ES2289258T3 - Detector para captar haces de particulas y procedimiento para su fabricacion. - Google Patents

Abstract

Detector para captar un haz de partículas (2) de alta intensidad y alta energía, que presenta una placa semiconductora cristalina (3) con un revestimiento metálico (4) y está dispuesto sobre un substrato (5), en el que la placa semiconductora (3) es una placa de diamante (6) que está revestida en ambos lados con estructuras metálicas (7, 8), en el que las estructuras metálicas (7, 8) presentan aluminio y/o una aleación de aluminio y en el que las estructuras metálicas (7, 8) presentan electrodos (9) que se pueden unir con potenciales eléctricos diferentes a través de pistas conductoras (10) del substrato (5), caracterizado porque el substrato (5) presenta una placa de cerámica (11) con una abertura central (24) que está cubierta por la placa de diamante (6).

Description

Detector para captar haces de partículas y procedimiento para su fabricación.

La invención concierne a un detector para captar haces de partículas, especialmente haces de partículas de alta intensidad y alta energía, que presenta una placa semiconductora cristalina con un revestimiento metálico y está dispuesto sobre un substrato, así como a un procedimiento para su fabricación, según el preámbulo de las reivindicaciones independientes. Por haces de partículas de alta intensidad se entienden en este contexto haces de partículas que comprenden paquetes de impulsos con más de 10^{5} partículas por paquete de impulsos y mm^{2}, preferiblemente más de 10^{7} partículas por paquete de impulsos y mm^{2} a 10^{13} partículas por paquete de impulsos y mm^{2}.

Se conocen diferentes tipos de detectores para captar haces de partículas, tales como los que se describen por P. Strehl en el Handbook of Ion Sources, CRC-Press, 1995, páginas 385 y siguientes. En uno de los tipos de detectores, que ha sido descrito por Roger Fourme en el Journal Nuclear Instruments Methods A 392, páginas 1 a 11, 1997, se emplea un alambre que está rodeado por un gas detector, con lo que, al pasar partículas por el gas detector o por el gas de recuento, se puede tomar una señal del alambre. Tendiendo rejillas de alambre se puede medir también una distribución local del haz de partículas. Sin embargo, la resolución es limitada debido al diámetro del alambre en el rango de 25 \mum y a la distancia necesaria de un alambre a otro. A esto se añade que en caso de una radiación de alta intensidad falla el gas de recuento debido a la formación de plasma.

Otro tipo de detector presenta una placa semiconductora, especialmente una placa de silicio monocristalino, que está recubierta de oro en ambos lados. Sin embargo, un detector de esta clase adolece del inconveniente de que la placa de silicio sufre daños de radiación en su rejilla de silicio del tipo de diamante en caso de una radiación de alta intensidad con haces de partículas, lo que tiene como consecuencia la generación de sitios defectuosos, reduce extremadamente la eficiencia de acumulación de carga del detector de silicio y aumenta la corriente errónea.

Los intentos de utilizar, en lugar de la placa de silicio, placas de diamante policristalino para medir haces de partículas de altas intensidad, no han resultado satisfactorios a pesar de una compleja constitución de una metalización de las placas de diamante a base de, primero, un revestimiento de titanio o un revestimiento de titanio/wolframio o un revestimiento de cromo bien adherido sobre diamante y un revestimiento subsiguiente por contacto de oro.

El documento US 5,773,830 describe un detector con una placa de diamante.

Hasta ahora, los haces de partículas de alta intensidad se pueden medir tan sólo con transformadores de haz relativamente insensibles que rodean y captan el haz de partículas con devanados de inducción.

El cometido de la invención consiste en crear un detector más sensible que los transformadores de haz para captar un haz de partículas de alta intensidad, que supere las desventajas del estado de la técnica y pueda captar haces de partículas de alta intensidad y alta energía, sin que sea intensamente refrigerado. Asimismo, es cometido de la invención indicar un procedimiento para fabricar un detector de esta clase.

Este problema se resuelve con el objeto de las reivindicaciones independientes. Perfeccionamientos ventajosos de la invención se desprenden de las reivindicaciones subordinadas.

Según la invención, el detector presenta como placa semiconductora una placa de diamante que está revestida en ambos lados con estructuras metálicas, presentando las estructuras metálicas aluminio y/o una aleación de aluminio. Las estructuras metálicas forman electrodos que se pueden unir con potenciales eléctricos diferentes a través de pistas conductoras dispuestas sobre el substrato. El substrato presenta una placa de cerámica con una abertura central que está cubierta por la placa de diamante. Las estructuras metálicas de ambos lados pueden presentar en el caso más sencillo un revestimiento completo a ambos lados de la placa de diamante, manteniéndose libre únicamente la zona de borde en ambos lados alrededor de la metalización.

Este detector tiene la ventaja de que puede medir la intensidad de un haz de partículas de alta intensidad, especialmente un haz de iones, sin que sea intensamente refrigerado. Además, los electrodos dispuestos sobre la placa de diamante pueden estar estructurados de tal manera que la distribución de intensidad sobre la sección transversal del haz de partículas de alta energía pueda ser medida con alta resolución. Asimismo, con el detector se puede medir también la distribución de intensidad a lo largo del tiempo, con lo que resultan las importantes ventajas siguientes de este detector a base de una placa de diamante con estructuras metálicas de aluminio:

1)

una resistencia inesperadamente alta a la radiación de la construcción del detector hasta intensidades máximas de hasta 10^{13} partículas por paquete de impulsos y por mm^{2}, en órdenes de magnitud de hasta 100 tera-eV de energía depositada en el detector, a anchuras de impulso de 100 ns a 10 s;

2)

una alta resolución temporal de un impulso de haz de partículas o un paquete de impulsos con una resolución temporal en el dominio de subnanosegundos,

3)

una alta resolución de la distribución espacial del haz en el dominio submilimétrico;

4)

una captación de intensidad del haz linealmente de más de 10 órdenes de magnitud, de modo que incluso en el máximo orden de magnitud de aproximadamente 10^{13} partículas por paquete de impulsos y mm^{2} no resulta necesaria ninguna refrigeración intensa e incluso se puede captar solamente 1 partícula/mm^{2} con el detector según la invención;

5)

una magnitud de la señal de medida que es superior en más de tres décimas potencias a las señales de medida de transformadores de haz convencionales.

Estas ventajas inesperadas se basan posiblemente en la naturaleza del material de diamante y en la naturaleza de la metalización, estando ubicado el número de orden Z del aluminio cerca del número de orden Z del carbono y, por tanto, estando muy bien adaptada la pérdida por ionización en el aluminio a la pérdida por ionización en el diamante. La placa de diamante aluminizada por ambos lados provoca la generación de señales mediante la formación correspondiente de pares de electrones-agujeros dentro de su volumen, los cuales forman un flujo de corriente que puede medirse dentro del cristal en los electrodos puestos a altas tensiones, a intensidades de campo eléctrico entre los electrodos situadas en el intervalo de 0,5 V/micrómetro a 5 V/micrómetro. Se destaca aquí como ventaja adicional una proporcionalidad inesperada entre la intensidad del haz de partículas de alta energía y la corriente de señal en los electrodos del detector.

Un detector de diamante muy puro tiene la ventaja de que en haces de partículas de alta intensidad y alta energía, especialmente en haces de iones de alta intensidad, se presenta una alta acumulación de pares de electrones-agujeros, y de que los electrodos puestos a potenciales diferentes pueden suministrar una corriente de señal correspondientemente alta con la que se puede activar directamente un oscilógrafo y, por tanto, se puede medir la intensidad del haz de iones sin una amplificación intermedia.

Dado que el detector de diamante muy puro presenta un ruido extraordinariamente pequeño, se puede detectar también por medio de un amplificador adecuado una partícula individual, de modo que puede medirse el intervalo total de la intensidad de partículas individuales por mm^{2} hasta 10^{13} partículas por paquete de impulsos y por mm^{2}. Un intervalo de medida tan extenso, de mucho más de 10 órdenes de magnitud, no se puede conseguir con detectores convencionales. Para los intervalos de intensidad inferiores con hasta 10^{5} partículas por paquete de impulsos se pueden utilizar perfectamente detectores de diamante con metalización compleja convencional. Para intervalos de intensidad de más de 10^{5} a 10^{13} partículas por paquete de impulsos no era posible ni siquiera con detectores de placa de diamante, o bien con otros detectores convencionales, medir de forma reproducible y duradera paquetes de impulsos de esta clase con una resolución correspondientemente elevada. Únicamente la construcción del detector según la invención resolvió de manera sorprendente e inesperada el problema de medición de intensidad para haces de partículas de alta intensidad, especialmente para un intervalo entre 10^{7} y 10^{13} partículas por paquete de impulsos.

