专利名称：用于检测粒子束的检测器及其制造方法
技术领域：
本发明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。
本发明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。本发明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发明有利的改进。
根据本发明，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发明的检测器检测；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。只有用根据本发明的检测器的结构，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。
在本发明进一步的实施例中，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。在本发明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。在本发明的该实施例中，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。
在本发明进一步的实施例中，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50μm的情况下，考虑到1mm的未金属化周边，在10×10mm的板上可以50μm的间距容纳大约160根带，就在上表面和下表面上的带之间得到25600个交叉点，相应的可能得到25600个测量点。这就使得可以准确测量离子束的位置和离子束的轮廓。
在本发明的进一步实施例中，检测器具有其上固定有检测器组件的托架。这种托架的优点是它为陶瓷板提供足够的支撑，并同时可以保护检测器不受损坏。而且该托架可以由金属制成，并用作地电势的供电导体。在这种设置中，托架与陶瓷板之间安装有导电橡胶的导电弹性衬垫，以防止对张力敏感的陶瓷板上出现机械应力，从而延长了检测器的使用寿命。
而且使用封闭的检测器铝壳来代替铝托架可以容纳检测器的组件，并将它们固定到位。通过这种完全封闭的检测器铝壳，可以与法拉第筒中一样产生对电子干扰的最佳屏蔽。这种检测器外壳具有的优点是它为陶瓷板提供足够的支撑，并同时可以保护金刚石板不受损坏。为了保护陶瓷板免受机械应力，也可以在检测器外壳中安装弹性导电衬垫。检测器铝壳而且可以被用作地电势的供电导体。
陶瓷板中的孔的外形尺寸比覆盖孔的检测器板或金刚石板本身略小。在本发明优选的实施例中，陶瓷板中的孔是圆形。当预计高强度和高能粒子束的横截面是圆形时，使用具有相应检测器的这种圆形孔。然而如果粒子束是扫描束，陶瓷板中的孔是四角形则比较便利，从而在本发明另一优选的实施例中，检测器和陶瓷板孔是四角形的结构。
在本发明进一步的实施例中，金刚石板是自支持的多晶金刚石板，其通过化学气相淀积形成，并且厚度在10μm至500μm的范围中，优选是在50μm至200μm范围中。因为金刚石是极其坚硬的材料，完全可以产生甚至10μm厚度的小盘或板，使得它们自支持，从而可以得到10至500μm的厚度范围。对于金属化或金属结构的应用，这种金刚石板的双面可以进行打磨，从而可以产生完全平整的表面，确保在该过程中上表面的平面和下表面的平面彼此平行。
然而因为在金刚石板中出现的晶界，在该实施例中的多晶金刚石板限制了信号同质性。因此在本发明进一步的实施例中，使用自支持的多晶金刚石板，其厚度在50μm至500μm的范围中，优选是在50μm至200μm范围中。在检测器的金刚石板每一面上都具有适当结构的电极情况下，同独立于粒子束的撞击位置沿着时间测量射束分布一样，可以得到射束强度和/或射束轮廓测量。而且，在这种类型金刚石板的情况下，可以便利地达到前述测量分辨率25600测量点每平方毫米。由此多晶金刚石板可以具有几厘米的周边长度，优选是从2至6厘米，其对应于5×5mm2到大约15×15mm2的区域。
当不需要实现在微米范围中的极精细结构时，前述陶瓷板上的布线间接线可以由印刷薄膜或厚膜组成，并且另外包括无源元件，诸如相同技术中的电阻、电容、和线圈。除了布线间接线，相应的可以在陶瓷板上另外提供已经用来执行评估或改变阻抗的电路。特别有利的是提供薄膜技术中对应于评估示波器内部电阻的阻抗。该示波器的内部电阻通常是50Ω。
