作为广州“2+2+N”科创平台体系中两大国家级最高科研力量之一，粤港澳大湾区国家技术创新中心（以下简称“大湾区国创中心”）近年来致力于攻克关键核心技术，打造集“有组织科研+有组织成果转化”于一体的大湾区科技创新枢纽，打通从科技强到企业强、产业强、经济强的通道，产出一系列重大成果。
其中，大湾区国创中心联合清华大学实现了国内宽能高纯锗探测器的首次成功研制，打破了国外高纯锗探测器的垄断，成为大湾区国创中心的代表性成果之一。
高纯锗探测器，这个大家不太熟悉的科学仪器名词到底有哪些重大应用？又会对我们的生活产生哪些影响？本期《科技周刊》，我们将解码正在广州建设的冷泉装置。
●什么是高纯锗探测器
在大湾区国创中心粒子应用技术创新中心内，展台上摆放着各种形状的高纯锗探测器。据大湾区国创中心粒子探测技术研发基地实验室负责人唐维优介绍，锗是世界上最重要的半导体材料之一，高纯锗探测器实际上是一种基于高纯锗晶体的PN结型半导体探测器，它需要在液氮温度（-196℃）下工作。
高纯锗探测器内部结构图
●该探测器有何优势
唐维优介绍，相较传统的探测器，高纯锗探测器的优势主要体现在高能量分辨率和高探测效率。
其中，高能量分辨率使高纯锗探测器能够区分能量极接近的伽马射线，精准识别放射性核素种类。传统探测器（如NaI闪烁体）因分辨率较低，难以分辨。高纯锗探测器的这种能力使其能够快速辨别污染源是人工核素（如核事故泄漏的铯-137）还是天然本底辐射，从而准确评估放射性风险。
高纯锗探测器正面
●“高纯”有多纯
想要制作高纯锗探测器，需要将锗提纯到超高纯度。锗必须达到13N级，才能制成“目前世界上最纯物质”的高纯锗单晶，高纯锗探测器就是由这些锗单晶制成。
那么，13N级到底有多纯？唐维优说：“我们在金店买的千足金，其纯度是99.9%，13N就是小数点后有11个9。为此，我们攻破了多个关键性技术，包括高纯锗晶体生长、探测器研制、前端电子学、数字多道、谱仪系统研发、专用系统开发等。”
金属锗：战略金属43年后或将枯竭
锗是重要的半导体材料，除了高纯锗探测器外，锗还应用在红外光学、光纤通信、太阳能电池、聚合催化剂及医药等高新技术领域，在芯片、太阳能电池、生物科技和武器制造中具有极其重要的潜在价值，被多国列入重要战略资源目录。
锗在地壳中含量约为百万分之七，但它是地壳中最分散的元素之一，几乎不会单独成矿，而是伴生在其他有色金属矿中。锗的全球探明储量仅8600吨，按每年200吨的开采量计算，43年后存量将会耗尽。锗在美国、中国合计储量占全球总量的86%，其中美国45%、中国41%。美国在1984年就将锗作为国防储备进行保护，2013年停止本土锗开采，转为进口。
2023年7月3日，我国商务部、海关总署公告，为维护国家安全和利益，经国务院批准，决定对镓、锗相关物项实施出口限制。锗作为重要的战略资源，限制出口可以强化自主可控能力，保障高科技产业供应链的安全。
高纯锗探测器在基础科研领域有大量应用，最典型的应用是发现宇宙暗物质。高纯锗探测器具有极低的辐射本底和极低的能量阈值，能够有效探测到暗物质粒子与探测器靶核相互作用产生的稀有事例信号。中国暗物质实验（CDEX）合作组计划在中国锦屏地下实验室建设吨级规模的高纯锗探测器阵列。
宇宙暗物质探测
核裂变反应后的乏燃料是否彻底反应完毕，直接关系到核废料处理的安全性与经济性。高纯锗探测器可以促进核电站高效、安全运行。
高纯锗探测器是核电站乏燃料检验的“金标准”，其通过精确测量乏燃料中残留核素（如铀-235、钚-239）的伽马能谱，量化燃料燃耗深度，为后续乏燃料贮存、后处理提供关键数据支撑，从而保障核电站全生命周期的安全高效运行。
高纯锗探测器可以保护我国的食品安全。例如，大家都对海产品中的放射性元素含量非常关注。高纯锗探测器可以实现海产品中放射性元素含量的精确测量，方便海关对放射性元素超标的海产品进行拦截。
水产品监测
高纯锗探测器可以保护我国的环境安全。假设邻国进行核试验，我国可以在边境，利用高纯锗探测器对空气、水、土壤进行监测，了解相关情况；高纯锗探测器还可以在核电站附近，对空气、水质、土壤、动植物进行实时监测，以保障核电站附近的生态安全。
核电站监测
环境监测
高纯锗探测器将帮助我国矿产资源的勘探。依靠高纯锗探测器，我们不仅可以探寻自然界中铀、钍等放射性元素的矿产资源，还可以通过活化分析间接找到许多其他元素的矿产。如高纯锗探测器可以通过发现金活化后产生的放射性同位素金-198，来判断该地是否有金矿。
矿产勘探
在核医学领域，高纯锗探测器将使放射治疗更加可靠。
放射治疗
揭秘国产高纯锗探测器逆袭之路
昔日为暗物质研究省外汇 如今成为核电站“守护神”
