日本開發出高耐輻射GaN探測器，單粒子二維定位精度達百微米

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太空中的高能粒子像看不見的子彈。它們穿透航天器外殼，持續轟擊精密儀器。傳統硅基探測器在這種環境下會迅速"衰老"，晶體結構損傷累積，性能衰減直至失效。這一直是長期深空探測、核反應堆監測和高能物理實驗的痛點。

2026年2月，日本筑波大學團隊宣布了一項關鍵突破。他們利用氮化鎵（GaN）材料制成的新型探測器，不僅能在極端輻射環境下穩定工作，還能以100微米的像素精度，實時追蹤單個α粒子和氙離子（Xe）的二維位置。實驗表明，其輻射耐受水平比傳統硅基器件高約一個數量級。

半個多世紀以來，硅（Si）一直是粒子探測領域的主流材料。它工藝成熟，成本低廉，在加速器對撞機、核醫學影像和太空望遠鏡中無處不在。

但硅有一個致命弱點：原子鍵相對脆弱。在高輻射環境中，高能粒子會不斷撞擊硅晶格，造成"位移損傷"。這些缺陷像陷阱一樣捕獲電荷載流子，導致探測器信號漂移、噪聲增加，最終徹底失效。

在大型強子對撞機（LHC）的強輻射區，或前往木星軌道的深空探測器上，硅基器件往往需要在厚重屏蔽層保護下工作。這增加了載荷重量，卻仍無法解決長期運行的可靠性問題。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體。它的禁帶寬度達到3.4電子伏特，遠高于硅的1.1電子伏特。這種強原子鍵合賦予材料極高的位移閾能。當高能粒子穿透時，GaN晶格更不容易產生永久性缺陷。

筑波大學團隊制備的探測器采用了垂直結構。他們實現了100微米尺度的像素陣列，能夠實時重建單個帶電粒子的入射軌跡。測試顯示，該器件在α粒子和重離子（Xe）轟擊下保持穩定輸出。

關鍵優勢在于劑量耐受。實驗數據表明，該GaN探測器可承受的累積輻射劑量約為傳統硅基探測器的十倍。這意味著在相同輻射環境下，其使用壽命將大幅延長。此外，大尺寸、高質量的GaN襯底已可通過商業途徑獲得，這為構建大面積探測陣列提供了可行路徑。

此次突破的核心價值在于"單事件實時位置檢測"。探測器不僅能計數粒子，還能精確告知每個粒子擊中了哪個微米級像素。這種二維位置靈敏能力對多個領域至關重要。

在高能加速器中，精確的束流位置監測是保障對撞效率的關鍵。GaN探測器可直接安裝在強輻射區，實時反饋束流剖面，而無需頻繁更換損壞的硅傳感器。在核反應堆內部監測系統中，它能長期承受高中子通量和γ射線劑量，提供穩定的堆芯狀態數據。

對于深空探測任務，這種耐輻射特性尤為珍貴。未來的月球基地或木星探測器需要長期在范艾倫輻射帶以外的強輻射環境中工作。GaN探測器可用于測繪空間輻射場，或作為星載儀器的健康監測節點。在放射治療領域，它也有潛力用于實時驗證質子或重離子束的照射精度。

GaN材料早已在中國實現產業化突破。在微波功率器件和藍白光LED領域，中國已形成從襯底、外延到芯片的完整產業鏈。中電科13所、55所等單位在GaN射頻器件方面達到國際先進水平，三安光電、英諾賽科等企業在功率電子領域具備大規模生產能力。

但在輻射探測這一細分前沿，中國仍在加速追趕。中科院長春光機所、西安電子科技大學等機構近年來持續攻關GaN核輻射探測器，重點解決高純材料制備、低噪聲讀出電路等瓶頸。國家航天任務對國產抗輻射器件的需求日益迫切，從北斗導航衛星到嫦娥探月工程，都在測試化合物半導體的空間應用可靠性。

日本此次在"高耐輻射"與"二維位置靈敏"結合上取得的進展，為中國提供了重要參考。發展自主可控的GaN輻射探測技術，不僅是基礎科研的需求，更是保障未來深空探測和核設施安全運行的戰略必需。

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.