據美通社報道，4月7日，日本Orbray宣稱，利用特有到高質量大直徑單晶金剛石技術成功開發出一種輻射探測器。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）實現高精度測量。

圖1：Orbray與東京都立大學、東北大學、東北工業大學和大阪大學合作開發了輻射探測器

       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 年開發出直徑 2 英寸的高質量 (100) 獨立金剛石基板。基于金剛石，已與東京都立大學、東北大學、東北工業大學和大阪大學合作開發了輻射探測器（圖 1）。這些輻射探測器在醫療環境中的 X 射線系統中表現出高靈敏度和出色的光譜特性。該探測器可以擴展到大面積配置（圖 2），從而實現超高靈敏度。Orbray 將在進行用戶評估的同時，繼續開發產品。

       4月10日-13日，在日本橫濱舉辦的日本放射線學會2025上，Orbray也將展示探測器的金剛石制造方法和評估結果，以及將已開發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展到大面積配置

       02、金剛石輻射探測器：極端環境下的能力王者!

       輻射探測是一種重要的科技手段，它的應用范圍極為廣泛，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、科學研究和社會發展都具有重要的意義。   

       為了確保輻射探測技術的安全應用，對傳統半導體探測器的性能提出了新的要求，新一代探測器的研發迫在眉睫。相比傳統氣體、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，被認為是用于脈沖輻射場/強輻射場最理想的半導體探測器材料，十分適合極端環境下的輻射探測。   

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，原子序數為 6，較低的原子序數使它們在高能級聯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境下的反應和損傷。這種模擬對于放射性醫療研究和治療的發展非常重要，因為它可以提供更準確的數據和評估，幫助科學家和醫生了解輻射對人體的影響，并改善治療方案的設計和效果。

       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(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ps級的響應時間，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，在快速時序應用和環境輻射監測方面具有良好的應用前景。   

       因此，金剛石作為核工程、核聚變、高能物理和醫學應用領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由四個階段組成，分別為能量沉積、電子空穴對的產生、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的價電子進行一系列的碰撞，在這一過程中造成晶體內價電子的電離或激發，形成許多電子-空穴對。通過外部電壓的驅動下，電子-空穴對定向移動產生微弱的電流信號，經過外部前置放大電路的處理，即可在示波器觀察響應信號的波形。

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

       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。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、對信號的快速響應以及良好的耐輻射性和溫度穩定性。

       3、單晶or多晶

       隨著化學氣相沉積技術日臻成熟，金剛石核輻射探測器及其相關電子器件的開發與應用得到極大促進。
       20 世紀 90 年代以前，研究都依賴于精選的天然鉆石。自 21 世紀以來，化學氣相沉積 (CVD) 技術的進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，其電荷輸運性能遠遜于單晶金剛石，因此高質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構、金剛石微機電系統工藝、晶體的非破壞性表征以及器件物理機理等方面的基礎理論研究還需要進一步加強。

       金剛石核輻射探測器的品質與金剛石材料中的雜質和缺陷密切相關。雜質和缺陷主要影響載流子的產生和輸運，進而影響探測器的電荷收集效率、響應時間、信噪比等關鍵參數。

       近年來，我國科研機構不斷加大對于金剛石輻射探測器的研發投入力度，已取得眾多新進展。2024年8月，鄭州大學單崇新團隊以單晶金剛石為基材，利用激光切割加工技術以及不對稱夾層電極結構，成功制備出一種金剛石X射線探測器，該產品具備穩定性好、靈敏度高等優勢，能夠在極端環境中使用。

       目前，我國金剛石輻射探測器行業尚處于起步階段，以實驗室研發為主，具備其生產實力的企業數量極少。中核集團、航天科技集團、博盛量子等為我國已布局金剛石輻射探測器行業研發及生產賽道的企業。