Otra forma de realización preferida de la invención prevé que las estructuras metálicas dispuestas en el lado superior y en el lado inferior de la placa de diamante formen dos capas metálicas cerradas. Tales capas metálicas cerradas en el lado inferior y en el lado superior con un recubrimiento de aluminio correspondientemente delgado tienen la ventaja de que un detector estructurado de esta manera puede captar el número total de partículas pasantes o la intensidad del haz de partículas de alta energía. A este fin, se pone la capa metálica del lado inferior a un potencial de masa y la capa metálica del lado superior a un potencial que genere en la placa de diamante una intensidad de campo en el intervalo de 0,5 V/\mum a 5 V/\mum. Esto significa que con un espesor medio de la placa de diamante de 50 \mum se utilizará una tensión de 25 a 250 V y con placas de diamante correspondientemente más gruesas se utilizarán tensiones correspondientemente más altas.

Para evitar que las líneas de campo salgan de la zona del borde del detector e igualmente para evitar las perforaciones eléctricas o corrientes reptantes originadas por ello en el área del borde, las áreas del borde de las capas metálicas del lado inferior y del lado superior del detector presentan zona de borde no metalizadas. Estas zonas de borde no metalizadas presentan una anchura que corresponde al menos al espesor de la placa de diamante. Con esta estructura metálica se incrementa de manera ventajosa la resistencia del detector a las corrientes reptantes.

Si se debe medir la distribución de intensidad de las partículas de alta energía sobre la sección transversal de un haz, se pueden utilizar entonces dos disposiciones de estructura metálica diferentes. En una primera forma de realización de la invención se habilita para ello sobre el lado inferior de la placa de diamante una capa metálica cerrada, y la estructura del lado superior de la placa de diamante presenta un gran número de superficies de contacto o tiras metálicas microscópicamente pequeñas. Por microscópicamente pequeño se entiende en este contexto un tamaño de superficie de contacto o una anchura de tira que se pueda reconocer y medir con escalas microscópicas convencionales bajo un microscopio óptico. Estas superficies de contacto o tiras metálicas microscópicamente pequeñas que están dispuestas en el lado superior del detector frente a la capa metálica dispuesta en el lado inferior del detector pueden estar unidas eléctricamente por medio de alambres de ligadura con líneas de recableado de la placa de cerámica que están a su vez unidas con circuitos de evaluación y/o con terminales exteriores del detector, o bien se unen con circuitos de evaluación o con los terminales exteriores del detector a través de pistas conductoras de una capa de aislamiento de la placa de diamante y a través de líneas de recableado de la placa de cerámica. En esta forma de realización de la invención se dispone el gran número de superficies de contacto microscópicamente pequeñas dentro de una medida de trama lo más estrecha posible, con lo que se puede conseguir una gran resolución de superficie de hasta menos de 50 micrómetros.

Otra forma de realización de la invención prevé para ello que las estructuras metálicas presenten una red de rejillas de tiras metálicas, estando dispuestas las tiras metálicas del lado inferior de la placa de diamante en ángulo recto con las tiras metálicas del lado superior de la placa de diamante. Con este modelo se tiene que, de manera semejante a un modelo de rejilla de alambre, se puede dividir la placa de diamante en pequeños elementos de volumen, presentando cada elemento de volumen unos electrodos opuestos que pueden ser explorados en filas y columnas por un circuito de alimentación y evaluación electrónico correspondiente, de modo que con un detector estructurado de esta clase resulta posible una clara imagen de la distribución de intensidad sobre la sección transversal del haz de iones.

Las distintas tiras pueden unirse fácilmente por medio de alambres de ligadura o bien directamente con líneas de recableado de la placa de cerámica, los cuales a su vez presentan de nuevo superficies terminales de contacto que pueden unirse con terminales exteriores del detector. A una distancia de paso de 20 \mum a 50 \mum en cada modelo de tiras se pueden alojar sobre una placa de 10 x 10 mm, teniendo en cuenta un borde no metalizado de 1 mm, aproximadamente 160 tiras para una anchura de paso de 50 \mum, de modo que resultan 25600 puntos de cruce entre las tiras en el lado superior y en el lado inferior y, por tanto, resultan posibles 25600 puntos de medida. Esto hace posible una exacta medición de la posición del haz de iones y una exacta medición del perfil del haz de iones.

En otra forma de realización de la invención el detector presenta un marco de soporte sobre el cual están fijados los componentes del detector. Este marco de soporte tiene la ventaja de que ofrece un sostén suficiente a la placa de cerámica y al mismo tiempo puede proteger el detector contra daños. Asimismo, este marco de soporte puede estar constituido por un metal y servir como línea de alimentación para el potencial de masa. Entre el marco de soporte y la placa de cerámica se incorpora un tope cauchoelástico eléctricamente conductor de goma conductora que impide tensiones mecánicas de deformación de la placa de cerámica sensible a la tracción, con lo que consigue una larga vida útil del detector.

Asimismo, en lugar de un marco de soporte de aluminio, una carcasa cerrada del detector hecha de aluminio puede alojar y fijar los componentes del detector. Mediante una carcasa completamente cerrada del detector, hecha de aluminio, se forma un blindaje óptimo contra perturbaciones eléctricas, tal como en una jaula de Faraday. Una carcasa de detector de esta clase tiene la ventaja de que ofrece un sostén suficiente a la placa de cerámica y al mismo tiempo puede proteger la placa de diamante contra daños. En la carcasa del detector se pueden incorporar también topes cauchoelásticos eléctricamente conductores para proteger la placa de cerámica contra tensiones mecánicas de deformación. Además, la carcasa del detector hecha de aluminio puede utilizarse como línea de alimentación para el potencial de masa.

La abertura de la placa de cerámica presenta dimensiones exteriores ligeramente más pequeñas que las de la propia placa del detector o la placa de diamante que cubre esta abertura. En una forma de realización preferida de la invención esta abertura de la placa de cerámica es de forma circular. Esta abertura de forma circular con un detector correspondiente se utiliza cuando se espera que el haz de partículas de alta intensidad y alta energía presente una sección transversal circular. Sin embargo, si se escanea el haz de partículas, se manifiesta entonces como ventajosa una abertura cuadrangular en la placa de cerámica, de modo que en otra forma de realización preferida de la invención el detector y la abertura de la placa de cerámica son de configuración cuadrangular.

En otra forma de realización de la invención la placa de diamante es una placa autoportante de diamante policristalino formada por deposición química en fase gaseosa, la cual presenta un espesor en el intervalo de 10 \mum a 500 \mum y preferiblemente en el intervalo de 50 \mum a 200 \mum. Dado que el diamante es un material extraordinariamente resistente y duro, se pueden fabricar ya plaquitas o placas de 10 \mum de espesor que sean enteramente autoportantes, con lo que se puede materializar un intervalo de espesor de 10 a 500 \mum. Tales placas de diamante pueden estar pulidas en ambos lados para recibir la metalización o las estructuras metálicas, de modo que se obtienen superficies completamente planas. Se cuida en este caso de que el lado superior y el lado inferior sean planoparalelos uno respecto de otro.

Sin embargo, la policristalinidad de la placa de diamante en esta forma de realización limita la homogeneidad de las señales debido a los límites de grano que se presentan en la placa de diamante. Por este motivo, se ha previsto utilizar en otra forma de realización de la invención una placa autoportante de diamante monocristalino con un espesor en el intervalo de 50 \mum a 500 \mum, preferiblemente de 50 a 200 \mum. En detectores con electrodos correspondientemente estructurados en cada lado de la placa de diamante se pueden materializar tanto la medición de la intensidad del haz y/o del perfil del haz como la medición de la distribución temporal del haz con independencia del lugar de incidencia del haz de partículas. Asimismo, en una placa de diamante de esta clase se puede lograr ventajosamente la resolución de medida antes mencionada de 25600 puntos de medida por cm^{2}. A este fin, la placa de diamante monocristalino puede presentar una longitud periférica de varios centímetros, preferiblemente de 2 a 6 cm, lo que corresponde a una superficie de aproximadamente 5 x 5 mm^{2} a aproximadamente 15 x 15 mm^{2}.

Cuando no deba materializarse una estructura extraordinariamente fina en el dominio micrométrico, las líneas de recableado antes mencionadas de la placa de cerámica pueden consistir en líneas impresas de película delgada o de película gruesa y presentar además, en la misma técnica, componentes pasivos tales como resistencias, condensadores y bobinas. Por tanto, además de las líneas de recableado, se puede prever sobre la placa de cerámica un circuito ya evaluador o un circuito adaptador de impedancia. En particular, es ventajoso prever en técnica de película delgada una impedancia que corresponda a la resistencia interna del oscilógrafo evaluador. Esta resistencia interna del oscilógrafo es usualmente de 50 \Omega.

Un procedimiento de fabricación de un detector para captar haces de partículas de alta energía y alta intensidad, que presenta una placa semiconductora cristalina con revestimiento metálico y está dispuesto sobre un substrato, presenta los pasos siguientes:

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habilitación de una placa de substrato adecuada, preferiblemente una placa de substrato de diamante monocristalino, o una placa de silicio monocristalino o una placa metálica de un metal con un punto de fusión superior a 1000ºC,

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deposición química en fase gaseosa de una capa de diamante a partir se carbono sobre la placa de substrato,

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retirada de la placa de substrato separándola de la capa de diamante autoportante para formar una placa de diamante,

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revestimiento del lado superior y del lado posterior de la placa de diamante con estructuras metálicas,

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habilitación de una placa de cerámica con abertura central y pistas conductoras y/o capas metálicas con superficies terminales de contacto y/o componentes pasivos sobre su lado superior y metalización de toda la superficie en su lado posterior,

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aplicación de las dos placas de diamante metalizadas en ambos lados sobre la placa de cerámica cubriendo la abertura central,

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unión de las estructuras metálicas de la placa de diamante con estructuras metálicas de la placa de cerámica,

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inmovilización de los componentes del detector sobre un marco de soporte con ayuda de un marco de retención.

Este procedimiento tiene la ventaja de que primero se fabrica paso a paso la pieza corazón del detector, es decir, una placa de diamante. A este fin, con el primer paso se puede continuar de manera ventajosa el tipo de rejilla de diamante, por ejemplo, de una placa de substrato de diamante monocristalino o de una placa portadora de silicio mediante la disposición de átomos de carbono sobre este tipo de rejilla de diamante de tales placas de substrato, lo que, en el caso de un substrato de diamante monocristalino, conduce a una placa de diamante monocristalino. Sin embargo, en el caso de una placa portadora de silicio, el tipo de rejilla de diamante ya no contiene átomos de silicio durante la deposición, sino que contiene átomos de carbono. Esta constitución de la rejilla con constante de rejilla diferente conduce a una capa de diamante policristalino.

Otra ventaja de este procedimiento es que, después de la fabricación de una capa correspondiente de diamante, se puede erosionar ésta en el caso de una placa portadora de silicio o una placa metálica, sobre todo porque, con un espesor correspondiente de al menos 10 \mum, la capa de diamante se ha convertido en una placa autoportante. Una ventaja de la placa de substrato hecha de un metal con un punto de fusión de más de 1000ºC, preferiblemente hecha de molibdeno, reside en la utilización de una temperatura de reacción lo más alta posible durante el procedimiento de deposición de un revestimiento de diamante, lo que puede acelerar una deposición de carbono a partir de la fase gaseosa. Después de la retirada queda una placa de diamante policristalino de un espesor de 10 \mum a 1000 \mum. La placa de substrato puede ser pulida en su lado superior y en su lado posterior cuando se haya alcanzado un espesor suficiente entre 100 \mum y 1000 \mum, preferiblemente entre 100 \mum y 500 \mum, de modo que se tiene preparada una superficie completamente plana para las estructuras metálicas.

Como metal de las estructuras metálicas sobre la placa de diamante se utiliza de manera ventajosa un aluminio o una aleación de aluminio, estando ubicado el número de orden Z del aluminio cerca del número de orden Z del carbono y, por tanto, estando adaptada la pérdida por ionización en el aluminio a la pérdida por ionización en el diamante.

Otra ventaja de este procedimiento reside en el empleo de una placa de cerámica que, por un lado, puede transformar estructuras parciales microscópicas de la placa de diamante en estructuras metálicas macroscópicas, de modo que se pueden aplicar a la placa de cerámica terminales exteriores correspondientemente grandes para el detector. Macroscópico quiere decir en este contexto que las dimensiones de estas estructuras son tan grandes que pueden ser reconocidas y medidas a simple vista. Las líneas de recableado o las pistas conductoras correspondientemente preparadas sobre la placa de cerámica sirven también para este fin de agrandamiento de los elementos de acceso. Sin tales líneas de recableado y, por tanto, sin tales superficies, como las que pone a disposición la placa de cerámica, no sería posible un acceso a las estructuras microscópicamente pequeñas de la placa de diamante.

La fijación de los componentes del detector sobre un marco portador puede asegurarse de manera ventajosa por medio de un marco metálico hecho también de aluminio. Tales marcos de aluminio se pueden mecanizar con facilidad y, por tanto, se puede ajustar y fijar también sobre el marco portador una placa de cerámica con estructuras correspondientemente preparadas, como, por ejemplo, taladros. Además, el aluminio presenta una alta conductividad calorífica, de modo que el calor que se origina en la placa de diamante puede ser transferido a través de la placa de cerámica hasta el marco de aluminio y más allá hasta la carcasa de una instalación en la que está instalado el detector.

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Para habilitar una placa portadora de silicio monocristalino se puede aserrar primero un disco de silicio monocristalino constituido por una columna de silicio monocristalino. A continuación, se lapea quimiomecánicamente la superficie del disco en la que deberá depositarse la placa de diamante. Al mismo tiempo, tanto en la fabricación de la columna de silicio monocristalino como en el corte del disco de silicio monocristalino se cuida de lograr una orientación de los cristales que sea favorable para la deposición de diamante. Esto tiene la ventaja de que la superficie del disco de silicio monocristalino puede presentar una orientación que fomente el crecimiento orientado igualmente dirigido de diamante cristalino en la rejilla de diamante sobre el disco de silicio que presenta un tipo de rejilla de diamante.

En la deposición química en fase gaseosa de una capa de diamante a partir de carbono sobre la placa de substrato se utilizan en otra forma de realización de la invención una sustancia carboorgánica de forma gaseosa como gas de reacción e hidrógeno como gas portador. Usualmente, la sustancia carboorgánica es un gas de metano que se añade al hidrógeno gaseoso en una proporción en volumen de 0,5 a 2% en volumen, depositándose el carbono sobre la placa de substrato a partir de la sustancia carboorgánica gaseosa.

Después de la deposición de una capa de diamante policristalino sobre la placa de substrato que presenta una rejilla de diamante monocristalino se procede, en otro ejemplo de realización del procedimiento, a erosionar esta capa de substrato para separarla de la capa de diamante autoportante por medio de un procedimiento de corrosión en plasma. En lugar de un procedimiento de corrosión en plasma se pueden utilizar también procedimientos químicos en húmedo, en los que, en el caso de una placa portadora de silicio como placa de substrato, se utiliza una mezcla de ácido fluorhídrico y ácido nítrico que disuelve o corroe el silicio, mientras que se conserva la capa de diamante como placa de diamante autoportante.

Estos procedimientos de corrosión anteriores tienen la ventaja de que dejan al descubierto una placa autoportante de diamante policristalino que se puede pulir quimiomecánicamente a continuación en el lado superior y en el lado posterior en el caso de un espesor suficiente de la placa de diamante entre 100 \mum y 500 \mum.

Para revestir el lado superior y el lado posterior de la placa de diamante con una capa metálica se pueden utilizar un procedimiento de pulverización catódica, un procedimiento de vaporización o bien un procedimiento de sinterización. En el procedimiento de pulverización catódica se pulveriza una placa metálica, depositándose los átomos pulverizados sobre el lado superior o sobre el lado posterior de la placa de diamante y formando una capa metálica.

En el procedimiento de vaporización se funde bajo vacío un aluminio en un crisol de fusión y se posiciona la placa de diamante sobre el crisol de fusión de tal manera que el vapor de aluminio pueda depositarse sobre la placa de diamante como una capa metálica. En un procedimiento de sinterización se aplica una pasta de aluminio sobre el disco de diamante y en un horno de sinterización correspondiente se evapora el aglutinante de la pasta de aluminio y al mismo tiempo se sinteriza un revestimiento de aluminio sobre la placa de diamante.

Con cada uno de estos procedimientos se puede depositar primeramente sobre la placa de diamante una capa metálica cerrada que se estructura seguidamente, cuando el detector deba presentar una estructura de resolución local en su lado superior.

