專利名稱：用于檢測粒子束的檢測器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于檢測粒子束、尤其是高強(qiáng)度和高能粒子束的檢測器，該檢測器包括一個(gè)具有金屬涂層的晶體半導(dǎo)體板，并被設(shè)置在基片上，還涉及一種用于根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的前序部分生產(chǎn)該檢測器的方法。在這里，高強(qiáng)度粒子束指的是包括脈沖群的粒子束，其中每脈沖群和平方毫米具有的粒子數(shù)超過105，優(yōu)選的是每脈沖群和平方毫米的粒子數(shù)超過107，直到每脈沖群和平方毫米的粒子數(shù)為1013。
如P.Strehl在Handbook of Ion Sources，CRC Press.1995第385ff頁中描述了用于檢測粒子束的各種已知類型的檢測器。這些檢測器類型中的一個(gè)使用了導(dǎo)線，如Roger Fourme在Journal NuclearInstruments Methods A 392，第1至11頁，1997中所描述，其被檢測器氣體圍繞，從而當(dāng)粒子穿過檢測器氣體或計(jì)數(shù)氣體時(shí)可以得到一個(gè)信號。通過測定導(dǎo)線的柵板，也可能測量粒子束的位置分布。然而，分辨率受到導(dǎo)線直徑的限制大約為25μm，和受到必須的導(dǎo)線到導(dǎo)線間隙的限制。另外，當(dāng)照射為高強(qiáng)度時(shí)，由于等離子體的形成，計(jì)算氣體失效。
另一種類型的檢測器包括半導(dǎo)體板，尤其單晶硅板，其在兩面鍍有金。然而，這種檢測器的缺點(diǎn)是，在高強(qiáng)度粒子束照射的情況下，硅板在它的金剛石類型的硅晶格中會(huì)受到輻射損傷，其導(dǎo)致缺陷位置的形成和減小硅檢測器的電荷收集效率并增加漏電。
試圖使用多晶金剛石板來代替硅板測量高強(qiáng)度粒子束并沒有成功，盡管金剛石板金屬金屬化的復(fù)合結(jié)構(gòu)首先包括鈦涂層或鈦/鎢涂層或鉻涂層，其較好的粘附到金剛石，其次包括金觸點(diǎn)涂層。
至今只可能使用相對不靈敏的射束轉(zhuǎn)換器來測量高強(qiáng)度粒子束，其用感應(yīng)線圈環(huán)繞粒子束并檢測它。
本發(fā)明的問題是提供一種用于檢測高強(qiáng)度粒子束的檢測器，該檢測器比射束轉(zhuǎn)換器更靈敏，并克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，并且其可以檢測高強(qiáng)度和高能粒子束，而不需要增強(qiáng)的冷卻。本發(fā)明的問題也是描述了一種用于制造這種類型檢測器的方法。
該問題通過獨(dú)立權(quán)利要求的方案來解決。在從屬權(quán)利要求中可以找到對本發(fā)明有利的改進(jìn)。
根據(jù)本發(fā)明，檢測器包括雙面覆蓋有金屬結(jié)構(gòu)的金剛石板，作為半導(dǎo)體板，該金屬結(jié)構(gòu)包括鋁和/或鋁合金。金屬結(jié)構(gòu)形成若干個(gè)電極，這些電極通過基片上的導(dǎo)體線與各個(gè)電勢連接?；ň哂兄行目椎奶沾砂?，該中心孔被金剛石板覆蓋。在最簡單的情況下，在雙面上的金屬結(jié)構(gòu)可以是金剛石板的雙面上的全涂層，在雙面上金屬化未覆蓋的剩余區(qū)域周圍只有一個(gè)周邊區(qū)域。
該檢測器的優(yōu)點(diǎn)是它可以測量高強(qiáng)度粒子束，特別是離子束的強(qiáng)度，而不需要增強(qiáng)的冷卻。另外，可以通過構(gòu)造金剛石板上的電極，使得能夠以高分辨率在高能粒子束橫截面上測量強(qiáng)度分布。而且，使用該檢測器，可以隨著時(shí)間測量強(qiáng)度分布，從而使該包括具有鋁金屬結(jié)構(gòu)的金剛石板的檢測器具有以下實(shí)質(zhì)性優(yōu)點(diǎn)1)檢測器結(jié)構(gòu)具有意想不到的高輻射電阻，在每脈沖群和每平方毫米的粒子數(shù)為1013范圍以內(nèi)的最大強(qiáng)度，檢測器中沉積的能量的數(shù)量級高達(dá)100萬億eV，脈沖寬度為100ns到10s；2)高時(shí)間分辨率的粒子束或脈沖群，具有的時(shí)間分辨率在亞毫微秒的范圍；3)高分辨率的射束空間分布在亞毫米范圍；
4)在超過10的數(shù)量級上是線性的射束強(qiáng)度檢測，使得即使在達(dá)到大約每脈沖群每平方毫米1013個(gè)粒子的最高數(shù)量級也不需要增強(qiáng)冷卻，甚至每平方毫米只有1個(gè)粒子也可以使用本發(fā)明的檢測器檢測；5)測量信號強(qiáng)度比常規(guī)的射束轉(zhuǎn)換器的測量信號高103。
這些意想不到的優(yōu)勢可能是基于金剛石材料的特性和金屬化的特性，鋁的原子序數(shù)Z靠近碳的原子序數(shù)Z，相應(yīng)的鋁中的電離損耗與金剛石中的電離損耗非常匹配。雙面鍍鋁的金剛石板通過在其體內(nèi)形成適當(dāng)?shù)碾娮涌昭▽?dǎo)致信號產(chǎn)生，形成電流，在高壓下在電極上的晶體中，在電極之間電場強(qiáng)度的范圍為0.5V/微米至5V/微米的條件下，可以測量該電流。在該過程中會(huì)發(fā)現(xiàn)另一個(gè)優(yōu)勢，在高能粒子束的強(qiáng)度和檢測器電極的信號電流之間存在意想不到的比例關(guān)系。
高純度的金剛石檢測器具有的優(yōu)點(diǎn)是，在高強(qiáng)度和高能粒子束的情況下，特別是在高強(qiáng)度的離子束的情況下，有大量的電子空穴對形成，保持高電勢的電極可以傳送適當(dāng)高的電流，通過該電流可以直接驅(qū)動(dòng)示波器，相應(yīng)地可以測量離子束的強(qiáng)度，而不需要中間放大。
因?yàn)楦呒兌鹊慕饎偸瘷z測器具有極低度的噪音，通過適當(dāng)?shù)姆糯笃饕部梢詸z測單個(gè)粒子，從而可以測量的整體強(qiáng)度范圍從每平方毫米單個(gè)粒子到1013個(gè)粒子每脈沖群每平方毫米。用常規(guī)檢測器是達(dá)不到在超過10個(gè)數(shù)量級上延伸的寬測量范圍。對于105個(gè)粒子每脈沖群的低強(qiáng)度范圍，當(dāng)然可以使用具有常規(guī)復(fù)雜金屬化的金剛石檢測器。對于105個(gè)粒子每脈沖群至1013個(gè)粒子每脈沖群的強(qiáng)度范圍，則是不可能的，即使使用金剛石板檢測器，或可替換的其它常規(guī)檢測器也不可能以高分辨率可再現(xiàn)的和持久地測量這種脈沖群。只有用根據(jù)本發(fā)明的檢測器的結(jié)構(gòu)，才能令人驚奇地和意想不到地解決高強(qiáng)度粒子束的強(qiáng)度測量問題。
