高能X射线入射时CsI光阴极的光电发射特性

李　翔，顾　礼，宗方轲，杨勤劳

深圳大学光电工程学院，光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室，广东深圳518060



高能X射线入射时CsI光阴极的光电发射特性

李翔，顾礼，宗方轲，杨勤劳

深圳大学光电工程学院，光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室，广东深圳518060

摘要：采用蒙特卡罗方法建立模型，研究CsI光阴极在高能X射线照射时的光电发射特性，得到X射线条纹相机中CsI光阴极在高能X射线入射时的性能参数．计算CsI光阴极厚度为100～1 000 nm，入射X射线能量为1～30 keV时CsI光阴极的量子产额、出射二次电子的角度分布、位置分布以及能量分布．结果显示，CsI光阴极在高能X射线入射时的极限空间分辨率约为7～9 nm，可满足X射线条纹相机对高时空分辨的使用需求．

关键词：半导体技术；CsI光阴极；惯性约束聚变；X射线条纹相机；高能X射线；蒙特卡罗模型

在激光惯性约束聚变(inertial confinement fusion, ICF)实验中，X射线条纹相机是进行高时空分辨X射线测量的主要诊断设备之一，是ICF不可缺少的重要设备[1-6]．目前，国内外的X射线条纹相机大都采用CsI光阴极作为相机的光电转换元件，因此CsI光阴极的光电发射性能是制约X射线条纹相机时空分辨能力的一个重要因素[7-9]．20世纪70年代末，Henke等[10-11]通过实验测量了CsI光阴极在入射光能量范围为0.1～10.0 keV时的量子产额和二次电子(secondary electron, SE)能量分布等系列参数，确定了CsI光阴极在此能谱范围内具有良好的光电发射特性．然而随着ICF实验的进展，靶丸爆炸后产生的X射线能谱逐渐向高能区移动，在美国国家点火装置(National Ignition Facility, NIF)的实验里，能谱的峰值甚至已经达到了10 keV[12]．由于目前还没有实验或理论依据证明CsI光阴极在入射光能量大于10 keV之后，是否还能满足X射线条纹相机所需的时空分辨能力要求，因此，有必要对CsI光阴极的综合光电发射特性进行进一步研究．

通过实验方法对CsI光阴极的发射特性进行研究，只能测量量子产额和二次电子能量分布这两项参数，而很难测量二次电子出射位置分布和角度分布．在无法实验验证二次电子出射位置和角度分布的情况下，使用蒙特卡罗模拟来得到结果是一种可靠的替代方法．因为蒙特卡罗方法作为一种理论计算的工具，具有逼真描述真实物理过程的特点，在实验物理中具有部分替代物理实验的作用．Akkerman等[13-14]建立的蒙特卡罗模型，基于第一性原理且不包含任何通过拟合实验结果得到的参数，可以模拟的入射X射线能量范围可达到1～100 keV．该模型在模拟碱金属卤化物光阴极的光电发射过程方面有很高的准确度，对多种碱金属卤化物的量子产额和二次电子能量分布的模拟结果都与实验结果非常符合．本研究使用该模型对CsI光阴极在1～30 keV入射X射线照射条件下的光电发射进行模拟，统计得到CsI光阴极的量子产额，出射二次电子的角度分布、位置分布以及能量分布等参数．

如果将模型中X射线入射CsI光阴极的那一面称为正面，另一面称为背面，则统计正面出射的二次电子出射特性，得到的就是反射式光阴极的光电发射特性；统计背面出射的二次电子的出射特性，得到的就是透射式光阴极的光电发射特性．模拟结果显示，CsI光阴极的光电发射特性只有量子产额这一项和二次电子的出射面有关，而从CsI光阴极正面和背面出射的二次电子的能量分布、时间分布和位置分布是一样的．

