Investigation and development of thin diamond detectors

Iznimna električna, optička, toplinska i mehanička svojstva čine dijamant materijalom koji bi u skoroj budućnosti mogao zamijeniti siliciji u standardnoj upotrebi za izradu raznih elektroničkih sklopova, ali i detektora zračenja. Ključnu ulogu pritom ima napredak u proizvodnji umjetnih dijamantnih kristala postupkom kemijske depozicije ugljika iz parne faze (CVD). U ovom je radu razvijen transmisijski dijamantni detektor koji istovremeno služi i kao vakuumski prozor za izlaz ubzanih iona iz vakuumskog sustava ionskog ubrzivača u atmosferu. Uređaj se temelji na ultra-tankoj dijamantnoj membrani proizvedenoj jetkanjem debljeg CVD dijamantnog uzorka Ar-O2 plazmom. Zahvaljujući visokoj tvrdoći dijamanta, 6 mikrometara debela membrana u stanju je podnijeti znatno naprezanje uslijed razlike u tlakovima od 1 bar. Metalizacijom nasuprotnih strana dijamantne membrane i uspostavom električnog polja unutar detektora dolazi do stvaranja mjerljivog električnog signala pri upadu nabijenih čestica. Ostvarena, gotovo 100%-tna efikasnost detekcije čak i za ubrzane protone, vrlo je bitna kad se uzorci postavljeni izvan vakuumske komore žele ozračiti točnim brojem čestica, kao što je slučaj kod npr. ozračivanja živih stanica pojedinačnim ionima. Također, testovi otpornosti na zračenje pokazali su očekivano bolje ponašanje 6 mikormetarskog dijamantnog detektora u odnosu na 50 mikrometarski dijamantni i silicijski detektor, zbog čega je njegova primjena moguća i u uvjetima velikih struja čestica. Ipak, uočeni efekt polarizacije dijamantnih detektora predstavlja za sada nepremostivi problem pri detekciji teških iona kratkog dosega. Tada dolazi do djelomičnog poništenja narinutog električnog polja pa signal iz detektora opada.Because of the outstanding electrical, optical, thermal and mechanical properties, diamond is considered as a potential substitute that could replace silicon in production of standard electronic devices. A large success in growth of high quality synthetic diamonds by the chemical vapour deposition method has initiated research directed towards the application of this material for construction of charged particle detectors. In the present work, the development and analysis of a novel transmission diamond detector, based on the ultra-thin diamond membrane, are described. The 6 μm thick membrane was prepared by Ar-O2 plasma etching and serves simultaneously as a vacuum window which enables the extraction of the ion beam from the vacuum system of the accelerator into the atmosphere. Metallization of the opposite surfaces on the membrane allows for the electric field to be applied to the bulk of diamond plate. An impinging ion produces now a measurable electrical signal that can be recorded by standard electronic chain. A hit detection efficiency of close to 100%, even for energetic protons, makes the device ideal for applications that require accurate and controlled dose delivery to a sample that is placed outside of the vacuum chamber. Moreover, the results of the radiation-hardness test indicate a wider possible range of device applications, including those that involve high currents of charged particles or long exposure to radiation. However, the detection of short range ions is disturbed by the polarization effect which occurs due to deep level traps that are present in even the best quality diamond crystals