碘化铯闪烁晶体在光电检测过程中的机理分析

王 菊 霞

(1.渭南师范学院 物理与电气工程学院,陕西 渭南 714099；2.陕西省X射线检测与应用研究开发中心，陕西 渭南 714099)

【现代应用技术研究】

碘化铯闪烁晶体在光电检测过程中的机理分析

王 菊 霞1,2

(1.渭南师范学院 物理与电气工程学院,陕西 渭南 714099；2.陕西省X射线检测与应用研究开发中心，陕西 渭南 714099)

简述了光电检测的基本原理，从电子辐射、能量分布、光电效应的角度分析了碘化铯在光电检测过程中的机理，研究表明：入射光强大约为0.1 MW/cm2时，碘化铯可形成双光子光电效应.碘化铯晶体是目前较为普遍使用的较好闪烁体，可将X射线直接转换为可见光，从而获得数字图像，实现光电检测的目的.

光电检测；碘化铯；电子辐射；光电效应；机理

0 引言

1963年，Honig、Woolston，[1]Lichtman、Ready，[2]Verber、Adelman、Giori[3]等报道了通过激光诱导从固体中可辐射出电子，但当时很难精确解释实验中一些不规律的现象，Ready利用红宝石Q开关激光器诱导，从一些金属表面产生电子辐射，系统地研究了从固体表面的离子和电子辐射，并且解释了热电子辐射现象[4-5]，随后的研究表明了利用激光可以实现固体中的双光子吸收[6]、单光子、双光子和多光子的光电效应[7]等重要结论.当光照射到某物质上，引起物质的光电性质发生变化，这类光致电变的现象称为光电效应，依据光电效应原理，类似于激光诱导从固体中辐射出电子，X光照射到碘化铯(CsI)晶体上时，CsI可以吸收X射线的能量，在大约一微秒或更短的时间内把所吸收的一部分能量以光的形式再发射出来，即产生了光电效应，其特殊性体现在CsI可以吸收不可见的X射线并能把吸收的能量转换为可见光，通常将此类化合物称之为闪烁体.好的闪烁体可以使每个X光子产生许多个可见光光子，直接把X射线转换为可见光，而且通过直射式的光学系统将X射线所致的可见光传送到采集电路层，读出各个像素产生的信号送至计算机，由此可见，闪烁体在光电检测过程中扮演着重要角色，CsI是目前较为普遍使用得较好的闪烁体.本文从电子辐射产生的原理出发，分析了CsI电子辐射的能量分布、CsI基本的双光子光电效应，并讨论了热辐射对CsI薄膜闪烁特性的影响，从而说明CsI晶体在光电检测过程中所起作用的机理.

1 光电检测基本原理

光电系统就是以光波作为信息和能量的载体而实现传感、传输、探测等功能的测量系统.[8]在光电系统实际检测过程中，受光器在获得感知信号后，就会被反映为不同形状、颜色的信号，同时根据这些器件所处的不同位置，将它分为反射型与透过型两种模式.投光器所发出的光会以不一样的方式接触被检测物，直到照射到检测系统中的受光器，受光器在此刺激的情况下，将产生一定量的电流，即光敏性的原件，实际检测过程中应用比较广泛的有二极管、三极管，起这种作用的称之为电荷耦合器件，即CCD(Charge Coupled Device)，CCD具有光电转换、存贮和光电扫描的功能.可以根据每个像素输出的信号，确定光斑在CCD上的像素位置.在使用时，要给它提供严格同步的时钟驱动信号[9].

图1 光电检测电路设计原理图

基本的光电检测电路原理如图1所示，其中，反馈电阻Rf与Cf组成反馈补偿网络，光电流经运放后由10脚输出，再通过由R1、C1与R2、C2组成的无源二阶RC滤波网络进一步滤除输出电信号中的噪声干扰.近年来，根据不同功能的要求，人们对基本电路作了大量的完善和补充[10-19]，以便在不同环境或者条件下均可达到精确检测的目的，特别是考虑到光电探测器所接收到的信号一般都非常微弱，导致输出的信号往往被深埋在噪声之中，因此，一般都要对这样的微弱信号先进行预处理，在把大部分噪声滤掉的同时将微弱信号放大，以便达到后续处理器所要求的电压幅度.那么，需要通过前置放大电路、滤波电路和放大电路来输出幅度合适、并已滤掉大部分噪声的待检测信号，光纤传感光电检测电路可实现纳瓦级，甚至皮瓦级很微弱信号的检测[15-19].