Así, para revestir el lado superior y el lado posterior de la placa de diamante con una estructura metálica se aplica primero una capa metálica que se estructura a continuación por medio de una fotolitografía. A este fin, se aplica un fotobarniz sobre la capa metálica y se estructura la capa de fotobarniz a través de una máscara óptica, con lo que finalmente el fotobarniz protege solamente las partes de la capa metálica que deberán permanecer como capa de contacto o como pistas conductoras sobre el lado superior de la placa de diamante, mientras que las zonas puestas al descubierto por el fotobarniz se desprenden por exposición y revelado del fotobarniz en un baño correspondiente frecuentemente alcalino.

Estos procedimientos tienen la ventaja de que pueden materializar sobre la placa de diamante pistas conductoras y superficies de contacto finamente estructuradas representables en dimensiones microscópicamente pequeñas. Se puede conseguir una resolución local aún mayor del detector cuando tanto en el lado superior como en el lado posterior se prevé un modelo de tiras metálicas. Este modelo de tiras o de rejilla en el lado superior y en el lado inferior se introduce en la capa metálica practicando ranuras longitudinales en la capa metálica por fotolitografía o por medio de erosión con láser, pudiendo materializarse tiras metálicas en el dominio micrométrico y surcos de aislamiento o ranuras de aislamiento en el dominio submicrométrico. Una placa de diamante de esta clase con una estructura de rejilla metálica en ambos lados necesita, para la resolución local, una evaluación y activación sensiblemente más complejas a fin de captar la distribución local de un haz de partículas de alta intensidad, pero tiene al mismo tiempo la ventaja de que la distribución de intensidad de un haz de iones puede realizarse con una resolución en el dominio micrométrico, preferiblemente con pixeles de 25 x 25 \mum^{2} a 250 x 250 \mum^{2} de tamaño.

Sin embargo, se puede aplicar también directamente una capa metálica estructurada cuando la aplicación del material se efectúe a través de una máscara o plantilla.

Para poder pasar de las estructuras microscópicamente pequeñas en forma de superficies de contacto y pistas conductoras de la placa de diamante a estructuras macroscópicas se materializan líneas de recableado, superficies terminales de contacto y/o componentes pasivos de la placa de cerámica de mayor tamaño con dimensiones macroscópicas. Éstas pueden formarse, por ejemplo, por la técnica de película delgada o de película gruesa, siempre que ello afecte a componentes pasivos y superficies terminales de contacto, mientras que las líneas de recableado que deban conducir de dimensiones microscópicas a componentes y superficies terminales macroscópicos han de realizarse con la misma alta resolución que las estructuras correspondientes de la placa de diamante.

Para un detector que deba medir la intensidad total de un paquete de impulsos de un haz de iones se aplica sobre ambos lados de la placa de diamante metalizada una delgada capa metálica de unos pocos micrómetros, debiendo preverse la capa metálica superior para la conexión a una alta tensión correspondiente y conectándose la capa metálica inferior a una línea de masa de la placa de cerámica.

En otro ejemplo de realización preferido del procedimiento se utiliza un procedimiento de ligadura para unir la estructura metálica del lado superior de la placa de diamante con las líneas de recableado de la placa de cerámica. A este fin, se prevén superficies de ligadura correspondientes en la placa de cerámica, de modo que se ligan después alambres de ligadura que van desde superficies de contacto correspondientes de la placa de diamante hasta las superficies de ligadura de la placa de cerámica.

En otro ejemplo de realización del procedimiento se prevé un marco de retención metálico para fijar los componentes del detector sobre el marco portador. Este marco de retención metálico puede estar atornillado de manera ventajosa sobre el marco portador y se puede recibir y fijar la placa de cerámica entre el marco portador y el marco de retención, disponiéndose unos elementos de tope cauchoelásticos eléctricamente conductores, hechos de goma conductora, entre la placa de cerámica y el marco portador, así como entre la placa de cerámica y el marco de retención. Esta goma conductora garantiza un establecimiento de contacto seguro y protege la placa de cerámica sensible a tracción contra daños durante el montaje y durante el funcionamiento del detector. A este fin, se pueden prever unos taladros correspondientes en la placa de cerámica para conseguir una exacta orientación de la placa de cerámica con respecto al elemento de goma conductora, la placa portadora y el marco de retención.

La unión atornillada entre el marco de retención y el marco portador puede servir al mismo tiempo para la unión a masa debido a la ventajosa utilización de los elementos de tope hechos de goma conductora. Por tanto, es necesario únicamente prever en la placa de cerámica una línea de recableado correspondiente con el marco de retención cuando la unión atornillada del marco de retención metálico con un marco portador metálico consista también en tornillos metálicos, o bien, en el caso de una metalización del lado posterior de la placa de cerámica, prever una unión con la metalización del lado inferior de la placa de diamante.

El detector se puede utilizar para haces de partículas de alta intensidad y alta energía, sin que su lado superior o su lado posterior presente ningún daño y sin que el material sea pulverizado o atomizado o se evapore. Sorprendentemente, tampoco se han podido detectar agujeros en el detector después de una utilización múltiple para la medición de haces de iones de alta intensidad y alta energía, aun cuando una intensa carga de choque mecánico de la placa del detector se derive de tales haces de partículas enfocados y compactados en el tiempo formando paquetes de impulsos. En este uso de carga extremada no se ha podido observar tampoco una reestructuración cristalina parcial de la rejilla de diamante en áreas de rejilla de grafito dentro de la placa de diamante del detector.

Se explica ahora la invención con más detalle ayudándose de formas de realización y haciendo referencia a los dibujos adjuntos.

La figura 1 muestra una sección transversal esquemática a través de un detector según una forma de realización de la invención.

La figura 2 muestra una vista esquemática en planta de un detector según otra forma de realización de la invención.

La figura 3 muestra una sección transversal esquemática a través de una placa de diamante de un detector.

La figura 4 muestra una sección transversal esquemática a través de un detector según una tercera forma de realización de la invención.

La figura 5 muestra una vista de otra placa de diamante de un detector.

La figura 6 muestra una vista esquemática en planta de un área de una estructura metálica de un lado superior de una placa de diamante.

La figura 7 muestra una sección transversal esquemática de una parte de una placa de diamante a lo largo de la línea de sección A-A de la figura 6.

La figura 8 muestra una vista en planta esquemática de un área de una estructura metálica de un lado superior de una placa de diamante.

La figura 9 muestra una sección transversal esquemática de una placa de diamante a lo largo de la línea de sección B-B de la figura 8.

Las figuras 10 a 15 muestran croquis de principio de productos intermedios que se obtienen paso a paso durante la fabricación de una placa de diamante de una forma de realización de la invención.

La figura 16 muestra un diagrama con una comparación de las señales de medida de un monitor de radiación inductivo convencional con transformador de haz y del detector según la invención, siendo emitidas las señales de medida por un paquete de impulsos de alta intensidad.

La figura 1 muestra una sección transversal esquemática a través de un detector 100 según una forma de realización de la invención. El símbolo de referencia 2 identifica una flecha que insinúa la dirección de un haz de partículas de alta intensidad y alta energía que en esta forma de realización de la invención atraviesa el detector 100. Todas las superficies de los componentes del detector 100 que están situadas aguas arriba de la dirección 2 del haz de iones se denominan aquí lados superiores, y todas las superficies de los componentes del detector que están dispuestas agua abajo de la dirección 2 del haz de iones se denominan lados posteriores.

El símbolo de referencia 3 identifica una placa semiconductora. El símbolo de referencia 4 identifica un revestimiento metálico que está aplicado sobre los dos lados de la placa semiconductora 3. El símbolo de referencia 5 identifica un substrato sobre el cual está dispuesta la placa semiconductora 3 con su revestimiento metálico 4 aplicado por ambos lados. El símbolo de referencia 6 identifica una placa de diamante que se utiliza como placa semiconductora 3 en esta forma de realización de la invención. El material de una placa de diamante 6 presenta una rejilla de diamante constituida por carbono. El símbolo de referencia 7 identifica una estructura metálica del lado superior 32 de la placa de diamante y el símbolo de referencia 8 identifica la estructura metálica del lado posterior 33 de la placa de diamante 6. El símbolo de referencia 9 identifica los electrodos que en esta primera forma de realización de la invención son idénticos al revestimiento metálico 3 y constan de una capa metálica cerrada 12 en el lado superior 32 de la placa de diamante 6 y una capa metálica cerrada 13 en el lado posterior 33 de la placa de diamante 6; las áreas de borde del lado superior 32 y del lado posterior 33 se mantienen aquí desprovistas de un revestimiento metálico.

Mientras que el electrodo 9 del lado superior 32 de la placa de diamante 6 está unido a través de una unión de ligadura 15 con una superficie terminal de contacto 22 del substrato 5, el electrodo 9 del lado posterior 33 de la placa de diamante 6 está unido eléctricamente a través de un puente de tira metálica 54 con una capa metálica 17 del substrato 5. El símbolo de referencia 11 identifica una placa de cerámica que se utiliza como substrato 5 en esta forma de realización.