一种制造用于检测高能和高强度粒子束的检测器的方法，其中检测器包括具有金属涂层的晶体半导体板，并设置在基片上，包括下列方法步骤提供适当的基片板，优选是为多晶金刚石基片板，或多晶硅板或金属熔点超过1000℃的金属板；在基片板上对碳的金刚石层进行化学气相淀积；从自支持的金刚石层上除去基片板，形成金刚石板；用金属结构覆盖金刚石板的上表面和反面；提供陶瓷板，其具有中心孔和导体线和/或若干金属层，这些金属层在它的上表面具有接触连接表面和/或无源元件，和在它反面的整个表面上进行金属化；将双面金属化后的金刚石板安装到陶瓷板上，使中心孔被盖住；将金刚石板的金属结构连接到陶瓷板的金属结构；借助于固定架将检测器元件固定到托架上。
该方法的优点是从步骤上首先生产检测器的核心，也就是金刚石板。为此，在第一步骤中，例如对于多晶金刚石基片板或硅载板类型的金刚石晶格，可以有利地继续进一步在这种基片板类型的金刚石晶格上设置碳原子，其在多晶金刚石基片的情况下得到多晶金刚石板。然而在硅载板的情况下，这种金刚石晶格在淀积上不再包括硅原子，而是碳原子。后一种晶格结构具有不同的晶格参数，得到多晶金刚石层。
该方法的进一步的优点是，在硅载板或金属板的情况下，在已经生成适当的金刚石层之后，该板可以除去，特别是由于当金刚石层具有至少10μm的适当厚度时它会变成自支持板。基片板包括熔点超过1000℃的金属，优选的为钼，具有的优点是在金刚石涂层淀积方法中使用尽可能高的反应温度，这样可以加速碳的气相淀积。除去之后，后面保留一个厚度为10μm至1000μm的多晶金刚石板。当已经得到在100μm至1000μm之间适当厚度、优选是在100μm至500μm之间时，可以在基片板的上表面和它的反面进行打磨，从而可以为金属结构得到一个完全平的表面。
有利的是，使用铝或铝合金作为金刚石板上的金属结构的金属，铝的原子序数Z位于与碳的原子序数Z靠近，相应的铝中的电离耗损与金刚石中的电离耗损相匹配。
该方法的进一步优点是陶瓷板的使用，其一方面可以将金刚石板上的微观部分结构改变为宏观金属结构，从而检测器适当大的外部连接件可以安装到陶瓷板上。在本文中，宏观指的是这些结构的尺寸足够大到可以用肉眼看见和测量。陶瓷板上适当准备的布线间接线和导体线也用于扩展接入元件。没有这种布线间接线，相应的没有陶瓷板上的这些区域，就不可能接入金刚石板上的微观小结构。
有利的也可以通过金属架(如铝架)将检测器组件固定到托架上。这种铝架容易制造并相应的当托架上有适当准备的结构时，例如孔，就可以调整和安装陶瓷板。另外铝具有高的热传导性，从而金刚石板中产生的热通过陶瓷板可以被传导到铝架以及检测器使用的系统外壳上。
为了提供多晶硅载板，可以首先从多晶硅柱上锯下多晶硅晶片。其上用于淀积金刚石板的晶片表面然后通过化学机械方法被研磨。同时，当产生多晶硅柱和当切割多晶硅晶片时都需要注意，确保晶体取向便于金刚石的淀积。这样的好处是，多晶硅晶片的表面的取向可以有利于晶体金刚石的定向、统一对齐的在金刚石晶格类型的硅晶片上生长。
在基片板上碳的金刚石层化学气相淀积中，在本发明的进一步实施例中，气态有机碳化物用作反应气体，氢作为携载气体。通常，有机碳化物是甲烷气，其加入到氢气中的体积比是0.5至2％，碳从气态有机碳化物中淀积到基片板上。
在具有多晶金刚石晶格的基片板上淀积完多晶金刚石层之后，在本发明进一步的实施例中，该基片板通过等离子蚀刻方法从自支持的金刚石层除去。也可以使用化学湿选法代替等离子蚀刻方法，其中，当硅载板用作基片板时，使用氢氟酸和硝酸的混合物溶解或腐蚀硅，而金刚石层保留在后面作为自支持的金刚石板。
上述的蚀刻方法具有的优势是它们暴露出一块自支持的多晶金刚石板，当金刚石板具有100μm至500μm的足够厚度时，然后可以通过化学机械方法在其上表面和相反面进行打磨。
为了使用金属层覆盖金刚石板的上表面和反面，可以使用反应溅射法、蒸汽淀积法，或烧结法。在反应溅射法的情况下，金属板被汽化，汽化原子被淀积到金刚石板的上表面和相反面上，并形成金属层。
在蒸汽淀积法的情况下，铝在真空下熔化在熔化坩锅中，并且金刚石板位于熔化坩锅上面，使得铝蒸汽可以以金属层的形式淀积到金刚石板上。在烧结法中，将一个铝糊涂敷到金刚石晶片上，在适当的烧结熔炉中，铝糊粘合剂被汽化，并且同时铝涂层烧结到金刚石板上。
在这些方法的任一种方法中，首先可以在金刚石板上淀积一个连续的金属层，如果检测器想要在它的上表面具有定位分解结构，该金属层可以随后构建。
相应的，为了用金属结构覆盖金刚石板的上表面和反面，首先涂敷金属层，该金属层通过光刻法顺序构建。为此，涂敷光致抗蚀剂到该金属层，并且通过光学掩膜构建光致抗蚀层，其最终结果就是光致抗蚀剂仅保护想要保留在后面作为金刚石板上表面触点层或导体线的部分，而作为光致抗蚀剂在适当的(通常是碱性的)定影液中照明和显影的结果，剩下裸露的地方通过光致抗蚀剂被溶解掉。