在本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施例中，金剛石板上表面和下表面上的金屬結(jié)構(gòu)形成兩個(gè)連續(xù)的金屬層。上表面和下表面上這種連續(xù)的金屬層，以及適當(dāng)?shù)谋′X支架具有的優(yōu)點(diǎn)是，這種方式構(gòu)成的檢測器可以檢測通過的粒子總數(shù)目或高能粒子束的強(qiáng)度。因此，下表面上的金屬層被保持在地電勢，上表面上的金屬層被保持在一電勢，該電勢在金剛石板中產(chǎn)生范圍為0.5V/μm至5V/μm的電場強(qiáng)度。這就意味著當(dāng)金剛石板的平均厚度為50μm、使用電壓從25至250V，在相應(yīng)更厚金剛石板的情況下采用相應(yīng)更高的電壓。
為了避免場線從檢測器周邊區(qū)域露出和避免導(dǎo)致電擊穿或在周邊區(qū)域泄露電流，檢測器的上表面和下表面上金屬層的周邊區(qū)域具有未金屬化的周邊區(qū)。這些未金屬化的周邊區(qū)的寬度至少對應(yīng)于金剛石板的厚度。通過這種金屬結(jié)構(gòu)，檢測器的漏電阻抗以有利方式增加了。
當(dāng)想要測量射束橫截面上高能粒子的強(qiáng)度分布時(shí)，可以使用兩個(gè)不同的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)置。在本發(fā)明第一個(gè)有利的實(shí)施例中，提供了連續(xù)的金屬層，由此在金剛石板的下表面和金剛石板的上表面結(jié)構(gòu)上有多個(gè)極微小的接觸表面或金屬帶。在本文中，極微小指的是接觸表面大小或帶寬度，其可以在使用常規(guī)顯微鏡測量的光學(xué)顯微鏡下看到和測量。這些極微小的接觸表面和金屬帶設(shè)置在檢測器的上表面，與檢測器的下表面上的金屬層相對，它們可以通過焊線與陶瓷板上的布線間接線連接，布線間接線連接到評估電路和/或檢測器的外部連接件，或者它們通過金剛石板絕緣層上的導(dǎo)體線和陶瓷板上的布線間接線連接到檢測器的評估電路和/或檢測器的外部連接件。在本發(fā)明的該實(shí)施例中，多個(gè)極微小的接觸表面設(shè)置在盡可能靠近的柵格面積上，從而可以得到下至少于50微米每單位面積的高度分辨率。
在本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施例中，金屬結(jié)構(gòu)具有金屬帶柵格網(wǎng)，金剛石板下表面上的金屬帶與金剛石板上表面的金屬帶成直角設(shè)置。通過這種設(shè)置，金剛石板可以按照與線柵設(shè)置相似的方式被分割成小體積元素，每一體積元素具有彼此相對的若干個(gè)電極，其可以通過適當(dāng)?shù)墓╇姾统尚泻土械脑u估電路掃描，從而可以通過以此方式構(gòu)成的檢測器得到離子束的橫截面上強(qiáng)度分布的清晰圖像。
單獨(dú)的帶可以通過簡單方式連接，通過焊接線或直接連接到陶瓷板上的布線間接線，布線間接線的一部分也具有可連接到檢測器外部連接件的接觸連接表面。在每一帶設(shè)置中的間距從20μm至50μm的情況下，考慮到1mm的未金屬化周邊，在10×10mm的板上可以50μm的間距容納大約160根帶，就在上表面和下表面上的帶之間得到25600個(gè)交叉點(diǎn)，相應(yīng)的可能得到25600個(gè)測量點(diǎn)。這就使得可以準(zhǔn)確測量離子束的位置和離子束的輪廓。
在本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施例中，檢測器具有其上固定有檢測器組件的托架。這種托架的優(yōu)點(diǎn)是它為陶瓷板提供足夠的支撐，并同時(shí)可以保護(hù)檢測器不受損壞。而且該托架可以由金屬制成，并用作地電勢的供電導(dǎo)體。在這種設(shè)置中，托架與陶瓷板之間安裝有導(dǎo)電橡膠的導(dǎo)電彈性襯墊，以防止對張力敏感的陶瓷板上出現(xiàn)機(jī)械應(yīng)力，從而延長了檢測器的使用壽命。
而且使用封閉的檢測器鋁殼來代替鋁托架可以容納檢測器的組件，并將它們固定到位。通過這種完全封閉的檢測器鋁殼，可以與法拉第筒中一樣產(chǎn)生對電子干擾的最佳屏蔽。這種檢測器外殼具有的優(yōu)點(diǎn)是它為陶瓷板提供足夠的支撐，并同時(shí)可以保護(hù)金剛石板不受損壞。為了保護(hù)陶瓷板免受機(jī)械應(yīng)力，也可以在檢測器外殼中安裝彈性導(dǎo)電襯墊。檢測器鋁殼而且可以被用作地電勢的供電導(dǎo)體。
陶瓷板中的孔的外形尺寸比覆蓋孔的檢測器板或金剛石板本身略小。在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，陶瓷板中的孔是圓形。當(dāng)預(yù)計(jì)高強(qiáng)度和高能粒子束的橫截面是圓形時(shí)，使用具有相應(yīng)檢測器的這種圓形孔。然而如果粒子束是掃描束，陶瓷板中的孔是四角形則比較便利，從而在本發(fā)明另一優(yōu)選的實(shí)施例中，檢測器和陶瓷板孔是四角形的結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施例中，金剛石板是自支持的多晶金剛石板，其通過化學(xué)氣相淀積形成，并且厚度在10μm至500μm的范圍中，優(yōu)選是在50μm至200μm范圍中。因?yàn)榻饎偸菢O其堅(jiān)硬的材料，完全可以產(chǎn)生甚至10μm厚度的小盤或板，使得它們自支持，從而可以得到10至500μm的厚度范圍。對于金屬化或金屬結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，這種金剛石板的雙面可以進(jìn)行打磨，從而可以產(chǎn)生完全平整的表面，確保在該過程中上表面的平面和下表面的平面彼此平行。
然而因?yàn)樵诮饎偸逯谐霈F(xiàn)的晶界，在該實(shí)施例中的多晶金剛石板限制了信號同質(zhì)性。因此在本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施例中，使用自支持的多晶金剛石板，其厚度在50μm至500μm的范圍中，優(yōu)選是在50μm至200μm范圍中。在檢測器的金剛石板每一面上都具有適當(dāng)結(jié)構(gòu)的電極情況下，同獨(dú)立于粒子束的撞擊位置沿著時(shí)間測量射束分布一樣，可以得到射束強(qiáng)度和/或射束輪廓測量。而且，在這種類型金剛石板的情況下，可以便利地達(dá)到前述測量分辨率25600測量點(diǎn)每平方毫米。由此多晶金剛石板可以具有幾厘米的周邊長度，優(yōu)選是從2至6厘米，其對應(yīng)于5×5mm2到大約15×15mm2的區(qū)域。
當(dāng)不需要實(shí)現(xiàn)在微米范圍中的極精細(xì)結(jié)構(gòu)時(shí)，前述陶瓷板上的布線間接線可以由印刷薄膜或厚膜組成，并且另外包括無源元件，諸如相同技術(shù)中的電阻、電容、和線圈。除了布線間接線，相應(yīng)的可以在陶瓷板上另外提供已經(jīng)用來執(zhí)行評估或改變阻抗的電路。特別有利的是提供薄膜技術(shù)中對應(yīng)于評估示波器內(nèi)部電阻的阻抗。該示波器的內(nèi)部電阻通常是50Ω。