2 CsI电子辐射的能量分布

设f(E)为能量分布函数，E0为电子能量的最大值，那么集电极电流随着制动电压的变化关系为：

3 CsI双光子光电效应分析

利用激光或者紫外光作为入射光，通过CsI薄膜后产生的电子辐射再转换成双光子辐射，若是紫外光，即可实现由不可见光转换为可见光的目的，两种光源均可得出类似的变化曲线，如图2所示.紫外线的光子流作为给定的总光子能量，并且把能量量子化来获得量子场，用光电倍增管测量紫外线相对强度从而校正光电阴极的光谱响应.尽管难以测量非常精确的值，但在CsI薄膜中也可测出双光子光电效应的绝对量子化数值，即利用光电二极管可测量不同光源的绝对光强数值，通过计算得知，紫外光的相对光强分布、电子辐射的量子化能量：对于0.08MW/cm2的激光强度，在7.14eV时，每一个紫外光子对应约103个电子.特别值得一提的是，利用X射线作为光源也可重复以上实验.类似地，把CsI换成金属材料将不会呈现双光子光电效应，如果从金属逸出电子则强烈地依赖于入射光的强度，可形成多光子光电效应.

图2 相对量子辐射(每入射一个紫外光子产出的电子数)随着入射总光子能量的变化曲线图

4 讨论

4.1 热辐射的影响

大量实验表明，就敏感性而言，光电效应取决于入射光子能量及物质的能带结构，而且受热电子辐射的影响，表面的热电子形成的电流与电压VR有关：

I(VR)=I0e-VR/KT. (2)

Bloch的研究表明[22]：系统的哈密顿量中的微扰项为

4.2CsI晶体的性质

CsI晶体的熔点是626℃，沸点：1 280℃，密度：4.51g/cm3，折射率是1.787 6，闪点是1 280℃，所以说CsI晶体属于耐高温材料.另外，CsI薄膜作为闪烁体还要求具有较高的密度，这是由于如果晶体密度低，大多数X射线直接穿过而不能被晶体吸收，使得荧光屏吸收系数降低.吸收系数是影响图像增强器信噪比的主要因素：吸收系数越低，信噪比越低，所以高密度碘化铯晶体可有效提高图像增强器的信噪比，减小图像噪声.由于工艺的改进，新一代闪烁体材料可以制作成“松针”状种植在非晶硅上，比传统整块闪烁体材料产生的光线散射要少一些，目前，制作出了超细针状结构的碘化铯，输入荧光屏一般采用碘化铯晶体，大大提高了图像增强器的分辨率.

5 结论

综上所述，可得出以下结论：

(1)在较高能量激发时，双光子光电效应主要由哈密顿量的一阶微扰项引起，只有具有光电效应的物质才能作为光电检测的材料；

(2)在一定条件下，CsI晶体可产生双光子光电效应，也反映了CsI晶体的电子信息的有关性质；

(3)高密度、超细针状结构的碘化铯晶体大幅度提升了图像增强器的分辨率和信噪比.

[1]R.E.Honig，J.R.Woolston.Laser-inducedemissionofelectrons,ions,andneutralatomsfromsolidsurfaces[J].Appl.Phys.Letters,1963,2(7):138-139.

[2]D.Lichtman，J.F.Ready.LaserBeamInducedElectronEmission[J].Phys.Rev.Letters,1963,10(8):342-344.

[3]M.Verber，A.H.Adelman.Laser-inducedthermionicemission[J].Appl.Phys.Letters,1963,2(11):220-221.

[4]J.F.Ready.MechanismofElectronEmissionProducedbyaGiant-PulseLaser[J].Phys.Rev，1965,137(2A),A620-A622.

[5]L.T.Shepherd,H.M.Skarsgard.ObservedDisruptionofIntenseRunawayElectronStreams[J].Phys.Rev.Lett，1963,10(4):121-122.

