用于检测粒子束的检测器及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种用于检测高强度和高能粒子束（２）的检测器及其制造方法，该检测器包括一个具有金属涂层（４）的晶体半导体板（３），并且其设置在基片（５）上，半导体板（３）是金刚石板（６），在金刚石板两面都以金属结构（７、８）覆盖。金属结构（７、８）包括铝和／或铝合金，并形成若干个电极，设置这些电极以通过基片（５）上的导体线与各个电势连接，基片（５）是具有中心孔（２４）的陶瓷板（１１），该中心孔被金刚石板（６）盖住。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于检测粒子束、尤其是高强度和高能粒子束的检测器，该检测器包括一个具有金属涂层的晶体半导体板，并被设置在基片上，还涉及一种用于根据独立权利要求的前序部分生产该检测器的方法。在这里，高强度粒子束指的是包括脉冲群的粒子束，其中每脉冲群和平方毫米具有的粒子数超过105，优选的是每脉冲群和平方毫米的粒子数超过107，直到每脉冲群和平方毫米的粒子数为1013。如P.Strehl在Handbook of Ion Sources，CRC Press.1995第385ff页中描述了用于检测粒子束的各种已知类型的检测器。这些检测器类型中的一个使用了导线，如Roger Fourme在Journal NuclearInstruments Methods A 392，第1至11页，1997中所描述，其被检测器气体围绕，从而当粒子穿过检测器气体或计数气体时可以得到一个信号。通过测定导线的栅板，也可能测量粒子束的位置分布。然而，分辨率受到导线直径的限制大约为25μm，和受到必须的导线到导线间隙的限制。另外，当照射为高强度时，由于等离子体的形成，计算气体失效。另一种类型的检测器包括半导体板，尤其单晶硅板，其在两面镀有金。然而，这种检测器的缺点是，在高强度粒子束照射的情况下，硅板在它的金刚石类型的硅晶格中会受到辐射损伤，其导致缺陷位置的形成和减小硅检测器的电荷收集效率并增加漏电。试图使用多晶金刚石板来代替硅板测量高强度粒子束并没有成功，尽管金刚石板金属金属化的复合结构首先包括钛涂层或钛/钨涂层或铬涂层，其较好的粘附到金刚石，其次包括金触点涂层。至今只可能使用相对不灵敏的射束转换器来测量高强度粒子束，其用感应线圈环绕粒子束并检测它。本专利技术的问题是提供一种用于检测高强度粒子束的检测器，该检测器比射束转换器更灵敏，并克服了现有技术的缺点，并且其可以检测高强度和高能粒子束，而不需要增强的冷却。本专利技术的问题也是描述了一种用于制造这种类型检测器的方法。该问题通过独立权利要求的方案来解决。在从属权利要求中可以找到对本专利技术有利的改进。根据本专利技术，检测器包括双面覆盖有金属结构的金刚石板，作为半导体板，该金属结构包括铝和/或铝合金。金属结构形成若干个电极，这些电极通过基片上的导体线与各个电势连接。基片包括具有中心孔的陶瓷板，该中心孔被金刚石板覆盖。在最简单的情况下，在双面上的金属结构可以是金刚石板的双面上的全涂层，在双面上金属化未覆盖的剩余区域周围只有一个周边区域。该检测器的优点是它可以测量高强度粒子束，特别是离子束的强度，而不需要增强的冷却。另外，可以通过构造金刚石板上的电极，使得能够以高分辨率在高能粒子束横截面上测量强度分布。而且，使用该检测器，可以随着时间测量强度分布，从而使该包括具有铝金属结构的金刚石板的检测器具有以下实质性优点1)检测器结构具有意想不到的高辐射电阻，在每脉冲群和每平方毫米的粒子数为1013范围以内的最大强度，检测器中沉积的能量的数量级高达100万亿eV，脉冲宽度为100ns到10s；2)高时间分辨率的粒子束或脉冲群，具有的时间分辨率在亚毫微秒的范围；3)高分辨率的射束空间分布在亚毫米范围；4)在超过10的数量级上是线性的射束强度检测，使得即使在达到大约每脉冲群每平方毫米1013个粒子的最高数量级也不需要增强冷却，甚至每平方毫米只有1个粒子也可以使用本专利技术的检测器检测；5)测量信号强度比常规的射束转换器的测量信号高103。这些意想不到的优势可能是基于金刚石材料的特性和金属化的特性，铝的原子序数Z靠近碳的原子序数Z，相应的铝中的电离损耗与金刚石中的电离损耗非常匹配。双面镀铝的金刚石板通过在其体内形成适当的电子空穴对导致信号产生，形成电流，在高压下在电极上的晶体中，在电极之间电场强度的范围为0.5V/微米至5V/微米的条件下，可以测量该电流。