这些方法的优点是，它们可以在金刚石板上产生构造非常精细的导体线和接触表面，其可以以极细微的尺寸产生。当上表面和反面都设有金属带设置，检测器甚至可以达到更大的定位精度。通过光刻法或通过激光除去方法在金属层中引入纵向凹槽，上表面和反面上的带或格状网设置就包括在金属层中，可以产生微米范围的金属带和低于微米范围的绝缘沟或绝缘槽。
为了检测高强度粒子束的位置分布，在两面具有金属格状网结构的这种金刚石板基本上需要更多复杂的评估和控制实现位置分辨率；然而，它同时具有的优势是离子束的强度分布可以被分解在微米范围，优选的以25×25μm2至250×250μm2的像素测量。
然而当使用掩膜或金属模片涂敷材料时，也可以直接涂敷结构化金属层。
为了能够从金刚石板上接触表面和导体线形式的细微小结构转换到宏观结构，在相对大的陶瓷板上以宏观尺寸产生布线间接线、接触连接表面和/或无源元件。这些可以部分的是薄膜或厚膜技术，在无源元件和接触连接表面相关的范围内，而布线间接线必须与金刚石板上对应结构同样高的分辨率产生，该布线间接线用于从微观尺寸连到宏观元件和连接部件。
对于一个用于测量离子束脉冲群整体强度的检测器，将一个几毫米厚度的薄金属层应用到双面金属化的金刚石板，上面的金属层必须设有到适当高电压的连接，下面金属层连接到陶瓷板上的框架导体。
在本方法进一步优选的示范实施例中，使用焊接方法将金刚石板上表面上的金属结构连接到陶瓷板上的布线间接线。为此，在陶瓷板上设有适当的焊接表面，然后使得焊接线从金刚石板上合适的接触表面焊接到陶瓷板上的焊接表面。
在本方法进一步优选的示范实施例中，设置有金属保持架用于在托架上固定检测器元件。该金属保持架有利的可以被旋扭到托架上，并且在托架和保持架之间保持和固定陶瓷板，在陶瓷板与托架之间、和在陶瓷板与保持架之间设置有由导电橡胶制成的导电弹性衬垫部件。该导电橡胶确保了在检测器的安装和操作过程中可以建立稳定的连接，并保护对张力敏感的陶瓷板免受损坏。因此为了让陶瓷板与导电橡胶、托架与保持架达到准确的对准，在陶瓷板中设置适当的孔。
由于导电橡胶的缓冲元件的有利使用，保持架与托架之间的螺旋连接件同时可以用于框架连接。当从金属保持架到金属托架的螺旋连接件同样由金属螺钉组成，相应的仅仅需要在陶瓷板上适当的设置到保持架的布线间接线，或当陶瓷板的反面被金属化，仅仅需要在金刚石板的下表面设置到金属化部分的连接。
该检测器可以用于高强度的高能粒子束，而它的上表面和相反面不会受到损坏并且材料不会被溅射、雾化和被蒸发。而且令人惊奇的是，尽管这种聚焦的粒子束暂时被压缩成脉冲群，会对检测器板产生强烈的机械冲应力，但是在该检测器多次用于测量高强度和高能离子束之后，检测器中也找不到任何孔。如果在这种最大负载情况下使用，甚至不能观察到在检测器的金刚石板中、石墨晶格中的金刚石晶格的部分晶体重建。
下面参照附图，通过实施例对本发明进行更加详细的描述。
图1以图解形式示出了穿过根据本发明实施例的检测器的截面图；图2以图解形式示出了根据本发明进一步实施例的检测器上的顶视图；图3以图解形式示出了穿过检测器的金刚石板的截面图；图4以图解形式示出了穿过根据本发明第三实施例的检测器的截面图；图5是检测器的另一金刚石板的视图6以图解形式示出了金刚石板上表面的金属结构区域的顶视图；图7以图解形式示出了沿图6的A-A截面线穿过金刚石板部分的横截面；图8以图解形式示出了金刚石板上表面的金属结构区域上的顶视图；图9以图解形式示出了沿图8的B-B截面线穿过金刚石板部分的横截面；图10至15是在制造本发明实施例的金刚石板的步骤过程中形成的中间产品的示意图；图16是包括射束转换器的常规感应射束监视器与根据本发明的检测器的测量信号比较图，这些测量信号由高强度脉冲群触发。
图1以图解形式示出了穿过根据本发明实施例的检测器100的截面图。附图标记2表示指示高强度和高能粒子束方向的箭头，该粒子束在本发明的实施例中穿过检测器100。检测器100相对于离子束方向2逆向的所有元件表面称为上表面，而检测器相对于离子束方向2顺向的所有元件表面称为反面。
附图标记3表示半导体板。附图标记4表示金属涂层，其涂敷到半导体3的两个表面。附图标记5表示基片，其上设置有在两面有金属涂层4的半导体板3。附图标记6表示金刚石板，在本发明的实施例中用作半导体板3。金刚石板6的材料包括碳的金刚石晶格。附图标记7表示金刚石板6上表面32上的金属结构，而附图标记8表示金刚石板6反面33上的金属结构。附图标记9表示电极，这些电极在本发明的第一实施例中与金属涂层4相同，并由金刚石板6上表面32上的连续金属层12和金刚石板6反面33上的连续金属层13组成，上表面32和反面33的周边区域没有金属涂层。
当金刚石板6上表面32上的电极9通过焊接连接件15连接到基片5上的接触连接表面22，金刚石板6反面33上的电极9通过金属带桥54连接到基片5上的金属层17。附图标记11表示陶瓷板，在本实施例中用作基片5。
在本发明的该实施例中，陶瓷板11通过铝金属保持架34保持在金属托架23上，其实际上形成检测器的外壳。导电弹性衬垫元件48和49设置在托架23与陶瓷板11之间，以及导体架34与陶瓷板11之间，保护陶瓷板11免受机械应力，其中至少陶瓷板11的反面40与拖板23之间的衬垫48保持在地电势，因为托架23连接着系统(未示出)的地电势。通过螺旋连接件35和金属保持架34，地电势应用到陶瓷板11的反面40，并通过金属带桥54连接到金刚石板6的反面33上的金属层13。基片5上的接触连接表面22可以是印刷薄膜或厚膜表面，其连接到附加的无源元件26(未示出)。
当金刚石板6反面33上的金属结构8通过金属带桥54保持在地电势，通过接触连接表面22和焊接线15施加一个电压到金刚石板上表面32的电极9上。该电压由金刚石板6的厚度决定，在本发明的实施例中大约1V每微米厚度。本实施例中金刚石板6的厚度大约为200μm，从而通过焊接线15施加200V的电压到金刚石板上表面32的金属结构7上。该电压通过同轴电缆41提供，同轴电缆41的外套42保持地电势。
当粒子束按照箭头2的方向穿过金刚石板6时，产生电子空穴对，其由于高场强而被分开，并产生与离子束的强度成比例的电流。为了对离子束进行定位分解检测，也就是说为了检测离子束的横截面轮廓，金刚石板6上表面上的金属结构7可以被构建成许多单个电极，从而相应的多个焊接线15将测量信号传到相应的评估电路。从而陶瓷板11上的接触连接表面22相应被扩大，并与检测器100对应的外部连接件(未示出)连通，这些外部连接件与地电势绝缘并接到外部。
在本发明的又一实施例中，金刚石板6上表面和/或反面上用附图标记7和8表示的金属结构不是金属层，而是格状网形式的金属带，其在金刚石板6的上表面32上平行于一方向，相对于该方向，金刚石板6反面33上的金属带的方向设置成直角。在这种情况，陶瓷板11上的导体线的数目对应于金刚石板6反面上金属结构8的金属带数目。
通过金刚石板6上表面32和反面33上金属涂层4的带状或格状网中的结构，可以得到最大位置分辨率，尽管需要复杂的控制和评估电路来评估和控制两个带或格状网设置的交叉点。通过这种类型的检测器，可以以十亿分之一秒的瞬时清晰度和微米范围的位置分辨率检测高强度粒子束，也就是说粒子束或离子束或电子束。使用适当的放大辅助，也可以检测单个粒子，从而使用该检测器可以检测的强度范围幅度从1至1013个粒子每脉冲群每平方毫米、超过10个数量级。在该过程中，幅度从105至1013个粒子每脉冲群每平方毫米数量级的高强度脉冲群不会对检测器产生任何损害。甚至在范围从107个粒子每脉冲群每平方毫米至1013个粒子每脉冲群每平方毫米的优选的实施例中，检测器信号可以与粒子束的强度成比例。
在本发明的此实施例中，金刚石板6从气相淀积成多晶形式。根据金刚石板6的大小确定陶瓷板11中的中心孔24的尺寸，其可以为若干平方厘米的大小。为了测量扫描离子束，该中心孔24是四角形的，与金刚石板6一样。对于圆形离子束，金刚石板6和中心孔24可以是圆形结构。
图2以图解形式示出了根据本发明进一步实施例的检测器200的顶视图。与图1中具有相同功能的元件标以相同的附图标记，不再单独讨论。
在检测器200的中心有一个中心孔24，其被金刚石板6盖住，粒子束2穿过该中心孔。将金刚石板6的上表面32金属化，并通过焊线连接件15和接触连接表面22将其连接到同轴电缆41，由此可以提供测量电压，并传导检测器信号。同轴电路41的同轴外套42被固定到托架23上的底板座55上，并且被保持在地电势。
金刚石板6的反面33通过陶瓷板11上的金属带桥(这里未示出)连接到陶瓷板11的反面17。保持架34通过螺旋连接件35牢固地旋扭到托架23上，从而使得陶瓷板的反面与外壳电连接，并且相应的金刚石板的反面可以保持在地电势。离子束从金刚石板6中穿过会在同轴电缆41与同轴外套42之间产生电流，其在这种情况下连接到金属托架23上，其中电流对应于粒子束2的强度，并且与超过10个数量级幅度的粒子束的强度成比例。
图3以图解形式示出了穿过检测器100的金刚石板6的截面图。与前面附图中具有相同功能的元件标以相同的附图标记，不再单独讨论。
