研究如何利用氮化镓加强空间探索？

美国航空航天局（NASA）戈达德太空飞行中心的两个科学家和工程师团队正在研究如何利用氮化镓（GaN）加强空间探索。（1）工程师Jean-Marie Lauenstein和科学家Elizabeth MacDonald正在研究GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）如何用于地球磁球层与电离层间耦合的研究，这是太阳物理学领域的一个关键问题。（2）Stanley Hunter和Georgia de Nolfo正在研究GaN材料在固态中微子探测器上的应用，该探测器与科学和国土安全息息相关。

GaN晶体管抗辐射性能评估

GaN材料可用于由氮化镓晶体管组成的电子束加速器，这种加速器用于将地球保护性磁球层中的特定磁力线映射到地球电离层中极光所发生印记，有助于显示近地空间两个区域是如何连接。

GaN晶体管在2010年上市，但尚未进入空间科学的仪器，尽管它们具有减小仪器尺寸，重量和功耗的潜力。Lauenstein说，这是有原因的。尽管GaN具备抵抗空间中许多类型辐射损伤的能力，但NASA和美国军方都没有建立标准来表征这些晶体管器件在暴露于空间应用中极端辐射时的性能。当被银河系宇宙射线或其他高能粒子撞击时，电子设备可能会遇到灾难性或短暂的单粒子翻转。Lauenstein说：“我们有硅器件的相关标准，我们不知道硅晶体管的方法是否适用于氮化镓晶体管。对于硅器件，我们可以评估失效的阈值。”

Lauenstein和MacDonald将与拉斯阿尔莫斯国家实验室、器件制造商、NASA电子零件和封装分部合作来制定标准，确保GaN型器件能够承受银河系宇宙射线和其他辐射源所产生的潜在有害颗粒的影响。MacDonald说“团队对辐射耐受性的研究有助于我们了解如何在任务的寿命内在恶劣的太空环境中驾驶这些加速器。”Lauenstein认为，这些标准也将有益于其他科学学科。“对于该技术，我们需要一条前进的道路，这为其他人打开了大门，将这项技术融入他们自己的任务中。”

GaN在固态中微子探测器上的应用

对于de Nolfo和Hunter来说，GaN为制造探测器和成像中微子提供了一种潜在的解决方案，这些中微子寿命短暂，且通常在大约15分钟后消失。大气中的宇宙射线产生的中微子可以增加地球的辐射带，当它们衰变时，可能会干扰卫星电子设备。研究人员发现GaN可以构成高灵敏度中微子探测器的基础。de Nolfo说。“对于我们而言，GaN晶体可能会改变游戏规则，”

Hunter和de Nolfo将GaN晶体定位在仪器内。当中微子进入晶体时，它们散射出镓和氮原子，并在此过程中激发其他原子，然后产生闪光，告知引发反应的中微子的位置。附着在晶体上的硅光电倍增管将闪光转换成电脉冲，由传感器件进行分析。

Hunter说道“光电子行业对GaN已经有了很好的理解，但我认为我们正在推动这一应用的发展”，并补充说，这个概念的美妙之处在于它不包含任何活动部件，使用极少的电量，并在真空中操作。他补充说，如果有效，该仪器将对不同的空间科学学科以及军方检测核材料带来益处。

图片为氮化镓盘和光电倍增管阵列，可为短寿命中微子的探测器制造和成像提供潜在解决方案。