在该过程中会发现另一个优势，在高能粒子束的强度和检测器电极的信号电流之间存在意想不到的比例关系。高纯度的金刚石检测器具有的优点是，在高强度和高能粒子束的情况下，特别是在高强度的离子束的情况下，有大量的电子空穴对形成，保持高电势的电极可以传送适当高的电流，通过该电流可以直接驱动示波器，相应地可以测量离子束的强度，而不需要中间放大。因为高纯度的金刚石检测器具有极低度的噪音，通过适当的放大器也可以检测单个粒子，从而可以测量的整体强度范围从每平方毫米单个粒子到1013个粒子每脉冲群每平方毫米。用常规检测器是达不到在超过10个数量级上延伸的宽测量范围。对于105个粒子每脉冲群的低强度范围，当然可以使用具有常规复杂金属化的金刚石检测器。对于105个粒子每脉冲群至1013个粒子每脉冲群的强度范围，则是不可能的，即使使用金刚石板检测器，或可替换的其它常规检测器也不可能以高分辨率可再现的和持久地测量这种脉冲群。只有用根据本专利技术的检测器的结构，才能令人惊奇地和意想不到地解决高强度粒子束的强度测量问题。在本专利技术进一步的实施例中，金刚石板上表面和下表面上的金属结构形成两个连续的金属层。上表面和下表面上这种连续的金属层，以及适当的薄铝支架具有的优点是，这种方式构成的检测器可以检测通过的粒子总数目或高能粒子束的强度。因此，下表面上的金属层被保持在地电势，上表面上的金属层被保持在一电势，该电势在金刚石板中产生范围为0.5V/μm至5V/μm的电场强度。这就意味着当金刚石板的平均厚度为50μm、使用电压从25至250V，在相应更厚金刚石板的情况下采用相应更高的电压。为了避免场线从检测器周边区域露出和避免导致电击穿或在周边区域泄露电流，检测器的上表面和下表面上金属层的周边区域具有未金属化的周边区。这些未金属化的周边区的宽度至少对应于金刚石板的厚度。通过这种金属结构，检测器的漏电阻抗以有利方式增加了。当想要测量射束横截面上高能粒子的强度分布时，可以使用两个不同的金属结构设置。在本专利技术第一个有利的实施例中，提供了连续的金属层，由此在金刚石板的下表面和金刚石板的上表面结构上有多个极微小的接触表面或金属带。在本文中，极微小指的是接触表面大小或带宽度，其可以在使用常规显微镜测量的光学显微镜下看到和测量。这些极微小的接触表面和金属带设置在检测器的上表面，与检测器的下表面上的金属层相对，它们可以通过焊线与陶瓷板上的布线间接线连接，布线间接线连接到评估电路和/或检测器的外部连接件，或者它们通过金刚石板绝缘层上的导体线和陶瓷板上的布线间接线连接到检测器的评估电路和/或检测器的外部连接件。在本专利技术的该实施例中，多个极微小的接触表面设置在尽可能靠近的栅格面积上，从而可以得到下至少于50微米每单位面积的高度分辨率。在本专利技术进一步的实施例中，金属结构具有金属带栅格网，金刚石板下表面上的金属带与金刚石板上表面的金属带成直角设置。通过这种设置，金刚石板可以按照与线栅设置相似的方式被分割成小体积元素，每一体积元素具有彼此相对的若干个电极，其可以通过适当的供电和成行和列的评估电路扫描，从而可以通过以此方式构成的检测器得到离子束的横截面上强度分布的清晰图像。单独的带可以通过简单方式连接，通过焊接线或直接连接到陶瓷板上的布线间接线，布线间接线的一部分也具有可连接到检测器外部连接件的接触连接表面。在每一带设置中的间距从20μm至5本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于检测高强度和高能粒子束（２）的检测器，包括具有金属涂层（４）的晶体半导体板（３），并且设置在基片（５）上，其特征在于：该半导体板（３）是金刚石板（６），其两面都用金属结构（７、８）覆盖，金属结构（７、８）包括铝和／或 铝合金，并且金属结构（７、８）包括若干个电极（９），电极（９）被设置成通过基片（５）上的导体线（１０）与各个电势连接，并且该基片（５）包括具有中心孔（２４）的陶瓷板（１１），该中心孔（２４）被金刚石板（６）盖住。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：埃莱尼贝尔德曼，维姆德伯尔，
申请(专利权)人：重离子研究有限公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]