一種制造用于檢測高能和高強(qiáng)度粒子束的檢測器的方法，其中檢測器包括具有金屬涂層的晶體半導(dǎo)體板，并設(shè)置在基片上，包括下列方法步驟提供適當(dāng)?shù)幕澹瑑?yōu)選是為多晶金剛石基片板，或多晶硅板或金屬熔點(diǎn)超過1000℃的金屬板；在基片板上對碳的金剛石層進(jìn)行化學(xué)氣相淀積；從自支持的金剛石層上除去基片板，形成金剛石板；用金屬結(jié)構(gòu)覆蓋金剛石板的上表面和反面；提供陶瓷板，其具有中心孔和導(dǎo)體線和/或若干金屬層，這些金屬層在它的上表面具有接觸連接表面和/或無源元件，和在它反面的整個(gè)表面上進(jìn)行金屬化；將雙面金屬化后的金剛石板安裝到陶瓷板上，使中心孔被蓋住；將金剛石板的金屬結(jié)構(gòu)連接到陶瓷板的金屬結(jié)構(gòu)；借助于固定架將檢測器元件固定到托架上。
該方法的優(yōu)點(diǎn)是從步驟上首先生產(chǎn)檢測器的核心，也就是金剛石板。為此，在第一步驟中，例如對于多晶金剛石基片板或硅載板類型的金剛石晶格，可以有利地繼續(xù)進(jìn)一步在這種基片板類型的金剛石晶格上設(shè)置碳原子，其在多晶金剛石基片的情況下得到多晶金剛石板。然而在硅載板的情況下，這種金剛石晶格在淀積上不再包括硅原子，而是碳原子。后一種晶格結(jié)構(gòu)具有不同的晶格參數(shù)，得到多晶金剛石層。
該方法的進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)是，在硅載板或金屬板的情況下，在已經(jīng)生成適當(dāng)?shù)慕饎偸瘜又?，該板可以除去，特別是由于當(dāng)金剛石層具有至少10μm的適當(dāng)厚度時(shí)它會(huì)變成自支持板?；灏ㄈ埸c(diǎn)超過1000℃的金屬，優(yōu)選的為鉬，具有的優(yōu)點(diǎn)是在金剛石涂層淀積方法中使用盡可能高的反應(yīng)溫度，這樣可以加速碳的氣相淀積。除去之后，后面保留一個(gè)厚度為10μm至1000μm的多晶金剛石板。當(dāng)已經(jīng)得到在100μm至1000μm之間適當(dāng)厚度、優(yōu)選是在100μm至500μm之間時(shí)，可以在基片板的上表面和它的反面進(jìn)行打磨，從而可以為金屬結(jié)構(gòu)得到一個(gè)完全平的表面。
有利的是，使用鋁或鋁合金作為金剛石板上的金屬結(jié)構(gòu)的金屬，鋁的原子序數(shù)Z位于與碳的原子序數(shù)Z靠近，相應(yīng)的鋁中的電離耗損與金剛石中的電離耗損相匹配。
該方法的進(jìn)一步優(yōu)點(diǎn)是陶瓷板的使用，其一方面可以將金剛石板上的微觀部分結(jié)構(gòu)改變?yōu)楹暧^金屬結(jié)構(gòu)，從而檢測器適當(dāng)大的外部連接件可以安裝到陶瓷板上。在本文中，宏觀指的是這些結(jié)構(gòu)的尺寸足夠大到可以用肉眼看見和測量。陶瓷板上適當(dāng)準(zhǔn)備的布線間接線和導(dǎo)體線也用于擴(kuò)展接入元件。沒有這種布線間接線，相應(yīng)的沒有陶瓷板上的這些區(qū)域，就不可能接入金剛石板上的微觀小結(jié)構(gòu)。
有利的也可以通過金屬架(如鋁架)將檢測器組件固定到托架上。這種鋁架容易制造并相應(yīng)的當(dāng)托架上有適當(dāng)準(zhǔn)備的結(jié)構(gòu)時(shí)，例如孔，就可以調(diào)整和安裝陶瓷板。另外鋁具有高的熱傳導(dǎo)性，從而金剛石板中產(chǎn)生的熱通過陶瓷板可以被傳導(dǎo)到鋁架以及檢測器使用的系統(tǒng)外殼上。
為了提供多晶硅載板，可以首先從多晶硅柱上鋸下多晶硅晶片。其上用于淀積金剛石板的晶片表面然后通過化學(xué)機(jī)械方法被研磨。同時(shí)，當(dāng)產(chǎn)生多晶硅柱和當(dāng)切割多晶硅晶片時(shí)都需要注意，確保晶體取向便于金剛石的淀積。這樣的好處是，多晶硅晶片的表面的取向可以有利于晶體金剛石的定向、統(tǒng)一對齊的在金剛石晶格類型的硅晶片上生長。
在基片板上碳的金剛石層化學(xué)氣相淀積中，在本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施例中，氣態(tài)有機(jī)碳化物用作反應(yīng)氣體，氫作為攜載氣體。通常，有機(jī)碳化物是甲烷氣，其加入到氫氣中的體積比是0.5至2％，碳從氣態(tài)有機(jī)碳化物中淀積到基片板上。
在具有多晶金剛石晶格的基片板上淀積完多晶金剛石層之后，在本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施例中，該基片板通過等離子蝕刻方法從自支持的金剛石層除去。也可以使用化學(xué)濕選法代替等離子蝕刻方法，其中，當(dāng)硅載板用作基片板時(shí)，使用氫氟酸和硝酸的混合物溶解或腐蝕硅，而金剛石層保留在后面作為自支持的金剛石板。
上述的蝕刻方法具有的優(yōu)勢是它們暴露出一塊自支持的多晶金剛石板，當(dāng)金剛石板具有100μm至500μm的足夠厚度時(shí)，然后可以通過化學(xué)機(jī)械方法在其上表面和相反面進(jìn)行打磨。
為了使用金屬層覆蓋金剛石板的上表面和反面，可以使用反應(yīng)濺射法、蒸汽淀積法，或燒結(jié)法。在反應(yīng)濺射法的情況下，金屬板被汽化，汽化原子被淀積到金剛石板的上表面和相反面上，并形成金屬層。
在蒸汽淀積法的情況下，鋁在真空下熔化在熔化坩鍋中，并且金剛石板位于熔化坩鍋上面，使得鋁蒸汽可以以金屬層的形式淀積到金剛石板上。在燒結(jié)法中，將一個(gè)鋁糊涂敷到金剛石晶片上，在適當(dāng)?shù)臒Y(jié)熔爐中，鋁糊粘合劑被汽化，并且同時(shí)鋁涂層燒結(jié)到金剛石板上。
在這些方法的任一種方法中，首先可以在金剛石板上淀積一個(gè)連續(xù)的金屬層，如果檢測器想要在它的上表面具有定位分解結(jié)構(gòu)，該金屬層可以隨后構(gòu)建。
相應(yīng)的，為了用金屬結(jié)構(gòu)覆蓋金剛石板的上表面和反面，首先涂敷金屬層，該金屬層通過光刻法順序構(gòu)建。為此，涂敷光致抗蝕劑到該金屬層，并且通過光學(xué)掩膜構(gòu)建光致抗蝕層，其最終結(jié)果就是光致抗蝕劑僅保護(hù)想要保留在后面作為金剛石板上表面觸點(diǎn)層或?qū)w線的部分，而作為光致抗蝕劑在適當(dāng)?shù)?通常是堿性的)定影液中照明和顯影的結(jié)果，剩下裸露的地方通過光致抗蝕劑被溶解掉。
這些方法的優(yōu)點(diǎn)是，它們可以在金剛石板上產(chǎn)生構(gòu)造非常精細(xì)的導(dǎo)體線和接觸表面，其可以以極細(xì)微的尺寸產(chǎn)生。當(dāng)上表面和反面都設(shè)有金屬帶設(shè)置，檢測器甚至可以達(dá)到更大的定位精度。通過光刻法或通過激光除去方法在金屬層中引入縱向凹槽，上表面和反面上的帶或格狀網(wǎng)設(shè)置就包括在金屬層中，可以產(chǎn)生微米范圍的金屬帶和低于微米范圍的絕緣溝或絕緣槽。
