Grafen i strålmätning

Test set up Graphene PCB in application (foto: ScandiDos

Foto: ScandiDos

Test set up Graphene PCB in application (foto: ScandiDos

Foto: ScandiDos

Syfte och mål
Projektet har syftat till att lösa problemet med sekundärstrålning som uppkommer när strålar träffar tungmetaller som finns i ledarbanor och bärarmaterial hos strålningssensorer. Ett sätt att reducera sekundärstrålningen kan vara att ersätta koppar i ledarbanor på kretskorten med grafen. Grafen har en möjlighet att lösa problemet genom sin relativt höga ledningsförmåga för organiska material.

Förväntade effekter och resultat
Användningen som avses är i strålningsdetektorer som ingår i kvalitetssäkringssystem för radioterapi som utvecklas och marknadsförs av ScandiDos AB. I en sådan strålningsdetektor finns arrayer av sensordioder monterade på ett antal ortogonalt orienterade kretskort ingjutna i en plastkropp som svarar mot fotonstrålar på ett liknande sätt som kroppsvävnad. Diodarrayen är så tät som möjligt för bästa möjliga upplösning och är dessutom ganska stor, cirka 20×20 cm, vilket gör att ledningsdragningen kräver tätt packade smala ledarbanor i en flerlagers kretskortsstruktur. Detta gör också att mängden kopparledare är ganska hög i närheten av dioderna.

Det är önskvärt att kunna minska mätfel från sekundärstrålning inducerad av koppar i ledarbanor och andra tungmetaller i monterings- och bondningsmaterial. Nya behandlingsmetoder för strålterapi såsom Head&Neck, SRS med flera, använder strålbehandling i alla riktningar. Påverkan på grund av exciterade sekundärelektroner i närliggande material ger olika störande felbidrag beroende på infallsvinkel, vilket ger en felaktig total dosmätning. Grafen i kombination med monteringsmaterial med låg massa kan användas för att minska dosfelet i behandlingsområden, och ersätta äldre analog teknik med digitaliserad mätning i realtid, där äldre teknik fortfarande används på grund av riktningsberoendet.

Planerat upplägg och genomförande
ScandiDos AB genomför projektet i samarbete med Acreo Swedish ICT AB. Inledningvis utvecklas teststrukturer i vilken grafenytor appliceras nära sensordioderna i en mindre sensorarray. Effekterna på sensordiodernas respons av grafenmaterialets i närvaro utreds. Teststrukturer för tryckta ledarbanor med en ledarbredd och ledaravstånd utvecklas för att utvärdera möjliga designregler med lovande grafenkompositioner. I ovanstående teststrukturer ingår strukturer för att utvärdera strålningsnedbrytning av grafenbaserade material. Möjligheter att minska tungmetaller i material för bondning och ytmontering med hjälp av grafen undersöks.

Effekter och resultat
Projektet har utvärderat ett grafenbaserat bläck, som ersätter koppar på PCB av flex-typ, för dosimetrisk mätning av stråldos vid behandling av cancertumörer med fotonstrålning.

Det tryckta grafenmaterialet testades för viktiga egenskaper såsom minimering av inducerad sekundärstrålning, strålningshärdighet, ledningsförmåga samt möjlighet att kontaktera grafen och sensorer via Anisotropic Conductive Adhesive (ACA).

De sammanfattade resultaten visar att grafen kan användas som ledare i strålningsmätning. Som förväntat innebär grafenets låga atomvikt mycket lite interaktion med fotonstrålning, och ger därmed försumbar sekundärstrålning. Vid snabba förlopp, och om långa ledarbanor i grafen används, måste hänsyn tas i mätmetoden till grafenets jämförelsevis låga ledningsförmåga, för att undvika mätfel. Grafenet är tillräckligt strålningshärdigt för applikationen och uppvisar något överraskande en ökande konduktivitet vid hög bestrålning, troligtvis genom förändring av bindningsmaterialet i grafenbläcket.

Kontakten fungerade bra mellan koppar och grafen i övergångar mellan ledare. Grafen kan i nuläget ersätta koppar som korta ledare närmast sensorerna. Projektet bedömer experimentet med användningen av grafen som nytt material i en skarp applikation som lyckat. Mätresultat har visat potentialen och nödvändiga förbättringsområden har identifierats. Framförallt vore ett grafenbaserat ACA värdefullt.

Sammantaget finns en potential att, med avsedd användning av grafen i applikationen, öka prestandafördelarna gentemot traditionella ledarmaterial, om tryckprecisionen och kontaktering kan förbättras. I applikationer för behandling av ”Head and Neck”, där riktningsoberoende mätning av strålning är nödvändig, kan detta ge klara marknadsfördelar.

Abstract in English

Graphene in radiation measurement

Purpose and goal
The project aims at solving the problem of secondary radiation that occurs when rays hit heavy metals found in conductor paths and support materials of radiation sensors. One way to reduce secondary radiation may be to replace copper with graphene in conductor paths on the circuit boards. Graphene has an opportunity to solve the problem through its relatively high conductivity for organic materials. ScandiDos AB is implementing the project in cooperation with Acreo Swedish ICT AB. Initially, test structures are developed in which graphene surfaces are applied near the sensor diodes in a smaller sensor array. The effects of the sensor diodes’ response to the graphene material will be investigated. Test structures for printed conductor paths with a conductor width and conductor distance will be developed to evaluate possible design rules with promising graphene compositions. The above test structures include structures for evaluating radiation degradation of graphene-based materials. Opportunities to reduce heavy metals in materials for bonding and surface mounting, using graphene are examined.

Effects and results
The project has evaluated a graphene based ink, which is replacing copper on PCB of flex-types, for dosimetric measurement of radiation dose in the treatment of cancerous tumours with photon radiation.
The printed graphene material was tested for key features such as minimization of induced secondary radiation, radiation resistance, conductivity, and ability to contact the graphen and sensors via Anisotropic Conductive Adhesive (ACA).

The summarized results show that graphene can be used as a conductor in radiation measurement. As expected, the low atomic weight of the graphen means very little interaction with photon radiation, thus giving negligible secondary radiation. In rapid progression, and if long conductor paths in the graphene are used, the measurement method must be taken into consideration for relatively low conductivity of the graphene, in order to avoid measurement errors. The graphene is sufficiently radiation-resistant to the application and surprisingly shows an increasing conductivity at high irradiation, probably by changing the binding material in the graphene ink. The contact worked well between copper and the graphene in transitions between conductors. The graphene can currently replace copper as short conductor closest to the sensors. The project assesses the experiment with the use of the graphene as new material in a sharp application successful. Measuring results have shown the potential and necessary improvement areas have been identified. Above all, a graphene based ACA would be valuable. Overall, there is a potential, with the intended use of graphene in the application, to increase performance benefits versus traditional conductor materials, if pressure precision and contactability can be improved. In "Head and Neck" applications, where directional measurement of radiation is necessary, this can provide clear market benefits.

Utlysning:
Förstudieprojekt samt Forsknings- och Innovationsprojekt 2015

Projektpartners: ScandiDos, Acreo Swedish ICT

Projektledare: Kjell Lundgren ScandiDos AB

Bidrag: 497 804 kr

Projektets löptid: 2015-2016

Relaterade styrkeområden: