本發(fā)明涉及光電探測，特別是涉及一種多晶金剛石束流損失探測器及其制備工藝。

背景技術(shù)：

1、重離子加速器是用人工方法產(chǎn)生高速離子束流的裝置，是探索基本相互作用、物質(zhì)結(jié)構(gòu)和宇宙演化的重要工具，也是研發(fā)關(guān)乎經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和國家安全的先進(jìn)核技術(shù)的平臺。高流強(qiáng)、高能量、高束團(tuán)功率是重離子速器的發(fā)展趨勢。

2、21世紀(jì)以來，隨著科學(xué)技術(shù)全面發(fā)展，核科學(xué)也面臨新的發(fā)展機(jī)遇。美國和歐洲均制定了核物理研究的中長期發(fā)展規(guī)劃，指出重離子核物理研究的前沿領(lǐng)域是原子核結(jié)構(gòu)與核天體物理、強(qiáng)相互作用物質(zhì)性質(zhì)和超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理等。在此等科學(xué)目標(biāo)的牽引下，世界各國正在建設(shè)大型重離子加速器研究裝置，例如德國的反質(zhì)子和離子研究裝置(facility?for?antiproton?and?ion?research，fair)，美國的稀有同位素束流裝置(facility?for?rare-isotope?beams，frib)和法國的在線放射性離子產(chǎn)生系統(tǒng)(systèmede?production?d'ions?radioactifs?en?ligne-2，spiral2)等。中科學(xué)近代物理研究所的強(qiáng)流重離子加速器裝置(high?intensity?heavy-ion?accelerator?facility，hiaf)在設(shè)計(jì)上集成了新一代重離子加速器裝置的優(yōu)點(diǎn)，能夠提供高流強(qiáng)、寬能量范圍、種類豐富的穩(wěn)定核和放射性離子束流以及高功率重離子束團(tuán)。

3、在強(qiáng)流加速器運(yùn)行過程中，一個重要的問題就是需要在全段對裝置的束流損失進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。一旦加速器裝置中某一設(shè)備出現(xiàn)故障，就可能會造成沿束線中心正常加速或傳輸?shù)氖髌x中心，從而擊中其它設(shè)備，造成設(shè)備損壞。在束流偏離中心位置，因束流擊中加速器真空管道或其它設(shè)備等，會產(chǎn)生大量次級粒子，通過測量次級粒子的計(jì)數(shù)率變化，可以判斷加速器束流出現(xiàn)異常，從而給出信號從前端切斷束流，達(dá)到保護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備目的，并給出加速器故障的準(zhǔn)確定位。因此，需要在加速器全段安裝束流損失探測器，用于束流損失情況的實(shí)時監(jiān)測，判斷加速器裝置運(yùn)行是否正常，保護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。束流損失探測器是保證強(qiáng)流加速器裝置正常運(yùn)行的重要組成部分。

4、常用的束損監(jiān)測探測器(beam?loss?monitor，簡寫blm)有電離室、pin光電二極管、閃爍體+pmt、閃爍體+sipm、硅半導(dǎo)體探測器等。電離室是最常用的束損監(jiān)測探測器，電離室時間相應(yīng)慢，時間分辨率為50us。塑料閃爍體探測器雖然響應(yīng)時間快，但抗輻照性能太差，不能長時間使用。硅半導(dǎo)體探測器也可以用作束流損失監(jiān)測器，但其抗輻照性能比閃爍體更差，使用壽命短。近些年來金剛石探測器作為新型核輻射探測器，也被廣泛地應(yīng)用于束流損失監(jiān)測。具有以下獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：(1)耐高溫高壓、噪聲低。金剛石禁帶寬度5.47ev，對可見光不敏感，其擊穿電場高達(dá)10mv/cm；具有超高的熱導(dǎo)率，可在120℃高溫下穩(wěn)定工作。(2)抗輻照性能強(qiáng)。金剛石sp3雜化c-c鍵結(jié)合能很高，晶格結(jié)合牢固，即使在高劑量高能重離子輻照下，其晶格損失也很小，有很強(qiáng)的抗輻射性能。(3)時間響應(yīng)快，時間分辨率小于60ps。(4)高計(jì)數(shù)率，金剛石探測器時間信號寬度小于10ns，因此其計(jì)數(shù)率高達(dá)108-109pps。非常適合用作強(qiáng)流裝置上的束流損失探測器。

5、盡管金剛石探測器在輻照探測方面有著非常優(yōu)越的性能，但是其在強(qiáng)流重離子加速器的束流損失監(jiān)測方面的應(yīng)用卻受到許多現(xiàn)實(shí)原因的制約。首先是價格比較昂貴。為了精確的監(jiān)測束流損失，在hiaf裝置上至少也需要幾百個束損監(jiān)測器。。