金刚石板6的厚度为d，其也决定着反面33上的连续金属层8与金刚石板6上表面32上的连续金属层7之间的电势差。当金刚石板6反面33上的金属层13停靠在陶瓷板(未示出)上，并通过金属带桥54连接到陶瓷板反面的金属涂层(未示出)，金刚石板6上表面上的金属层12通过焊接线15的方式连接到陶瓷基片上表面上的接触连接表面。
图3中所示的实施例是用于确定射束强度的金刚石板6的一种相对简单的实施例。然而为了以位置相关的方式测量离子束，至少构建一个金属涂层4，并且被划分成若干个单个接触表面，这些接触表面非常极微小并可以在相应地可以在光学显微镜下测量。对于位置分解测量，金刚石板6上表面32上这些接触表面的每一个然后连接到检测器对应的外部连接件(未示出)。
图4示出了本发明第三实施例的检测器300。与前面附图中具有相同功能的元件标以相同的附图标记，不再单独讨论。
在图4中，图1中所示的托架被延伸形成金属检测器外壳43，其被金属外壳盖44闭合。该金属外壳盖44具有孔45，其形状和大小对应于金刚石板6，并至少具有陶瓷板11的中心孔24的尺寸大小，并与中心孔24对齐。检测器外壳43在外壳的基座中具有孔50。该孔50也至少具有陶瓷板11的中心孔24的尺寸大小，并与之对齐。外壳盖孔45和外壳机座孔50分别用金属化的Kapton膜密封。由于作为保持地电势的、基本上封闭的检测器金属外壳，金刚石板6相应的受到保护免受散杂电子辐射，就像在法拉第筒中一样。
在它的未金属化周边区域53中，使用绝缘粘胶46将金刚石板6粘合到陶瓷板11的上表面36。在本发明另一个有利的实施例中，陶瓷板11在它的反面40覆盖有金属，中心孔24的壁也具有金属涂层47。金属涂层47与金刚石板6反面33上的金属涂层13接触，并与陶瓷板11反面40的金属涂层17接触。
在检测器外壳43与陶瓷板11反面的金属涂层17之间设置有导电弹性衬垫48。一方面，该衬垫48使得检测器外壳43与陶瓷板11的反面40之间以导电方式连接，另一方面导电橡胶衬垫48可以保护陶瓷板免受应力，特别是张力负载。
在固定螺丝49与陶瓷板11的上表面36之间进一步的可以设置有导电弹性垫圈49。用于提供测量电压和发送测量信号的同轴电缆41以绝缘方式穿过检测器外壳43，该电缆的同轴外套42保持在检测器外壳43的地电势。
图5是检测器的又一金刚石板6的透视图。在图1至4中金刚石板6优选的具有两面被连续金属化的上表面和反面32和33，在根据图5的实施例中，上表面32的金属涂层7构建成间接为25μm的金属带20，而下表面33的金属层8形成大面积的电极。这种结构使得可以对粒子束的宽度进行一维位置确定。两个这种金刚石板6，其中一个叠到另一个顶上，就可以对粒子束的位置强度分布进行二维位置确定。
图6以图解形式示出了金刚石板6上表面32的金属结构7区域的顶视图。与前面附图中具有相同功能的元件标以相同的附图标记，不再单独讨论。
金属结构7的构建使得可以对粒子束或离子束进行二维位置分解测量。因此在金刚石板6的表面32上，以统一格状网大小均匀分布的设置有表面面积为180×180μm2的极微小电极9；宽度为0.5μm的导体线16以0.5μm的间距设置在其中，从而对于设置在旁边的导体线，为了将160个灵敏电极连接到金刚石板6周边区域中的接触表面14，在宽度为180μm的灵敏电极之间还需要设置一个20μm的不灵敏带20。单个焊接线15从这些160个接触表面14连到基片上对应的接触连接表面，该基片以陶瓷板形式位于其下面(未示出)。这些电极的每一个通过焊接线15和导体线16提供有测量电压，从而可以在这些电极9之每一个上以二维方式测量离子束或粒子束的位置强度。
图7以图解形式示出了沿图6的A-A截面线穿过金刚石板6部分的横截面。与前面附图中具有相同功能的元件标以相同的附图标记，不再单独讨论。
穿过金刚石板6的横截面示出，金刚石板6的反面33被亚微观厚度的连续金属层盖住作为框架电极。地电势可以通过基片(未示出)上的导体线10加到金刚石板6的反面33。为了不歪曲在面积为180×180μm2的电极9上的位置分解测量结果，图4中所示的宽度为0.5μm的导体线16和接触连接表面14设置在绝缘层37上，该绝缘层与金刚石板6的表面绝缘并使其钝化。
该绝缘层37可以由蓝宝石、氮化硅、碳化硅、氮化硼或二氧化硅制成。关键的方面是，即使在高强度和/或高能粒子束情况下，该绝缘层仍然具有耐辐射性并且不会变得导电。
图8以图解形式示出了金刚石板6上表面32的金属结构7区域的顶视图。与前面附图中具有相同功能的元件标以相同的附图标记，不再单独讨论。
附图标记19表示金刚石板6上表面32上的金属带20的格状网。设置上表面32上的金属带用实线表示，而金刚石板6反面上的金属带用虚线表示。该带结构的优点是，每一条带可以通过扁平导体形式的焊接线15连接到周边区域，而不必提供如图6所示的金刚石板6上表面32上的导体线。
