探索宇宙奧秘 · 理性思考

太空中的高能粒子像看不見(jiàn)的子彈。它們穿透航天器外殼，持續(xù)轟擊精密儀器。傳統(tǒng)硅基探測(cè)器在這種環(huán)境下會(huì)迅速"衰老"，晶體結(jié)構(gòu)損傷累積，性能衰減直至失效。這一直是長(zhǎng)期深空探測(cè)、核反應(yīng)堆監(jiān)測(cè)和高能物理實(shí)驗(yàn)的痛點(diǎn)。

2026年2月，日本筑波大學(xué)團(tuán)隊(duì)宣布了一項(xiàng)關(guān)鍵突破。他們利用氮化鎵（GaN）材料制成的新型探測(cè)器，不僅能在極端輻射環(huán)境下穩(wěn)定工作，還能以100微米的像素精度，實(shí)時(shí)追蹤單個(gè)α粒子和氙離子（Xe）的二維位置。實(shí)驗(yàn)表明，其輻射耐受水平比傳統(tǒng)硅基器件高約一個(gè)數(shù)量級(jí)。

半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，硅（Si）一直是粒子探測(cè)領(lǐng)域的主流材料。它工藝成熟，成本低廉，在加速器對(duì)撞機(jī)、核醫(yī)學(xué)影像和太空望遠(yuǎn)鏡中無(wú)處不在。

但硅有一個(gè)致命弱點(diǎn)：原子鍵相對(duì)脆弱。在高輻射環(huán)境中，高能粒子會(huì)不斷撞擊硅晶格，造成"位移損傷"。這些缺陷像陷阱一樣捕獲電荷載流子，導(dǎo)致探測(cè)器信號(hào)漂移、噪聲增加，最終徹底失效。

在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）的強(qiáng)輻射區(qū)，或前往木星軌道的深空探測(cè)器上，硅基器件往往需要在厚重屏蔽層保護(hù)下工作。這增加了載荷重量，卻仍無(wú)法解決長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性問(wèn)題。尋找更耐輻射的替代材料，成為粒子物理和航天工程的迫切需求。

氮化鎵屬于第三代寬禁帶半導(dǎo)體。它的禁帶寬度達(dá)到3.4電子伏特，遠(yuǎn)高于硅的1.1電子伏特。這種強(qiáng)原子鍵合賦予材料極高的位移閾能。當(dāng)高能粒子穿透時(shí)，GaN晶格更不容易產(chǎn)生永久性缺陷。

筑波大學(xué)團(tuán)隊(duì)制備的探測(cè)器采用了垂直結(jié)構(gòu)。他們實(shí)現(xiàn)了100微米尺度的像素陣列，能夠?qū)崟r(shí)重建單個(gè)帶電粒子的入射軌跡。測(cè)試顯示，該器件在α粒子和重離子（Xe）轟擊下保持穩(wěn)定輸出。

關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于劑量耐受。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該GaN探測(cè)器可承受的累積輻射劑量約為傳統(tǒng)硅基探測(cè)器的十倍。這意味著在相同輻射環(huán)境下，其使用壽命將大幅延長(zhǎng)。此外，大尺寸、高質(zhì)量的GaN襯底已可通過(guò)商業(yè)途徑獲得，這為構(gòu)建大面積探測(cè)陣列提供了可行路徑。

此次突破的核心價(jià)值在于"單事件實(shí)時(shí)位置檢測(cè)"。探測(cè)器不僅能計(jì)數(shù)粒子，還能精確告知每個(gè)粒子擊中了哪個(gè)微米級(jí)像素。這種二維位置靈敏能力對(duì)多個(gè)領(lǐng)域至關(guān)重要。

在高能加速器中，精確的束流位置監(jiān)測(cè)是保障對(duì)撞效率的關(guān)鍵。GaN探測(cè)器可直接安裝在強(qiáng)輻射區(qū)，實(shí)時(shí)反饋束流剖面，而無(wú)需頻繁更換損壞的硅傳感器。在核反應(yīng)堆內(nèi)部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，它能長(zhǎng)期承受高中子通量和γ射線劑量，提供穩(wěn)定的堆芯狀態(tài)數(shù)據(jù)。

對(duì)于深空探測(cè)任務(wù)，這種耐輻射特性尤為珍貴。未來(lái)的月球基地或木星探測(cè)器需要長(zhǎng)期在范艾倫輻射帶以外的強(qiáng)輻射環(huán)境中工作。GaN探測(cè)器可用于測(cè)繪空間輻射場(chǎng)，或作為星載儀器的健康監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。在放射治療領(lǐng)域，它也有潛力用于實(shí)時(shí)驗(yàn)證質(zhì)子或重離子束的照射精度。

GaN材料早已在中國(guó)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化突破。在微波功率器件和藍(lán)白光LED領(lǐng)域，中國(guó)已形成從襯底、外延到芯片的完整產(chǎn)業(yè)鏈。中電科13所、55所等單位在GaN射頻器件方面達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，三安光電、英諾賽科等企業(yè)在功率電子領(lǐng)域具備大規(guī)模生產(chǎn)能力。

但在輻射探測(cè)這一細(xì)分前沿，中國(guó)仍在加速追趕。中科院長(zhǎng)春光機(jī)所、西安電子科技大學(xué)等機(jī)構(gòu)近年來(lái)持續(xù)攻關(guān)GaN核輻射探測(cè)器，重點(diǎn)解決高純材料制備、低噪聲讀出電路等瓶頸。國(guó)家航天任務(wù)對(duì)國(guó)產(chǎn)抗輻射器件的需求日益迫切，從北斗導(dǎo)航衛(wèi)星到嫦娥探月工程，都在測(cè)試化合物半導(dǎo)體的空間應(yīng)用可靠性。

日本此次在"高耐輻射"與"二維位置靈敏"結(jié)合上取得的進(jìn)展，為中國(guó)提供了重要參考。發(fā)展自主可控的GaN輻射探測(cè)技術(shù)，不僅是基礎(chǔ)科研的需求，更是保障未來(lái)深空探測(cè)和核設(shè)施安全運(yùn)行的戰(zhàn)略必需。

Hironori Okumura et al., "GaN radiation detectors with low-gain avalanche diode structure," Japanese Journal of Applied Physics, 2026. DOI: 10.35848/1347-4065/ae2dad

University of Tsukuba, "Real-time single-event position detection using high-radiation-tolerance GaN," Phys.org, February 2, 2026.