En esta forma de realización de la invención se sujeta la placa de cerámica 11 por medio de un marco de retención metálico 34 hecho de aluminio sobre un marco portador metálico 23 que forma prácticamente la carcasa del detector. Unos elementos de tope cauchoelásticos 48 y 49 eléctricamente conductores están dispuestos entre el marco portador 23 y la placa de cerámica 11, así como entre el marco conductor 34 y la placa de cerámica 11, y protegen la placa de cerámica 11 contra una tensión mecánica, estando a potencial de masa al menos el tope 48 entre el lado posterior 40 de la placa de cerámica 11 y la placa portadora 23, ya que el marco portador 23 está unido con el potencial de masa de la instalación, no representada. A través de la unión atornillada 35 y del marco de retención 34 de metal se aplica el potencial de masa al lado posterior 40 de la placa de cerámica 11 y éste se conecta a través del puente de tira metálica 54 con la capa metálica 13 del lado posterior 33 de la placa de diamante 6. La superficie terminal de contacto 22 del substrato 5 puede ser una superficie impresa de película delgada o de película gruesa que esté unida con componentes pasivos adicionales 26 no mostrados.

Mientras que la estructura metálica 8 del lado posterior 33 de la placa de diamante 6 está conectada al potencial de masa a través de un puente de tira metálica 54, se aplica una tensión al electrodo 9 del lado superior 32 de la placa de diamante a través de la superficie terminal de contacto 22 y el alambre de ligadura 15. Esa tensión se ajusta al espesor de la placa de diamante 6 y en esta forma de realización de la invención es de aproximadamente 1 V por \mum de espesor. El espesor de la placa de diamante 6 es en esta forma de realización de aproximadamente 200 \mum, de modo que, a través del alambre de ligadura 15, se aplica a la estructura metálica 7 del lado superior 32 de la placa de diamante 6 una tensión de 200 V. Esta tensión se alimenta a través de una línea coaxial 41 cuya camisa 42 está conectada a masa.

Al atravesar el haz de partículas la placa de diamante 6 en la dirección de la flecha 2 se generan pares de electrones-agujeros que se separan debido a la alta intensidad de campo y originan una corriente que es proporcional a la intensidad del haz de iones. Para una captación del haz de iones con resolución local, es decir, para captar el perfil del haz de iones sobre su superficie transversal, la estructura metálica 7 del lado superior 32 de la placa de diamante 6 puede estar estructurada en forma de muchos electrodos individuales, de modo que un número correspondientemente elevado de alambres de ligadura 15 deriven las señales de medida hacia circuitos de evaluación correspondientes. A este fin, se han multiplicado de manera correspondiente las superficies terminales de contacto 22 en la placa de cerámica 11 y éstas se corresponden con terminales exteriores pertinentes del detector 100 aislados del potencial de masa, sacados al exterior y no mostrados en este dibujo esquemático.

En otra forma de realización de la invención las estructuras metálicas del lado superior y/o del lado posterior de la placa de diamante 6, identificadas en la figura 1 con los símbolos de referencia 7 y 8, no son capas metálicas, sino tiras metálicas de forma de rejilla que en el lado superior 32 de la placa de diamante 6 corren paralelamente en una dirección con respecto a la cual está dispuesta en ángulo recto la dirección de las tiras metálicas del lado posterior 32 de la placa de diamante 6. En este caso, el número de pistas conductoras en la placa de cerámica 11 corresponde al número de tiras metálicas de la estructura metálica 8 en el lado posterior de la placa de diamante 6.

Con la estructura de forma de tiras o de forma de rejilla del revestimiento metálico 4 del lado superior 32 y del lado posterior 33 de la placa de diamante 6 se puede conseguir una resolución local máxima, pero es necesario un complejo circuito de activación y evaluación para evaluar y activar los puntos de cruce de los dos modelos de tiras o de rejilla. Con un detector de esta clase se pueden captar con una resolución temporal de nanosegundos haces de partículas de alta intensidad, es decir, haces de corpúsculos o haces de iones o haces de electrones, y se pueden medir estos haces con una resolución local en el rango de micrómetros. Con una ayuda de amplificación correspondiente se pueden captar también partículas individuales, de modo que con este detector se puede captar un intervalo de intensidad de más de diez órdenes de magnitud desde 1 hasta aproximadamente 10^{13} partículas por paquete de impulsos y por mm^{2}. Se espera entonces que los paquetes de impulsos de alta intensidad del orden de magnitud desde 10^{5} partículas por paquete de impulsos y por mm^{2} hasta 10^{13} partículas por paquete de impulsos y por mm^{2} no provoquen daños en el detector. Incluso en un intervalo preferido de 10^{7} partículas por paquete de impulsos y por mm^{2} a 10^{13} partículas por paquete de impulsos y por mm^{2}, la señal del detector puede ser proporcional a la intensidad del haz de partículas.

En esta forma de realización de la invención la placa de diamante 6 se ha depositado en forma policristalina a partir de la fase gaseosa. La abertura central 24 de la placa de cerámica 11 está adaptada al tamaño de la placa de diamante 6, que puede tener una extensión de varios cm^{2}. Para la medición de un haz de iones escaneado es cuadrangular esta abertura central 34 y también lo es la placa de diamante 6. Para un haz de iones circular, la placa de diamante 6 y las aberturas centrales 24 pueden estar configuradas en forma circular.

La figura 2 muestra una vista en planta esquemática de un detector 200 según otra forma de realización de la invención. Los componentes con las mismas funciones que en la figura 1 se identifican con los mismos símbolos de referencia y no se explican adicionalmente.

En el centro del detector 200 se encuentra una abertura central 24 que se cubre con la placa de diamante 6, a través de la cual pasa el haz de partículas 2. El lado superior 32 de la placa de diamante 6 está metalizado y está unido a través de una unión de ligadura 15 y una superficie terminal de contacto 22 con una línea coaxial 41 a través de la cual se alimenta una tensión de medida y se evacua la señal del detector. La camisa coaxial 42 de la línea coaxial 41 está fijada a un suplemento 55 del marco portador 23 y está conectada al potencial de masa.

El lado posterior 33 de la placa de diamante 6 está unido con el lado posterior 17 de la placa de cerámica 11 a través de un puente de tira metálica, no visible aquí, dispuesto sobre la placa de cerámica 11. El marco de retención 34 está sólidamente atornillado sobre el marco portador 23 por medio de uniones atornilladas 35, de modo que el lado posterior de la placa de cerámica está colocado sobre la carcasa y, por tanto, el lado posterior de la placa de diamante puede conectarse a un potencial de masa. Al atravesar un haz de iones la placa de diamante 6 se origina entre la línea coaxial 41 y la camisa coaxial 42 - que está unida aquí con la placa portadora 23 de metal - una corriente que corresponde a la intensidad del haz de partículas 2 y que es proporcional a la intensidad del haz de partículas en más de 10 décimas potencias.

La figura 3 muestra una sección transversal esquemática a través de una placa de diamante 6 de un detector 100. Los componentes con las mismas funciones que en las figuras precedentes se identifican con los mismos números de referencia y no se explican adicionalmente.

La placa de diamante 6 presenta un espesor d que es también decisivo para la diferencia de potencial entre la capa metálica cerrada 8 del lado posterior 33 de la placa de diamante 6 y la capa metálica cerrada 7 del lado superior 32 de dicha placa de diamante. Mientras que la capa metálica 13 del lado posterior 33 de la placa de diamante 6 descansa sobre una placa de cerámica no mostrada y está unida a través de un puente de tira metálica 54 con un revestimiento metálico, no mostrado, del lado posterior de la placa de cerámica, la capa metálica 12 del lado superior de la placa de diamante 6 está unida, con ayuda de un alambre de ligadura 15, con una superficie terminal de contacto del lado superior del substrato de cerámica.

La forma de realización mostrada en la figura 3 es una forma de realización relativamente sencilla de la placa de diamante 6 para obtener la intensidad del haz. Sin embargo, para medir el haz de iones en función de su ubicación, se estructura al menos uno de los revestimientos metálicos 4 y se le divide en superficies de contacto individuales microscópicamente pequeñas y, por tanto, solamente mensurables bajo un microscopio óptico. Para la medición con resolución local, cada una de estas superficies de contacto del lado superior 32 de la placa de diamante 6 está unida entonces con terminales exteriores correspondientes, no mostrados, del detector.

La figura 4 muestra un detector 300 de una tercera forma de realización de la invención. Los componentes con las mismas funciones que en las figuras precedentes se identifican con los mismos símbolos de referencia y no se explican adicionalmente.

