第三章 光輻射探測器

第三章光輻射探測器光輻射測量原理與技術(shù)王元樟博士本章內(nèi)容3.1光輻射探測器的性能參數(shù)3.2光電探測器3.3熱探測器王元樟博士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(guān)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王元樟博士客觀探測器主觀探測器人眼探測器的分類王元樟博士隨著光學(xué)和光電技術(shù)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(yīng)范圍寬響應(yīng)速度快響應(yīng)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王元樟博士廣義地講，只要能提示光輻射存在，并可確定其大小都應(yīng)包含的光輻射探測器的范疇內(nèi)。

光電探測器利用光電效應(yīng)，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(yīng)基于外光電效應(yīng)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(dǎo)效應(yīng)這類光電探測器有各種半導(dǎo)體材料制成的光敏電阻等。（2）光伏效應(yīng)基于這類效應(yīng)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。王元樟博士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(chǎn)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王元樟博士常見光輻射探測器的分類王元樟博士3.1光輻射探測器的性能參數(shù)對于光輻射探測器的應(yīng)用，較關(guān)注的性能是：探測器的響應(yīng)度大小（探測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(dāng)?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(chǎn)生可區(qū)別于噪聲的信號量）（2）探測器的光譜響應(yīng)范圍，響應(yīng)速度，線性動態(tài)范圍等。（3）王元樟博士3.1.1響應(yīng)度

定義：單位輻射度量產(chǎn)生的電信號量，記作R，電信號可以是電流，稱為電流響應(yīng)度；也可以是電壓，稱為電壓響應(yīng)度。（1）對輻射通量的電流響應(yīng)度（2）對輻照度的電流響應(yīng)度（3）對輻亮度的電流響應(yīng)度王元樟博士探測器的響應(yīng)度描述光信號轉(zhuǎn)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(yīng)當(dāng)用不同的響應(yīng)度。探測器的響應(yīng)度一般是波長的函數(shù)。與上面定義的積分響應(yīng)度對應(yīng)的光譜響應(yīng)度為（3-1)積分響應(yīng)度和光譜響應(yīng)度的關(guān)系為(3-2)王元樟博士注意積分響應(yīng)度不僅與探測器的光譜響應(yīng)度有關(guān)，也與入射輻射的光譜特性有關(guān)，因而，說明積分響應(yīng)度時通常要求指出測量所用的光源特性。王元樟博士光電探測器響應(yīng)度可簡單地推導(dǎo)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(nèi)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)=王元樟博士單位時間內(nèi)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(yīng)度為（3-5）王元樟博士對于光電探測器，最大響應(yīng)波長為（3-6）內(nèi)光電效應(yīng)外光電效應(yīng)王元樟博士3.1.2噪聲及其評價參數(shù)1噪聲2噪聲等效功率NEP王元樟博士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(shè)計中如何抑制噪聲以提高探測本領(lǐng)。王元樟博士系統(tǒng)內(nèi)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)的噪聲王元樟博士分析噪聲源的性質(zhì)（1）散粒噪聲（2）產(chǎn)生-復(fù)合（G-R）噪聲（3）熱噪聲或Johnson噪聲（4）1/f噪聲（5）溫度噪聲3.1.2王元樟博士（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(nèi)部光子轉(zhuǎn)換成電子動能而產(chǎn)生的電子流具有統(tǒng)計漲落的特征，形成散粒噪聲。假設(shè)入射光子服從Poisson概率密度分布(3-8）王元樟博士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(diào)制。這樣，系統(tǒng)的工作頻帶寬度可減少。鎖頻技術(shù)可使系統(tǒng)工作在一個很窄的通頻帶范圍內(nèi)，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。王元樟博士（2）產(chǎn)生-復(fù)合（G-R）噪聲光導(dǎo)型探測器的G-R噪聲是由于半導(dǎo)體內(nèi)的載流子在產(chǎn)生和復(fù)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(dāng)于光伏型中單向?qū)щ奝-N結(jié)內(nèi)的散粒噪聲。(3-9)王元樟博士（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。王元樟博士（4）1/f噪聲一般認(rèn)為，它與半導(dǎo)體的接觸、表面、內(nèi)部存在的勢壘有關(guān)，所以有時叫做“接觸噪聲”，其值隨信號調(diào)制頻率的增加而減少(3-11)(3-12)王元樟博士（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）王元樟博士只有信號足夠強，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(biāo)，記作SNR(3-14)王元樟博士2.噪聲等效功率NEP噪聲等效功率是探測器產(chǎn)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)王元樟博士用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）王元樟博士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。王元樟博士探測器的比探測率不是一個固有常量。首先，它和響應(yīng)度成正比，隨波長變化的規(guī)律與響應(yīng)度的相同。其次，與各種影響響應(yīng)度和噪聲電流的因素都有關(guān)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(nèi)說明的可另加注釋。3王元樟博士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(dǎo)探測器王元樟博士3.2.1光電管和光電倍增管光電管1.光電管工作電路王元樟博士2.光電效應(yīng)方程根據(jù)光子說及能量轉(zhuǎn)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:

王元樟博士4.光電管的基本特征①積分響應(yīng)度:

②響應(yīng)時間約10-8S(快速變化的脈沖光)王元樟博士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(chǎn)生無光照射時產(chǎn)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)王元樟博士④光電特征—光電流與入射通量之間的關(guān)系(如圖)

非線性響應(yīng)光電流的輸出值與照射時間的關(guān)系王元樟博士5.光電管的種類①真空管:響應(yīng)時間(約10-8至10-9s)ΙP與φ的線性好,響應(yīng)度S較低②充氣管(管內(nèi)充Ar):響應(yīng)時間長ΙP與φ的線性范圍短,響應(yīng)度高達150μA/lm王元樟博士光電倍增管：1.二次電子發(fā)射:電子將能量轉(zhuǎn)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(yīng)時間快②二次發(fā)射系數(shù)：>1王元樟博士③二次電子發(fā)射材料半導(dǎo)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王元樟博士②結(jié)構(gòu)示意圖王元樟博士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(chǎn)生二次電子發(fā)射，使光電子數(shù)倍增，最后到達陽極A。王元樟博士④光電倍增管的基本特性：a)放大系數(shù)M設(shè)有n個二次發(fā)射極，則M=σnb)靈敏度（響應(yīng)度）光譜響應(yīng)度:由光陰極材料決定積分響應(yīng)度:分陰極響應(yīng)度和陽極響應(yīng)度光電倍增管的積分響應(yīng)度為：S=SA=Skσn其中Sk為光陰極響應(yīng)度王元樟博士c)光電特性曲線（如圖）王元樟博士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王元樟博士3、光電倍增管常設(shè)計成聚焦或散焦式兩種聚焦式光電倍增管的示意圖王元樟博士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(yù)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王元樟博士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(yīng)的探測器。為提高熱探測器的探測能力，應(yīng)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。王元樟博士按照能量守恒定律，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(guān)系可寫成：吸收的輻射熱能=探測器的熱傳導(dǎo)損失+探測器表面的溫升所需的能量。表達式可寫成為:(3-24)王元樟博士式（3-24）表示探測器表面吸收的輻射能，部分消耗在熱導(dǎo)損失上（探測器溫升損失的熱輻射功率），部分使表面溫升。王元樟博士設(shè)入射輻射通量即是頻率的調(diào)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)王元樟博士要提高熱探測器響應(yīng)度，應(yīng)減少探測器的熱導(dǎo)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(xì)，以減少熱導(dǎo)。這樣熱探測器在結(jié)構(gòu)上較脆弱，且熱導(dǎo)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。王元樟博士為了減少外界溫度、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(nèi)。真空封裝的熱探測器響應(yīng)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。王元樟博士在絕大多數(shù)情況下，熱探測器響應(yīng)度的不平坦可忽略不記，只是在精確光譜量標(biāo)定時才需考慮。

雖然平坦的光譜響應(yīng)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(yīng)。王元樟博士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王元樟博士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(chǎn)生熱電動勢的塞貝克效應(yīng)。當(dāng)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(chǎn)生電流。王元樟博士熱偶堆把多個熱電偶串接構(gòu)成熱偶堆，可提高響應(yīng)度（N個串聯(lián)熱電偶的熱偶堆，其響應(yīng)度為單個熱電偶的N倍。）王元樟博士由于兩連接點相距不遠(yuǎn)，所以當(dāng)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(chǎn)生的溫差電動勢V和溫度T(K)之間的關(guān)系可寫成（3-26）王元樟博士塞貝克系數(shù)(3-31)由式(3-24)及式(3-26)，可得熱電偶的響應(yīng)度為王元樟博士在頻率很低時，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(dǎo)的結(jié)構(gòu)可使熱電偶有較高的響應(yīng)度。王元樟博士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-康銅鐵-康銅鉑10%銠-鉑常用的熱電偶鉍-