CVD金刚石探测器在空间辐射监测中的应用进展

《Nanomaterials》：Advancements in the Application of CVD Diamond Detectors for Space Radiation Monitoring

　　

随着空间探索的不断推进，空间极端环境（如电离辐射、温度梯度和微流星体撞击）对天基探测系统的运行稳定性和寿命构成了重大挑战。因此，开发具有更强鲁棒性和可靠性的探测器已成为当务之急。通过化学气相沉积（CVD）工艺制备的合成金刚石探测器近期所取得的进展，已展现出高辐射耐受性、良好的热稳定性以及可靠的辐射探测性能。这些特性使金刚石探测器成为空间辐射监测应用的有力候选方案。本研究系统分析了金刚石探测器在空间环境背景下的物理性质、制备方法、辐射探测原理及潜在应用，并强调了其相较于传统探测技术的优势。

**1. 引言**

空间任务要求辐射探测器能够在强电离辐射、大温度变化和长任务周期下可靠运行。高能质子、电子、重离子及次级粒子可在半导体探测器及相关电子系统中引入晶格缺陷、电荷俘获、漏电流增加等形式的性能退化。此类效应对于长周期任务和恶劣环境下的辐射监测尤为重要，此时探测器稳定性与校准可靠性直接影响测量精度。硅基探测器因制造技术成熟和读出生态系统完善而被广泛应用，但其性能在高累积辐射剂量下可能退化，从而推动了对替代性抗辐射半导体材料的研究。化学气相沉积（CVD）金刚石因其宽带隙、低本征载流子浓度、高击穿场强、高载流子迁移率和强共价键而成为此类应用的有力候选。这些特性可实现低漏电流、快速电荷收集以及在高电场和高辐射水平下的稳定运行。然而，金刚石的实际优势必须与其若干局限性一并考量。高质量单晶CVD金刚石仍相对昂贵，大面积材料的可获得性相比成熟的硅技术有限，且探测器性能可能随晶体质量、杂质浓度、电极构型和制备条件而变化。当前研究不仅关注提高材料质量和辐射耐受性，也关注提高制造良率、降低成本、改善器件一致性以及发展可扩展的探测器架构。尽管已有若干综述总结了金刚石的材料性质、生长技术和辐射探测能力，但将上述议题直接与空间辐射监测需求相联系的研究相对较少。特别是，金刚石与竞争性半导体探测器技术的系统比较、实验室演示与在轨验证之间的区别，以及探测器面积、制造可扩展性、读出集成、校准稳定性和长期鉴定等实际问题，尚未被纳入统一的框架加以考虑。因此，本综述旨在弥合材料层面的进展与面向任务的探测器评估之间的鸿沟。本综述主要考虑2000年至2026年间报道的进展，同时保留选定的早期研究以提供必要的背景或基础探测器概念。范围涵盖金刚石的本征性质与CVD生长技术、辐射相互作用与信号形成机制、代表性探测器架构，以及带电粒子、中子和紫外/真空紫外探测应用。综述围绕四个主要问题展开：（1）哪些材料和器件特性使CVD金刚石在空间辐射探测中可与Si、GaAs和GaN竞争；（2）晶体质量、生长条件、探测器架构和电极构型如何影响可测量的探测器性能；（3）哪些报道的结果属于实验室概念验证、面向空间的地面鉴定或已展示的在轨运行；（4）哪些材料、制造、集成、校准和可靠性障碍仍限制其更广泛的空间部署。通过回答上述问题，本综述力求对CVD金刚石辐射探测器的优势及现存局限提供面向任务的评估。