1量子产额

量子产额是指单个光子照射光阴极所能激发出来的平均电子数目，反映了光阴极的光电转换效率，是比较不同光阴极性能好坏的关键指标．CsI薄膜拥有比金属薄膜高一个量级以上的量子产额，这是它成为X射线条纹相机光阴极首选材料的重要原因之一[11]．图1为分别由实验测量和模型模拟得到的300 nm厚反射式CsI光阴极在入射X射线能量为1～30 keV时的量子产额．

由图1可见，在1～10 keV能谱范围内，实验和模拟结果吻合很好．因为量子产额并不直接影响X射线条纹相机的时空分辨率，因此对量子产额的模拟主要是为了对比实验和模拟结果，以证明本研究所用蒙特卡罗模型的准确性．模拟结果显示，X射线能量在10 keV以上时，量子产额随着X射线能量的增加呈现快速的下降趋势．

2二次电子能量分布

CsI光阴极的二次电子能量分布是影响X射线条纹相机时间分辨能力的重要因素．二次电子能量分布的半高宽小，意味着同一时刻出射的电子能量差别小，因此这些电子飞行到成像面时的时间差也会小．Henke等[10-11]测量了当入射光能量分别为277、1 487和8 080 eV时，300 nm厚CsI光阴极的二次电子能量分布曲线，得到曲线的半高宽分别为1.5、1.6和1.7 eV，曲线的峰值分别为0.50、0.35 和0.50 eV．

图2为模型模拟得到的二次电子能量分布曲线．其中，图2(a)为不同能量X射线入射300 nm厚CsI光阴极的二次电子能量分布曲线；图2(b)是能量为20 keV的X射线入射不同厚度CsI光阴极的二次电子能量分布曲线．可见，CsI光阴极二次电子能量分布曲线的半高宽约为1.4 eV，峰值约为0.7 eV，与Henke等[10-11]的实验结果相当吻合，并且曲线形状几乎不受CsI光阴极的厚度和入射X射线的能量影响．模拟结果显示，从CsI光阴极的正面和背面出射的二次电子的能量分布曲线是一样的．

图2　计算得到的二次电子能量分布曲线Fig.2　(Color online) Calculated SE energy distribution

3二次电子位置分布

在CsI光阴极入射面相同位置入射的X射线光子所激发出来的二次电子，从出射面出射时出射位置的集合形成一个弥散斑，其大小决定了X射线条纹相机的极限空间分辨率．当前的X射线条纹相机，X射线都是在几乎垂直CsI光阴极表面的方向入射．在这种条件下，弥散斑的形状接近圆形，而圆心就是入射光所在直线和出射面的交点．在光阴极出射面上任意选取过圆心的直线，二次电子在不同直线上的数量分布是一样的．通过统计二次电子在过圆心任意直线上的数量分布，就可以得到弥散斑的大小数据．设定圆心的位置为0，过圆心的直线线宽为5 nm，则模拟所得二次电子出射位置分布曲线如图3．

图3　计算得到的二次电子出射位置分布曲线Fig. 3　(Color online) Calculated SE emission position distribution

图3(a)为不同能量X射线入射300 nm厚CsI光阴极的二次电子出射位置分布曲线，图3(b)为能量为20 keV的X射线入射不同厚度CsI光阴极的二次电子出射位置分布曲线．可见，二次电子出射位置分布曲线的峰值位置在零点附近，半高宽约7～9 nm，并且曲线形状与CsI光阴极的厚度及入射X射线的能量无关．因为在这项模拟中入射光子被设定为在光阴极入射面的同一个点入射，所以二次电子位置分布曲线7～9 nm的半高宽可被认为是CsI光阴极的极限空间分辨力，这也是CsI光阴极的固有属性．目前，不同X射线条纹相机受相机内部电子光学系统的像差影响，空间分辨能力被限制在几微米到几十微米之间，因此CsI光阴极7～9 nm的空间分辨极限完全不会影响到当前X射线条纹相机的空间分辨能力．