6、為了獲得金剛石束流損失探測器，除了購買成品，還可以利用金剛石薄膜自己研制。金剛石薄膜根據(jù)其應(yīng)用不同有不同的分類，但是在輻照探測器應(yīng)用上，大體可以分為電子級金剛石薄膜和光學(xué)級金剛石薄膜。兩種級別金剛石薄膜的主要差別在于n和b雜質(zhì)的含量上，電子級金剛石薄膜中n和b的含量在ppb級別，而光學(xué)級金剛石薄膜中n和b元素的含量在ppm級別。要制作高性能的金剛石探測器就需要電子級金剛石薄膜基片，雖然探測器級金剛石薄膜在國外許多國家已經(jīng)能夠商業(yè)化生產(chǎn)了，然而由于我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)等相對比較落后，目前國內(nèi)還無法生長出電子級金剛石薄膜。國外的電子級金剛石薄膜，不僅價格十分昂貴，用于制作金剛石束流損失探測器成本過高、而且采購困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種多晶金剛石束流損失探測器的制備工藝，所述探測器以價格低廉的光學(xué)級多晶金剛石薄膜為基礎(chǔ)，生產(chǎn)成本低、結(jié)構(gòu)簡單易于加工。

2、第一方面，本發(fā)明提供了一種多晶金剛石束流損失探測器的制備工藝，包括以下步驟：

3、選取光學(xué)級多晶金剛石薄膜作為晶片，對所述晶片的兩面進(jìn)行拋光處理；

4、對所述晶片的兩面進(jìn)行清洗，以去除其表面有機(jī)油脂和石墨層；

5、使用強(qiáng)氧化性酸或者氧等離子刻蝕技術(shù)對所述晶片表面進(jìn)行氧化處理；

6、利用磁控濺射鍍膜技術(shù)在所述晶片的的表面鍍上cr膜或ti膜，在所述cr膜或ti膜的外側(cè)鍍上au膜，鍍膜完成后，進(jìn)行真空退火，在所述晶片的表面形成接觸電極；

7、將表面形成接觸電極的晶片封裝于屏蔽外殼中形成多晶金剛石束流損失探測器，并采用陶瓷電路板作為所述多晶金剛石束流損失探測器的引出電路板。

8、在一些實(shí)現(xiàn)方式中，所述對所述晶片的兩面進(jìn)行清洗，包括：

9、將所述晶片在h2so4+kno3的飽和溶液中煮2個小時，以去掉表面的有機(jī)層和石墨；

10、將所述晶片取出后放在h2so4溶液中煮30分鐘，去除所述晶片表面產(chǎn)生的kno3結(jié)晶；

11、將所述晶片在王水中煮30分鐘，氧化所述晶片的表面；

12、使用去離子水超聲波清洗所述晶片，在惰性氣體環(huán)境下烘干。

13、在一些實(shí)現(xiàn)方式中，所述對所述晶片的兩面進(jìn)行清洗，包括：

14、使用丙酮、無水乙醇和去離子水超聲波清洗所述晶片5分鐘，以去除表面污染物；

15、將所述晶片在王水中煮20分鐘，取出后使用離子水超聲波清洗晶片5分鐘；

16、將晶片放在h2so4:hno3＝3:2的溶液中清洗20分鐘，取出后利用去離子水超聲波清洗晶片5分鐘；

17、將晶片放在h2so4:h2o2＝5:1的溶液中清洗20分鐘，取出后利用去離子水超聲波清洗晶片5分鐘；

18、在惰性氣體環(huán)境下烘干；

19、使用氧等離子刻蝕技術(shù)對所述晶片表面氧化處理。

20、在一些實(shí)現(xiàn)方式中，所述接觸電極與所述晶片的接觸方式為歐姆接觸。

21、在一些實(shí)現(xiàn)方式中，所述au膜的厚度為50nm-200nm；所述cr膜或所述ti層的厚度為50nm-150nm。

22、在一些實(shí)現(xiàn)方式中，所述接觸電極的剖面形狀為矩形或圓形。

23、在一些實(shí)現(xiàn)方式中，對所述晶片的兩面進(jìn)行拋光處理中，拋光精度小于10nm。

24、第二方面，本發(fā)明還提供一種采用上述制備工藝所制備的多晶金剛石束流損失探測器，包括外殼，所述外殼內(nèi)封裝有高頻sma連接器，陶瓷引出電路板和金剛石多晶薄膜，所述金剛石多晶薄膜的表面鍍有接觸電極，所述高頻sma連接器通過所述陶瓷引出電路板與所述金剛石多晶薄膜連接。

25、在一些實(shí)現(xiàn)方式中，所述探測器的結(jié)構(gòu)為msm結(jié)構(gòu)，msm結(jié)構(gòu)為金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)。

26、在一些實(shí)現(xiàn)方式中，所述探測器的信號寬度為3-4ns，上升時間為0.5-1.5ns。

27、本發(fā)明的有益效果：

28、本發(fā)明相比于現(xiàn)在高昂的電子級多晶探測器，本發(fā)明利用光學(xué)級多晶金剛石薄膜制備金剛石束流損失探測器，大大降低了強(qiáng)流重離子加速器上束流損失監(jiān)測的成本。