**2. CVD金刚石**

**2.1. 金刚石在辐射探测中的优势**

金刚石的宽带隙（5.5 eV），加上其极低的本征载流子浓度（<10³ cm^?3）和高电阻率（>10¹⁶ Ω·cm），有助于实现极低的漏电流和良好的信噪比性能。在1000 V外加电压下，500 μm厚的金刚石探测器产生的暗电流仅为30–40 pA/cm²，使其能够在高电压下保持高灵敏度，适合高精度测量。金刚石的介电常数为5.7，低于硅（11.7），这降低了探测器读出电路中的输入电容。较低的电容可最小化电容感应噪声电流，有效抑制噪声并增强探测性能。此外，金刚石表现出约4500和3800 cm²/V·s的高电子和空穴迁移率，可实现高效载流子输运和快速电荷收集。结合其低漏电流和高击穿场强，这些特性支持快速信号响应、高场运行以及在严苛环境条件下的辐射探测。微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）能够生产大面积、高质量的金刚石薄膜。MPCVD有助于生长尺寸和可重复性得到改善的高质量金刚石薄膜，从而扩展金刚石探测器的实际应用性。金刚石卓越的熔点（3550至4000 °C）和低热膨胀系数（0.8 × 10^?6/K）有助于其在极端条件下的鲁棒性。化学惰性的金刚石能抵抗酸和碱的腐蚀，进一步增强了其在恶劣环境中的适用性。强sp³杂化C–C键有助于实现高位移能和辐射耐受性。与传统的硅探测器相比，金刚石器件在高辐照通量下仍能保持有用的电荷收集性能，尽管退化程度取决于粒子类型、通量、探测器结构和运行条件。表1总结了金刚石、Si、GaAs和GaN在室温下与辐射探测器性能特别相关的代表性材料性质。这些数值为比较提供了材料层面的基础，尽管载流子迁移率和击穿场强等参数可能随材料质量和测量条件而变化。尽管表1所总结的本征材料性质为探测器性能提供了物理基础，但这些参数本身并不能完全代表辐射探测器的实际能力。对于空间应用，实验证明的电荷收集性能、辐射耐受性、漏电流、高温运行和空间相关验证也是重要考量因素。因此，表2进一步比较了金刚石、Si、GaAs和GaN辐射探测器的代表性定量性能指标。由于报道的数值是在不同的探测器结构、辐射源、辐照条件、偏压和工作温度下获得的，因此应将其视为代表性的实验基准，而非严格的一一比较。比较表明，没有任何一种半导体探测器技术在各项性能指标上全面占优。硅受益于高度成熟的晶圆级制造、丰富的空间飞行经历和成熟的读出技术，而GaAs提供有吸引力的室温能谱性能，GaN则兼具宽带隙和良好的高温及抗辐射运行潜力。金刚石在需要极低漏电流、高电荷收集效率、高辐射耐受性和高温运行的应用中尤其具有竞争力。然而，其较高的材料成本、有限的大面积高质量CVD可获得性以及器件间一致性仍是阻碍其广泛部署的重要障碍。因此，空间任务的探测器选择应基于特定的辐射环境、任务周期、灵敏面积、热条件和系统级约束，而非单一的 Material 参数。

**2.2. 金刚石制备的关键CVD技术**

CVD金刚石薄膜已被研究用于广泛的应用，包括辐射探测与剂量测定、光学系统、热管理、高功率电子学和核聚变技术。对于辐射探测应用，在CVD生长过程中调控材料质量、厚度、杂质浓度和器件结构的能力尤为重要。然而，天然金刚石的稀缺性和高成本限制了其在大规模高质量应用中的使用。此外，天然金刚石在尺寸、形貌和晶体质量上常表现出差异，而获得性能均匀的大面积衬底仍具挑战性。这些局限阻碍了其在大规模辐射探测器制造中的应用，并推动了对合成金刚石生产的广泛研究。自20世纪50年代以来，合成金刚石已日益取代天然金刚石。高温高压（HPHT）和化学气相沉积（CVD）是目前金刚石合成中两种最广泛使用的方法。然而，HPHT通常仅限于生产小尺寸金刚石晶体，因为它需要专门设备来维持极高的压力和温度条件。生长尺寸和晶体质量受到高压腔体有限容积以及合成过程中维持均匀温度和压力分布困难的限制。此外，HPHT生长的金刚石通常含有较高浓度的氮和由催化剂–溶剂体系引入的金属杂质，这可能降低其光学和电学性能。相比之下，CVD提供了更大的操作灵活性，通过精确控制反应气体成分和流速来最小化杂质掺入，并能合成大尺寸、高质量的金刚石。因此，CVD已成为金刚石制造的主导技术。目前使用的几种CVD技术包括热丝化学气相沉积（HFCVD）、直流等离子体辅助化学气相沉积（DC-PACVD）、直流电弧等离子体喷射化学气相沉积（DC Arc Jet CVD）和微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）。CVD工艺的选择主要通过其对杂质掺入、缺陷密度、残余应力和空间均匀性的影响来影响探测器性能。这些材料特性影响载流子俘获、迁移率和寿命，因此直接影响电荷收集距离和电荷收集效率。特别是，氮和硅相关杂质、位错、晶界和其他扩展缺陷可能引入俘获中心并降低载流子输运。HFCVD和基于直流电的工艺可能遭受与热丝或电极相关的污染，而MPCVD提供无电极且相对稳定的等离子体环境，有助于改善对杂质掺入和材料均匀性的控制。对于大面积生长，在沉积表面保持均匀的等离子体密度、衬底温度、杂质浓度和生长速率也至关重要。因此，CVD技术对辐射探测器制造的适用性不仅应根据生长速率和沉积规模来评估，还应考虑缺陷密度、杂质浓度、载流子输运和工艺可重复性。表3总结了这些方法的主要特征。在这些技术中，MPCVD被广泛用于探测器级金刚石生长，因为它提供稳定的等离子体条件、相对低的污染和良好的沉积参数控制。这些特性有利于减少杂质掺入和结构缺陷，并改善生长材料中载流子输运特性的可重复性。通过控制痕量杂质水平，Li等人成功降低了金刚石中的缺陷并提升了其整体性能。所得单晶金刚石表现出均匀分布的位错应力场和更少的内部缺陷。其在紫外至近红外波长范围内的透过率达到71.58%，接近金刚石的理论透过率（71.6%）。此外，掺氮单晶金刚石实现了71.27%的相当透过率，表现出与高纯单晶金刚石相似的光学性能。X射线白光形貌术提供了一种无损的手段来可视化单晶金刚石中的晶格缺陷、位错及其相关应力场。如图1所示，高纯度单晶金刚石表现出相对局域且均匀分布的位错应力场，而轻微掺氮样品表现出更扩展且近似线性的应力分布。参考样品在晶体大部分区域呈现明显更暗的形貌衬度，表明存在更高密度的扩展缺陷和晶格畸变。这些观察表明，X射线白光形貌术可用于评估晶体质量和结构缺陷的空间均匀性。由于缺陷和杂质分布与金刚石中的载流子输运和电荷俘获密切相关，此类结构表征对于评估CVD金刚石材料在辐射探测器制造中的适用性也具有相关性。因此，图1提供了三种金刚石样品内部结构质量的直接比较，而表3总结了四种CVD技术的特征。图2总结了CVD制备技术、金刚石材料性质、探测器结构及其相应应用领域之间的关系。