為了檢測高強(qiáng)度粒子束的位置分布，在兩面具有金屬格狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)的這種金剛石板基本上需要更多復(fù)雜的評估和控制實(shí)現(xiàn)位置分辨率；然而，它同時(shí)具有的優(yōu)勢是離子束的強(qiáng)度分布可以被分解在微米范圍，優(yōu)選的以25×25μm2至250×250μm2的像素測量。
然而當(dāng)使用掩膜或金屬模片涂敷材料時(shí)，也可以直接涂敷結(jié)構(gòu)化金屬層。
為了能夠從金剛石板上接觸表面和導(dǎo)體線形式的細(xì)微小結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換到宏觀結(jié)構(gòu)，在相對大的陶瓷板上以宏觀尺寸產(chǎn)生布線間接線、接觸連接表面和/或無源元件。這些可以部分的是薄膜或厚膜技術(shù)，在無源元件和接觸連接表面相關(guān)的范圍內(nèi)，而布線間接線必須與金剛石板上對應(yīng)結(jié)構(gòu)同樣高的分辨率產(chǎn)生，該布線間接線用于從微觀尺寸連到宏觀元件和連接部件。
對于一個(gè)用于測量離子束脈沖群整體強(qiáng)度的檢測器，將一個(gè)幾毫米厚度的薄金屬層應(yīng)用到雙面金屬化的金剛石板，上面的金屬層必須設(shè)有到適當(dāng)高電壓的連接，下面金屬層連接到陶瓷板上的框架導(dǎo)體。
在本方法進(jìn)一步優(yōu)選的示范實(shí)施例中，使用焊接方法將金剛石板上表面上的金屬結(jié)構(gòu)連接到陶瓷板上的布線間接線。為此，在陶瓷板上設(shè)有適當(dāng)?shù)暮附颖砻?，然后使得焊接線從金剛石板上合適的接觸表面焊接到陶瓷板上的焊接表面。
在本方法進(jìn)一步優(yōu)選的示范實(shí)施例中，設(shè)置有金屬保持架用于在托架上固定檢測器元件。該金屬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間保持和固定陶瓷板，在陶瓷板與托架之間、和在陶瓷板與保持架之間設(shè)置有由導(dǎo)電橡膠制成的導(dǎo)電彈性襯墊部件。該導(dǎo)電橡膠確保了在檢測器的安裝和操作過程中可以建立穩(wěn)定的連接，并保護(hù)對張力敏感的陶瓷板免受損壞。因此為了讓陶瓷板與導(dǎo)電橡膠、托架與保持架達(dá)到準(zhǔn)確的對準(zhǔn)，在陶瓷板中設(shè)置適當(dāng)?shù)目住?br> 由于導(dǎo)電橡膠的緩沖元件的有利使用，保持架與托架之間的螺旋連接件同時(shí)可以用于框架連接。當(dāng)從金屬保持架到金屬托架的螺旋連接件同樣由金屬螺釘組成，相應(yīng)的僅僅需要在陶瓷板上適當(dāng)?shù)脑O(shè)置到保持架的布線間接線，或當(dāng)陶瓷板的反面被金屬化，僅僅需要在金剛石板的下表面設(shè)置到金屬化部分的連接。
該檢測器可以用于高強(qiáng)度的高能粒子束，而它的上表面和相反面不會(huì)受到損壞并且材料不會(huì)被濺射、霧化和被蒸發(fā)。而且令人驚奇的是，盡管這種聚焦的粒子束暫時(shí)被壓縮成脈沖群，會(huì)對檢測器板產(chǎn)生強(qiáng)烈的機(jī)械沖應(yīng)力，但是在該檢測器多次用于測量高強(qiáng)度和高能離子束之后，檢測器中也找不到任何孔。如果在這種最大負(fù)載情況下使用，甚至不能觀察到在檢測器的金剛石板中、石墨晶格中的金剛石晶格的部分晶體重建。
下面參照附圖，通過實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行更加詳細(xì)的描述。


圖1以圖解形式示出了穿過根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的檢測器的截面圖；圖2以圖解形式示出了根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步實(shí)施例的檢測器上的頂視圖；圖3以圖解形式示出了穿過檢測器的金剛石板的截面圖；圖4以圖解形式示出了穿過根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的檢測器的截面圖；圖5是檢測器的另一金剛石板的視圖6以圖解形式示出了金剛石板上表面的金屬結(jié)構(gòu)區(qū)域的頂視圖；圖7以圖解形式示出了沿圖6的A-A截面線穿過金剛石板部分的橫截面；圖8以圖解形式示出了金剛石板上表面的金屬結(jié)構(gòu)區(qū)域上的頂視圖；圖9以圖解形式示出了沿圖8的B-B截面線穿過金剛石板部分的橫截面；圖10至15是在制造本發(fā)明實(shí)施例的金剛石板的步驟過程中形成的中間產(chǎn)品的示意圖；圖16是包括射束轉(zhuǎn)換器的常規(guī)感應(yīng)射束監(jiān)視器與根據(jù)本發(fā)明的檢測器的測量信號比較圖，這些測量信號由高強(qiáng)度脈沖群觸發(fā)。
圖1以圖解形式示出了穿過根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的檢測器100的截面圖。附圖標(biāo)記2表示指示高強(qiáng)度和高能粒子束方向的箭頭，該粒子束在本發(fā)明的實(shí)施例中穿過檢測器100。檢測器100相對于離子束方向2逆向的所有元件表面稱為上表面，而檢測器相對于離子束方向2順向的所有元件表面稱為反面。
附圖標(biāo)記3表示半導(dǎo)體板。附圖標(biāo)記4表示金屬涂層，其涂敷到半導(dǎo)體3的兩個(gè)表面。附圖標(biāo)記5表示基片，其上設(shè)置有在兩面有金屬涂層4的半導(dǎo)體板3。附圖標(biāo)記6表示金剛石板，在本發(fā)明的實(shí)施例中用作半導(dǎo)體板3。金剛石板6的材料包括碳的金剛石晶格。附圖標(biāo)記7表示金剛石板6上表面32上的金屬結(jié)構(gòu)，而附圖標(biāo)記8表示金剛石板6反面33上的金屬結(jié)構(gòu)。附圖標(biāo)記9表示電極，這些電極在本發(fā)明的第一實(shí)施例中與金屬涂層4相同，并由金剛石板6上表面32上的連續(xù)金屬層12和金剛石板6反面33上的連續(xù)金屬層13組成，上表面32和反面33的周邊區(qū)域沒有金屬涂層。
當(dāng)金剛石板6上表面32上的電極9通過焊接連接件15連接到基片5上的接觸連接表面22，金剛石板6反面33上的電極9通過金屬帶橋54連接到基片5上的金屬層17。附圖標(biāo)記11表示陶瓷板，在本實(shí)施例中用作基片5。
在本發(fā)明的該實(shí)施例中，陶瓷板11通過鋁金屬保持架34保持在金屬托架23上，其實(shí)際上形成檢測器的外殼。導(dǎo)電彈性襯墊元件48和49設(shè)置在托架23與陶瓷板11之間，以及導(dǎo)體架34與陶瓷板11之間，保護(hù)陶瓷板11免受機(jī)械應(yīng)力，其中至少陶瓷板11的反面40與拖板23之間的襯墊48保持在地電勢，因?yàn)橥屑?3連接著系統(tǒng)(未示出)的地電勢。通過螺旋連接件35和金屬保持架34，地電勢應(yīng)用到陶瓷板11的反面40，并通過金屬帶橋54連接到金剛石板6的反面33上的金屬層13?；?上的接觸連接表面22可以是印刷薄膜或厚膜表面，其連接到附加的無源元件26(未示出)。
當(dāng)金剛石板6反面33上的金屬結(jié)構(gòu)8通過金屬帶橋54保持在地電勢，通過接觸連接表面22和焊接線15施加一個(gè)電壓到金剛石板上表面32的電極9上。該電壓由金剛石板6的厚度決定，在本發(fā)明的實(shí)施例中大約1V每微米厚度。本實(shí)施例中金剛石板6的厚度大約為200μm，從而通過焊接線15施加200V的電壓到金剛石板上表面32的金屬結(jié)構(gòu)7上。該電壓通過同軸電纜41提供，同軸電纜41的外套42保持地電勢。
當(dāng)粒子束按照箭頭2的方向穿過金剛石板6時(shí)，產(chǎn)生電子空穴對，其由于高場強(qiáng)而被分開，并產(chǎn)生與離子束的強(qiáng)度成比例的電流。為了對離子束進(jìn)行定位分解檢測，也就是說為了檢測離子束的橫截面輪廓，金剛石板6上表面上的金屬結(jié)構(gòu)7可以被構(gòu)建成許多單個(gè)電極，從而相應(yīng)的多個(gè)焊接線15將測量信號傳到相應(yīng)的評估電路。從而陶瓷板11上的接觸連接表面22相應(yīng)被擴(kuò)大，并與檢測器100對應(yīng)的外部連接件(未示出)連通，這些外部連接件與地電勢絕緣并接到外部。
在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，金剛石板6上表面和/或反面上用附圖標(biāo)記7和8表示的金屬結(jié)構(gòu)不是金屬層，而是格狀網(wǎng)形式的金屬帶，其在金剛石板6的上表面32上平行于一方向，相對于該方向，金剛石板6反面33上的金屬帶的方向設(shè)置成直角。在這種情況，陶瓷板11上的導(dǎo)體線的數(shù)目對應(yīng)于金剛石板6反面上金屬結(jié)構(gòu)8的金屬帶數(shù)目。
通過金剛石板6上表面32和反面33上金屬涂層4的帶狀或格狀網(wǎng)中的結(jié)構(gòu)，可以得到最大位置分辨率，盡管需要復(fù)雜的控制和評估電路來評估和控制兩個(gè)帶或格狀網(wǎng)設(shè)置的交叉點(diǎn)。通過這種類型的檢測器，可以以十億分之一秒的瞬時(shí)清晰度和微米范圍的位置分辨率檢測高強(qiáng)度粒子束，也就是說粒子束或離子束或電子束。使用適當(dāng)?shù)姆糯筝o助，也可以檢測單個(gè)粒子，從而使用該檢測器可以檢測的強(qiáng)度范圍幅度從1至1013個(gè)粒子每脈沖群每平方毫米、超過10個(gè)數(shù)量級。在該過程中，幅度從105至1013個(gè)粒子每脈沖群每平方毫米數(shù)量級的高強(qiáng)度脈沖群不會(huì)對檢測器產(chǎn)生任何損害。甚至在范圍從107個(gè)粒子每脈沖群每平方毫米至1013個(gè)粒子每脈沖群每平方毫米的優(yōu)選的實(shí)施例中，檢測器信號可以與粒子束的強(qiáng)度成比例。
在本發(fā)明的此實(shí)施例中，金剛石板6從氣相淀積成多晶形式。根據(jù)金剛石板6的大小確定陶瓷板11中的中心孔24的尺寸，其可以為若干平方厘米的大小。為了測量掃描離子束，該中心孔24是四角形的，與金剛石板6一樣。對于圓形離子束，金剛石板6和中心孔24可以是圓形結(jié)構(gòu)。
圖2以圖解形式示出了根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步實(shí)施例的檢測器200的頂視圖。與圖1中具有相同功能的元件標(biāo)以相同的附圖標(biāo)記，不再單獨(dú)討論。
在檢測器200的中心有一個(gè)中心孔24，其被金剛石板6蓋住，粒子束2穿過該中心孔。將金剛石板6的上表面32金屬化，并通過焊線連接件15和接觸連接表面22將其連接到同軸電纜41，由此可以提供測量電壓，并傳導(dǎo)檢測器信號。同軸電路41的同軸外套42被固定到托架23上的底板座55上，并且被保持在地電勢。
金剛石板6的反面33通過陶瓷板11上的金屬帶橋(這里未示出)連接到陶瓷板11的反面17。保持架34通過螺旋連接件35牢固地旋扭到托架23上，從而使得陶瓷板的反面與外殼電連接，并且相應(yīng)的金剛石板的反面可以保持在地電勢。離子束從金剛石板6中穿過會(huì)在同軸電纜41與同軸外套42之間產(chǎn)生電流，其在這種情況下連接到金屬托架23上，其中電流對應(yīng)于粒子束2的強(qiáng)度，并且與超過10個(gè)數(shù)量級幅度的粒子束的強(qiáng)度成比例。
圖3以圖解形式示出了穿過檢測器100的金剛石板6的截面圖。與前面附圖中具有相同功能的元件標(biāo)以相同的附圖標(biāo)記，不再單獨(dú)討論。
金剛石板6的厚度為d，其也決定著反面33上的連續(xù)金屬層8與金剛石板6上表面32上的連續(xù)金屬層7之間的電勢差。當(dāng)金剛石板6反面33上的金屬層13停靠在陶瓷板(未示出)上，并通過金屬帶橋54連接到陶瓷板反面的金屬涂層(未示出)，金剛石板6上表面上的金屬層12通過焊接線15的方式連接到陶瓷基片上表面上的接觸連接表面。
圖3中所示的實(shí)施例是用于確定射束強(qiáng)度的金剛石板6的一種相對簡單的實(shí)施例。然而為了以位置相關(guān)的方式測量離子束，至少構(gòu)建一個(gè)金屬涂層4，并且被劃分成若干個(gè)單個(gè)接觸表面，這些接觸表面非常極微小并可以在相應(yīng)地可以在光學(xué)顯微鏡下測量。對于位置分解測量，金剛石板6上表面32上這些接觸表面的每一個(gè)然后連接到檢測器對應(yīng)的外部連接件(未示出)。
圖4示出了本發(fā)明第三實(shí)施例的檢測器300。與前面附圖中具有相同功能的元件標(biāo)以相同的附圖標(biāo)記，不再單獨(dú)討論。
在圖4中，圖1中所示的托架被延伸形成金屬檢測器外殼43，其被金屬外殼蓋44閉合。該金屬外殼蓋44具有孔45，其形狀和大小對應(yīng)于金剛石板6，并至少具有陶瓷板11的中心孔24的尺寸大小，并與中心孔24對齊。檢測器外殼43在外殼的基座中具有孔50。該孔50也至少具有陶瓷板11的中心孔24的尺寸大小，并與之對齊。外殼蓋孔45和外殼機(jī)座孔50分別用金屬化的Kapton膜密封。由于作為保持地電勢的、基本上封閉的檢測器金屬外殼，金剛石板6相應(yīng)的受到保護(hù)免受散雜電子輻射，就像在法拉第筒中一樣。
在它的未金屬化周邊區(qū)域53中，使用絕緣粘膠46將金剛石板6粘合到陶瓷板11的上表面36。在本發(fā)明另一個(gè)有利的實(shí)施例中，陶瓷板11在它的反面40覆蓋有金屬，中心孔24的壁也具有金屬涂層47。金屬涂層47與金剛石板6反面33上的金屬涂層13接觸，并與陶瓷板11反面40的金屬涂層17接觸。
在檢測器外殼43與陶瓷板11反面的金屬涂層17之間設(shè)置有導(dǎo)電彈性襯墊48。一方面，該襯墊48使得檢測器外殼43與陶瓷板11的反面40之間以導(dǎo)電方式連接，另一方面導(dǎo)電橡膠襯墊48可以保護(hù)陶瓷板免受應(yīng)力，特別是張力負(fù)載。
在固定螺絲49與陶瓷板11的上表面36之間進(jìn)一步的可以設(shè)置有導(dǎo)電彈性墊圈49。用于提供測量電壓和發(fā)送測量信號的同軸電纜41以絕緣方式穿過檢測器外殼43，該電纜的同軸外套42保持在檢測器外殼43的地電勢。
圖5是檢測器的又一金剛石板6的透視圖。在圖1至4中金剛石板6優(yōu)選的具有兩面被連續(xù)金屬化的上表面和反面32和33，在根據(jù)圖5的實(shí)施例中，上表面32的金屬涂層7構(gòu)建成間接為25μm的金屬帶20，而下表面33的金屬層8形成大面積的電極。這種結(jié)構(gòu)使得可以對粒子束的寬度進(jìn)行一維位置確定。兩個(gè)這種金剛石板6，其中一個(gè)疊到另一個(gè)頂上，就可以對粒子束的位置強(qiáng)度分布進(jìn)行二維位置確定。
圖6以圖解形式示出了金剛石板6上表面32的金屬結(jié)構(gòu)7區(qū)域的頂視圖。與前面附圖中具有相同功能的元件標(biāo)以相同的附圖標(biāo)記，不再單獨(dú)討論。
金屬結(jié)構(gòu)7的構(gòu)建使得可以對粒子束或離子束進(jìn)行二維位置分解測量。因此在金剛石板6的表面32上，以統(tǒng)一格狀網(wǎng)大小均勻分布的設(shè)置有表面面積為180×180μm2的極微小電極9；寬度為0.5μm的導(dǎo)體線16以0.5μm的間距設(shè)置在其中，從而對于設(shè)置在旁邊的導(dǎo)體線，為了將160個(gè)靈敏電極連接到金剛石板6周邊區(qū)域中的接觸表面14，在寬度為180μm的靈敏電極之間還需要設(shè)置一個(gè)20μm的不靈敏帶20。單個(gè)焊接線15從這些160個(gè)接觸表面14連到基片上對應(yīng)的接觸連接表面，該基片以陶瓷板形式位于其下面(未示出)。這些電極的每一個(gè)通過焊接線15和導(dǎo)體線16提供有測量電壓，從而可以在這些電極9之每一個(gè)上以二維方式測量離子束或粒子束的位置強(qiáng)度。
圖7以圖解形式示出了沿圖6的A-A截面線穿過金剛石板6部分的橫截面。與前面附圖中具有相同功能的元件標(biāo)以相同的附圖標(biāo)記，不再單獨(dú)討論。
穿過金剛石板6的橫截面示出，金剛石板6的反面33被亞微觀厚度的連續(xù)金屬層蓋住作為框架電極。地電勢可以通過基片(未示出)上的導(dǎo)體線10加到金剛石板6的反面33。為了不歪曲在面積為180×180μm2的電極9上的位置分解測量結(jié)果，圖4中所示的寬度為0.5μm的導(dǎo)體線16和接觸連接表面14設(shè)置在絕緣層37上，該絕緣層與金剛石板6的表面絕緣并使其鈍化。
該絕緣層37可以由藍(lán)寶石、氮化硅、碳化硅、氮化硼或二氧化硅制成。關(guān)鍵的方面是，即使在高強(qiáng)度和/或高能粒子束情況下，該絕緣層仍然具有耐輻射性并且不會(huì)變得導(dǎo)電。
圖8以圖解形式示出了金剛石板6上表面32的金屬結(jié)構(gòu)7區(qū)域的頂視圖。與前面附圖中具有相同功能的元件標(biāo)以相同的附圖標(biāo)記，不再單獨(dú)討論。
附圖標(biāo)記19表示金剛石板6上表面32上的金屬帶20的格狀網(wǎng)。設(shè)置上表面32上的金屬帶用實(shí)線表示，而金剛石板6反面上的金屬帶用虛線表示。該帶結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是，每一條帶可以通過扁平導(dǎo)體形式的焊接線15連接到周邊區(qū)域，而不必提供如圖6所示的金剛石板6上表面32上的導(dǎo)體線。
根據(jù)圖6實(shí)施例上的本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)是，不必提供絕緣層，并且位置分解結(jié)果不會(huì)由于導(dǎo)體線或接觸連接表面而出錯(cuò)。這是通過這樣一個(gè)事實(shí)的結(jié)果實(shí)現(xiàn)的，即金剛石板的下表面并不具有金屬鏡面形式的連續(xù)金屬表面，而也是被構(gòu)建成金屬帶。然而用于具有金剛石板的這種檢測器的控制和測量電子電路比前述實(shí)施例更加復(fù)雜和昂貴，特別是由于每一交叉點(diǎn)必須單獨(dú)和連續(xù)地尋址，以確保最大位置分辨率。即使檢測器板6的帶結(jié)構(gòu)每平方厘米面積只有10條帶，也會(huì)導(dǎo)致有100個(gè)測量點(diǎn)和100個(gè)交叉點(diǎn)，其必須連續(xù)地尋址。如果上表面和下表面上帶的數(shù)目翻倍，測量點(diǎn)就變成四倍。盡管可以得到高強(qiáng)度的測量點(diǎn)，但是控制和檢測電路的成本當(dāng)然也會(huì)隨著金剛石板6上表面上的金屬帶數(shù)目相應(yīng)的以四倍關(guān)系增加。
圖9以圖解形式示出了沿圖8的B-B截面線穿過金剛石板6部分的橫截面。與前面附圖中具有相同功能的元件標(biāo)以相同的附圖標(biāo)記，不再單獨(dú)討論。
圖9示出了上層帶結(jié)構(gòu)20和下層帶結(jié)構(gòu)位于彼此相對的位置，下層帶結(jié)構(gòu)的金屬帶21通過基片(未示出)上的導(dǎo)體線10直接電氣連接。另一方面，上層帶20必須首先通過焊接連接件15連接到基片上對應(yīng)的布線間接線。為了實(shí)現(xiàn)位置分解測量，在每種情況下從兩條帶20和21，也就是如果粒子已經(jīng)穿過檢測器的該點(diǎn)，就從上表面32的帶20和下表面33的帶21讀出測量電壓(信號脈沖)。從每一個(gè)受到影響的交叉點(diǎn)快速連續(xù)地獲得該測量電壓，例如使用移位寄存器，并將其放置在存儲(chǔ)器中，從而在少于1μs內(nèi)可以檢測金剛石板6上的所有測量點(diǎn)。然而這種設(shè)置具有的限制是測量點(diǎn)的數(shù)目不能隨意增加，特別是如果在脈沖調(diào)制操作的情況下，以高強(qiáng)度的集束或聚焦的粒子束只是在若干分之微秒內(nèi)就穿過金剛石板。
圖10至15是在制造本發(fā)明實(shí)施例的金剛石板6的步驟過程中形成的中間產(chǎn)品的示意圖。與前面附圖中具有相同功能的元件標(biāo)以相同的附圖標(biāo)記，不再單獨(dú)討論。
圖10示出了基片板27。這種類型的基片板27可以由金屬的金屬板制成，例如鉬，其熔點(diǎn)超過1000℃，或者可以是多晶硅晶片。
在圖11中，到基片板27的上表面上，該表面已經(jīng)通過機(jī)械蝕刻方法被研磨過，碳從氣流38淀積到基片板27上，該氣流是帶有添加的有機(jī)碳物質(zhì)的氫攜載氣體，從而在上表面31上淀積成厚度為d的多晶金剛石層28。
在該實(shí)施例中，200μm的厚度d在從50至500μm的范圍中，并且很穩(wěn)定，從而基片板27可以被蝕刻掉，如圖2中所示，由此首先得到多晶材料的粗糙金剛石板。該金剛石板通過機(jī)械蝕刻方法在其上表面32和下表面33上可以被打磨，假設(shè)d為100μm至500μm之間的適當(dāng)厚度，由此它可以形成用于檢測器的、均勻厚度d的金剛石板6。
