第三章光輻射探測器演示文稿

第三章光輻射探測器演示文稿第一頁，共六十六頁。本章內容3.1光輻射探測器的性能參數(shù)3.2光電探測器3.3熱探測器第二頁，共六十六頁。光輻射量的測量通常采用各種探測器把光輻射能變換成一種可測的量，因而光輻射探測器是光輻射量測量系統(tǒng)中的關鍵組成部分，其性能往往直接影響到光輻射度量測量的可行性及精確性第三頁，共六十六頁?？陀^探測器主觀探測器人眼探測器的分類第四頁，共六十六頁。隨著光學和光電技術的展以及對光輻射探測與精確定量、高靈敏度測量的需要，光輻射探測器的品種和數(shù)量發(fā)展，可對光輻射客觀物理量進行精確的定量測量光譜響應范圍寬響應速度快響應度高這些優(yōu)點使光輻射量的探測和測量能力大大地提高第五頁，共六十六頁。廣義地講，只要能提示光輻射存在，并可確定其大小都應包含的光輻射探測器的范疇內。

光電探測器利用光電效應，把入射到物體表面的輻射能變換成可測量的電量：（1）外光電效應基于外光電效應的光電探測器有真空光電管、充電光電管、光電倍增管、像增強器等。（3）光電導效應這類光電探測器有各種半導體材料制成的光敏電阻等。（2）光伏效應基于這類效應的探測器有以硒、硅、鍺、砷化鎵等材料做成的光電池、光電二極管、光電三極管等。第六頁，共六十六頁。熱探測器利用熱電效能通過這些探測器參量的變化溫度的變化使探測器的電阻值發(fā)生變化，或表面電荷發(fā)生變化，或產生電動勢等探測器接收光輻射能引起物體自身溫度升高反映入射光輻射量第七頁，共六十六頁。光輻射探測器光電探測器熱探測器氣動光導探測器外光電效應內光電響應無放大作用有放大作用真空光電管充氣光電管光電倍增管充氣光電管光伏型光導型無放大作用光電池光電二極管雙光電二極管有放大作用光電三極管光電場效應管光電開關管光電雪崩二級管本征光導探測器雜質光導探測器光敏電阻光導探測器高萊探測器N型/P型光導探測器常見光輻射探測器的分類第八頁，共六十六頁。3.1光輻射探測器的性能參數(shù)對于光輻射探測器的應用，較關注的性能是：探測器的響應度大?。ㄌ綔y器的輸出信號值定量地表示多大的光輻射度量）（1）與噪聲相當?shù)妮椛涔β蚀笮。▽δ撤N探測器，需要多大的輻射度量才能使探測器產生可區(qū)別于噪聲的信號量）（2）探測器的光譜響應范圍，響應速度，線性動態(tài)范圍等。（3）第九頁，共六十六頁。3.1.1響應度