**2.3. 利用金刚石探测器进行粒子辐射探测的原理**

**2.3.1. 能量沉积与载流子产生**

当电离辐射穿过金刚石传感器时，其在晶格中沉积能量并沿径迹产生电子–空穴（e-h）对。对于最小电离带电粒子（MIPs），金刚石中的能量损失在宽能量范围内几乎恒定，高纯材料中的典型电离产额约为每微米径迹长度35–40个e-h对。在金刚石中产生一个e-h对所需的平均能量约为13 eV，显著高于硅。结合5.5 eV的宽带隙，这导致极低的本征载流子浓度，即使在室温下暗电流也可忽略不计。因此，尽管金刚石每单位剂量产生的电荷载流子少于硅，但它可以在相对高的电场下运行，同时保持低漏电流，这有利于信噪比性能以及在高辐射环境（如粒子加速器和空间）中的运行。

**2.3.2. 信号形成与Ramo–Shockley定理**

金刚石探测器中电流脉冲的形成由Ramo–Shockley定理严格描述，该定理适用于任何固态辐射探测器。对于以瞬时速度移动的电荷q的载流子，在给定电极上感应的电流为公式（1），其中是与该电极相关联的權重场，通过求解拉普拉斯方程获得，此时读出电极设为单位电位，所有其他电极接地。总电流是所有产生的载流子贡献的叠加。在典型的平面器件中，金属接触沉积在金刚石板的两个相对面上，并在其间建立均匀电场。当顶部电极相对于底部电极施加正电位时，电子向阳极漂移并被收集，而空穴向阴极漂移。它们在权重场中的运动感应出瞬态电流；电荷灵敏前置放大器对该电流进行积分，产生电压脉冲，其幅度与感应电荷成正比，并且在有限俘获条件下与有源体积中沉积的能量成正比。

**2.3.3. 电荷收集距离与电荷收集效率**

金刚石传感器的一个关键品质因数是电荷收集距离（CCD），定义为公式（2），其中L是探测器厚度，Q_ionized是电离初始释放的电荷，Q_collected是在电极处测量的电荷。在简单的漂移模型中，CCD可近似为公式（3），其中μ_e,h和τ_e,h分别代表电子和空穴的迁移率和寿命，E是外加电场。该近似基于简化的载流子漂移模型，其中电荷输运过程由均匀电场下的载流子漂移主导。载流子俘获效应通过载流子寿命参数纳入，而空间变化电场和非均匀缺陷分布等复杂因素则被忽略。该简化模型为金刚石探测器中的电荷输运行为提供了有效的描述。