在化學(xué)氣相淀積和對上表面32和下表面33進(jìn)行可選的打磨之后，構(gòu)建的絕緣層37施加到上表面32上，如圖13中所示，其中例如180×180μm2的層窗39保持對金剛石板6的上表面32展開，從而在下一方法步驟中，如圖14所示，在絕緣層37的頂部以及在窗口39中都可以涂敷連續(xù)的金屬涂層4。與此同時(shí)或隨后，反面33也可以設(shè)有連續(xù)金屬層。
上表面32上的連續(xù)金屬涂層4然后可以如圖15中所示的構(gòu)建，使得在絕緣層37的頂部形成導(dǎo)體線結(jié)構(gòu)29，而在窗口39中，彼此絕緣的單個(gè)電極9仍然保持在后面。由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)對應(yīng)于如此前參照圖6和7所討論的結(jié)構(gòu)。
圖16是包括射束轉(zhuǎn)換器的常規(guī)感應(yīng)射束監(jiān)視器與根據(jù)本發(fā)明的檢測器的測量信號比較圖，該測量信號是通過高強(qiáng)度脈沖群射擊得到。目前為止，使用感應(yīng)射束監(jiān)視器通過射束轉(zhuǎn)換器的方式測量超過105個(gè)粒子每脈沖群的射束強(qiáng)度，因?yàn)榫哂谐Ｒ?guī)金屬化的常規(guī)金剛石板不能進(jìn)行如此高強(qiáng)度的測量。對于測量信號的比較，射束強(qiáng)度連續(xù)增加到1010個(gè)粒子每脈沖群。
圖16中測得用于比較的粒子射是具有300MeV/amu動(dòng)能和強(qiáng)度為2×108個(gè)粒子每脈沖群的六重充電氧原子射束(16O，6+)。在該過程中，曲線a是使用根據(jù)本發(fā)明的金剛石檢測器記錄的，曲線b是使用常規(guī)射束監(jiān)視器確定的。然而對于圖16中所示的比較，常規(guī)射束監(jiān)視器的測量信號必須乘以系數(shù)1000，如圖16的共同所示，以使得能夠?qū)⑸涫O(jiān)視器的測量信號與根據(jù)本發(fā)明的金剛石檢測器的2000倍大的信號進(jìn)行有意義的比較。從圖示中明顯可見，曲線a和b顯示出相同的臨時(shí)強(qiáng)度分布，每一曲線分別具有峰值a1、a2、a3和b1、b2、b3，但是它們之間具有臨時(shí)偏移，這是因?yàn)樵谠摐y量比較中，射束監(jiān)視器設(shè)置在金剛石檢測器的上游。為了比較，相比于常規(guī)感應(yīng)耦合的射束監(jiān)視器基本上較弱的測量信號，金剛石檢測器的測量信號既不被放大也不乘以系數(shù)。
附圖標(biāo)記表100，200，300 檢測器2.粒子的束或粒子束3.半導(dǎo)體板4.金屬涂層5.基片6.金剛石板7.金剛石板上表面上的金屬結(jié)構(gòu)8.金剛石板下表面上的金屬結(jié)構(gòu)9.電極10.基片上的導(dǎo)體線11.陶瓷板12.上表面的金屬層13.下表面的金屬層14.金剛石板的接觸表面15.焊接線16.金剛石板上的導(dǎo)體線17.陶瓷板下表面上的金屬層19.格狀網(wǎng)20.上表面上的金屬帶21.金剛石板的下表面上的金屬帶22.陶瓷板上的接觸連接表面23.托架24.陶瓷板的中心孔27.用于金剛石淀積的基片板28.金剛石層29.導(dǎo)體線結(jié)構(gòu)
31.基片板的表面32.金剛石板的上表面33.金剛石板的反面34.保持架35.螺旋連接件36.陶瓷板的上表面37.金剛石板上的絕緣層38.氣流39.窗口40.陶瓷板的反面41.同軸電纜42.同軸電纜的外套43.檢測器外殼44.外殼蓋45.外殼蓋孔46.絕緣粘膠47.壁的金屬涂層48.彈性導(dǎo)電襯墊49.彈性導(dǎo)電襯墊墊圈50.外殼基座中的孔51.外殼蓋孔上的Kapton膜52.外殼基座孔上的Kapton膜53.金剛石板的周邊區(qū)域54.金屬帶橋55.底板座a 使用檢測器測量的測量曲線b 使用射束轉(zhuǎn)換器測量的測量曲線
a1、a2、a3使用檢測器測得的峰值b1、b2、b3使用射束轉(zhuǎn)換器測得的峰值d 金剛石板的厚度A-A 圖6中的截面線B-B 圖8中的截面線參考文獻(xiàn)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權(quán)利要求
1.一種用于檢測高強(qiáng)度和高能粒子束(2)的檢測器，包括具有金屬涂層(4)的晶體半導(dǎo)體板(3)，并且設(shè)置在基片(5)上，其特征在于該半導(dǎo)體板(3)是金剛石板(6)，其兩面都用金屬結(jié)構(gòu)(7、8)覆蓋，金屬結(jié)構(gòu)(7、8)包括鋁和/或鋁合金，并且金屬結(jié)構(gòu)(7、8)包括若干個(gè)電極(9)，電極(9)被設(shè)置成通過基片(5)上的導(dǎo)體線(10)與各個(gè)電勢連接，并且該基片(5)包括具有中心孔(24)的陶瓷板(11)，該中心孔(24)被金剛石板(6)蓋住。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的檢測器，其特征在于金剛石板(6)的上表面(7)和下表面(8)上的金屬結(jié)構(gòu)形成兩個(gè)未被結(jié)構(gòu)化的連續(xù)金屬層(12、13)，下表面(33)的金屬層(13)具有地電勢，并且上表面(32)的金屬層(12)的電勢使得金剛石板(6)具有的電場強(qiáng)度范圍從0.5V/微米至5V/微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的檢測器，其特征在于金剛石板(6)的上表面(32)上和下表面(33)上的金屬結(jié)構(gòu)(7、8)具有未金屬化的周邊區(qū)域(53)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的檢測器，其特征在于該金剛石板(6)在其上表面(32)和其反面(33)具有若干個(gè)未金屬化的周邊區(qū)域，這些區(qū)域的寬度至少對應(yīng)于金剛石板(6)的厚度。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的檢測器，其特征在于金剛石板(6)的下表面(33)上的金屬結(jié)構(gòu)(8)具有連續(xù)金屬層(13)，并且金剛石板(6)的上表面(32)上的金屬結(jié)構(gòu)(7)具有多個(gè)極微小的接觸表面(14)或金屬帶(20)，它們通過陶瓷板(11)上的焊接線(15)和/或?qū)w線(16)連接到檢測器(100、200、300)的外部連接件。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的檢測器，其特征在于金屬結(jié)構(gòu)(7、8)包括金屬帶(20、21)的格狀網(wǎng)(19)，金剛石板(6)的下表面(33)的金屬帶(21)被設(shè)置與金剛石板(6)的上表面(32)的金屬帶(20)成直角。