高能X射線入射時CsI光陰極的光電發(fā)射特性

李　翔，顧　禮，宗方軻，楊勤勞

深圳大學(xué)光電工程學(xué)院，光電子器件與系統(tǒng)教育部/廣東省重點實驗室，廣東深圳518060

?

高能X射線入射時CsI光陰極的光電發(fā)射特性

李翔，顧禮，宗方軻，楊勤勞

深圳大學(xué)光電工程學(xué)院，光電子器件與系統(tǒng)教育部/廣東省重點實驗室，廣東深圳518060

摘要：采用蒙特卡羅方法建立模型，研究CsI光陰極在高能X射線照射時的光電發(fā)射特性，得到X射線條紋相機中CsI光陰極在高能X射線入射時的性能參數(shù)．計算CsI光陰極厚度為100～1 000 nm，入射X射線能量為1～30 keV時CsI光陰極的量子產(chǎn)額、出射二次電子的角度分布、位置分布以及能量分布．結(jié)果顯示，CsI光陰極在高能X射線入射時的極限空間分辨率約為7～9 nm，可滿足X射線條紋相機對高時空分辨的使用需求．

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體技術(shù)；CsI光陰極；慣性約束聚變；X射線條紋相機；高能X射線；蒙特卡羅模型

在激光慣性約束聚變(inertial confinement fusion, ICF)實驗中，X射線條紋相機是進行高時空分辨X射線測量的主要診斷設(shè)備之一，是ICF不可缺少的重要設(shè)備[1-6]．目前，國內(nèi)外的X射線條紋相機大都采用CsI光陰極作為相機的光電轉(zhuǎn)換元件，因此CsI光陰極的光電發(fā)射性能是制約X射線條紋相機時空分辨能力的一個重要因素[7-9]．20世紀(jì)70年代末，Henke等[10-11]通過實驗測量了CsI光陰極在入射光能量范圍為0.1～10.0 keV時的量子產(chǎn)額和二次電子(secondary electron, SE)能量分布等系列參數(shù)，確定了CsI光陰極在此能譜范圍內(nèi)具有良好的光電發(fā)射特性．然而隨著ICF實驗的進展，靶丸爆炸后產(chǎn)生的X射線能譜逐漸向高能區(qū)移動，在美國國家點火裝置(National Ignition Facility, NIF)的實驗里，能譜的峰值甚至已經(jīng)達到了10 keV[12]．由于目前還沒有實驗或理論依據(jù)證明CsI光陰極在入射光能量大于10 keV之后，是否還能滿足X射線條紋相機所需的時空分辨能力要求，因此，有必要對CsI光陰極的綜合光電發(fā)射特性進行進一步研究．

通過實驗方法對CsI光陰極的發(fā)射特性進行研究，只能測量量子產(chǎn)額和二次電子能量分布這兩項參數(shù)，而很難測量二次電子出射位置分布和角度分布．在無法實驗驗證二次電子出射位置和角度分布的情況下，使用蒙特卡羅模擬來得到結(jié)果是一種可靠的替代方法．因為蒙特卡羅方法作為一種理論計算的工具，具有逼真描述真實物理過程的特點，在實驗物理中具有部分替代物理實驗的作用．Akkerman等[13-14]建立的蒙特卡羅模型，基于第一性原理且不包含任何通過擬合實驗結(jié)果得到的參數(shù)，可以模擬的入射X射線能量范圍可達到1～100 keV．該模型在模擬堿金屬鹵化物光陰極的光電發(fā)射過程方面有很高的準(zhǔn)確度，對多種堿金屬鹵化物的量子產(chǎn)額和二次電子能量分布的模擬結(jié)果都與實驗結(jié)果非常符合．本研究使用該模型對CsI光陰極在1～30 keV入射X射線照射條件下的光電發(fā)射進行模擬，統(tǒng)計得到CsI光陰極的量子產(chǎn)額，出射二次電子的角度分布、位置分布以及能量分布等參數(shù)．

如果將模型中X射線入射CsI光陰極的那一面稱為正面，另一面稱為背面，則統(tǒng)計正面出射的二次電子出射特性，得到的就是反射式光陰極的光電發(fā)射特性；統(tǒng)計背面出射的二次電子的出射特性，得到的就是透射式光陰極的光電發(fā)射特性．模擬結(jié)果顯示，CsI光陰極的光電發(fā)射特性只有量子產(chǎn)額這一項和二次電子的出射面有關(guān)，而從CsI光陰極正面和背面出射的二次電子的能量分布、時間分布和位置分布是一樣的．