**2.3.4. 不同辐射类型的相互作用机制**

由于金刚石是一种低Z、宽带隙半导体，其探测响应强烈依赖于入射辐射的相互作用机制和能量。带电粒子、光子和中子之间的主要过程各不相同，下文分别讨论。

**带电粒子：** 带电粒子主要通过库仑相互作用与金刚石中的电子和原子核发生作用。重离子、低能质子和α粒子可被典型探测器厚度完全阻止，沉积其全部动能并产生适用于能谱测量的大电离信号。高质量单晶器件对α粒子的能量分辨率可达到百分之几十的水平，对优化系统中14 MeV中子感生的带电次级粒子约为1%。对于最小电离粒子（如相对论性π介子或质子），只有部分粒子能量被沉积；尽管如此，CVD金刚石条带和像素探测器已在加速器环境中展现出高效的径迹探测和抗辐射能力，通量高达约10¹⁵ cm^?2。这些结果对于暴露于辐射带和太阳粒子事件中强质子和重离子通量的空间任务具有直接相关性。

**光子（X/γ）与深紫外/真空紫外辐射：** X射线和γ射线通过光电效应、康普顿散射和电子对产生与金刚石相互作用，具体取决于光子能量。碳的相对较低原子序数意味着在薄层中对MeV级γ射线的相互作用概率适中，但可根据需要采用更厚的晶体和转换层来提高探测效率。对于连续X射线场和高累积剂量，金刚石剂量计已表现出良好的线性和长期稳定性，报道的总剂量运行可达约10 MGy。在深紫外和真空紫外（VUV）范围内，金刚石的宽带隙导致其具有本征“日盲”特性：波长长于约220–230 nm的光子无法跨越带隙激发载流子，导致在可见光和近红外范围内响应可忽略。因此，金刚石光电导探测器和肖特基光电二极管可对太阳极紫外/真空紫外辐射提供高选择性探测，具有极低的暗电流和高达10⁶的可见光抑制比，使其成为天基太阳监测的有吸引力的选择。

**中子：** 中子通过核相互作用间接探测，或与碳或转换核相互作用。在纯金刚石中，低能和中间能中子主要通过碳原子核的弹性散射相互作用，产生反冲碳离子，其在晶格中沉积能量并产生可探测的电离。此类相互作用的概率取决于中子能量和厚度；对于0.5 mm金刚石中的1 MeV中子，只有很小部分发生任何相互作用，更小部分产生高于电子噪声阈值的反冲。在更高中子能量下，涉及碳的阈值反应（如¹²C(n,α)⁹Be）变得重要，并产生可通过其在金刚石中的电离而被探测的高能带电粒子。对于热中子和超热中子，纯金刚石基本上不敏感，通常基于⁶Li或¹⁰B（例如LiF或含硼薄膜）的薄转换层沉积在探测器表面以产生带电反应产物；带有LiF或硼转换层的金刚石探测器已被证明可用于热中子剂量测定和能谱测量，实现百分之几的探测效率和高通量下的稳定运行。这些相互作用机制使CVD金刚石能够用于带电粒子、光子探测和中子探测。结合其已被证明的辐射耐受性，这些特性支持其在空间长期辐射监测应用中予以考虑。

**3. CVD金刚石的空间应用**

天基探测器所面临的辐射环境强烈依赖于轨道和任务类型。在低地球轨道（LEO）中，辐射场主要由地球辐射带中的俘获质子和电子主导，尤其是在南大西洋异常区穿越期间，同时还有太阳高能粒子（SEPs）和银河宇宙射线（GCRs）的贡献。代表性的俘获粒子能量对电子而言从数十keV延伸，对质子而言从数十或数百MeV延伸，而GCR粒子通常从数百MeV到GeV每核子。在地球同步轨道（GEO）中，外辐射带中的高能电子尤为重要，通常约从0.1延伸至10 MeV，而高能质子和瞬态SEP群也对辐射环境有贡献。在地球磁层之外，包括月球和深空任务，地磁屏蔽基本不存在，辐射环境日益由GCR和偶发SEP事件主导。GCR主要包含高能质子，以及α粒子和更重离子，而SEP事件可产生从几MeV到几百MeV的强烈短期质子暴露。在月球表面，初级粒子与月壤的相互作用额外产生次级辐射，包括中子。LEO、GEO、月球和深空环境之间的这些差异对辐射探测器在可探测能量范围、动态范围、辐射耐受性、粒子鉴别、校准稳定性和长期可靠性方面施加了不同要求。因此，特定CVD金刚石探测器的适用性应根据其预期用途所针对的辐射环境和任务剖面进行评估。下文讨论的研究代表了不同的空间相关性水平，因此不应被解释为技术成熟度的同等证据。在本综述中，结果区分为（i）已证实的在轨运行，（ii）面向空间的地面测试或鉴定，以及（iii）实验室概念验证研究。LYRA/PROBA-2为金刚石光电探测器提供了直接的飞行经验，而针对未来CubeSat任务探测器设计的质子辐照研究则代表了基于地面的空间鉴定。其他加速器、放射源和低温实验主要展示探测物理或应用潜力，在空间部署前仍需进一步的环境鉴定。

