你以為鉆石只能用來(lái)做珠寶？科學(xué)家們?cè)缇投⑸狭怂摹俺芰Α保?a href='/news/search/key/%25E9%2587%2591%25E5%2588%259A%25E7%259F%25B3.html' target='_blank'>金剛石不僅是自然界最堅(jiān)硬的材料，還擁有耐高溫、抗輻射、導(dǎo)電快等“逆天”屬性，讓它成為探測(cè)輻射的“頂級(jí)選手”。今天，我們就來(lái)揭秘金剛石如何在核聚變、深空探測(cè)等極端場(chǎng)景中大顯身手！

       一、傳統(tǒng)探測(cè)器的弊端

       傳統(tǒng)硅基探測(cè)器如同“溫室花朵”：

       1、輻射損傷：強(qiáng)輻射環(huán)境下漏電流暴增，信號(hào)被噪聲淹沒(méi)；

       2、溫度限制：超過(guò)150℃即“罷工”，無(wú)法在火山口或核反應(yīng)堆附近工作；

       3、靈敏度瓶頸：對(duì)X射線或中子的“捕捉”效率難以突破。

       而金剛石探測(cè)器的出現(xiàn)，就像為極端環(huán)境量身定制的“超級(jí)英雄戰(zhàn)甲”。

       二、金剛石的“超能力”密碼

       金剛石為何能成為探測(cè)器的“天選之材”？

       1、抗輻射“金剛不壞身”：超寬禁帶（5.5eV）讓輻射損傷無(wú)處下手；

       2、高溫“耐熱王者”：450℃環(huán)境下仍能穩(wěn)定工作，遠(yuǎn)超硅的極限；

       3、閃電響應(yīng)速度：載流子遷移率破4500cm2/V·s，比硅快3倍；

       4、中子“透視眼”：碳原子對(duì)中子“敏感”，可精準(zhǔn)捕捉其軌跡。

       三、技術(shù)突破：從實(shí)驗(yàn)室到應(yīng)用場(chǎng)景

       1. 高溫X射線“掃描儀”

       鄭州大學(xué)團(tuán)隊(duì)打造的10×10金剛石探測(cè)器陣列，能在450℃高溫下“看清”X射線：

       （1）創(chuàng)新電極結(jié)構(gòu)：非對(duì)稱“三明治”設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在高溫條件下仍具有高靈敏度的 X 射線探測(cè)性能；

       （2）應(yīng)用場(chǎng)景：火山監(jiān)測(cè)、核反應(yīng)堆熔毀預(yù)警，甚至未來(lái)火星車(chē)勘探。

       2. HPHT vs CVD金剛石：誰(shuí)才是輻射探測(cè)的“王者”？

       北京科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)比了兩種人造金剛石：

       （1）高溫高壓（HPHT）金剛石：成本低，但雜質(zhì)多（氮含量高），電荷收集效率僅38%。

       （2）化學(xué)氣相沉積（CVD）金剛石：純度逆天（雜質(zhì)僅2.1 ppb?。?，電荷收集效率飆升至86%，能量分辨率碾壓對(duì)手。

       結(jié)論：CVD金剛石是未來(lái)輻射探測(cè)的“頂配材料”，尤其適合高精度核輻射監(jiān)測(cè)！

       3. 硼摻雜的“魔法疊層”， 讓中子探測(cè)靈敏度翻倍！

       日本團(tuán)隊(duì)用硼摻雜/未摻雜金剛石疊層設(shè)計(jì)，解決了多晶金剛石信號(hào)弱的痛點(diǎn)：

       （1）原理：硼原子形成“空穴陷阱”，像磁鐵般吸住中子誘生的α粒子，疊層結(jié)構(gòu)像“漏斗”一樣高效收集信號(hào)，靈敏度直接拉滿！

       （2）突破：多晶金剛石可大面積制備，成本直降50%。

       4. 低溫極限挑戰(zhàn)：-200℃也能干活？

       克羅地亞團(tuán)隊(duì)在低溫實(shí)驗(yàn)中驚覺(jué)：

       （1）γ射線探測(cè)：CCE（電荷收集效率）下降很少；

       （2）中子探測(cè)：70K以下中子的電荷收集效率腰斬，信噪比暴跌，但120K仍可區(qū)分中子與γ射線。

       意義：未來(lái)需優(yōu)化電極設(shè)計(jì)，讓探測(cè)器在聚變堆超低溫環(huán)境中“看得更清”！

       5. 200℃高溫下的“中子狙擊手”

       維也納團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證：?jiǎn)尉Щ瘜W(xué)氣相沉積（scCVD）金剛石探測(cè)器在200℃高溫中，中子探測(cè)效率穩(wěn)定，輕松扛住核聚變堆的極端熱環(huán)境。

       應(yīng)用場(chǎng)景：地質(zhì)勘探（深入巖漿房）、核聚變裝置（實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中子通量）。

       潛力：未來(lái)可為“人造太陽(yáng)”提供實(shí)時(shí)中子通量數(shù)據(jù)，確保能源安全！

       四、未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)：從核能到深空

       金剛石探測(cè)器正在開(kāi)啟的新紀(jì)元：

       1、核聚變反應(yīng)堆：在低溫與高溫間“游刃有余”，護(hù)航“人造太陽(yáng)”；

       2、深空探測(cè)：在木星輻射帶中“火眼金睛”，尋找地外生命痕跡；

       3、安檢升級(jí)：機(jī)場(chǎng)CT機(jī)用上金剛石探測(cè)器，危險(xiǎn)品無(wú)所遁形。

       五、未來(lái)已來(lái)：金剛石探測(cè)器將顛覆哪些領(lǐng)域？

       從火山口到核反應(yīng)堆，從深空到安檢通道，金剛石探測(cè)器正在憑借耐造、靈敏、穩(wěn)定的特性，正在改寫(xiě)極端環(huán)境探測(cè)的規(guī)則書(shū)！科學(xué)家們下一步的目標(biāo)是——更低成本、更大面積、更高集成度，讓“鉆石眼”真正照亮人類(lèi)科技的邊界！

       參考文獻(xiàn)：

       1、Dou W J, et al. Chip, 2024.

       2、Mu L X, et al. Functional Diamond, 2023.

       3、Masuzawa T, et al. Diamond Relat. Mater., 2023.

       4、Cosic D, et al. IEEE Trans. Instrum. Meas., 2023.

       5、Melbinger J, et al. J. Instrum., 2024.