En la figura 4 se ha ensanchado el marco portador mostrado en la figura 1 para proporcionar una carcasa metálica 43 del detector, la cual se cierra por medio de una tapa metálica 44. La tapa metálica 44 de la carcasa presenta una abertura 45 que corresponde en forma y tamaño a la placa de diamante 6 y que presenta al menos las dimensiones de la abertura central 24 de la placa de cerámica 11 y está orientada hacia esta abertura central 24. La carcasa 43 del detector presenta una abertura 50 en el fondo de la misma. Esta abertura 50 tiene también al menos las dimensiones de la abertura central 24 de la placa de cerámica 11 y está alineada con ésta. La abertura 45 de la tapa de la carcasa y la abertura 50 del fondo de la carcasa están selladas por medio de láminas de Kapton metalizadas 51 y 52, respectivamente. Por tanto, y mediante la carcasa de metal ampliamente cerrada del detector, la cual está conectada al potencial de masa, la placa de diamante 6 queda protegida como en una jaula de Faraday contra radiación eléctrica dispersa.

La placa de diamante 6 está pegada en su área de borde no metalizada 53 con un pegamento aislante 46 sobre el lado superior 36 de la placa de cerámica 11. En otra forma de realización ventajosa de la invención la placa de cerámica 11 está recubierta de metal en su lado posterior 40, presentando también las paredes de la abertura central 24 un revestimiento metálico 47. El revestimiento metálico 47 está en contacto con la capa metálica 13 del lado posterior 33 de la placa de diamante 6 y con el revestimiento metálico 17 del lado posterior 40 de la placa de cerámica 11.

Un tope cauchoelástico 48 eléctricamente conductor está dispuesto entre la carcasa 43 del detector y el revestimiento metálico 17 del lado posterior 40 de la placa de cerámica 11. Este tope 48 da lugar, por un lado, a que la carcasa 43 del detector y el lado posterior 40 de la placa de cerámica 11 estén unidos de forma eléctricamente conductora y, por otro lado, el tope 48 de goma conductora forme una protección de la placa de cerámica contra tensiones de deformación, especialmente contra cargas de tracción.

Otro disco de tope cauchoelástico 49 eléctricamente conductor puede estar dispuesto entre un tornillo de fijación 49 y el lado superior 36 de la placa de cerámica 11. A través de la carcasa 43 del detector se extiende una línea coaxial 41 para la alimentación de la tensión de medida y la emisión de la señal de medida, cuya camisa coaxial 42 está conectada al potencial de masa de la carcasa 43 del detector.

La figura 5 muestra una vista en perspectiva de otra placa de diamante 6 de un detector. Mientras que en las figuras 1 a 4 la placa de diamante 6 se muestra preferiblemente con los lados superior y posterior 32 y 33 metalizados y cerrados en ambas caras, en la forma de realización según la figura 5 la capa metálica 7 del lado superior 32 está estructurada en forma de tiras metálicas 20 con una anchura de paso de 25 \mum, mientras que la capa metálica 8 del lado inferior 33 forma un electrodo de gran superficie. Esta estructuración hace posible una determinación local unidimensional de una anchura de un haz de partículas. Dos placas de diamante 6 de esta clase apiladas una sobre otra hacen posible una determinación local bidimensional de la distribución de intensidad local de un haz de partículas.

La figura 6 muestra una vista en planta esquemática de un área de una estructura metálica 7 de un lado superior 32 de una placa de diamante 6. Los componentes con las mismas funciones que en las figuras precedentes se identifican con los mismos números de referencia y no se explican adicionalmente.

La estructura metálica 7 está estructurada de tal manera que resulta posible una medición bidimensional con resolución local de un haz de partículas o de iones. A este fin, unos electrodos microscópicamente pequeños 9 con una superficie de 180 x 180 \mum^{2} están dispuestos con distribución uniforme y con medida de trama constante sobre la superficie 32 de la placa de diamante 6, y entre ellos están dispuestas pistas conductoras 16 de 0,5 \mum de anchura a distancias de 0,5 \mum, de modo que para 20 pistas conductoras yuxtapuestas es necesaria una tira no sensible de 20 \mum entre los electrodos sensibles de 180 \mum de anchura para unir los 160 electrodos sensibles con superficies de contacto 14 en el área del borde de la placa de diamante 6. Unos alambres de ligadura individuales 15 conducen desde estas 160 superficies de contacto 14 hasta superficies terminales de contacto correspondientes de un substrato situado debajo, no mostrado, en forma de una placa de cerámica. Cada uno de estos electrodos es alimentado con una tensión de medida a través de los alambres de ligadura 15 y las pistas conductoras 16, de modo que en cada uno de estos electrodos 9 se puede medir bidimensionalmente la intensidad local de un haz de iones o haz de partículas.

La figura 7 muestra una sección transversal esquemática de una parte de una placa de diamante 6 a lo largo de la línea de sección A-A de la figura 4. Los componentes con las mismas funciones que en las figuras precedentes se identifican con los mismos números de referencia y no se explican adicionalmente.

La sección transversal a través de una placa de diamante 6 muestra que el lado posterior 33 de la placa de diamante 6 está recubierto con una capa metálica cerrada de espesor submicroscópico que actúa como electrodo de masa. El potencial de masa puede ser aplicado al lado posterior 33 de la placa de diamante 6 a través de una pista conductora 10 del substrato, no mostrado. Para no falsear el resultado de medida con resolución local en los electrodos 9 de 180 x 180 \mum^{2} de superficie, las pistas conductoras 16 de 0,5 \mum de anchura y las superficies terminales de contacto 14 mostradas en la figura 4 están dispuestas sobre una capa de aislamiento 37 que aísla y pasiva eléctricamente a la superficie de la placa de diamante 6.

La capa de aislamiento 37 puede estar hecha de zafiro, nitruro de silicio, carburo de silicio, nitruro de boro o dióxido de silicio. Es decisivo que incluso con haces de partículas de alta intensidad y/o alta energía esta capa de aislamiento siga siendo resistente a la radiación y no se vuelva eléctricamente conductora.

La figura 8 muestra una vista en planta esquemática de un área de una estructura metálica 7 de un lado superior 32 de una placa de diamante 6. Los componentes con las mismas funciones que en las figuras precedentes se identifican con los mismos números de referencia y no se explican adicionalmente.

El símbolo de referencia 19 identifica una red de rejilla de tiras metálicas 29 en el lado superior 32 de la placa de diamante 6. Las tiras metálicas dispuestas en el lado superior 32 están marcadas con líneas continuas, mientras que las tiras metálicas del lado posterior de la placa de diamantes 6 están insinuadas por medio de líneas de trazos. Esta estructura de tiras tiene la ventaja de que cada tira puede ser contactada en el área del borde por un alambre de ligadura 15 en forma de un conductor plano, sin que, como ocurre en la figura 6, haya que prever pistas conductoras en el lado superior 32 de la placa de diamante 6.

Otra ventaja de esta forma de realización de la invención frente a la forma de realización según la figura 6 consiste en que no hay que prever capas de aislamiento y el resultado con resolución local no puede ser falseado por pistas conductoras o superficies terminales de contacto. Esto se consigue haciendo que el lado inferior de la placa de diamante no presente una superficie metálica cerrada en forma de un espejo metálico, sino que esté también estructurada en forma de tiras metálicas. Sin embargo, la electrónica de activación y de medida para un detector de esta clase con placa de diamante resulta más compleja y costosa que en las formas de realización precedentes, sobre todo porque hay que activar individual y sucesivamente cada punto de cruce para garantizar una resolución local máxima. Ya con una estructura de tiras de solamente 10 tiras por centímetro cuadrado de superficie de la placa 6 del detector resultan 100 puntos de medida o 100 puntos de cruce que hay que activar sucesivamente. Si se duplica el número de tiras en los lados superior e inferior, se multiplican ya por cuatro los puntos de medida. Por tanto, se puede conseguir ciertamente una alta densidad de puntos de medida, pero, naturalmente, el coste para los circuitos de activación y captación aumenta al cuadrado con el número de tiras metálicas en el lado superior 7 de la placa de diamante 6.

La figura 9 muestra una sección transversal esquemática de una parte de una placa de diamante 6 a lo largo de la línea de sección B-B de la figura 8. Los componentes con las mismas funciones que en las figuras precedentes se identifican con los mismos números de referencia y no se explican adicionalmente.