**3.1. 金刚石传感器结构**

**3.1.1. MIM结构**

金属–绝缘体–金属（MIM）金刚石探测器的示意图如图3a所示。高电阻率金刚石夹在两个金属电极之间。施加在器件上的外部电压产生电场。吸收辐射产生的自由电荷在该电场内漂移，从而在外部电路中产生电流。探测器可在两种模式之一运行：（1）脉冲计数模式或（2）电流模式。脉冲计数指探测各个量子事件。输出信号可能与粒子能量相关（能谱模式）或无关（计数模式）。在电流模式下，探测器产生与辐射场强度成正比的电流。

**3.1.2. 层状结构**

为了提高金刚石辐射探测器的能量分辨率和制造一致性，近年来提出了各种层状结构设计，如图3b所示。Kaneko等人通过在HPHT合成的Ib型金刚石衬底上生长掺硼金刚石电极层和20 μm厚的本征单晶CVD金刚石层，构建了层状单晶金刚石探测器。该器件集成了掺硼金刚石欧姆接触和铝肖特基接触，表现出明显的整流特性。在5.486 MeV α粒子辐照下，探测器实现了2.6%和2.8%的能量分辨率，上升时间小于20 ns，载流子漂移速度超过1 × 10⁵ cm/s，表明其具有快速响应和高灵敏度。然而，研究发现探测器性能受到载流子俘获和晶体缺陷的限制，表明需要进一步改善掺硼层的晶体质量。另一方面，Almaviva等人设计了一种基于单晶CVD金刚石的金属/本征/掺杂p型金刚石夹层结构肖特基二极管探测器。该器件具有铝顶部电极和掺硼底部层，通过内建电位势垒在零偏压下产生光电流。在6–20 keV范围内的高通量X射线辐照测试中，该探测器表现出线性响应和低暗电流，与C-V分析和蒙特卡洛模拟一致。此外，该器件表现出良好的时间响应和稳定性，适用于精确软X射线探测。

**3.1.3. 三维结构**

三维结构化金刚石辐射探测器通过激光辐照诱导的石墨电极制造，可在低电压下提供高效电荷收集并提高抗辐射硬度。Bachmair等人利用飞秒激光诱导相变技术在单晶CVD金刚石中制造石墨/类金刚石复合电极，成功制备了首个高效3D粒子径迹探测器，如图3c所示。该器件在CERN的120 GeV质子束实验中实现了约13,600 e^?的最可几电荷信号，验证了其在高能物理探测中的可行性。Lagomarsino等人使用纳秒和飞秒激光在金刚石中直接诱导石墨化通道构建了3D金刚石探测器，利用拉曼成像揭示了电导率与sp²相含量之间的显著相关性。使用纳秒激光制备的电极表现出低至60 mΩ·cm的电阻率，显示出导电性和与3D结构的兼容性。对于具有激光形成埋入式石墨电极的三维金刚石探测器，Salvatori等人使用离子束感应电荷（IBIC）技术，以3.0和4.5 MeV质子对电荷收集效率（CCE）进行了微米尺度映射。IBIC图谱显示，每个埋入柱周围仅有几微米厚的径向区域表现出降低的CCE，而器件大部分体积保持良好的探测性能，在60 V偏压下的电荷收集效率约为90%。此外，在来自⁹⁰Sr源的MeV级β粒子辐照下，平均收集电荷对应于约96%的CCE，证实尽管激光诱导的应力和缺陷存在于石墨柱周围，3D埋入柱几何结构仍能确保沿探测器厚度方向的几乎完全电荷收集。总体而言，这些探测器架构在制造复杂性、工作电压、电荷收集性能和可扩展性之间涉及不同的权衡。平面MIM探测器提供相对简单的制造和成熟的器件工艺，但通常需要将电场施加到整个探测器厚度上。层状结构可通过工程化界面改善接触特性和光谱响应，尽管其制造需要更精确的外延生长和掺杂控制。三维架构缩短了载流子漂移距离，并可在相对低的偏压下实现高电荷收集效率；然而其制造更为复杂，激光诱导的石墨电极可能引入局部应力和缺陷。因此，最佳探测器架构取决于目标空间任务的灵敏面积、可用偏压、功率预算、辐射环境和可靠性要求。

