv og ettertraktet komponent for industri som leverer avanserte instrumenter for materialanalyse.

Denne typen sensorer kalles SDD-sensorer (Silisium Drift Dioder) og er basiskomponenten i en rekke instrumenter innenfor alt fra røntgendeteksjon i medisinsk sammenheng, til overvåking av eksperimentene som skjer ved forskningssenteret i Cern – hvor forskere jakter på jordens minste byggesteiner.

En annen anvendelse er innenfor kunst og arkeologi, hvor detektoren kan avsløre både hvilke materialer som er brukt, og sammensetningen av dem.  

Støv på hjernen en nødvendighet

– Sensoren består av en tosidig mikrostruktur som framstilles på silisiumskiver. Denne er kompleks og vanskelig å framstille. Per i dag er vi en av to eller tre leverandører av slike sensorer på verdensbasis, forteller forsker Niaz Ahmed.

Den lille dingsen måler ikke mer enn 8 x 8 millimeter – men tar hele tjue uker å framstille – og det hele må skje i omgivelser som er super-rene:

– Et eneste lite støvkorn kan ødelegge hele prosessen med å kortslutte utstyret, eller ødelegge de nanotynne mikrostrukturene som framstilles.

– Derfor er det avanserte laboratoriet utstyrt med vibrasjonssikkerhet og luftfiltrering som gjør at selv partikler på 100 nanometer filtreres ut av laboratoriet, sier Ahmed.

Framstillingen av sensoren skjer gjennom at silisiumskiven oksideres (reagerer med oksygen) i flere trinn. Dette skaper en fysisk struktur på nanonivå. Når det er gjort, tilfører forskerne ladede atomer ned i de ulike lagene.

Resultatet blir en uhyre lysfølsom diode – som når den kobles opp mot riktig elektronikk kan avsløre forandringer i de fleste materialer.

Lysende effektiv

Slik ser sensorens råmateriale ut. Her er ingeniør Sara Rund Herum i aksjon. (Foto: Sintef)
Slik ser sensorens råmateriale ut. Her er ingeniør Sara Rund Herum i aksjon. (Foto: Sintef)

Sensoren baserer seg på et det som kalles spektroskopi: Prinsippet bak spektroskopi er at lys sendes gjennom en gjenstand. Når lyset kommer ut fra den andre siden leser sensoren av endringene i lyset.

– Forenklet kan vi si at sensoren sorterer strålingen i ulike energinivåer gjennom å telle antall fotoner og beregne energien i disse, forklarer Ahmed.

I motsetning til standard silisiumsensorer krever virkemåten at SDD sensoren inneholder strukturer på begge sider av sensorbrikken.

– Dette lar seg bare gjøre ved bruk av avansert utstyr og svært høy nøyaktighet, forteller forskeren og forklarer:

– Den ene siden på sensoren kalles vindu-siden, og er rettet mot strålingskilden. Her absorberes røntgenstråling nesten uten tap. Den andre siden kalles ring- siden, og har en konsentrisk ring struktur. Det vil si at ringene har samme senter, men har en økende radius ut fra midten, omtrent som en parabolantenne i mikroformat. 

– Dette gjør at elektroner som generes av strålingen fanges opp av én sentral elektrode. Dette gjør at røntgensensoren klarer å skille ut det som kalles elektronisk støy – det vil si alle signaler som ikke er relevante for den.

– Fordi den lett skiller mellom ulike materialer gjennom å registrere forskjellen i stoffenes absorbsjonsenergi, kan den blant annet brukes til å avsløre materialer som er forbudt, som for eksempel bly, kadmium og kvikksølv, forklarer Ahmed.

Den unike følsomheten har gjort at den norskutviklede sensoren er blitt svært ettertraktet på verdensmarkedet.

I tillegg har forskerne klart å effektivisere den slik at den benytter svært lite energi, noe som er viktig når sensoren skal kobles sammen med annen elektronikk.