La figura 9 muestra que la estructura de tiras superior 20 y la estructura de tiras inferior están situadas una frente a otra, estando las tiras metálicas 21 de la estructura de tiras inferior unidas eléctricamente en forma directa a través de pistas conductoras 10 dispuestas en un substrato, no mostrado. Por el contrario, las tiras superiores 20 tienen que ser unidas primero a través de uniones de ligadura 15 con líneas de recableado correspondientes dispuestas sobre el substrato. Para la medición con resolución local se lee cada vez una tensión de medida (impulso de señal en dos tiras 20 y 21, concretamente una tira 20 en el lado superior 32 y una tira 21 en el lado inferior 30, en caso de que haya pasado una partícula por este punto del detector. Esta tensión de medida es tomada en secuencia rápida de cada punto de cruce afectado, por ejemplo con un registro de desplazamiento, e introducido en una memoria, de modo que todos los puntos de medida de la placa de diamante 6 pueden ser captados en menos de 1 \mus. Sin embargo, un modelo de esta clase tiene un límite, ya que no se puede incrementar a voluntad el número de puntos de medida, especialmente en caso de que, con funcionamiento pulsado, los haces de partículas atraviesen la placa de diamante en forma concentrada o enfocada con alta intensidad durante solamente fracciones de microsegundos.

Las figuras 10 a 15 muestran croquis de principio de productos intermedios que se originan paso a paso durante la fabricación de una placa de diamante 6 de una forma de realización de la invención. Los componentes con las mismas funciones que en las figuras precedentes se identifican en las figuras siguientes con los mismos números de referencia y no se explican adicionalmente.

La figura 10 muestra una placa de substrato 27. Una placa de substrato 27 de esta clase puede estar hecha de una placa metálica de un metal, tal como molibdeno, que presente un punto de fusión de más de 1000ºC, o puede representar un disco de silicio monocristalino.

En el lado superior 31 de la placa de substrato 27 lapeado mecánicamente por corrosión se deposita en la figura 11 carbono sobre la placa de substrato 27 a partir de una corriente de gas 38 que contiene un gas portador consistente en hidrógeno que está enriquecido con una sustancia carboorgánica, de modo que en el lado superior 31 se deposita una capa de diamante policristalino 28 con un espesor d.

El espesor d está en esta forma de realización, con 200 \mum, dentro del intervalo de 50 a 500 \mum y es tan estable que, como se muestra en la figura 12, se puede eliminar por corrosión la placa de substrato 27, con lo que se presenta primeramente una placa de diamante bruto a base de material policristalino. Esta placa de diamante puede ser pulida mecánicamente por corrosión en su lado superior 32 y en su lado inferior 33 en caso de que se presente un espesor suficiente d entre 100 \mum y 500 \mum, con lo que se puede obtener una placa de diamante 6 con espesor uniforme d para un detector.

Después de la deposición química en fase gaseosa y el eventual pulido del lado superior 32 y el lado inferior 33 se aplica sobre el lado superior 32, como se muestra en la figura 13, una capa de aislamiento estructurada 37, en la que se mantienen abiertas unas ventanas 39 de, por ejemplo, 180 x 180 \mum hacia el lado superior 32 de la placa de diamante 6, de modo que en el siguiente paso del procedimiento, que se muestra en la figura 14, se puede aplicar un revestimiento metálico cerrado 4 tanto sobre la capa de aislamiento 37 como también dentro de las ventanas 39. Al mismo tiempo o a continuación, el lado posterior 33 puede ser provisto también de una capa metálica cerrada.

A continuación, se estructura el revestimiento metálico cerrado 4 sobre el lado superior 32, como se muestra en la figura 15, con lo que se obtiene en la capa de aislamiento 37 una estructura de pistas conductoras 29, mientras que los distintos electrodos 9 aislados uno de otro permanecen dentro de las ventanas 39. La estructura así generada corresponde a la estructura que se explica más arriba con ayuda de las figuras 6 y 7.

La figura 16 muestra una comparación de las señales de medida de un monitor de haz inductivo convencional y del detector según la invención. Hasta ahora, se miden las intensidades de radiación de más de 10^{5} partículas por paquete de impulsos con monitores de haz inductivos por medio de un transformador de haz, ya que las placas de diamante convencionales con metalización convencional fallan a intensidades tan altas. Para la comparación de las señales de medida se ha aumentado sucesivamente la intensidad del haz hasta 10^{10} partículas por paquete de impulsos.

Como haz de partículas se ha medido, para la comparación ilustrada en la figura 16, un haz de oxígeno de carga séxtuple (^{16}O, 6+) con una energía cinética de 300 MeV/amu y una intensidad de 2x10^{8} iones por paquete de impulsos. Se registró entonces la curva a con un detector de diamante según la invención y se captó la curva b con un monitor de haz convencional. Sin embargo, para la comparación representada en la figura 16 se tuvo que multiplicar la señal de medida del monitor de haz convencional por el factor 1000 para que en la representación conjunta de la figura 16 se pudieran comparar de manera conveniente las señales de medida del monitor de haz con las señales 2000 veces mayores del detector de diamante según la invención. La representación ilustra que las curvas a y b representan la misma distribución de intensidad temporal con tres respectivos valores de pico a_{1}, a_{2}, a_{3} y b_{1}, b_{2}, b_{3}, pero están desplazadas en el tiempo una respecto de otra, ya que el monitor de haz está dispuesto aguas arriba del detector de diamante en esta comparación de medición. Las señales de medida del detector de diamante no fueron amplificadas para la comparación ni multiplicadas por un factor, lo que contrasta con las señales de medida sensiblemente más débiles del monitor de haz convencional inductivamente acoplado.

Lista de símbolos de referencia

100

Detector

200

Detector

300

Detector

2

Haz de partículas o haz de corpúsculos

3

Placa semiconductora

4

Revestimiento metálico

5

Substrato

6

Placa de diamante

7

Estructura metálica del lado superior de la placa de diamante

8

Estructura metálica del lado inferior de la placa de diamante

9

Electrodos

10

Pista conductora del substrato

11

Placa de cerámica

12

Capa metálica del lado superior

13

Capa metálica del lado inferior

14

Superficie de contacto de la placa de diamante

15

Alambres de ligadura

16

Pista conductora de la placa de diamante

17

Capa metálica del lado inferior de la placa de cerámica

19

Red de rejilla

20

Tira metálica del lado superior

21

Tira metálica del lado inferior de la placa de diamante

22

Superficies terminales de contacto de la placa de cerámica

23

Marco portador

24

Abertura central de la placa de cerámica

27

Placa de substrato para depositar diamante

28

Capa de diamante

29

Estructura de pistas conductoras

31

Superficie de la placa de substrato

32

Lado superior de la placa de diamante

33

Lado posterior de la placa de diamante

34

Marco de retención

35

Unión atornillada

36

Lado superior de la placa de cerámica

37

Capa de aislamiento de la placa de diamante

38

Corriente de gas

39

Ventana

40

Lado posterior de la placa de cerámica

41

Línea coaxial

42

Camisa de la línea coaxial

43

Carcasa del detector

44

Tapa de la carcasa

45

Abertura de la tapa de la carcasa

46

Pegamento aislante

47

Revestimiento metálico de paredes

48

Tope conductor cauchoelástico

49

Disco de tope conductor cauchoelástico

50

Abertura en el fondo de la carcasa

51

Lámina de Klepton en la abertura de la tapa de la carcasa

52

Lámina de Klepton en la abertura del fondo de la carcasa

53

Áreas de borde de la placa de diamante

54

Puente de tira metálica

55

Suplemento

a

Curva de medida obtenida con detector

b

Curva de medida obtenida con transformador de haz

a_{1}, a_{2}, a_{3}

Valores de pico medidos con detector

b_{1}, b_{2}, b_{3}

Valores de pico medidos con transformador de haz

d

Espesor de la placa de diamante

A-A

Línea de sección en la figura 6

B-B

Línea de sección en la figura 8

Referencias

1. Contador de cuatro alambres:

a)

Roger Fourme, "Position-sensitive gas detectors: MWPCs and their gifted descendants", Nuclear Instruments Methods A 392 (1997) 1/11

2. Contador de diamante:

a)

E. Berdermann et al., "The use of CVD-diamond for heavy-ion detection", Diamond and Related Materials 10 (2001) 1770-1777

b)

W. Adams et al., "Performance of irradiated CVD diamond micro-strip sensors", Nuclear Instruments Methods A 476 (2002) 706-712

3. Berdermann et al., "Diamond Detectors 2001 - Application for Minimum Ionizing Particles", GSI Jahresbericht 2001, página 214

4. P. Strehl, "Ion beam diagnosis", en B. Wolf (Ed.) Handbook of Ion Sources, CRC Press (1995), página 385

Claims (27)

1. Detector para captar un haz de partículas (2) de alta intensidad y alta energía, que presenta una placa semiconductora cristalina (3) con un revestimiento metálico (4) y está dispuesto sobre un substrato (5), en el que la placa semiconductora (3) es una placa de diamante (6) que está revestida en ambos lados con estructuras metálicas (7, 8), en el que las estructuras metálicas (7, 8) presentan aluminio y/o una aleación de aluminio y en el que las estructuras metálicas (7, 8) presentan electrodos (9) que se pueden unir con potenciales eléctricos diferentes a través de pistas conductoras (10) del substrato (5), caracterizado porque el substrato (5) presenta una placa de cerámica (11) con una abertura central (24) que está cubierta por la placa de diamante (6).

