宇宙暗物質探測

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　　核電站監測

　　水產品監測

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　　環境監測

　　礦產勘探

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　　放射治療

　　高純鍺探測器內部結構圖

　　高純鍺探測器正面

　　GAGG無機閃爍體晶體，在伽馬射線探測、醫學成像等領域有著廣泛的應用。

　　作為廣州“2+2+N”科創平台體系中兩大國家級最高科研力量之一，粵港澳大灣區國家技術創新中心（以下簡稱“大灣區國創中心”）近年來致力於攻克關鍵核心技術，打造集“有組織科研+有組織成果轉化”於一體的大灣區科技創新樞紐，打通從科技強到企業強、產業強、經濟強的通道，產出一系列重大成果。

　　其中，大灣區國創中心聯合清華大學實現了國內寬能高純鍺探測器的首次成功研製，打破了國外高純鍺探測器的壟斷，成為大灣區國創中心的代表性成果之一。

　　高純鍺探測器，這個大家不太熟悉的科學儀器名詞到底有哪些重大應用？又會對我們的生活產生哪些影響？本期《科技週刊》，我們將解碼正在廣州建設的冷泉裝置。

　　文/廣州日報全媒體記者武威  圖/廣州日報全媒體記者王維宣 通訊員嚴競（除署名外）

　　什麼是高純鍺探測器

　　在大灣區國創中心粒子應用技術創新中心內，展臺上擺放著各種形狀的高純鍺探測器。據大灣區國創中心粒子探測技術研發基地實驗室負責人唐維優介紹，鍺是世界上最重要的半導體材料之一，高純鍺探測器實際上是一種基於高純鍺晶體的PN結型半導體探測器，它需要在液氮溫度（-196℃）下工作。

　　該探測器有何優勢

　　唐維優介紹，相較傳統的探測器，高純鍺探測器的優勢主要體現在高能量解析度和高探測效率。

　　其中，高能量解析度使高純鍺探測器能夠區分能量極接近的伽馬射線，精準識別放射性核素種類。傳統探測器（如NaI閃爍體）因解析度較低，難以分辨。高純鍺探測器的這種能力使其能夠快速辨別污染源是人工核素（如核事故泄漏的铯-137）還是天然本底輻射，從而準確評估放射性風險。

　　“高純”有多純

　　想要製作高純鍺探測器，需要將鍺提純到超高純度。鍺必須達到13N級，才能製成“目前世界上最純物質”的高純鍺單晶，高純鍺探測器就是由這些鍺單晶製成。

　　那麼，13N級到底有多純？唐維優說：“我們在金店買的千足金，其純度是99.9%，13N就是小數點後有11個9。為此，我們攻破了多個關鍵性技術，包括高純鍺晶體生長、探測器研製、前端電子學、數位多道、譜儀系統研發、專用系統開發等。”

　　金屬鍺：戰略金屬43年後或將枯竭

　　鍺是重要的半導體材料，除了高純鍺探測器外，鍺還應用在紅外光學、光纖通信、太陽能電池、聚合催化劑及醫藥等高新技術領域，在晶片、太陽能電池、生物科技和武器製造中具有極其重要的潛在價值，被多國列入重要戰略資源目錄。

　　鍺在地殼中含量約為百萬分之七，但它是地殼中最分散的元素之一，幾乎不會單獨成礦，而是伴生在其他有色金屬礦中。鍺的全球探明儲量僅8600噸，按每年200噸的開採量計算，43年後存量將會耗盡。鍺在美國、中國合計儲量佔全球總量的86%，其中美國45%、中國41%。美國在1984年就將鍺作為國防儲備進行保護，2013年停止本土鍺開採，轉為進口。

　　2023年7月3日，我國商務部、海關總署公告，為維護國家安全和利益，經國務院批准，決定對鎵、鍺相關物項實施出口限制。鍺作為重要的戰略資源，限制出口可以強化自主可控能力，保障高科技產業供應鏈的安全。

