王 菊 霞

(1.渭南師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院,陜西 渭南 714099；2.陜西省X射線(xiàn)檢測(cè)與應(yīng)用研究開(kāi)發(fā)中心，陜西 渭南 714099)

【現(xiàn)代應(yīng)用技術(shù)研究】

碘化銫閃爍晶體在光電檢測(cè)過(guò)程中的機(jī)理分析

王 菊 霞1,2

(1.渭南師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院,陜西 渭南 714099；2.陜西省X射線(xiàn)檢測(cè)與應(yīng)用研究開(kāi)發(fā)中心，陜西 渭南 714099)

簡(jiǎn)述了光電檢測(cè)的基本原理，從電子輻射、能量分布、光電效應(yīng)的角度分析了碘化銫在光電檢測(cè)過(guò)程中的機(jī)理，研究表明：入射光強(qiáng)大約為0.1 MW/cm2時(shí)，碘化銫可形成雙光子光電效應(yīng).碘化銫晶體是目前較為普遍使用的較好閃爍體，可將X射線(xiàn)直接轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光，從而獲得數(shù)字圖像，實(shí)現(xiàn)光電檢測(cè)的目的.

光電檢測(cè)；碘化銫；電子輻射；光電效應(yīng)；機(jī)理

0 引言

1963年，Honig、Woolston，[1]Lichtman、Ready，[2]Verber、Adelman、Giori[3]等報(bào)道了通過(guò)激光誘導(dǎo)從固體中可輻射出電子，但當(dāng)時(shí)很難精確解釋實(shí)驗(yàn)中一些不規(guī)律的現(xiàn)象，Ready利用紅寶石Q開(kāi)關(guān)激光器誘導(dǎo)，從一些金屬表面產(chǎn)生電子輻射，系統(tǒng)地研究了從固體表面的離子和電子輻射，并且解釋了熱電子輻射現(xiàn)象[4-5]，隨后的研究表明了利用激光可以實(shí)現(xiàn)固體中的雙光子吸收[6]、單光子、雙光子和多光子的光電效應(yīng)[7]等重要結(jié)論.當(dāng)光照射到某物質(zhì)上，引起物質(zhì)的光電性質(zhì)發(fā)生變化，這類(lèi)光致電變的現(xiàn)象稱(chēng)為光電效應(yīng)，依據(jù)光電效應(yīng)原理，類(lèi)似于激光誘導(dǎo)從固體中輻射出電子，X光照射到碘化銫(CsI)晶體上時(shí)，CsI可以吸收X射線(xiàn)的能量，在大約一微秒或更短的時(shí)間內(nèi)把所吸收的一部分能量以光的形式再發(fā)射出來(lái)，即產(chǎn)生了光電效應(yīng)，其特殊性體現(xiàn)在CsI可以吸收不可見(jiàn)的X射線(xiàn)并能把吸收的能量轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光，通常將此類(lèi)化合物稱(chēng)之為閃爍體.好的閃爍體可以使每個(gè)X光子產(chǎn)生許多個(gè)可見(jiàn)光光子，直接把X射線(xiàn)轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光，而且通過(guò)直射式的光學(xué)系統(tǒng)將X射線(xiàn)所致的可見(jiàn)光傳送到采集電路層，讀出各個(gè)像素產(chǎn)生的信號(hào)送至計(jì)算機(jī)，由此可見(jiàn)，閃爍體在光電檢測(cè)過(guò)程中扮演著重要角色，CsI是目前較為普遍使用得較好的閃爍體.本文從電子輻射產(chǎn)生的原理出發(fā)，分析了CsI電子輻射的能量分布、CsI基本的雙光子光電效應(yīng)，并討論了熱輻射對(duì)CsI薄膜閃爍特性的影響，從而說(shuō)明CsI晶體在光電檢測(cè)過(guò)程中所起作用的機(jī)理.