2. Detector según la reivindicación 1, caracterizado porque las estructuras metálicas del lado superior (7) y del lado inferior (8) de la placa de diamante (6) forman dos capas metálicas cerradas no estructuradas (12, 13), presentado la capa metálica (13) del lado inferior (33) un potencial de masa y estando la capa metálica (12) del lado superior (32) a un potencial en el que la placa de diamante (6) presenta una intensidad de campo en el intervalo de 0,5 a 5 voltios por micrómetro.

3. Detector según la reivindicación 2, caracterizado porque las estructuras metálicas (7, 8) del lado superior (32) y del lado inferior (33) de la placa de diamante (6) presentan un área de borde (53) no metalizada.

4. Detector según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizado porque la placa de diamante (6) presenta en su lado superior (32) y en su lado posterior (33) unas áreas de borde no metalizadas con una anchura que corresponde al menos al espesor de la placa de diamante (6).

5. Detector según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la estructura metálica (8) del lado inferior (33) de la placa de diamante (6) presenta una capa metálica cerrada (13) y la estructura metálica (7) del lado superior (32) de la placa de diamante (6) presenta un gran número de superficies de contacto microscópicamente pequeñas (14) o de tiras metálicas (20) que están unidas encima de la placa de cerámica (11) con terminales exteriores del detector (100, 200, 300) a través de alambres de ligadura (15) y/o pistas conductoras
(16).

6. Detector según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las estructuras metálicas (7, 8) presentan una red de rejilla (19) de tiras metálicas (20, 21), estando las tiras metálicas (21) del lado inferior (33) de la placa de diamante (6) dispuestas en ángulo recto con las tiras metálicas (20) del lado superior (32) de la placa de diamante (6).

7. Detector según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la placa de cerámica (11) presenta superficies terminales de contacto (22) que están unidas con terminales exteriores del detector (100, 200, 300) a través de una línea coaxial (41).

8. Detector según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el detector (100) presenta un marco portador (23) sobre el cual están fijados los componentes de dicho detector.

9. Detector según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el detector (100, 200, 300) está dispuesto en una carcasa (43) del mismo que está al potencial de masa, y porque un lado posterior metalizado de la placa de cerámica (11) está unido eléctricamente con la carcasa (43) del detector a través de un tope cauchoelástico (48) eléctricamente conductor hecho de goma conductora.

10. Detector según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la abertura (24) de la placa de cerámica (11) es de forma circular o casi cuadrangular.

11. Detector según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la placa de diamante (6) es una placa autoportante (6) de diamante policristalino formada por deposición química en fase gaseosa y que presenta un espesor (d) en el intervalo de 10 \mum a 1000 \mum, preferiblemente de 100 \mum a 200 \mum.

12. Detector según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque la placa de diamante (6) es una placa autoportante (6) de diamante monocristalino que presenta un espesor (d) en el intervalo de 10 \mum a 1000 \mum, preferiblemente de 100 \mum a 200 \mum.

13. Detector según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la placa de cerámica (11) presenta líneas impresas de película delgada o de película gruesa en calidad de líneas de recableado o pistas conductoras (10) y componentes pasivos en técnica de película delgada o de película gruesa.

14. Dispositivo de haz para haces de partículas de alta intensidad con 10^{5} a 10^{13} partículas por paquete de impulsos, preferiblemente con 10^{7} a 10^{13} partículas por paquete de impulsos, en donde el dispositivo de haz presenta un detector (100, 200, 300) según una de las reivindicaciones 1 a 13.

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15. Procedimiento de fabricación de un detector (1) para captar haces de partículas de alta intensidad y alta energía, que presenta una placa semiconductora cristalina (3) con un revestimiento metálico (4) y está dispuesto sobre un substrato (5), en donde el procedimiento presenta los pasos siguientes:

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habilitación de una placa de substrato (27),

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deposición química en fase gaseosa de una capa de diamante (28) a partir de carbono sobre la placa de substrato (27),

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retirada de la placa de substrato (27) separándola de la capa de diamante (28) para formar una placa de diamante autoportante (6),

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revestimiento del lado superior y del lado posterior de la placa de diamante (6) con estructuras metálicas (7, 8),

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fabricación de una placa de cerámica (11) con una abertura central (24) y líneas de recableado o pistas conductoras con superficies terminales de contacto (22) y/o componentes pasivos,

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aplicación de la placa de diamante (6) metalizada en ambos lados sobre la placa de cerámica (11) cubriendo la abertura central (24),

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unión de las estructuras metálicas (7, 8) de la placa de diamante (6) con las pistas conductoras (10) o las capas metálicas (17) de la placa de cerámica (11),

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fijación de los componentes del detector sobre un marco portador (23).

16. Procedimiento según la reivindicación 15, caracterizado porque se utiliza una sustancia gaseosa carboorgánica para la deposición química en fase gaseosa de una capa de diamante (28) a partir de carbono sobre la placa de substrato (27).

17. Procedimiento según la reivindicación 15 o la reivindicación 16, caracterizado porque la sustancia gaseosa contiene hidrógeno con 0,2 a 2% en volumen de metano.

18. Procedimiento según una de las reivindicaciones 15 a 17, caracterizado porque se utiliza un procedimiento de corrosión en plasma para retirar la placa de substrato (27) separándola de la capa de diamante autoportante (28).

19. Procedimiento según una de las reivindicaciones 15 a 18, caracterizado porque se utiliza un procedimiento químico de corrosión en húmedo para retirar la placa de substrato (27) separándola de la capa de diamante autoportante (28).

20. Procedimiento según una de las reivindicaciones 15 a 19, caracterizado porque se utiliza un procedimiento de pulverización catódica, de deposición al vapor o de sinterización para revestir el lado superior (32) y el lado posterior (33) de la placa de diamante (6) con una capa metálica (12, 13).

21. Procedimiento según una de las reivindicaciones 15 a 20, caracterizado porque se utiliza un procedimiento de pulverización catódica o de deposición al vapor a través de una máscara para revestir el lado superior (32) y/o el lado posterior (33) de la placa de diamante (6) con una estructura metálica (7, 8).

22. Procedimiento según una de las reivindicaciones 15 a 21, caracterizado porque, para revestir el lado superior (32) y el lado posterior (33) de la placa de diamante (6) con una estructura metálica (7, 8), se aplica primero una capa metálica (12, 13) que se estructura a continuación por medio de fotolitografía.

23. Procedimiento según una de las reivindicaciones 15 a 22, caracterizado porque, para revestir el lado superior (32) y el lado posterior (33) de la placa de diamante (6) con un modelo de tiras metálicas (20, 21), se aplica primero una capa metálica (12, 13) y a continuación se producen por fotolitografía surcos de aislamiento o ranuras longitudinales en la capa metálica (12, 13).

24. Procedimiento según una de las reivindicaciones 15 a 23, caracterizado porque se utilizan procedimientos de película delgada o de película gruesa para aplicar líneas de recableado o pistas conductoras (10), superficies terminales de contacto (22) y/o componentes pasivos sobre la placa de cerámica (11).

25. Procedimiento según una de las reivindicaciones 15 a 24, caracterizado porque se utiliza un procedimiento de ligadura para unir las estructuras metálicas (7, 8) de la placa de diamante (6) con líneas de recableado o pistas conductoras (10) de la placa de cerámica (11).

26. Procedimiento según una de las reivindicaciones 15 a 25, caracterizado porque, para fijar los componentes del detector sobre un marco portador (23), se prevé un marco de retención metálico (34) que establece al mismo tiempo una unión con el potencial de masa a través de una pista conductora de la placa de cerámica (11).

27. Uso del detector según una de las reivindicaciones 1 a 14 para captar haces de partículas de alta intensidad de un dispositivo de haz con intensidades de haz de 10^{5} a 10^{13} partículas por paquete de impulsos, preferiblemente con intensidades de haz de 10^{7} a 10^{13} partículas por paquete de impulsos.