1量子產(chǎn)額

量子產(chǎn)額是指單個光子照射光陰極所能激發(fā)出來的平均電子數(shù)目，反映了光陰極的光電轉(zhuǎn)換效率，是比較不同光陰極性能好壞的關(guān)鍵指標(biāo)．CsI薄膜擁有比金屬薄膜高一個量級以上的量子產(chǎn)額，這是它成為X射線條紋相機光陰極首選材料的重要原因之一[11]．圖1為分別由實驗測量和模型模擬得到的300 nm厚反射式CsI光陰極在入射X射線能量為1～30 keV時的量子產(chǎn)額．

由圖1可見，在1～10 keV能譜范圍內(nèi)，實驗和模擬結(jié)果吻合很好．因為量子產(chǎn)額并不直接影響X射線條紋相機的時空分辨率，因此對量子產(chǎn)額的模擬主要是為了對比實驗和模擬結(jié)果，以證明本研究所用蒙特卡羅模型的準(zhǔn)確性．模擬結(jié)果顯示，X射線能量在10 keV以上時，量子產(chǎn)額隨著X射線能量的增加呈現(xiàn)快速的下降趨勢．

2二次電子能量分布

CsI光陰極的二次電子能量分布是影響X射線條紋相機時間分辨能力的重要因素．二次電子能量分布的半高寬小，意味著同一時刻出射的電子能量差別小，因此這些電子飛行到成像面時的時間差也會小．Henke等[10-11]測量了當(dāng)入射光能量分別為277、1 487和8 080 eV時，300 nm厚CsI光陰極的二次電子能量分布曲線，得到曲線的半高寬分別為1.5、1.6和1.7 eV，曲線的峰值分別為0.50、0.35 和0.50 eV．

圖2為模型模擬得到的二次電子能量分布曲線．其中，圖2(a)為不同能量X射線入射300 nm厚CsI光陰極的二次電子能量分布曲線；圖2(b)是能量為20 keV的X射線入射不同厚度CsI光陰極的二次電子能量分布曲線．可見，CsI光陰極二次電子能量分布曲線的半高寬約為1.4 eV，峰值約為0.7 eV，與Henke等[10-11]的實驗結(jié)果相當(dāng)吻合，并且曲線形狀幾乎不受CsI光陰極的厚度和入射X射線的能量影響．模擬結(jié)果顯示，從CsI光陰極的正面和背面出射的二次電子的能量分布曲線是一樣的．

圖2　計算得到的二次電子能量分布曲線Fig.2　(Color online) Calculated SE energy distribution

3二次電子位置分布

在CsI光陰極入射面相同位置入射的X射線光子所激發(fā)出來的二次電子，從出射面出射時出射位置的集合形成一個彌散斑，其大小決定了X射線條紋相機的極限空間分辨率．當(dāng)前的X射線條紋相機，X射線都是在幾乎垂直CsI光陰極表面的方向入射．在這種條件下，彌散斑的形狀接近圓形，而圓心就是入射光所在直線和出射面的交點．在光陰極出射面上任意選取過圓心的直線，二次電子在不同直線上的數(shù)量分布是一樣的．通過統(tǒng)計二次電子在過圓心任意直線上的數(shù)量分布，就可以得到彌散斑的大小數(shù)據(jù)．設(shè)定圓心的位置為0，過圓心的直線線寬為5 nm，則模擬所得二次電子出射位置分布曲線如圖3．

圖3　計算得到的二次電子出射位置分布曲線Fig. 3　(Color online) Calculated SE emission position distribution

圖3(a)為不同能量X射線入射300 nm厚CsI光陰極的二次電子出射位置分布曲線，圖3(b)為能量為20 keV的X射線入射不同厚度CsI光陰極的二次電子出射位置分布曲線．可見，二次電子出射位置分布曲線的峰值位置在零點附近，半高寬約7～9 nm，并且曲線形狀與CsI光陰極的厚度及入射X射線的能量無關(guān)．因為在這項模擬中入射光子被設(shè)定為在光陰極入射面的同一個點入射，所以二次電子位置分布曲線7～9 nm的半高寬可被認為是CsI光陰極的極限空間分辨力，這也是CsI光陰極的固有屬性．目前，不同X射線條紋相機受相機內(nèi)部電子光學(xué)系統(tǒng)的像差影響，空間分辨能力被限制在幾微米到幾十微米之間，因此CsI光陰極7～9 nm的空間分辨極限完全不會影響到當(dāng)前X射線條紋相機的空間分辨能力．