**3.2. 带电粒子探测**

2015年，Altukhov等人开发了一种基于金刚石的宇宙射线选择性监测探测器，能够连续测量航天器周围的外部电子、质子和重粒子通量。该探测器可测量12个能量范围内的粒子辐射通量密度。如图4所示，金刚石传感元件（DSE）安装在位于准直窗口下方的放大模块上。准直窗口包含一个选择性滤光器，将宇宙射线分为不同的能量范围。探测器采用多个灵敏探测表面不同的DSE。图5显示了配置，其中前两个DSE（表面积：2 × 2 mm²）记录电子、质子和重粒子的总通量。中间的DSE（表面积：3 × 3 mm²）检测能量高于3 MeV的低能质子和电子，而最后两个DSE（表面积：4.5 × 4.5 mm²）测量能量超过30 MeV的质子和重粒子。该设计确保在5–10分钟的测量持续时间内，不同能量范围内测量的宇宙粒子流的统计误差保持在10%以下。Gladchenkov等人研究了单层和多层金刚石探测器在各种类型电离辐射下的性能。他们的研究结果表明，单层金刚石探测器有效探测重粒子，但对β和γ辐射以及较低线性能量转移（LET）的中子辐射不敏感。他们建议测量重粒子的LET。相比之下，双层金刚石探测器表现出更高的电荷收集效率、探测低能β射线的能力，以及至少25%的探测效率提升。双层金刚石薄膜探测器还提供了更准确的线性能量转移密度测量，使其适用于空间粒子辐射探测。此外，使用三至五层的金刚石薄膜能够在复杂空间辐射环境中探测更高能量范围的粒子，产生更精确的数据。2009年，Lei等人利用具有夹层电极结构的金刚石探测器测试其对²⁴¹Am、²⁴³Am和²⁴⁴Cm源在20–25 °C下的α粒子能谱响应。结果显示不同偏压下的α粒子响应谱。如图6所示，随偏压增加，探测器的电荷收集效率达到饱和。平均CCE约为33.5%，而10%下降沿处的相对CCE约为57%。Liu等人通过修饰金刚石表面的金属电极结构，优化了探测器的信噪比、能量分辨率和整体性能。研究中使用了4.5 mm × 4.5 mm × 500 μm的金刚石，如图7所示。优化后的探测器在低于100 V的电压下暗电流小于0.1 nA，电荷收集效率为96.9%。在380 V偏压下的能量分辨率为2.82%。这些结果表明电极构型和接触工程可显著影响漏电流、电荷收集和能谱性能。Ding等人采用MPCVD在HPHT金刚石衬底上生长高质量单晶金刚石。通过压缩等离子体，他们提高了微波功率密度，优化了等离子体中的碳/氢（C/H）比，并减少了金刚石外延层中的杂质和位错。在室温光致发光光谱中未检测到杂质带。使用200 μm厚外延金刚石薄膜制造的探测器对电子表现出97.03%的电荷收集效率和2.1%的能量分辨率，对空穴表现出97.86%的电荷收集效率和1.5%的能量分辨率。此外，电子和空穴的迁移率与寿命乘积分别达到8 × 10^?5和4.1 × 10^?4 cm²/V。最近，Ando等人研究了两种面向空间应用的MPCVD金刚石辐射探测器，并使用100 MeV质子辐照评估了其辐射耐受性。这些探测器正为KSAT3-X CubeSat任务开发，该任务旨在观测地球磁层中的带电粒子群。在相当于预期轨道环境至少约10年的辐照水平下，未观察到能谱性能的显著退化。这一结果为该探测器设计在预期空间任务中的辐射耐受性提供了基于地面的证据，尽管在轨运行尚未得到演示。综合来看，这些研究和最近的综述表明，CVD金刚石的带电粒子探测性能和辐射耐受性取决于晶体质量、探测器厚度、电极构型、接触特性、外加电场和辐照条件。早期的CVD金刚石薄膜探测器表现出约33.5%的平均电荷收集效率，在响应谱下降沿处达到约57%。随着晶体质量的提高和接触结构的优化，随后展示了显著更高的性能。例如，肖特基接触金刚石探测器实现了96.9%的CCE和2.82%的能量分辨率，而高质量单晶CVD探测器对电子和空穴的CCE值分别为97.03%和97.86%，对应的能量分辨率分别为2.1%和1.5%。这些结果说明了材料质量和器件工程对探测器性能的强大影响。然而，由于报道的数值是在不同的粒子源、探测器尺寸、偏压和实验条件下获得的，因此应将其视为代表性基准，而非直接的一一比较。对于空间应用，在宽广且可变的辐射谱下的长期稳定性可能与在受控实验室条件下获得的最高CCE或最佳能量分辨率同等重要。