根据图6实施例上的本发明实施例进一步的优点是，不必提供绝缘层，并且位置分解结果不会由于导体线或接触连接表面而出错。这是通过这样一个事实的结果实现的，即金刚石板的下表面并不具有金属镜面形式的连续金属表面，而也是被构建成金属带。然而用于具有金刚石板的这种检测器的控制和测量电子电路比前述实施例更加复杂和昂贵，特别是由于每一交叉点必须单独和连续地寻址，以确保最大位置分辨率。即使检测器板6的带结构每平方厘米面积只有10条带，也会导致有100个测量点和100个交叉点，其必须连续地寻址。如果上表面和下表面上带的数目翻倍，测量点就变成四倍。尽管可以得到高强度的测量点，但是控制和检测电路的成本当然也会随着金刚石板6上表面上的金属带数目相应的以四倍关系增加。
图9以图解形式示出了沿图8的B-B截面线穿过金刚石板6部分的横截面。与前面附图中具有相同功能的元件标以相同的附图标记，不再单独讨论。
图9示出了上层带结构20和下层带结构位于彼此相对的位置，下层带结构的金属带21通过基片(未示出)上的导体线10直接电气连接。另一方面，上层带20必须首先通过焊接连接件15连接到基片上对应的布线间接线。为了实现位置分解测量，在每种情况下从两条带20和21，也就是如果粒子已经穿过检测器的该点，就从上表面32的带20和下表面33的带21读出测量电压(信号脉冲)。从每一个受到影响的交叉点快速连续地获得该测量电压，例如使用移位寄存器，并将其放置在存储器中，从而在少于1μs内可以检测金刚石板6上的所有测量点。然而这种设置具有的限制是测量点的数目不能随意增加，特别是如果在脉冲调制操作的情况下，以高强度的集束或聚焦的粒子束只是在若干分之微秒内就穿过金刚石板。
图10至15是在制造本发明实施例的金刚石板6的步骤过程中形成的中间产品的示意图。与前面附图中具有相同功能的元件标以相同的附图标记，不再单独讨论。
图10示出了基片板27。这种类型的基片板27可以由金属的金属板制成，例如钼，其熔点超过1000℃，或者可以是多晶硅晶片。
在图11中，到基片板27的上表面上，该表面已经通过机械蚀刻方法被研磨过，碳从气流38淀积到基片板27上，该气流是带有添加的有机碳物质的氢携载气体，从而在上表面31上淀积成厚度为d的多晶金刚石层28。
在该实施例中，200μm的厚度d在从50至500μm的范围中，并且很稳定，从而基片板27可以被蚀刻掉，如图2中所示，由此首先得到多晶材料的粗糙金刚石板。该金刚石板通过机械蚀刻方法在其上表面32和下表面33上可以被打磨，假设d为100μm至500μm之间的适当厚度，由此它可以形成用于检测器的、均匀厚度d的金刚石板6。
在化学气相淀积和对上表面32和下表面33进行可选的打磨之后，构建的绝缘层37施加到上表面32上，如图13中所示，其中例如180×180μm2的层窗39保持对金刚石板6的上表面32展开，从而在下一方法步骤中，如图14所示，在绝缘层37的顶部以及在窗口39中都可以涂敷连续的金属涂层4。与此同时或随后，反面33也可以设有连续金属层。
上表面32上的连续金属涂层4然后可以如图15中所示的构建，使得在绝缘层37的顶部形成导体线结构29，而在窗口39中，彼此绝缘的单个电极9仍然保持在后面。由此产生的结构对应于如此前参照图6和7所讨论的结构。
图16是包括射束转换器的常规感应射束监视器与根据本发明的检测器的测量信号比较图，该测量信号是通过高强度脉冲群射击得到。目前为止，使用感应射束监视器通过射束转换器的方式测量超过105个粒子每脉冲群的射束强度，因为具有常规金属化的常规金刚石板不能进行如此高强度的测量。对于测量信号的比较，射束强度连续增加到1010个粒子每脉冲群。
图16中测得用于比较的粒子射是具有300MeV/amu动能和强度为2×108个粒子每脉冲群的六重充电氧原子射束(16O，6+)。在该过程中，曲线a是使用根据本发明的金刚石检测器记录的，曲线b是使用常规射束监视器确定的。然而对于图16中所示的比较，常规射束监视器的测量信号必须乘以系数1000，如图16的共同所示，以使得能够将射束监视器的测量信号与根据本发明的金刚石检测器的2000倍大的信号进行有意义的比较。从图示中明显可见，曲线a和b显示出相同的临时强度分布，每一曲线分别具有峰值a1、a2、a3和b1、b2、b3，但是它们之间具有临时偏移，这是因为在该测量比较中，射束监视器设置在金刚石检测器的上游。为了比较，相比于常规感应耦合的射束监视器基本上较弱的测量信号，金刚石检测器的测量信号既不被放大也不乘以系数。