　　高純鍺探測器在基礎科研領域有大量應用，最典型的應用是發現宇宙暗物質。高純鎎探測器具有極低的輻射本底和極低的能量閾值，能夠有效探測到暗物質粒子與探測器靶核相互作用產生的稀有事例信號。中國暗物質實驗（CDEX）合作組計劃在中國錦屏地下實驗室建設噸級規模的高純鍺探測器陣列。

　　核裂變反應后的乏燃料是否徹底反應完畢，直接關係到核廢料處理的安全性與經濟性。高純鍺探測器可以促進核電站高效、安全運行。

　　高純鍺探測器是核電站乏燃料檢驗的“金標準”，其通過精確測量乏燃料中殘留核素（如鈾-235、鈈-239）的伽馬能譜，量化燃料燃耗深度，為後續乏燃料貯存、後處理提供關鍵數據支撐，從而保障核電站全生命週期的安全高效運行。

　　高純鍺探測器可以保護我國的食品安全。例如，大家都對海產品中的放射性元素含量非常關注。高純鍺探測器可以實現海產品中放射性元素含量的精確測量，方便海關對放射性元素超標的海產品進行攔截。

　　高純鍺探測器可以保護我國的環境安全。假設鄰國進行核試驗，我國可以在邊境，利用高純鍺探測器對空氣、水、土壤進行監測，瞭解相關情況；高純鍺探測器還可以在核電站附近，對空氣、水質、土壤、動植物進行實時監測，以保障核電站附近的生態安全。

　　高純鍺探測器將幫助我國礦產資源的勘探。依靠高純鍺探測器，我們不僅可以探尋自然界中鈾、釷等放射性元素的礦產資源，還可以通過活化分析間接找到許多其他元素的礦產。如高純鍺探測器可以通過發現金活化後產生的放射性同位素金-198，來判斷該地是否有金礦。

　　在核醫學領域，高純鍺探測器將使放射治療更加可靠。

　　揭秘國產高純鍺探測器逆襲之路

　　昔日為暗物質研究省外匯 如今成為核電站“守護神”

　　唐維優告訴記者，高純鍺探測器的研發門檻高、技術難度大，在低雜訊核電子學、大尺寸半導體工藝、低溫高真空保持等技術領域需要頂級的解決方案。因此，相關技術長期被美國、法國、比利時等國家壟斷，其生產廠商也成為全球通用核儀器行業的翹楚，進一步提高了高純鍺探測器研發的門檻。相關國家政府與廠商憑藉其壟斷地位，對我國許多關鍵領域實行限售和技術封鎖。因此，高純鍺探測器的核心技術自主可控迫在眉睫。

　　目前，大灣區國創中心高純鍺團隊已成立了產業化公司——廣東清瀾華創新技術有限公司，不僅能為核電站安全生產保駕護航，而且在加速技術落地與產業化應用方面廣泛佈局，致力於推動探測器在多個場景的規模化應用。如在環保、衛生、計量、海關、食品安全、國土安全、科研教學、水文地質、核工業等領域，尤其是第四代核電站監測方面：公司與國內某第四代核電廠合作，將高純鍺探測器集成至安全殼內部，擔負起對核燃料進行精確測量的任務，保障核電站安全高效地運行。

　　國產高純鍺探測器的主要研發團隊來自清華大學。來自大灣區國創中心粒子應用技術創新中心的付逸冬博士說：“高純鍺探測器在清華大學的科研上有很大應用，2008年，我們在錦屏地下實驗室做暗物質測量，當時就需要使用高純鍺探測器，如果全部依賴國外進口，價格非常高，所以我們就想自己研發，抱著為國家節約外匯的樸素想法開始做高純鍺探測器的開發。一直到2019年，清華團隊自主研發的高純鍺探測器終於實現了穩定良率，達到了可以產業化的標準。考慮到其廣泛的應用前景，2022年，大灣區國創中心立項，開啟科技成果轉化的產業化實踐。”