**3.3. 中子探测**

金刚石探测器因其辐射耐受性、低漏电流和探测带电反应产物的能力而被研究用于中子监测。然而，其中子响应强烈依赖于中子能量和探测器配置，特别是对于热中子和超热中子使用转换层的情况。2018年，Holmes等人研究了具有4.5 μm厚和0.5 μm BN层的金刚石PIN二极管探测器，以测量中子通量分布，从而准确评估空间环境。当探测器暴露于热中子束时，在1 MeV中子等效通量为10¹⁵ n/cm²的1 MeV中子辐照下，计数率大致保持恒定。2020年，Holmes等人进一步在4.4 × 10⁶ n·cm^?2·s^?1的热中子通量下评估了这些探测器。随后将探测器辐照至1 MeV中子等效通量10¹⁵ n·cm^?2。辐照后，计数率几乎保持不变，但脉冲高度分布向较低值移动了约250 keV。使用²¹⁰Po α粒子源进行的测量表明，在工作电压下电荷收集效率没有显著损失。这些结果表明，所测试的薄金刚石PIN探测器在大量中子辐照后保持了稳定的电荷收集性能，而观察到的脉冲高度偏移表明，转换层、接触或其他器件组件中由辐照引起的变化也应予以考虑。对于14 MeV DT中子，Shimaoka等人在聚变中子源（FNS）采用相同的单晶CVD金刚石探测器作为紧凑中子能谱仪，利用¹²C(n,α)⁹Be反应作为感应机制。这些金刚石器件放置在距Ti-T靶30至56 cm处，观测角相对于氘束为95°至110°，在约1.3 V/μm的电场下运行，计数率达到每秒数百次。最近的研究进一步研究了CVD金刚石探测器在与当前和未来聚变装置相关的高辐射条件下的聚变中子诊断。这些研究集中于DD和DT中子能谱、探测器寿命、能量分辨率以及高温下的运行，进一步展示了单晶CVD金刚石在恶劣辐射环境中进行快中子测量的潜力。与通过涉及碳的核反应直接进行快中子探测相比，热中子探测通常需要转换层来产生带电反应产物。Ren等人采用MCNP（蒙特卡洛N粒子输运代码）模拟程序构建了转换层辅助金刚石中子探测器的物理模型。该研究调查了中子转换层、金刚石薄膜厚度和γ屏蔽阈值对中子探测效率的影响。模拟结果表明，随着⁶LiF转换层厚度的增加，中子探测效率出现峰值，当⁶LiF层为25 μm厚时达到最大值3.87%，如图8所示。所报道的研究还表明，金刚石中子探测器的优势强烈依赖于中子能量范围和探测器配置。对于慢中子和热中子，金刚石PIN探测器通常需要诸如含硼材料或⁶LiF之类的转换层，以产生随后可在金刚石灵敏层中探测到的带电反应产物。在此类器件中，中子探测效率受到转换层厚度和反应产物自吸收的制约；因此，增加转换层厚度不一定导致探测效率的单调增加。例如，使用⁶LiF的模拟结果显示最佳转换层厚度约为25 μm。相比之下，快中子能谱可利用直接涉及碳的核反应；基于单晶CVD金刚石的14 MeV中子能谱仪实现了1.5%的实验能量分辨率和0.79%的本征分辨率。这些结果表明，金刚石中子探测器的主要优势在于其辐射鲁棒性、紧凑固态配置、快中子能谱能力以及在恶劣混合辐射场中的稳定运行，而非普遍高的中子探测效率。除中子能谱外，CVD金刚石还被研究用于其他必须承受强辐照的聚变相关组件。最近的研究检查了重离子暴露下CVD金刚石中辐照引起的缺陷演化和恢复，以及质子和碳辐照下空位相关缺陷中心的改性。这些研究对于聚变技术中抗辐射金刚石基光学和介电组件具有相关性，并进一步表明金刚石的辐射耐受性不仅应根据探测器信号稳定性来评估，还应通过辐照下的缺陷产生、退火行为和功能性质的变化来评估。