[6]J.J.Hopfield,J.M.Worlock.Two-QuantumAbsorptionSpectrumofKIandCsI[J].Phys.Rev,1965,137(5):A1455-A1464.

[7]H.J.Kimble，L.Mandel.Photoelectricdetectionofpolychromaticlight[J].Phys.Rev.A,1984,30(2):844-850.

[8]R.H.Lehmberg.Theoryofphotoelectricdetection[J].Phys.Rev，1968,167(5):1152-1158.

[9] 杨志丹．某光电检测仪电零位不稳定问题分析解决[J]．电子测试，2013,(22):128-129.

[10] 娄俊波，习大力，李永清，等．光纤传感光电检测的噪声分析与电路实现[J]．光纤传感技术，2013，(2)：25-27．

[11] 彭妍．基于光纤光栅边沿解调精密光电检测系统设计[J]．电子世界，2013,(2):121-122．

[12] 戈文杰，喻杰奎，胡强高，等．微弱光信号检测系统的研究[J]．光通信研究,2013,(3):51-53.

[13] 母一宁，王贺，李平，等．光轴检测模型中背景干扰分析与闪烁补偿方法探讨[J]．激光与光电子学进展，2013，50(6):060601(1)-060601(5).

[14] 锁建军．有关光电检测技术中的一个放大性电路的设计[J]．电子制作，2013,(4):38.

[15] 韩冬林，李玉淑，刘玉良．一种新型的反射式抗干扰光电检测头[J]．天津科技大学学报，2013，28(3)：66-69.

[16] 邢灿华，张德详，赵涛．二维光电检测仪的设计[J]．制造业自动化，2013，35(16)：21-24.

[17] 叶莉华，汪海洋，王文轩，等．基于光电倍增管的低噪声前置放大器的设计及其信号处理[J]．电子器件，2013，36(3)：340-343.

[18] 李宏棋，陈海清，弓伟.激光引信光电检测系统关键技术研究[J].光学与光电技术,2014,12(4):16-20.

[19] 郭建花.低噪声光电检测电路的设计与仿真[J].电子世界,2014,(11):30-31.

[20] Shiyang Zou,Peng Song,Liang Guo,et al.Deconvolving the temporal response of photoelectric X-ray detectors for the diagnosis of pulsed radiations[J].Rev.Sci.Instrum，2013,84:093508.

[21] E.M.Logothetis.Two-Photon Photoelectric Spectroscopy in CsI[J].Phys.Rev.Letters,1967,19(26):1470-1471.

[22] P Bloch.Preliminary Investigation of the Two-Photon Photoelectric Effect[J].J.Appl.Phys，1964,35(7):2052-2054.

【责任编辑 牛怀岗】

Mechanism Analysis of CsI Flicker Crystal on Photoelectric Detection Process

WANG Ju-xia1, 2

(1. School of Physics and Electric Engineering, Weinan Normal University, Weinan 714099, China； 2. Shaanxi Research Center of X-Ray Detection and Application, Weinan 714099, China)

The fundamental principle of photoelectric detection is described. The mechanism of CsI crystal in the process of photoelectric detection is analyzed on the basis of represent electron emission, energy distribution and photoelectric effects. It is found that the two-photon photoelectric effect was obtained in CsI film for incident light intensity of about 0.1 MW/cm2. The CsI is a fine flicker at large using which can be transform X-Ray to visible light in order to obtain figure image and realize photoelectric detection.

photoelectric detection; CsI; electron emission; photoelectric effects; mechanism

2015-04-13

国家自然科学基金项目:量子失协及其在自旋多体系统中的应用(11304230)；陕西省教育厅科研基金项目：量子失协(QuantumDiscord)及其在自旋多体系统中的应用(2013JK0634)；渭南师范学院教育教学改革研究重点项目:产学研结合培养应用创新型人才(JG201316)；渭南师范学院特色学科建设项目：光电检测与秦东工业(14TSXK06)；渭南师范学院人才基金项目：渭南电子产品X-Ray检测算法设计及实现(152RRC14)

王菊霞(1965—)，女，陕西合阳人，渭南师范学院物理与电气工程学院教授，理学博士，主要从事量子光学与量子信息学研究.

O482.7

A

1009-5128(2015)10-0026-04