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的檢測器，其特征在于陶瓷板(11)具有若干個(gè)接觸連接表面(22)，它們通過同軸電纜(41)連接到檢測器(100、200、300)的外部連接件。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的檢測器，其特征在于檢測器(100)具有托架(23)，在托架(23)上面固定著其檢測器元件。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的檢測器，其特征在于檢測器(100、200、300)設(shè)置在檢測器外殼(43)中，檢測器外殼(43)具有地電勢，陶瓷板(11)的未金屬化反面通過導(dǎo)電橡膠的導(dǎo)電彈性襯墊(48)與檢測器外殼(43)電氣連接。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的檢測器，其特征在于陶瓷板(11)中的孔(24)上圓形或者實(shí)際上為四角形。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的檢測器，其特征在于金剛石板(6)是自支持的多晶金剛石板(6)，多晶金剛石板(6)通過化學(xué)氣相淀積形成，其厚度(d)的范圍在10μm至1000μm之間，優(yōu)選是在100μm至200μm之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至10中的檢測器，其特征在于金剛石板(6)是自支持的多晶金剛石板(6)，其厚度(d)的范圍在10μm至1000μm之間，優(yōu)選是在100μm至200μm之間。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的檢測器，其特征在于陶瓷板(11)具有作為布線間接線或?qū)w線(10)的印刷薄膜或厚膜導(dǎo)體，和薄膜或厚膜技術(shù)中的無源元件。
14.一種用于高強(qiáng)度粒子束的射束裝置，該粒子束每脈沖群具有105至1013個(gè)粒子，優(yōu)選是每脈沖群具有107至1013個(gè)粒子，該射束裝置具有根據(jù)權(quán)利要求1至13的檢測器(100、200、300)。
15.一種制造用于檢測高能和高強(qiáng)度粒子束的檢測器(1)的方法，其中檢測器包括具有金屬涂層(4)的晶體半導(dǎo)體板(3)，并設(shè)置在基片(5)上，該方法包括下列步驟提供基片板(27)；在基片板(27)上進(jìn)行碳的金剛石層(28)的化學(xué)氣相淀積；從金剛石層(28)上除去基片板(27)，形成自支持金剛石板(6)；用金屬結(jié)構(gòu)(7、8)覆蓋金剛石板(6)的上表面和反面；制造陶瓷板(11)，其具有中心孔(24)和布線間接線或具有接觸連接表面(22)和/或無源元件的導(dǎo)體線；將雙面金屬化的金剛石板(6)安裝到陶瓷板(11)上，使中心孔(24)被蓋??；使金剛石板(6)的金屬結(jié)構(gòu)(7、8)連接到陶瓷板(11)上的導(dǎo)體線(10)或金屬層(17)；將檢測器元件固定在托架(23)上。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其特征在于使用氣態(tài)有機(jī)碳物質(zhì)用于在基片上進(jìn)行碳的金剛石層(28)化學(xué)氣相淀積。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16的方法，其特征在于該氣態(tài)物質(zhì)包括氫氣以及0.5至2％體積的甲烷。
18.根據(jù)權(quán)利要求15至17之一的方法，其特征在于使用等離子腐蝕方法從自支持金剛石層(28)除去基片板(27)。
19.根據(jù)權(quán)利要求15至18之一的方法，其特征在于使用化學(xué)濕法腐蝕法從自支持金剛石層(28)除去基片板(27)。
20.根據(jù)權(quán)利要求15至19之一的方法，其特征在于使用反應(yīng)濺射法、蒸汽淀積法或燒結(jié)法，以便用金屬層(12、13)覆蓋金剛石板(6)的上表面(32)和反面(33)。
21.根據(jù)權(quán)利要求15至20之一的方法，其特征在于使用應(yīng)用掩膜的反應(yīng)濺射法或蒸汽淀積法，以便用金屬結(jié)構(gòu)(7、8)覆蓋金剛石板(6)的上表面(32)和/或反面(33)。
22.根據(jù)權(quán)利要求15至21之一的方法，其特征在于為了用金屬結(jié)構(gòu)(7、8)覆蓋金剛石板(6)的上表面(32)和反面(33)，首先涂敷金屬層(12、13)，該金屬層通過光刻法順序構(gòu)成。
23.根據(jù)權(quán)利要求15至22之一的方法，其特征在于為了用金屬帶圖案(20、21)覆蓋金剛石板(6)的上表面(32)和反面(33)，首先涂敷金屬層(12、13)，然后通過光刻裝置將絕緣溝或縱向凹槽引入該金屬層(12、13)。
24.根據(jù)權(quán)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)上提供布線間接線或?qū)w線(10)、接觸連接表面(22)和/或無源元件。
25.根據(jù)權(quán)利要求15至24之一的方法，其特征在于使用焊接方法，以使金剛石板(6)的金屬結(jié)構(gòu)(7、8)連接到陶瓷板(11)上的布線間接線或?qū)w線(10)。
26.根據(jù)權(quán)利要求15至25之一的方法，其特征在于提供金屬保持架(34)，用于在托架(23)上固定檢測器元件，其中保持架同時(shí)通過陶瓷板(11)上的導(dǎo)體線建立地電勢連接。
27.一種根據(jù)權(quán)利要求1至14之一的檢測器在檢測射束裝置的高強(qiáng)度粒子束的應(yīng)用，該射束裝置具有的射束強(qiáng)度為105至1013個(gè)粒子每脈沖群，優(yōu)選是射束強(qiáng)度為107至1013個(gè)粒子每脈沖群。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于檢測高強(qiáng)度和高能粒子束(2)的檢測器及其制造方法，該檢測器包括一個(gè)具有金屬涂層(4)的晶體半導(dǎo)體板(3)，并且其設(shè)置在基片(5)上，半導(dǎo)體板(3)是金剛石板(6)，在金剛石板兩面都以金屬結(jié)構(gòu)(7、8)覆蓋。金屬結(jié)構(gòu)(7、8)包括鋁和/或鋁合金，并形成若干個(gè)電極，設(shè)置這些電極以通過基片(5)上的導(dǎo)體線與各個(gè)電勢連接，基片(5)是具有中心孔(24)的陶瓷板(11)，該中心孔被金剛石板(6)蓋住。
文檔編號G01T1/24GK1623105SQ03802732
公開日2005年6月1日 申請日期2003年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月25日
發(fā)明者埃萊尼·貝爾德曼, 維姆·德伯爾 申請人:重離子研究有限公司