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       据美通社报道，4月7日，日本Orbray宣称，利用特有到高质量大直径单晶金刚石技术成功开发出一种辐射探测器。并已证明，其金刚石探测器可以对各种辐射类型（从低能诊断 X 射线到高能治疗 X 射线）实现高精度测量。

图1：Orbray与东京都立大学、东北大学、东北工业大学和大阪大学合作开发了辐射探测器

       01、Orbray：世界最大级单晶金刚石辐射探测器

       Orbray 宣布，利用其专有的阶梯流生长法，已于 2021 年开发出直径 2 英寸的高质量 (100) 独立金刚石基板。基于金刚石，已与东京都立大学、东北大学、东北工业大学和大阪大学合作开发了辐射探测器（图 1）。这些辐射探测器在医疗环境中的 X 射线系统中表现出高灵敏度和出色的光谱特性。该探测器可以扩展到大面积配置（图 2），从而实现超高灵敏度。Orbray 将在进行用户评估的同时，继续开发产品。

       4月10日-13日，在日本横滨举办的日本放射线学会2025上，Orbray也将展示探测器的金刚石制造方法和评估结果，以及将已开发的探测器在同期举办的展览会上展出。

图2：Orbray金刚石探测器可以扩展到大面积配置

       02、金刚石辐射探测器：极端环境下的能力王者!

       辐射探测是一种重要的科技手段，它的应用范围极为广泛，上到外太空探索，下到生活的方方面面，对于人类的健康和生存、科学研究和社会发展都具有重要的意义。   

       为了确保辐射探测技术的安全应用，对传统半导体探测器的性能提出了新的要求，新一代探测器的研发迫在眉睫。相比传统气体、闪烁体、高纯锗，以及硅基等，金刚石拥有卓越的抗辐照性能以及超快的时间响应，被认为是用于脉冲辐射场/强辐射场最理想的半导体探测器材料，十分适合极端环境下的辐射探测。   

图3：金刚石材料在元素周期表的位置

       此外，金刚石由碳组成，原子序数为 6，较低的原子序数使它们在高能级联和多重散射过程中受到的散射和损伤较少。此外，C元素的物理特性与人体肌肉和组织相似，因此它们可以用来模拟人体在辐射环境下的反应和损伤。这种模拟对于放射性医疗研究和治疗的发展非常重要，因为它可以提供更准确的数据和评估，帮助科学家和医生了解辐射对人体的影响，并改善治疗方案的设计和效果。

       金刚石具有较宽的禁带宽度(Eg)为5.47eV，这意味着它具有较强的抗辐照特性及低的本征载流子浓度，以金刚石制成的探测器具有极低的暗电流，在低辐射下性能优异。在晶体中，电子和空穴的迁移率(μ)分别为4500cm2/V·s和3800cm2/V·s，相对介电常数(εr)为5.7，同尺寸下寄生电容仅为硅的0.5倍。因此金刚石探测器可以实现ps级的响应时间，输出信号也可以获得更低的噪声水平。

图4：金刚石与其他半导体材料性能对比

       通过上表可以看出，金刚石较其他材料而言具有明显的优势。以金刚石材料制成的探测器能够检测γ射线、X射线、中子核辐射、α粒子、β粒子、离子核辐射等等不同类型放射源，在快速时序应用和环境辐射监测方面具有良好的应用前景。   

       因此，金刚石作为核工程、核聚变、高能物理和医学应用领域的辐射探测器得到了广泛的研究。

       1、金刚石辐射探测器工作原理

       金刚石核探测器的响应由四个阶段组成，分别为能量沉积、电子空穴对的产生、非平衡载流子的输运、电子空穴对的收集。

       带电粒子与金刚石材料主要发生电磁相互作用，具体作用过程为辐射粒子入射到晶体后会与晶体内的价电子进行一系列的碰撞，在这一过程中造成晶体内价电子的电离或激发，形成许多电子-空穴对。通过外部电压的驱动下，电子-空穴对定向移动产生微弱的电流信号，经过外部前置放大电路的处理，即可在示波器观察响应信号的波形。

图5：金刚石探测器工作原理示意图   

        2、金刚石辐射探测器的性能评价指标

       暗电流、能量分辨率、电荷收集率的高低是评估金刚石探测器好坏的重要指标。高性能的金刚石探测器，一般具有低的暗电流、好的能量分辨率、高的电荷收集效率、对信号的快速响应以及良好的耐辐射性和温度稳定性。

       3、单晶or多晶

       随着化学气相沉积技术日臻成熟，金刚石核辐射探测器及其相关电子器件的开发与应用得到极大促进。
       20 世纪 90 年代以前，研究都依赖于精选的天然钻石。自 21 世纪以来，化学气相沉积 (CVD) 技术的进步使得高纯度钻石的合成成为可能，大大提高了探测器的性能。单晶 CVD 钻石具有高灵敏度和出色的光谱特性。多晶 CVD 钻石已被用于通过增加检测面积来获得高灵敏度。然而，与单晶钻石相比，它们的灵敏度较低，光谱特性较差。

       由于多晶金刚石中晶界的存在，其电荷输运性能远逊于单晶金刚石，因此高质量金刚石核辐射探测器的制备材料通常使用“电子级”单晶金刚石。在晶体材料生长方面，研究工作主要集中在大尺寸金刚石生长和掺杂技术的研究上，但尚未建立起适合金刚石核辐射探测器的材料筛选方法；同时探测器的器件结构、金刚石微机电系统工艺、晶体的非破坏性表征以及器件物理机理等方面的基础理论研究还需要进一步加强。

       金刚石核辐射探测器的品质与金刚石材料中的杂质和缺陷密切相关。杂质和缺陷主要影响载流子的产生和输运，进而影响探测器的电荷收集效率、响应时间、信噪比等关键参数。

       近年来，我国科研机构不断加大对于金刚石辐射探测器的研发投入力度，已取得众多新进展。2024年8月，郑州大学单崇新团队以单晶金刚石为基材，利用激光切割加工技术以及不对称夹层电极结构，成功制备出一种金刚石X射线探测器，该产品具备稳定性好、灵敏度高等优势，能够在极端环境中使用。

       目前，我国金刚石辐射探测器行业尚处于起步阶段，以实验室研发为主，具备其生产实力的企业数量极少。中核集团、航天科技集团、博盛量子等为我国已布局金刚石辐射探测器行业研发及生产赛道的企业。