定義：單位輻射度量產生的電信號量，記作R，電信號可以是電流，稱為電流響應度；也可以是電壓，稱為電壓響應度。（1）對輻射通量的電流響應度（2）對輻照度的電流響應度（3）對輻亮度的電流響應度第十頁，共六十六頁。探測器的響應度描述光信號轉換成電信號大小的能力。輻射度量測量中，測不同的輻射度量，應當用不同的響應度。探測器的響應度一般是波長的函數(shù)。與上面定義的積分響應度對應的光譜響應度為（3-1)積分響應度和光譜響應度的關系為(3-2)第十一頁，共六十六頁。注意積分響應度不僅與探測器的光譜響應度有關，也與入射輻射的光譜特性有關，因而，說明積分響應度時通常要求指出測量所用的光源特性。第十二頁，共六十六頁。光電探測器響應度可簡單地推導如下由普朗克量子理論可知，單個光子的入射能量為hv，則單位時間內入射到探測器表面的光子數(shù)為探測器的量子效率為（3-3）輸出信號電子數(shù)探測器接收的光子數(shù)=第十三頁，共六十六頁。單位時間內探測器的輸出信號電子數(shù)為（3-4）探測器的輻射通量光譜電流響應度為（3-5）第十四頁，共六十六頁。對于光電探測器，最大響應波長為（3-6）內光電效應外光電效應第十五頁，共六十六頁。3.1.2噪聲及其評價參數(shù)1噪聲2噪聲等效功率NEP第十六頁，共六十六頁。1、噪聲在系統(tǒng)中任何虛假的或不需要的信號統(tǒng)稱為噪聲。研究噪聲的目的是探討系統(tǒng)探測信息的極限以及在系統(tǒng)設計中如何抑制噪聲以提高探測本領。第十七頁，共六十六頁。系統(tǒng)內部噪聲：人為噪聲固有噪聲來自外部的噪聲：人為干擾自然干擾系統(tǒng)的噪聲第十八頁，共六十六頁。分析噪聲源的性質（1）散粒噪聲（2）產生-復合（G-R）噪聲（3）熱噪聲或Johnson噪聲（4）1/f噪聲（5）溫度噪聲第十九頁，共六十六頁。（1）散粒噪聲由于光子流以間斷入射的形式投射到探測器表面，以及探測器內部光子轉換成電子動能而產生的電子流具有統(tǒng)計漲落的特征，形成散粒噪聲。假設入射光子服從Poisson概率密度分布(3-8）第二十頁，共六十六頁。在實驗室進行光輻射測量時，可用一固定頻率對信號進行調制。這樣，系統(tǒng)的工作頻帶寬度可減少。鎖頻技術可使系統(tǒng)工作在一個很窄的通頻帶范圍內，有利于減少系統(tǒng)噪聲。增加信號的積分時間，縮小測量系統(tǒng)的頻帶，也可以減少散粒噪聲。第二十一頁，共六十六頁。（2）產生-復合（G-R）噪聲光導型探測器的G-R噪聲是由于半導體內的載流子在產生和復合過程中，自由電子和空穴數(shù)隨機起伏所形成的，也屬于白噪聲，相當于光伏型中單向導電P-N結內的散粒噪聲。(3-9)第二十二頁，共六十六頁。（3）熱噪聲或Johnson噪聲熱噪聲由電阻材料中離散的載流子（主要是電子）的熱運動造成。熱噪聲電流的均方值為：(3-10)使探測器制冷或者探測器及前置放大器一起制冷，可以減少熱噪聲電流。第二十三頁，共六十六頁。（4）1/f噪聲一般認為，它與半導體的接觸、表面、內部存在的勢壘有關，所以有時叫做“接觸噪聲”，其值隨信號調制頻率的增加而減少(3-11)(3-12)第二十四頁，共六十六頁。（5）溫度噪聲由熱探測器和背景之間的能量交換所造成的探測器自身的溫度起伏，稱為溫度噪聲。（3-13）第二十五頁，共六十六頁。只有信號足夠強，才能與噪聲電流區(qū)別開。信噪比，作為表征探測系統(tǒng)探測能力和精度的一個十分重要的指標，記作SNR(3-14)第二十六頁，共六十六頁。2.噪聲等效功率NEP噪聲等效功率是探測器產生與其噪聲均方根電壓相等的信號所需入射到探測器的輻射功率(3-15)第二十七頁，共六十六頁。用NEP描述探測器探測能力的不便之處數(shù)值越小，表示探測器的探測能力越強，相對缺乏直觀性。為此一般引入NEP的倒數(shù)——D探測率（3-16）第二十八頁，共六十六頁。更常采用的是采用比探測率D*（3-17）需要注意：探測器的比探測率不是一個固有常量。第二十九頁，共六十六頁。探測器的比探測率不是一個固有常量。首先，它和響應度成正比，隨波長變化的規(guī)律與響應度的相同。其次，與各種影響響應度和噪聲電流的因素都有關系，所以在給出探測器的比探測率時，一般注明測量的條件。一些不在圓弧號內說明的可另加注釋。3第三十頁，共六十六頁。3.2光電探測器3.2.13.2.23.2.3光電管和光電倍增管光伏探測器光電導探測器第三十一頁，共六十六頁。3.2.1光電管和光電倍增管光電管1.光電管工作電路第三十二頁，共六十六頁。2.光電效應方程根據(jù)光子說及能量轉換和守恒定律有:hυ—表示一個光子的能量E0—金屬的逸出功3.光陰極的量子效率:

第三十三頁，共六十六頁。4.光電管的基本特征①積分響應度:

②響應時間約10-8S(快速變化的脈沖光)第三十四頁，共六十六頁。③暗電流ID=Ir+IlIr—熱電流,光陰極在Ιf下的熱電子發(fā)射Il—漏電流(為主),陰極間的非無窮大電阻產生無光照射時產生微小的電流輸出光電管的最小可測功率由暗電流決定(漏電流)第三十五頁，共六十六頁。④光電特征—光電流與入射通量之間的關系(如圖)