附图标记表100，200，300 检测器2.粒子的束或粒子束3.半导体板4.金属涂层5.基片6.金刚石板7.金刚石板上表面上的金属结构8.金刚石板下表面上的金属结构9.电极10.基片上的导体线11.陶瓷板12.上表面的金属层13.下表面的金属层14.金刚石板的接触表面15.焊接线16.金刚石板上的导体线17.陶瓷板下表面上的金属层19.格状网20.上表面上的金属带21.金刚石板的下表面上的金属带22.陶瓷板上的接触连接表面23.托架24.陶瓷板的中心孔27.用于金刚石淀积的基片板28.金刚石层29.导体线结构
31.基片板的表面32.金刚石板的上表面33.金刚石板的反面34.保持架35.螺旋连接件36.陶瓷板的上表面37.金刚石板上的绝缘层38.气流39.窗口40.陶瓷板的反面41.同轴电缆42.同轴电缆的外套43.检测器外壳44.外壳盖45.外壳盖孔46.绝缘粘胶47.壁的金属涂层48.弹性导电衬垫49.弹性导电衬垫垫圈50.外壳基座中的孔51.外壳盖孔上的Kapton膜52.外壳基座孔上的Kapton膜53.金刚石板的周边区域54.金属带桥55.底板座a 使用检测器测量的测量曲线b 使用射束转换器测量的测量曲线
a1、a2、a3使用检测器测得的峰值b1、b2、b3使用射束转换器测得的峰值d 金刚石板的厚度A-A 图6中的截面线B-B 图8中的截面线参考文献1.Multiwire countersa)Roger Fourme，″Position-sensitive gas detectorsMWPCs and theirgifted descendants″，Nuclear Instruments Methods A 392(1997)1-112.Diamond countersa)E.Berdermann et al.，″The use of CVD-diamond for heavy-iondetection″，Diamond and Related Materials 10(2001)1770-1777b)W.Adam et al.，″Performance of irradiated CVD diamondmicro-strip sensors″，Nuclear Instruments Methods A 476(2002)706-7123.Berdermann et al.，″Diamond Detectors 2001-Application forMinimum IonizingParticles″，GSI Annual Report 2001，p，2144.P.Strehl″Ion beam diagnosis″，in B.Wolf(Ed.)Handbook of IonSources，CRC Press(1995)p，38权利要求
1.一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。
2.根据权利要求1的检测器，其特征在于金刚石板(6)的上表面(7)和下表面(8)上的金属结构形成两个未被结构化的连续金属层(12、13)，下表面(33)的金属层(13)具有地电势，并且上表面(32)的金属层(12)的电势使得金刚石板(6)具有的电场强度范围从0.5V/微米至5V/微米。
3.根据权利要求2的检测器，其特征在于金刚石板(6)的上表面(32)上和下表面(33)上的金属结构(7、8)具有未金属化的周边区域(53)。
4.根据权利要求1或2的检测器，其特征在于该金刚石板(6)在其上表面(32)和其反面(33)具有若干个未金属化的周边区域，这些区域的宽度至少对应于金刚石板(6)的厚度。
5.根据前述权利要求之一的检测器，其特征在于金刚石板(6)的下表面(33)上的金属结构(8)具有连续金属层(13)，并且金刚石板(6)的上表面(32)上的金属结构(7)具有多个极微小的接触表面(14)或金属带(20)，它们通过陶瓷板(11)上的焊接线(15)和/或导体线(16)连接到检测器(100、200、300)的外部连接件。
6.根据前述权利要求之一的检测器，其特征在于金属结构(7、8)包括金属带(20、21)的格状网(19)，金刚石板(6)的下表面(33)的金属带(21)被设置与金刚石板(6)的上表面(32)的金属带(20)成直角。
7.根据前述权利要求之一的检测器，其特征在于陶瓷板(11)具有若干个接触连接表面(22)，它们通过同轴电缆(41)连接到检测器(100、200、300)的外部连接件。
8.根据前述权利要求之一的检测器，其特征在于检测器(100)具有托架(23)，在托架(23)上面固定着其检测器元件。
