综述：碳化硅传感器在放射治疗剂量测量中的应用：进展、挑战与展望

《Frontiers in Sensors》：Silicon carbide sensors in radiotherapy dosimetry: progress, challenges, and perspectives

硅 carbide（SiC）凭借宽禁带、高辐射耐受性和低漏电流等特性，成为下一代放射治疗剂量计的理想材料。研究显示，SiC在光子、电子、质子和碳离子束中均表现出优异的线性响应和稳定性，尤其在超高速率（FLASH）放疗中，其时间分辨率和剂量率适应性显著优于传统硅和金刚石探测器。然而，SiC的临床应用仍面临工艺优化、成本控制及多学科协同研发的挑战。

　　
硅 carbide（SiC）在放射治疗剂量测量中的应用进展

1. 材料特性与优势
硅 carbide作为宽禁带半导体材料，其核心优势体现在物理特性的全面优化。首先，其3.26 eV的宽禁带特性显著降低了热电子产生效应，在室温下即可实现纳安级泄漏电流（0.3 pA以下）。其次，高热导率（3-5 W/cm·°C）有效抑制了辐射诱导的热积累，使探测器在持续辐照中保持稳定输出。再者，10.5的等效原子序数（Zeff）使SiC在kV级光子辐照中表现出更接近组织的响应特性，较硅材料降低约40%的低能光子响应偏差。这些特性共同构成了SiC探测器在超高速放疗（FLASH）等极端条件下的技术优势。

2. 器件架构与读出技术
主流的SiC探测器架构包含四类典型设计：Schottky二极管（反向偏置电压15-100V）、p-n结探测器（偏置电压0-50V）、金属半导体金属（MSM）结构（3-5 μm厚敏感层）以及MOSFET型探测器（集成氧化铝绝缘层）。最新研究表明，采用石墨烯透明电极的Schottky结构可将光子响应能量范围扩展至20-50 keV，较传统金属接触降低25%的二次电子散射。在超高速放疗场景中，脉冲式读出架构展现出显著优势：采用10 μm厚4H-SiC的探测器阵列，可在200 ms脉冲宽度内实现亚微秒级的时间分辨率，配合差分积分电路可将瞬时剂量率测量精度提升至±0.5%。

3. 多模态放疗剂量验证
3.1 光子/电子束验证
临床6 MV光子束辐照测试显示，SiC探测器的剂量灵敏度（2.5-3.3 nC/Gy）与商用硅探测器（2.8-3.8 nC/Gy）处于同一量级。在剂量率范围0.2-7 Gy/min的宽域测试中，线性度保持优于0.5%。特别在100 kGy累积剂量下，其灵敏度漂移率（0.018%/kGy）仅为商用硅探测器的1/5。对于40 Gy/s的FLASH电子束，采用脉冲积分技术可保持±1%的剂量测量误差。

3.2 质子/碳离子束适配
在62 MeV质子束辐照中，多层SiC探测器（10 μm厚单层，15 μm2面积）实现了±0.5%的相对剂量不确定度。其深度剂量分布测量精度达到0.8%，满足ISO 23328标准要求。针对碳离子束（290 MeV/u），SiC探测器通过优化能谱响应，在Bragg峰区域实现了5%的剂量误差。创新性的三维SiC阵列探测器已进入临床前测试，在100 μm空间分辨率下可同时测量剂量率和剂量分布。

4. 超高速放疗特有挑战
在FLASH放疗（>40 Gy/s）场景中，传统电离室存在显著电离复合效应，导致剂量测量误差超过15%。而SiC探测器通过以下创新设计突破限制：
- 厚膜结构（8-10 μm）与石墨烯电极组合，实现0.3 μs的瞬态响应
- 多层堆叠设计（典型5层）将信号增益提升至200倍
- 智能温度补偿电路（-0.079%/°C温度系数）消除环境波动影响

实测数据显示，在单脉冲剂量达11 Gy的极端条件下，SiC探测器仍保持98.2%的线性度，较硅探测器提升40%。其剂量率响应范围覆盖0.1-200 Gy/s，满足从常规放疗到超高速放疗的全场景需求。

5. 临床转化关键问题
当前主要技术瓶颈包括：
（1）探测器体积与临床需求的平衡：现有10 μm厚探测器导致0.5 mm有效测量深度，需开发微结构化工艺实现1 μm级厚度与5 μm空间分辨率兼顾
（2）辐射损伤累积效应：在>100 kGy累积剂量下，SiC表面缺陷密度增加约15%，需通过离子注入钝化技术提升辐射耐受性
（3）多参数协同优化：实验表明，最佳剂量响应需将工作电压控制在30-50V区间，此时电荷收集效率达92%以上
（4）生物相容性改进：临床应用需解决探测器表面疏水性与生物组织接触阻抗问题，最新研究通过硅烷化处理将接触阻抗降低至1 kΩ·cm2

6. 未来发展方向
技术演进路径呈现三大趋势：
（1）异质集成技术：在SiC基底上集成氮化镓（GaN）电极层，可提升光子探测效率达3倍
（2）智能补偿系统：结合机器学习算法，实时补偿束流波动和温度梯度影响
（3）微型化设计：采用纳米压印技术制备的0.1 mm2微型探测器，已实现10 Gy剂量下10%的测量精度

临床验证方面，基于SiC的实时剂量监测系统已成功应用于：
- 电子FLASH治疗（5.4 MeV）：单脉冲剂量测量误差<2%
- 质子 FLASH治疗（62 MeV）：剂量率波动监测精度±0.3%
- 碳离子束辐照：束流均匀性提升至95%以上

未来临床转化需重点突破：
（1）大规模阵列制造：开发卷对卷印刷技术，将探测器成本降低至$50/片以下
（2）生物相容性认证：通过ISO 10993-5生物相容性测试
（3）多模态兼容：集成质子/碳离子能量甄别功能，实现单一探测器多物理场监测

该技术突破将推动放疗从二维剂量分布向四维时空剂量调控转变，预计可使临床剂量规划误差从当前5%降至1%以下。随着探测器厚度向2 μm突破和多层读出电路的优化，未来有望实现亚毫米级三维剂量分布实时成像，为精准放疗提供新的技术范式。