　　“在我們之前，國內在高純鍺探測器產業化領域長期空白，關鍵材料與器件依賴進口，而如今，我們的高純鍺探測器各項性能指標已達到與國際同行持平乃至領先的水準。”唐維優自信地告訴記者。近年來，大灣區國創中心粒子應用技術創新中心聚焦高純鍺晶體生長、探測器製備、譜儀研發並衍生到專用應用系統的研發，全面實現高純鍺譜儀的國產化，打破國外壟斷。

　　科學家解前沿

　　廣州科學家研發稀土“綠色開採”技術

　　高純鍺探測器對礦產資源勘探開發有很大助力。在廣州，有一批頂尖科學家長年鑽研地球科學，服務國家戰略，在礦產勘探利用上不斷創新，推動新質生產力發展。

　　近日，中國科學院廣州地球化學研究所宣佈，該所朱建喜研究員、何巨集平院士團隊通過深入凝練科學問題及核心技術攻關，成功研發和完善了稀土電驅開採新技術，實現了高效、綠色的稀土開採。該研究成果已發表於《自然-可持續》期刊。

　　該技術採收率大於95%，相比傳統方法浸取劑用量減少80%，開採時間縮短70%，能耗降低60%，氨氮排放量減少95%，展現出顯著的經濟和環境優勢。

　　朱建喜研究員在接受記者採訪時表示，為驗證技術的可靠性，他多次前往平遠縣，實踐他們團隊發明的離子吸附型稀土礦電驅開採技術，如今，該技術的商業化運用已近在眼前。“我國的稀土產量佔全球70%以上，是極為重要的戰略資源。我國南方的離子吸附型稀土資源是重稀土的主要來源，具有更高的經濟和戰略價值。以往的原地浸礦開採方法需要使用大量硫酸銨，往往導致土壤、水體的氨氮超標，現已被國家明令禁止。我們的電驅開採技術利用外加電場驅動稀土離子在風化殼土體中加速遷移和定向收集，在幾乎不產生污染物的同時，讓生產效率大大提升。”談到這項發明，朱建喜的喜悅溢於言表：“從最初開始學習黏土礦物表介面性質，到了解和認識土體的電動化學行為，到將兩方面結合提出電驅開礦這一科學方法，到目前可實現的成果落地，前後經歷了大約20年時間，這無疑是我最自豪的科研成果。”

　　“2+2+N”科創體系：國家戰略灣區支點

　　近年來，聚焦國家戰略需求，廣州構建形成了“2＋2＋N”科技創新平台體系的佈局，以2大國家級最高科研力量為引領，以2個國家重大科技基礎設施為骨幹，以國際大科學計劃、國家新型顯示技術創新中心、2家國家新興產業創新中心、2家國家製造業創新中心、17家全國重點實驗室、4家省實驗室、10多家高水平創新研究院為基礎，涵蓋各類平臺50余家，不斷凸顯國家重要中心城市的“負責 Kuniyuki”。

　　廣州的戰略科技佈局，本質上是將國家需求、產業痛點與城市能級提升深度融合。細胞譜系設施與冷泉裝置、蛋白質組計劃等，不僅代表科學前沿的突破，更將催生萬億級生物醫藥、海洋經濟產業集群。

　　廣州以“2+2+N”科技創新平台體系為核心，構建覆蓋基礎研究、產業轉化、全球合作的創新生態。隨著戰略科技力量矩陣加速壯大，未來廣州將進一步強化平台協同、深化國際協作，讓“科技王牌軍”真正成為高質量發展的“硬支撐”。

　　廣州市科技局局長謝明表示，廣州將持續深化科技創新和產業創新融合，把推進產業科技創新、發展新質生產力作為戰略之舉、長遠之策，聚焦國際科技創新中心重要承載地核心功能，用好用活廣州雄厚的“科創資源”，建好建強面向未來的“科創產業”，走好從科技強、企業強、產業強到城市強的科技創新強市路徑。