1 光電檢測(cè)基本原理

光電系統(tǒng)就是以光波作為信息和能量的載體而實(shí)現(xiàn)傳感、傳輸、探測(cè)等功能的測(cè)量系統(tǒng).[8]在光電系統(tǒng)實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，受光器在獲得感知信號(hào)后，就會(huì)被反映為不同形狀、顏色的信號(hào)，同時(shí)根據(jù)這些器件所處的不同位置，將它分為反射型與透過(guò)型兩種模式.投光器所發(fā)出的光會(huì)以不一樣的方式接觸被檢測(cè)物，直到照射到檢測(cè)系統(tǒng)中的受光器，受光器在此刺激的情況下，將產(chǎn)生一定量的電流，即光敏性的原件，實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)用比較廣泛的有二極管、三極管，起這種作用的稱(chēng)之為電荷耦合器件，即CCD(Charge Coupled Device)，CCD具有光電轉(zhuǎn)換、存貯和光電掃描的功能.可以根據(jù)每個(gè)像素輸出的信號(hào)，確定光斑在CCD上的像素位置.在使用時(shí)，要給它提供嚴(yán)格同步的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)信號(hào)[9].

圖1 光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)原理圖

基本的光電檢測(cè)電路原理如圖1所示，其中，反饋電阻Rf與Cf組成反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，光電流經(jīng)運(yùn)放后由10腳輸出，再通過(guò)由R1、C1與R2、C2組成的無(wú)源二階RC濾波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步濾除輸出電信號(hào)中的噪聲干擾.近年來(lái)，根據(jù)不同功能的要求，人們對(duì)基本電路作了大量的完善和補(bǔ)充[10-19]，以便在不同環(huán)境或者條件下均可達(dá)到精確檢測(cè)的目的，特別是考慮到光電探測(cè)器所接收到的信號(hào)一般都非常微弱，導(dǎo)致輸出的信號(hào)往往被深埋在噪聲之中，因此，一般都要對(duì)這樣的微弱信號(hào)先進(jìn)行預(yù)處理，在把大部分噪聲濾掉的同時(shí)將微弱信號(hào)放大，以便達(dá)到后續(xù)處理器所要求的電壓幅度.那么，需要通過(guò)前置放大電路、濾波電路和放大電路來(lái)輸出幅度合適、并已濾掉大部分噪聲的待檢測(cè)信號(hào)，光纖傳感光電檢測(cè)電路可實(shí)現(xiàn)納瓦級(jí)，甚至皮瓦級(jí)很微弱信號(hào)的檢測(cè)[15-19].

2 CsI電子輻射的能量分布

設(shè)f(E)為能量分布函數(shù)，E0為電子能量的最大值，那么集電極電流隨著制動(dòng)電壓的變化關(guān)系為：

3 CsI雙光子光電效應(yīng)分析

利用激光或者紫外光作為入射光，通過(guò)CsI薄膜后產(chǎn)生的電子輻射再轉(zhuǎn)換成雙光子輻射，若是紫外光，即可實(shí)現(xiàn)由不可見(jiàn)光轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光的目的，兩種光源均可得出類(lèi)似的變化曲線(xiàn)，如圖2所示.紫外線(xiàn)的光子流作為給定的總光子能量，并且把能量量子化來(lái)獲得量子場(chǎng)，用光電倍增管測(cè)量紫外線(xiàn)相對(duì)強(qiáng)度從而校正光電陰極的光譜響應(yīng).盡管難以測(cè)量非常精確的值，但在CsI薄膜中也可測(cè)出雙光子光電效應(yīng)的絕對(duì)量子化數(shù)值，即利用光電二極管可測(cè)量不同光源的絕對(duì)光強(qiáng)數(shù)值，通過(guò)計(jì)算得知，紫外光的相對(duì)光強(qiáng)分布、電子輻射的量子化能量：對(duì)于0.08MW/cm2的激光強(qiáng)度，在7.14eV時(shí)，每一個(gè)紫外光子對(duì)應(yīng)約103個(gè)電子.特別值得一提的是，利用X射線(xiàn)作為光源也可重復(fù)以上實(shí)驗(yàn).類(lèi)似地，把CsI換成金屬材料將不會(huì)呈現(xiàn)雙光子光電效應(yīng)，如果從金屬逸出電子則強(qiáng)烈地依賴(lài)于入射光的強(qiáng)度，可形成多光子光電效應(yīng).