9.根据前述权利要求之一的检测器，其特征在于检测器(100、200、300)设置在检测器外壳(43)中，检测器外壳(43)具有地电势，陶瓷板(11)的未金属化反面通过导电橡胶的导电弹性衬垫(48)与检测器外壳(43)电气连接。
10.根据前述权利要求之一的检测器，其特征在于陶瓷板(11)中的孔(24)上圆形或者实际上为四角形。
11.根据前述权利要求之一的检测器，其特征在于金刚石板(6)是自支持的多晶金刚石板(6)，多晶金刚石板(6)通过化学气相淀积形成，其厚度(d)的范围在10μm至1000μm之间，优选是在100μm至200μm之间。
12.根据权利要求1至10中的检测器，其特征在于金刚石板(6)是自支持的多晶金刚石板(6)，其厚度(d)的范围在10μm至1000μm之间，优选是在100μm至200μm之间。
13.根据前述权利要求之一的检测器，其特征在于陶瓷板(11)具有作为布线间接线或导体线(10)的印刷薄膜或厚膜导体，和薄膜或厚膜技术中的无源元件。
14.一种用于高强度粒子束的射束装置，该粒子束每脉冲群具有105至1013个粒子，优选是每脉冲群具有107至1013个粒子，该射束装置具有根据权利要求1至13的检测器(100、200、300)。
15.一种制造用于检测高能和高强度粒子束的检测器(1)的方法，其中检测器包括具有金属涂层(4)的晶体半导体板(3)，并设置在基片(5)上，该方法包括下列步骤提供基片板(27)；在基片板(27)上进行碳的金刚石层(28)的化学气相淀积；从金刚石层(28)上除去基片板(27)，形成自支持金刚石板(6)；用金属结构(7、8)覆盖金刚石板(6)的上表面和反面；制造陶瓷板(11)，其具有中心孔(24)和布线间接线或具有接触连接表面(22)和/或无源元件的导体线；将双面金属化的金刚石板(6)安装到陶瓷板(11)上，使中心孔(24)被盖住；使金刚石板(6)的金属结构(7、8)连接到陶瓷板(11)上的导体线(10)或金属层(17)；将检测器元件固定在托架(23)上。
16.根据权利要求15的方法，其特征在于使用气态有机碳物质用于在基片上进行碳的金刚石层(28)化学气相淀积。
17.根据权利要求15或16的方法，其特征在于该气态物质包括氢气以及0.5至2％体积的甲烷。
18.根据权利要求15至17之一的方法，其特征在于使用等离子腐蚀方法从自支持金刚石层(28)除去基片板(27)。
19.根据权利要求15至18之一的方法，其特征在于使用化学湿法腐蚀法从自支持金刚石层(28)除去基片板(27)。
20.根据权利要求15至19之一的方法，其特征在于使用反应溅射法、蒸汽淀积法或烧结法，以便用金属层(12、13)覆盖金刚石板(6)的上表面(32)和反面(33)。
21.根据权利要求15至20之一的方法，其特征在于使用应用掩膜的反应溅射法或蒸汽淀积法，以便用金属结构(7、8)覆盖金刚石板(6)的上表面(32)和/或反面(33)。
22.根据权利要求15至21之一的方法，其特征在于为了用金属结构(7、8)覆盖金刚石板(6)的上表面(32)和反面(33)，首先涂敷金属层(12、13)，该金属层通过光刻法顺序构成。
23.根据权利要求15至22之一的方法，其特征在于为了用金属带图案(20、21)覆盖金刚石板(6)的上表面(32)和反面(33)，首先涂敷金属层(12、13)，然后通过光刻装置将绝缘沟或纵向凹槽引入该金属层(12、13)。
24.根据权利要求15至23之一的方法，其特征在于使用薄膜或厚膜方法，以在陶瓷板(11)上提供布线间接线或导体线(10)、接触连接表面(22)和/或无源元件。
25.根据权利要求15至24之一的方法，其特征在于使用焊接方法，以使金刚石板(6)的金属结构(7、8)连接到陶瓷板(11)上的布线间接线或导体线(10)。
26.根据权利要求15至25之一的方法，其特征在于提供金属保持架(34)，用于在托架(23)上固定检测器元件，其中保持架同时通过陶瓷板(11)上的导体线建立地电势连接。
27.一种根据权利要求1至14之一的检测器在检测射束装置的高强度粒子束的应用，该射束装置具有的射束强度为105至1013个粒子每脉冲群，优选是射束强度为107至1013个粒子每脉冲群。
全文摘要
本发明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。
文档编号G01T1/24GK1623105SQ03802732
公开日2005年6月1日 申请日期2003年1月23日 优先权日2002年1月25日
发明者埃莱尼·贝尔德曼, 维姆·德伯尔 申请人:重离子研究有限公司