唐维优告诉记者，高纯锗探测器的研发门槛高、技术难度大，在低噪声核电子学、大尺寸半导体工艺、低温高真空保持等技术领域需要顶级的解决方案。因此，相关技术长期被美国、法国、比利时等国家垄断，其生产厂商也成为全球通用核仪器行业的翘楚，进一步提高了高纯锗探测器研发的门槛。相关国家政府与厂商凭借其垄断地位，对我国许多关键领域实行限售和技术封锁。因此，高纯锗探测器的核心技术自主可控迫在眉睫。
目前，大湾区国创中心高纯锗团队已成立了产业化公司——广东清澜华创新技术有限公司，不仅能为核电站安全生产保驾护航，而且在加速技术落地与产业化应用方面广泛布局，致力于推动探测器在多个场景的规模化应用。如在环保、卫生、计量、海关、食品安全、国土安全、科研教学、水文地质、核工业等领域，尤其是第四代核电站监测方面：公司与国内某第四代核电厂合作，将高纯锗探测器集成至安全壳内部，担负起对核燃料进行精确测量的任务，保障核电站安全高效地运行。
国产高纯锗探测器的主要研发团队来自清华大学。来自大湾区国创中心粒子应用技术创新中心的付逸冬博士说：“高纯锗探测器在清华大学的科研上有很大应用，2008年，我们在锦屏地下实验室做暗物质测量，当时就需要使用高纯锗探测器，如果全部依赖国外进口，价格非常高，所以我们就想自己研发，抱着为国家节约外汇的朴素想法开始做高纯锗探测器的开发。一直到2019年，清华团队自主研发的高纯锗探测器终于实现了稳定良率，达到了可以产业化的标准。考虑到其广泛的应用前景，2022年，大湾区国创中心立项，开启科技成果转化的产业化实践。”
“在我们之前，国内在高纯锗探测器产业化领域长期空白，关键材料与器件依赖进口，而如今，我们的高纯锗探测器各项性能指标已达到与国际同行持平乃至领先的水平。”唐维优自信地告诉记者。近年来，大湾区国创中心粒子应用技术创新中心聚焦高纯锗晶体生长、探测器制备、谱仪研发并衍生到专用应用系统的研发，全面实现高纯锗谱仪的国产化，打破国外垄断。
GAGG无机闪烁体晶体，在伽马射线探测、医学成像等领域有着广泛的应用
科学家解前沿
广州科学家研发稀土“绿色开采”技术
高纯锗探测器对矿产资源勘探开发有很大助力。在广州，有一批顶尖科学家长年钻研地球科学，服务国家战略，在矿产勘探利用上不断创新，推动新质生产力发展。
近日，中国科学院广州地球化学研究所宣布，该所朱建喜研究员、何宏平院士团队通过深入凝练科学问题及核心技术攻关，成功研发和完善了稀土电驱开采新技术，实现了高效、绿色的稀土开采。该研究成果已发表于《自然-可持续》期刊。
该技术采收率大于95%，相比传统方法浸取剂用量减少80%，开采时间缩短70%，能耗降低60%，氨氮排放量减少95%，展现出显著的经济和环境优势。
朱建喜研究员在接受记者采访时表示，为验证技术的可靠性，他多次前往平远县，实践他们团队发明的离子吸附型稀土矿电驱开采技术，如今，该技术的商业化运用已近在眼前。“我国的稀土产量占全球70%以上，是极为重要的战略资源。我国南方的离子吸附型稀土资源是重稀土的主要来源，具有更高的经济和战略价值。以往的原地浸矿开采方法需要使用大量硫酸铵，往往导致土壤、水体的氨氮超标，现已被国家明令禁止。我们的电驱开采技术利用外加电场驱动稀土离子在风化壳土体中加速迁移和定向收集，在几乎不产生污染物的同时，让生产效率大大提升。”谈到这项发明，朱建喜的喜悦溢于言表：“从最初开始学习黏土矿物表界面性质，到了解和认识土体的电动化学行为，到将两方面结合提出电驱开矿这一科学方法，到目前可实现的成果落地，前后经历了大约20年时间，这无疑是我最自豪的科研成果。”
“2+2+N”科创体系：国家战略湾区支点
近年来，聚焦国家战略需求，广州构建形成了“2＋2＋N”科技创新平台体系的布局，以2大国家级最高科研力量为引领，以2个国家重大科技基础设施为骨干，以国际大科学计划、国家新型显示技术创新中心、2家国家新兴产业创新中心、2家国家制造业创新中心、17家全国重点实验室、4家省实验室、10多家高水平创新研究院为基础，涵盖各类平台50余家，不断凸显国家重要中心城市的“国之担当”。
广州的战略科技布局，本质上是将国家需求、产业痛点与城市能级提升深度融合。细胞谱系设施与冷泉装置、蛋白质组计划等，不仅代表科学前沿的突破，更将催生万亿级生物医药、海洋经济产业集群。
广州以“2+2+N”科技创新平台体系为核心，构建覆盖基础研究、产业转化、全球合作的创新生态。随着战略科技力量矩阵加速壮大，未来广州将进一步强化平台协同、深化国际协作，让“科技王牌军”真正成为高质量发展的“硬支撑”。
广州市科技局局长谢明表示，广州将持续深化科技创新和产业创新融合，把推进产业科技创新、发展新质生产力作为战略之举、长远之策，聚焦国际科技创新中心重要承载地核心功能，用好用活广州雄厚的“科创资源”，建好建强面向未来的“科创产业”，走好从科技强、企业强、产业强到城市强的科技创新强市路径。
文/广州日报新花城记者：武威
图/广州日报新花城记者：王维宣 通讯员严竞（除署名外）
广州日报新花城编辑：马俊贤