4二次電子出射角度分布

二次電子的出射角度分布是直接影響條紋相機時間和空間分辨能力的重要因素[15]．從光陰極出射面同一位置出射的二次電子，因為出射角度不一樣而導(dǎo)致飛行軌跡不同，最終造成這些二次電子在到達條紋相機的成像面時不再是一個點而是一個彌散斑,且二次電子的飛行時間各不相同．CsI光陰極二次電子的角度分布難以通過實驗得到，條紋相機研制人員在相機設(shè)計過程中默認該分布為余弦分布．但二次電子出射角度分布究竟是不是余弦分布非常重要，這會直接導(dǎo)致生產(chǎn)出來的條紋相機的空間分辨力和設(shè)計結(jié)果不匹配．在無法實驗驗證二次電子出射角度分布的情況下，本研究通過蒙特卡羅方法模擬得到結(jié)果．

圖4　計算得到的二次電子出射角度分布曲線Fig.4　(Color online) Calculated SE emission angle distribution

圖4為模擬所得二次電子數(shù)隨出射角度的分布曲線，出射角的0°對應(yīng)出射面的法線方向．其中，圖4(a)為不同能量X射線入射300 nm厚CsI光陰極的二次電子角度分布曲線；圖4(b)是能量為20 keV的X射線入射不同厚度CsI光陰極的二次電子能量分布曲線．可見，模擬得到的二次電子出射角度分布曲線的峰值在45°附近，曲線形狀滿足余弦分布，且分布曲線的形狀仍與入射X射線的能量和CsI光陰極的厚度不相關(guān)．由此可知，二次電子出射角度分布取余弦分布是正確的．

結(jié)語

在高能X射線入射的情況下，CsI光陰極的光電發(fā)射特性只有量子產(chǎn)額和二次電子能量分布可通過實驗得到，而要測量二次電子出射位置和角度分布則非常困難．本研究通過蒙特卡羅模型模擬不同厚度CsI光陰極在1～30 keV入射X射線照射條件下的光電發(fā)射過程，統(tǒng)計了量子產(chǎn)額、二次電子能量分布、位置分布和角度分布等參數(shù)，將量子產(chǎn)額和二次電子能量分布在1～10 keV能譜范圍內(nèi)的模擬結(jié)果和實驗結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果和實驗結(jié)果吻合很好．且發(fā)現(xiàn)二次電子的能量分布、位置分布和角度分布不僅在1～30 keV的能量范圍內(nèi)滿足X射線條紋相機的使用要求，且與入射X射線的能量和CsI光陰極的厚度無關(guān)，此結(jié)論對X射線條紋相機的設(shè)計和使用人員都有較高的指導(dǎo)價值．

參考文獻/References：

[1] 廖華，楊勤勞，張勁松，等.大動態(tài)長狹縫相機系統(tǒng)[J].強激光與粒子束，2008，20(9)：1558-1562.

Liao Hua, Yang Qinlao, Zhang Jinsong, et al. High dynamic range streak camera system with long slit[J]. High Power Laser and Particle Beams，2008,20(9)：1558-1562.(in Chinese)

[2] Marley E V, Shepherd R, Fulkerson S, et al. Ultra fast x-ray streak camera for ten inch manipulator based platforms[J]. Review of Scientific Instruments, 2012, 83(10):10E106.

[3] 李晉，胡昕，楊品，等.大動態(tài)雙聚焦條紋變象管設(shè)計[J].強激光與粒子束，2013, 25(10)：2616-2619.

Li Jin, Hu Xin, Yang Pin, et al. Double focusing lens streak tube with wide dynamic range design[J]. High Power Laser and Particle Beams，2013, 25(10)：2616-2619.(in Chinese)

[4] 顧禮, 胡昕, 楊勤勞, 等. 多量程X射線條紋相機研制[J]. 深圳大學(xué)學(xué)報理工版, 2011, 28(3): 225-229.

Gu Li, Hu Xin, Yang Qinlao, et al. Study of mutli-range X-ray streak camera[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2011, 28(3):225-229.(in Chinese)

[5] Feng J, Engelhorn K, Cho B I, et al. A grazing incidence x-ray streak camera for ultrafast, single-shot measurements[J]. Applied Physics Letters, 2010, 96(13):134102.

[6] Opachich Y P, Kalantar D H, MacPhee A G, et al. High performance imaging streak camera for the National Ignition Facility[J]. Review of Scientific Instruments, 2012, 83(12):125105.

[7] 黎宇坤，陳韜，鄧博，等. 軟X射線條紋相機光陰極能譜響應(yīng)靈敏度[J]. 強激光與粒子束, 2014, 26(2): 22002.

Li Yukun, Chen Tao, Deng Bo, et al. Energy spectral response of photocathode for soft X-ray streak camera[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2014, 26(2): 22002.(in Chinese)

[8] 李晉，胡昕，樊龍，等. X射線條紋相機陰極制備及其絕對標(biāo)定[J]. 強激光與粒子束, 2015, 27(8): 082003.