**3.4. 真空紫外探测**

2009年11月，欧洲空间局（ESA）将PROBA-2发射至约720 km高度的太阳同步轨道，搭载了LYRA太阳辐射计。LYRA采用了由IMOMEC开发的金刚石光电探测器，包括基于通过MPCVD在IIa型金刚石衬底上外延生长的0.8 μm厚金刚石薄膜的器件。该仪器包含三个冗余辐射计单元，每个单元包含四个独立的光谱通道。每个通道包括准直器、精密孔径、光谱滤光片、光电探测器和用于校准的紫外/可见光发光二极管（LEDs）。如图9所示，LYRA通道采用Si-AXUV、PIN金刚石或MSM金刚石光电探测器，相应的探测器类型和光谱波段总结于表4。LYRA飞行结果进一步表明，长期探测器稳定性不能仅归因于探测器材料的本征性质。金刚石PIN光电二极管在三个LYRA单元中均表现出高度稳定的暗电流特性，ΔDC值约为+0.2 ± 0.2%。相比之下，MSM金刚石通道表现出明显更大且随通道变化的差异；例如，标称运行的单元2对于不同MSM通道表现出?32 ± 5%、?10 ± 2%和?26 ± 5%的ΔDC值。单元3中的Si-AXUV参考光电二极管在81天累积太阳暴露后表现出约+13.5–14%的暗电流增加。这些差异表明长期性能不仅受半导体材料影响，还受探测器架构、电极构型、运行条件和系统级效应的影响。此外，整体LYRA信号退化不应仅解释为探测器退化，因为光学滤光片上的污染物积累和紫外诱导聚合被确定为观察到的仪器级退化的主要贡献者。因此，LYRA为金刚石光电探测器提供了重要的飞行经验，同时也表明需要区分本征探测器稳定性与完整光学和测量系统的退化。近期研究旨在通过新的器件结构改善金刚石探测器中的光吸收和载流子输运。Liu等人采用同质外延MPCVD生长金刚石薄膜，并开发了自下而上工艺的3D金刚石探测器。在此设计方法中，生长后电极的完整性受到金刚石薄膜上钨层厚度和附着力的影响。在5 V电压下，这些探测器在220 nm处实现了9.9 A/W的响应率，并表现出紫外与可见光之间10³的抑制比。自下而上的工艺使得电极与金刚石具有更强的附着力，从而实现更高的稳定性。Zhang等人设计了利用石墨作为电极的硅基金刚石日盲紫外探测器。他们采用光刻胶热解法制备金刚石薄膜的石墨电极，并在MSM结构中实现了平面叉指电极构型。性能测试得到上升和下降时间分别为30 ms和430 ms。该器件在5 V偏压下还表现出稳定的开关特性，支持其在紫外探测中的适用性。

**3.5. 暗物质探测**

近年来，CVD金刚石也被研究作为低质量暗物质搜索的潜在探测器材料。2019年，Kurinsky等人利用高质量CVD金刚石探测亚千兆电子伏特水平的暗物质。他们观察到，与Si和Ge等传统半导体材料相比，金刚石探测器具有更高的纯度、更轻的碳核和更低的暗计数率。这些特性增强了其对与暗物质相关的电子和核反冲信号的灵敏度。碳的轻核质量有利于在核反冲相互作用中探测较低质量的暗物质。随着进一步优化，金刚石探测器未来可显著扩展其探测低能暗物质的应用范围。2022年，Abdelhameed等人实验测试了两个配备钨膜传感器（W-TES）的CVD金刚石样品，并成功将金刚石用作亚GeV暗物质搜索的低阈值低温探测器，实现了低至16.8 eV的探测阈值。尽管取得了这些有前景的结果，暗物质探测代表了一种与常规空间辐射监测截然不同的应用场景。所提出的高纯度金刚石概念主要用于探测来自亚GeV暗物质的极低能核和电子反冲。所报道的低温CVD金刚石探测器在约25 mK下运行，突显了该探测方法的专门热学和读出要求。此类性能证明了CVD金刚石在超低阈值探测方面的潜力；然而，低温运行温度、专门读出架构和低本底要求与常规星载辐射监测明显不同。因此，