據(jù)美通社報道，4月7日，日本Orbray宣稱，利用特有到高質(zhì)量大直徑單晶金剛石技術(shù)成功開發(fā)出一種輻射探測器。并已證明，其金剛石探測器可以對各種輻射類型（從低能診斷 X 射線到高能治療 X 射線）實現(xiàn)高精度測量。

圖1：Orbray與東京都立大學(xué)、東北大學(xué)、東北工業(yè)大學(xué)和大阪大學(xué)合作開發(fā)了輻射探測器

       01、Orbray：世界最大級單晶金剛石輻射探測器

       Orbray 宣布，利用其專有的階梯流生長法，已于 2021 年開發(fā)出直徑 2 英寸的高質(zhì)量 (100) 獨立金剛石基板?；诮饎偸雅c東京都立大學(xué)、東北大學(xué)、東北工業(yè)大學(xué)和大阪大學(xué)合作開發(fā)了輻射探測器（圖 1）。這些輻射探測器在醫(yī)療環(huán)境中的 X 射線系統(tǒng)中表現(xiàn)出高靈敏度和出色的光譜特性。該探測器可以擴(kuò)展到大面積配置（圖 2），從而實現(xiàn)超高靈敏度。Orbray 將在進(jìn)行用戶評估的同時，繼續(xù)開發(fā)產(chǎn)品。

       4月10日-13日，在日本橫濱舉辦的日本放射線學(xué)會2025上，Orbray也將展示探測器的金剛石制造方法和評估結(jié)果，以及將已開發(fā)的探測器在同期舉辦的展覽會上展出。

圖2：Orbray金剛石探測器可以擴(kuò)展到大面積配置

       02、金剛石輻射探測器：極端環(huán)境下的能力王者!

       輻射探測是一種重要的科技手段，它的應(yīng)用范圍極為廣泛，上到外太空探索，下到生活的方方面面，對于人類的健康和生存、科學(xué)研究和社會發(fā)展都具有重要的意義。   

       為了確保輻射探測技術(shù)的安全應(yīng)用，對傳統(tǒng)半導(dǎo)體探測器的性能提出了新的要求，新一代探測器的研發(fā)迫在眉睫。相比傳統(tǒng)氣體、閃爍體、高純鍺，以及硅基等，金剛石擁有卓越的抗輻照性能以及超快的時間響應(yīng)，被認(rèn)為是用于脈沖輻射場/強(qiáng)輻射場最理想的半導(dǎo)體探測器材料，十分適合極端環(huán)境下的輻射探測。   

圖3：金剛石材料在元素周期表的位置

       此外，金剛石由碳組成，原子序數(shù)為 6，較低的原子序數(shù)使它們在高能級聯(lián)和多重散射過程中受到的散射和損傷較少。此外，C元素的物理特性與人體肌肉和組織相似，因此它們可以用來模擬人體在輻射環(huán)境下的反應(yīng)和損傷。這種模擬對于放射性醫(yī)療研究和治療的發(fā)展非常重要，因為它可以提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和評估，幫助科學(xué)家和醫(yī)生了解輻射對人體的影響，并改善治療方案的設(shè)計和效果。

       金剛石具有較寬的禁帶寬度(Eg)為5.47eV，這意味著它具有較強(qiáng)的抗輻照特性及低的本征載流子濃度，以金剛石制成的探測器具有極低的暗電流，在低輻射下性能優(yōu)異。在晶體中，電子和空穴的遷移率(μ)分別為4500cm2/V·s和3800cm2/V·s，相對介電常數(shù)(εr)為5.7，同尺寸下寄生電容僅為硅的0.5倍。因此金剛石探測器可以實現(xiàn)ps級的響應(yīng)時間，輸出信號也可以獲得更低的噪聲水平。

圖4：金剛石與其他半導(dǎo)體材料性能對比

       通過上表可以看出，金剛石較其他材料而言具有明顯的優(yōu)勢。以金剛石材料制成的探測器能夠檢測γ射線、X射線、中子核輻射、α粒子、β粒子、離子核輻射等等不同類型放射源，在快速時序應(yīng)用和環(huán)境輻射監(jiān)測方面具有良好的應(yīng)用前景。   

