用于高亮度同步辐射光强探测的叠层金刚石探测器关键技术研究

The method of detecting light intensity based on gas ionization chamber is widely used in low light intensity synchrotron radiation. But the ion chamber with long response time, low integration and easily getting saturation when detecting high brightness light restricts the experiment technology development of synchrotron radiation. Diamond detector with low leakage current, fast response time, large dynamic range and good linearity could meet the requirements for the high brightness detection of the third generation synchrotron radiation. To solve the detection problem of high brightness light and achieve the rapid response and position resolution at the same time, this project makes a research on a kind of diamond detector with stacked structure. In this projects, some critical scientific problem, such as the design principles and fabrication flow technologies of diamond sensors, the structure optimization of the device, the stacking and packing technologies of multiple diamond sensors, and the electronics readout technology with large dynamics and low noise, will be extensively investigated. The diamond detector with large dynamic range, fast response and position resolution will be fabricated and integrated for the high brightness light detection. The achievement of this project will be directly used in the high brightness light detection, making up the insufficient of the ion chamber in the synchrotron radiation experiments and improving the efficiency of the synchrotron radiation, promoting the development of synchrotron radiation experimental method.

基于气体电离室的光强探测手段被广泛用于低亮度同步辐射光源，但是气体电离室时间响应长、高亮度光源探测时容易饱和、集成度低等缺点，制约着同步辐射实验技术的发展。金刚石探测器具有低漏电流、快速时间响应、大动态范围、良好的线性度等特点，满足第三代高亮度光源光强的探测需求。本项目研究一种具有叠层结构的金刚石探测器，解决高亮度X射线探测难题，同时实现快速时间响应和位置分辨。本项目将深入研究金刚石探测器的原理和制作工艺，器件结构优化，叠层器件封装、多量程大动态范围读出电子学等关键技术，完成金刚石探测器的集成设计，为第三代高亮度同步辐射光源提供具有大动态范围光强测量能力、快速时间响应特点，兼具位置分辨功能的探测器。本项目的研究成果可直接用于高亮度X射线的探测，弥补气体电离室在同步辐射实验中存在的不足，提高同步辐射的利用效率，促进同步辐射实验方法的发展。

项目背景.基于第三代和第四代同步辐射对光强探测的需求，国内外机构都加大投入积极开展新型探测器的研究，来弥补目前使用的气体电离室的不足。基于金刚石材料的同步辐射探测器因其诸多的优点得到了各大同步辐射装置的广泛关注。金刚石具有较大的能带宽度，对可见光不敏感；电阻率高，室温下漏电流小；具有较低的原子序数，可以允许X射线穿透；具有优异的热导性能和抗辐射性能；另外金刚石探测器可以在更大动态范围内进行光强探测，而其依然保持较好的线性度，可以实现对高亮度同步辐射白光和单色光的光强探测。金刚石作为一种半导体材料，对X射线响应极快，具有亚纳秒量级的时间响应，可以实现对快速变化光强的实时探测。.主要研究内容：.本项目研制基于金刚石的同步辐射光强监测探测器，该探测器结构上采取叠层结构，满足在不同X射线能量下具有较高的吸收效率，同时实现位置分辨的功能。该探测器在光强探测的同时，监测同步辐射光斑位置变化，利用金刚石实现对高亮度同步辐射光强大动态范围的探测、对光强变化的快速响应。.重要结果、关键数据：.依据项目进展，先后开展了金刚石探测器的工艺探索、器件设计和器件测试。器件研制包括：金刚石材料选购-等离子清洗-光刻形成电极图案-沉积金属电极-光刻胶剥离-清洗。探测器漏电流测试结果：暗电流和电压在-20V~20V之间符合线性关系（线性拟合度R=0.995）。当偏压为10V（0.5V/μm）时，探测器暗电流约为20pA，对应CVD金刚石材料的电阻率约为10^13Ω•cm。线性度测试：光强线性度测试结果，线性度好于99%，光强测量精度0.2%。位置分辨测试：重建位置及其标准差的计算结果满足位置测量精度好于1um的基本要求。.本项目将为高亮度同步辐射光源实验站提供具有位置分辨和光强探测双重功能的金刚石探测器，同时为用户进行快速吸收谱和极端环境吸收谱实验提供具有快速响应、高集成度的探测手段。