圖2 相對(duì)量子輻射(每入射一個(gè)紫外光子產(chǎn)出的電子數(shù))隨著入射總光子能量的變化曲線(xiàn)圖

4 討論

4.1 熱輻射的影響

大量實(shí)驗(yàn)表明，就敏感性而言，光電效應(yīng)取決于入射光子能量及物質(zhì)的能帶結(jié)構(gòu)，而且受熱電子輻射的影響，表面的熱電子形成的電流與電壓VR有關(guān)：

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

Bloch的研究表明[22]：系統(tǒng)的哈密頓量中的微擾項(xiàng)為

4.2CsI晶體的性質(zhì)

CsI晶體的熔點(diǎn)是626℃，沸點(diǎn)：1 280℃，密度：4.51g/cm3，折射率是1.787 6，閃點(diǎn)是1 280℃，所以說(shuō)CsI晶體屬于耐高溫材料.另外，CsI薄膜作為閃爍體還要求具有較高的密度，這是由于如果晶體密度低，大多數(shù)X射線(xiàn)直接穿過(guò)而不能被晶體吸收，使得熒光屏吸收系數(shù)降低.吸收系數(shù)是影響圖像增強(qiáng)器信噪比的主要因素：吸收系數(shù)越低，信噪比越低，所以高密度碘化銫晶體可有效提高圖像增強(qiáng)器的信噪比，減小圖像噪聲.由于工藝的改進(jìn)，新一代閃爍體材料可以制作成“松針”狀種植在非晶硅上，比傳統(tǒng)整塊閃爍體材料產(chǎn)生的光線(xiàn)散射要少一些，目前，制作出了超細(xì)針狀結(jié)構(gòu)的碘化銫，輸入熒光屏一般采用碘化銫晶體，大大提高了圖像增強(qiáng)器的分辨率.

5 結(jié)論

綜上所述，可得出以下結(jié)論：

(1)在較高能量激發(fā)時(shí)，雙光子光電效應(yīng)主要由哈密頓量的一階微擾項(xiàng)引起，只有具有光電效應(yīng)的物質(zhì)才能作為光電檢測(cè)的材料；

(2)在一定條件下，CsI晶體可產(chǎn)生雙光子光電效應(yīng)，也反映了CsI晶體的電子信息的有關(guān)性質(zhì)；

(3)高密度、超細(xì)針狀結(jié)構(gòu)的碘化銫晶體大幅度提升了圖像增強(qiáng)器的分辨率和信噪比.

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【責(zé)任編輯 牛懷崗】

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

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目:量子失協(xié)及其在自旋多體系統(tǒng)中的應(yīng)用(11304230)；陜西省教育廳科研基金項(xiàng)目：量子失協(xié)(QuantumDiscord)及其在自旋多體系統(tǒng)中的應(yīng)用(2013JK0634)；渭南師范學(xué)院教育教學(xué)改革研究重點(diǎn)項(xiàng)目:產(chǎn)學(xué)研結(jié)合培養(yǎng)應(yīng)用創(chuàng)新型人才(JG201316)；渭南師范學(xué)院特色學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目：光電檢測(cè)與秦東工業(yè)(14TSXK06)；渭南師范學(xué)院人才基金項(xiàng)目：渭南電子產(chǎn)品X-Ray檢測(cè)算法設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)(152RRC14)

王菊霞(1965—)，女，陜西合陽(yáng)人，渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院教授，理學(xué)博士，主要從事量子光學(xué)與量子信息學(xué)研究.

O482.7

A

1009-5128(2015)10-0026-04