日本开发出高耐辐射GaN探测器，单粒子二维定位精度达百微米

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太空中的高能粒子像看不见的子弹。它们穿透航天器外壳，持续轰击精密仪器。传统硅基探测器在这种环境下会迅速"衰老"，晶体结构损伤累积，性能衰减直至失效。这一直是长期深空探测、核反应堆监测和高能物理实验的痛点。

2026年2月，日本筑波大学团队宣布了一项关键突破。他们利用氮化镓（GaN）材料制成的新型探测器，不仅能在极端辐射环境下稳定工作，还能以100微米的像素精度，实时追踪单个α粒子和氙离子（Xe）的二维位置。实验表明，其辐射耐受水平比传统硅基器件高约一个数量级。

半个多世纪以来，硅（Si）一直是粒子探测领域的主流材料。它工艺成熟，成本低廉，在加速器对撞机、核医学影像和太空望远镜中无处不在。

但硅有一个致命弱点：原子键相对脆弱。在高辐射环境中，高能粒子会不断撞击硅晶格，造成"位移损伤"。这些缺陷像陷阱一样捕获电荷载流子，导致探测器信号漂移、噪声增加，最终彻底失效。

在大型强子对撞机（LHC）的强辐射区，或前往木星轨道的深空探测器上，硅基器件往往需要在厚重屏蔽层保护下工作。这增加了载荷重量，却仍无法解决长期运行的可靠性问题。寻找更耐辐射的替代材料，成为粒子物理和航天工程的迫切需求。

氮化镓属于第三代宽禁带半导体。它的禁带宽度达到3.4电子伏特，远高于硅的1.1电子伏特。这种强原子键合赋予材料极高的位移阈能。当高能粒子穿透时，GaN晶格更不容易产生永久性缺陷。

筑波大学团队制备的探测器采用了垂直结构。他们实现了100微米尺度的像素阵列，能够实时重建单个带电粒子的入射轨迹。测试显示，该器件在α粒子和重离子（Xe）轰击下保持稳定输出。

关键优势在于剂量耐受。实验数据表明，该GaN探测器可承受的累积辐射剂量约为传统硅基探测器的十倍。这意味着在相同辐射环境下，其使用寿命将大幅延长。此外，大尺寸、高质量的GaN衬底已可通过商业途径获得，这为构建大面积探测阵列提供了可行路径。

此次突破的核心价值在于"单事件实时位置检测"。探测器不仅能计数粒子，还能精确告知每个粒子击中了哪个微米级像素。这种二维位置灵敏能力对多个领域至关重要。

在高能加速器中，精确的束流位置监测是保障对撞效率的关键。GaN探测器可直接安装在强辐射区，实时反馈束流剖面，而无需频繁更换损坏的硅传感器。在核反应堆内部监测系统中，它能长期承受高中子通量和γ射线剂量，提供稳定的堆芯状态数据。

对于深空探测任务，这种耐辐射特性尤为珍贵。未来的月球基地或木星探测器需要长期在范艾伦辐射带以外的强辐射环境中工作。GaN探测器可用于测绘空间辐射场，或作为星载仪器的健康监测节点。在放射治疗领域，它也有潜力用于实时验证质子或重离子束的照射精度。

GaN材料早已在中国实现产业化突破。在微波功率器件和蓝白光LED领域，中国已形成从衬底、外延到芯片的完整产业链。中电科13所、55所等单位在GaN射频器件方面达到国际先进水平，三安光电、英诺赛科等企业在功率电子领域具备大规模生产能力。

但在辐射探测这一细分前沿，中国仍在加速追赶。中科院长春光机所、西安电子科技大学等机构近年来持续攻关GaN核辐射探测器，重点解决高纯材料制备、低噪声读出电路等瓶颈。国家航天任务对国产抗辐射器件的需求日益迫切，从北斗导航卫星到嫦娥探月工程，都在测试化合物半导体的空间应用可靠性。

日本此次在"高耐辐射"与"二维位置灵敏"结合上取得的进展，为中国提供了重要参考。发展自主可控的GaN辐射探测技术，不仅是基础科研的需求，更是保障未来深空探测和核设施安全运行的战略必需。

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.