       因此，金剛石作為核工程、核聚變、高能物理和醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的輻射探測器得到了廣泛的研究。

       1、金剛石輻射探測器工作原理

       金剛石核探測器的響應(yīng)由四個階段組成，分別為能量沉積、電子空穴對的產(chǎn)生、非平衡載流子的輸運、電子空穴對的收集。

       帶電粒子與金剛石材料主要發(fā)生電磁相互作用，具體作用過程為輻射粒子入射到晶體后會與晶體內(nèi)的價電子進(jìn)行一系列的碰撞，在這一過程中造成晶體內(nèi)價電子的電離或激發(fā)，形成許多電子-空穴對。通過外部電壓的驅(qū)動下，電子-空穴對定向移動產(chǎn)生微弱的電流信號，經(jīng)過外部前置放大電路的處理，即可在示波器觀察響應(yīng)信號的波形。

圖5：金剛石探測器工作原理示意圖   

        2、金剛石輻射探測器的性能評價指標(biāo)

       暗電流、能量分辨率、電荷收集率的高低是評估金剛石探測器好壞的重要指標(biāo)。高性能的金剛石探測器，一般具有低的暗電流、好的能量分辨率、高的電荷收集效率、對信號的快速響應(yīng)以及良好的耐輻射性和溫度穩(wěn)定性。

       3、單晶or多晶

       隨著化學(xué)氣相沉積技術(shù)日臻成熟，金剛石核輻射探測器及其相關(guān)電子器件的開發(fā)與應(yīng)用得到極大促進(jìn)。
       20 世紀(jì) 90 年代以前，研究都依賴于精選的天然鉆石。自 21 世紀(jì)以來，化學(xué)氣相沉積 (CVD) 技術(shù)的進(jìn)步使得高純度鉆石的合成成為可能，大大提高了探測器的性能。單晶 CVD 鉆石具有高靈敏度和出色的光譜特性。多晶 CVD 鉆石已被用于通過增加檢測面積來獲得高靈敏度。然而，與單晶鉆石相比，它們的靈敏度較低，光譜特性較差。

       由于多晶金剛石中晶界的存在，其電荷輸運性能遠(yuǎn)遜于單晶金剛石，因此高質(zhì)量金剛石核輻射探測器的制備材料通常使用“電子級”單晶金剛石。在晶體材料生長方面，研究工作主要集中在大尺寸金剛石生長和摻雜技術(shù)的研究上，但尚未建立起適合金剛石核輻射探測器的材料篩選方法；同時探測器的器件結(jié)構(gòu)、金剛石微機(jī)電系統(tǒng)工藝、晶體的非破壞性表征以及器件物理機(jī)理等方面的基礎(chǔ)理論研究還需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

       金剛石核輻射探測器的品質(zhì)與金剛石材料中的雜質(zhì)和缺陷密切相關(guān)。雜質(zhì)和缺陷主要影響載流子的產(chǎn)生和輸運，進(jìn)而影響探測器的電荷收集效率、響應(yīng)時間、信噪比等關(guān)鍵參數(shù)。

       近年來，我國科研機(jī)構(gòu)不斷加大對于金剛石輻射探測器的研發(fā)投入力度，已取得眾多新進(jìn)展。2024年8月，鄭州大學(xué)單崇新團(tuán)隊以單晶金剛石為基材，利用激光切割加工技術(shù)以及不對稱夾層電極結(jié)構(gòu)，成功制備出一種金剛石X射線探測器，該產(chǎn)品具備穩(wěn)定性好、靈敏度高等優(yōu)勢，能夠在極端環(huán)境中使用。

       目前，我國金剛石輻射探測器行業(yè)尚處于起步階段，以實驗室研發(fā)為主，具備其生產(chǎn)實力的企業(yè)數(shù)量極少。中核集團(tuán)、航天科技集團(tuán)、博盛量子等為我國已布局金剛石輻射探測器行業(yè)研發(fā)及生產(chǎn)賽道的企業(yè)。