Li Jin, Hu Xin, Fan Long, et al. Fabrication and absolute calibration of X-ray streak camera cathode[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2015, 27(8): 082003.(in Chinese)

[9] 黎宇坤，樊龍，陳韜，等. 自支撐CsI/PC膜及其X射線光電轉(zhuǎn)換性能研究[J]. 強激光與粒子束, 2015, 27(8): 082006.

Li Yukun, Fan Long, Chen Tao, et al. Self-supported CsI/PC membrane and its photoelectric conversion property[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2015, 27(8): 082006.(in Chinese)

[10] Henke B L, Liesegang J, Smith S D. Soft-x-ray-induced secondary-electron emission from semiconductors and insulators: models and measurements[J]. Physical Review B, 1979, 19(6): 3004-3021.

[11] Henke B L, Knauer J P, Premaratne K. The characterization of x-ray photocathodes in the 0.1-10 keV photon energy region[J]. Journal of Applied Physics, 1981, 52(3):1509-1520.

[12] Khan S F, Lee J J, Izumi N, et al. Characterization of the x-ray sensitivity of a streak camera used at the National Ignition Facility(NIF)[C]// International Conference on Target Diagnostics Physics and Engineering for Inertial Confinement Fusion. San Diego, USA: SPIE, 2013, 8850:88500D.

[13] Akkerman A, Gibrekhterman A, Breskin A, et al. Monte Carlo simulations of secondary electron emission from CsI, induced by 1-10 keV x rays and electrons[J]. Journal of Applied Physics, 1992, 72(11): 5429-5436.

[14] Boutboul T, Akkerman A, Gibrekhterman A, et al. An improved model for ultraviolet- and x-ray-induced electron emission from CsI[J]. Journal of Applied Physics, 1999, 86(10): 5841-5849.

[15] 顧禮，宗方軻，李翔，等. 光電子能量角度分布和空間電荷效應(yīng)對變像管條紋相機的影響[J]. 強激光與粒子束, 2015, 27(6): 27062011.

Gu Li, Zong Fangke, Li Xiang, et al. Influence of photoelectron energy and angular distribution and space charge effect on streak cameras[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2015, 27(6): 27062011.(in Chinese)

【中文責(zé)編：方圓；英文責(zé)編：木南】

Photoemission characteristics of a CsI photocathode under high energy X-ray

Li Xiang, Gu Li, Zong Fangke, and Yang Qinlao?

College of Optoelectronic Engineering, Key Laboratory of Optoelectronic Devices and Systems of Ministry of Education and Guangdong Province, Shenzhen University, Shenzhen 518060, Guangdong Province, P.R.China

Abstract：A model to investigate the characteristics of high energy X-ray induced secondary electron (SE) emission from a CsI photocathode used in an X-ray streak camera is proposed by the Monte Carlo method. The quantum yield of the CsI photocathode and the angular distribution, position distribution and energy distribution of the emitted SEs are calculated with the incident X-ray energy range from 1 to 30 keV and a CsI thickness from 100 to 1 000 nm. Simulation results indicate that the spatial resolution limit of a CsI photocathode is about 7～9 nm when high energy X-ray irradiates. Therefore CsI photocathode is able to satisfy the operating requirement for high temporal resolution and spatial resolution of an X-ray streak camera.

Key words：semiconductor technology; CsI photocathode; inertial confinement fusion; X-ray streak camera; high energy X-ray; Monte Carlo model

基金項目：國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項基金資助項目(2014YQ230659)

作者簡介：李翔(1984—)，男，深圳大學(xué)博士研究生．研究方向：CsI光陰極. E-mail：2116190103@email.szu.edu.cn

中圖分類號：O 434.1

文獻標(biāo)志碼：A

doi：10.3724/SP.J.1249.2016.03254

【光電工程 / Optoelectronic Engineering】

Received：2015-12-23；Accepted：2016-02-26

Foundation：National Key Scientific Instrument and Equipment Development Projects (2014YQ230659)

? Corresponding author：Professor Yang Qinlao．E-mail: qlyang@szu.edu.cn

Citation：Li Xiang，Gu Li，Zong Fangke，et al．Photoemission characteristics of a CsI photocathode under high energy X-ray[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2016, 33(3): 254-258.(in Chinese)

引文：李翔，顧禮，宗方軻，等. 高能X射線入射時CsI光陰極的光電發(fā)射特性[J]. 深圳大學(xué)學(xué)報理工版，2016，33(3)：254-258.