非線性響應光電流的輸出值與照射時間的關系第三十六頁，共六十六頁。5.光電管的種類①真空管:響應時間(約10-8至10-9s)ΙP與φ的線性好,響應度S較低②充氣管(管內充Ar):響應時間長ΙP與φ的線性范圍短,響應度高達150μA/lm第三十七頁，共六十六頁。光電倍增管：1.二次電子發(fā)射:電子將能量轉換給發(fā)射表面,因電子束射到材料上而引起材料表面的電子發(fā)射①二次電子發(fā)射的現(xiàn)象—低噪聲、反應時間快②二次發(fā)射系數(shù)：>1第三十八頁，共六十六頁。③二次電子發(fā)射材料半導體:氧化的銀鎂合金、氧化銅鍍合金2.光電倍增管的工作原理：①基本特性υA＞υD4＞υD3＞υD2＞υD1＞υK第三十九頁，共六十六頁。②結構示意圖第四十頁，共六十六頁。③工作原理K受照后發(fā)射電子D1、D2、D3……是二級電子發(fā)射極電位依次逐級升高，光電子被電場加速后打到二次電子發(fā)射極上產生二次電子發(fā)射，使光電子數(shù)倍增，最后到達陽極A。第四十一頁，共六十六頁。④光電倍增管的基本特性：a)放大系數(shù)M設有n個二次發(fā)射極，則M=σnb)靈敏度（響應度）光譜響應度:由光陰極材料決定積分響應度:分陰極響應度和陽極響應度光電倍增管的積分響應度為：S=SA=Skσn其中Sk為光陰極響應度第四十二頁，共六十六頁。c)光電特性曲線（如圖）第四十三頁，共六十六頁。d)電極管各級間電壓分配:等壓分配和非等壓分配e)暗電流：采用降低光電倍增管的工作溫度來減小暗電流,另外還可減小陰極老化第四十四頁，共六十六頁。3、光電倍增管常設計成聚焦或散焦式兩種聚焦式光電倍增管的示意圖第四十五頁，共六十六頁。4、使用光電倍增管時的注意事項①由于疲勞現(xiàn)象存在，測試前必須預照后再進行測量②溫度控制在(環(huán)境溫度)250C③保證供電直流電源具有很高的穩(wěn)定性3第四十六頁，共六十六頁。3.3熱探測器熱探測器是各種探測器中唯一能得到無選擇性響應的探測器。為提高熱探測器的探測能力，應最大限度地吸收各種波長的入射輻射能，所以熱探測器表面常用煤黑、黑色金屬氧化物或黑色無定形金屬等做成黑的。第四十七頁，共六十六頁。按照能量守恒定律，熱探測器吸收入射輻射能與探測器表面溫度升高之間的關系可寫成：吸收的輻射熱能=探測器的熱傳導損失+探測器表面的溫升所需的能量。表達式可寫成為:(3-24)第四十八頁，共六十六頁。式（3-24）表示探測器表面吸收的輻射能，部分消耗在熱導損失上（探測器溫升損失的熱輻射功率），部分使表面溫升。第四十九頁，共六十六頁。設入射輻射通量即是頻率的調制光信號，則解式（3-24）可得探測器表面溫度變化的幅度(3-25)第五十頁，共六十六頁。要提高熱探測器響應度，應減少探測器的熱導和熱容。為此，熱探測器常常做成薄條或薄片狀，以減少熱容；探測器表面的支承部分要盡可能少，引線要短且細，以減少熱導。這樣熱探測器在結構上較脆弱，且熱導和熱容的減少還受到工藝等的限制，故熱探測器的時間常數(shù)比光電探測器大得多，一般為ms級。第五十一頁，共六十六頁。為了減少外界溫度、空氣流動等對熱探測器信號探測的影響（溫度噪聲），常常把探測片封裝在密封的真空容器內。真空封裝的熱探測器響應度為非真空封裝狀態(tài)的兩倍以上，但是，真空封裝后與外界的熱交換也變差，時間常數(shù)將會增大。第五十二頁，共六十六頁。在絕大多數(shù)情況下，熱探測器響應度的不平坦可忽略不記，只是在精確光譜量標定時才需考慮。

雖然平坦的光譜響應十分重要，但實際上由于探測器表面黑色層的吸收比不可能是理想平坦的，探測器外面的窗材料不僅限制透過輻射能的波長范圍，且在透射譜段的光譜透射比也不完全平坦，故熱探測器并不具有完全理想平坦的光譜響應。第五十三頁，共六十六頁。3.3熱探測器3.3.1熱電偶和熱偶堆3.3.2測輻射熱計3.3.3熱釋電探測器3第五十四頁，共六十六頁。3.3.1熱電偶和熱偶堆熱電偶是基于兩種不同金屬在其連接點有溫差時會產生熱電動勢的塞貝克效應。當一個連接點受光輻照時升溫，而另一連接點不受輻照時，在回路中就會產生電流。第五十五頁，共六十六頁。熱偶堆把多個熱電偶串接構成熱偶堆，可提高響應度（N個串聯(lián)熱電偶的熱偶堆，其響應度為單個熱電偶的N倍。）第五十六頁，共六十六頁。由于兩連接點相距不遠，所以當接在橋式回路中時，環(huán)境溫度變化的影響可自動補償，故一般工作在常溫下。熱電偶產生的溫差電動勢V和溫度T(K)之間的關系可寫成（3-26）第五十七頁，共六十六頁。塞貝克系數(shù)(3-31)由式(3-24)及式(3-26)，可得熱電偶的響應度為第五十八頁，共六十六頁。在頻率很低時，G>>C,則即用高吸收比的表面層、高塞貝克系數(shù)且性能穩(wěn)定的熱電偶金屬、低熱導的結構可使熱電偶有較高的響應度。第五十九頁，共六十六頁。熱噪聲和溫度噪聲是熱電偶的主要噪聲源鉍-銻鎳鉻-鎳硅銅-康銅