4二次电子出射角度分布

二次电子的出射角度分布是直接影响条纹相机时间和空间分辨能力的重要因素[15]．从光阴极出射面同一位置出射的二次电子，因为出射角度不一样而导致飞行轨迹不同，最终造成这些二次电子在到达条纹相机的成像面时不再是一个点而是一个弥散斑,且二次电子的飞行时间各不相同．CsI光阴极二次电子的角度分布难以通过实验得到，条纹相机研制人员在相机设计过程中默认该分布为余弦分布．但二次电子出射角度分布究竟是不是余弦分布非常重要，这会直接导致生产出来的条纹相机的空间分辨力和设计结果不匹配．在无法实验验证二次电子出射角度分布的情况下，本研究通过蒙特卡罗方法模拟得到结果．

图4　计算得到的二次电子出射角度分布曲线Fig.4　(Color online) Calculated SE emission angle distribution

图4为模拟所得二次电子数随出射角度的分布曲线，出射角的0°对应出射面的法线方向．其中，图4(a)为不同能量X射线入射300 nm厚CsI光阴极的二次电子角度分布曲线；图4(b)是能量为20 keV的X射线入射不同厚度CsI光阴极的二次电子能量分布曲线．可见，模拟得到的二次电子出射角度分布曲线的峰值在45°附近，曲线形状满足余弦分布，且分布曲线的形状仍与入射X射线的能量和CsI光阴极的厚度不相关．由此可知，二次电子出射角度分布取余弦分布是正确的．

结语

在高能X射线入射的情况下，CsI光阴极的光电发射特性只有量子产额和二次电子能量分布可通过实验得到，而要测量二次电子出射位置和角度分布则非常困难．本研究通过蒙特卡罗模型模拟不同厚度CsI光阴极在1～30 keV入射X射线照射条件下的光电发射过程，统计了量子产额、二次电子能量分布、位置分布和角度分布等参数，将量子产额和二次电子能量分布在1～10 keV能谱范围内的模拟结果和实验结果进行对比，发现模拟结果和实验结果吻合很好．且发现二次电子的能量分布、位置分布和角度分布不仅在1～30 keV的能量范围内满足X射线条纹相机的使用要求，且与入射X射线的能量和CsI光阴极的厚度无关，此结论对X射线条纹相机的设计和使用人员都有较高的指导价值．

参考文献/References：

[1] 廖华，杨勤劳，张劲松，等.大动态长狭缝相机系统[J].强激光与粒子束，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] 李晋，胡昕，杨品，等.大动态双聚焦条纹变象管设计[J].强激光与粒子束，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] 顾礼, 胡昕, 杨勤劳, 等. 多量程X射线条纹相机研制[J]. 深圳大学学报理工版, 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，陈韬，邓博，等. 软X射线条纹相机光阴极能谱响应灵敏度[J]. 强激光与粒子束, 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] 李晋，胡昕，樊龙，等. X射线条纹相机阴极制备及其绝对标定[J]. 强激光与粒子束, 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，樊龙，陈韬，等. 自支撑CsI/PC膜及其X射线光电转换性能研究[J]. 强激光与粒子束, 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] 顾礼，宗方轲，李翔，等. 光电子能量角度分布和空间电荷效应对变像管条纹相机的影响[J]. 强激光与粒子束, 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)

【中文责编：方圆；英文责编：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

基金项目：国家重大科学仪器设备开发专项基金资助项目(2014YQ230659)

作者简介：李翔(1984—)，男，深圳大学博士研究生．研究方向：CsI光阴极. E-mail：2116190103@email.szu.edu.cn

中图分类号：O 434.1

文献标志码：A

doi：10.3724/SP.J.1249.2016.03254

【光电工程 / 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，顾礼，宗方轲，等. 高能X射线入射时CsI光阴极的光电发射特性[J]. 深圳大学学报理工版，2016，33(3)：254-258.