探測器第一章 概述

探測器第一章概述第1頁，共14頁，2023年，2月20日，星期六（3）工作溫度許多探測器的性能與它的工作溫度有密切的關(guān)系，在給出探測器的性能參數(shù)時需給出探測器的工作溫度。較重要的幾個工作溫度：室溫（295K或300K）、干冰溫度（194.6K）、液氮沸點（77.3K）、液氦沸點（4.2K）。（4）光敏面積和形狀探測器的性能與探測器面積的大小和形狀有關(guān)。因此，給出探測器的性能參數(shù)時應(yīng)給出它的面積。（5）探測器的偏置條件探測器的性能與偏置條件有關(guān)，所以在給出探測器的性能參數(shù)時應(yīng)給出偏置條件。（6）特殊工作條件第2頁，共14頁，2023年，2月20日，星期六1.3.2主要性能參數(shù)（性能指標(biāo)）

性能指標(biāo)可分為實際指標(biāo)、參考指標(biāo)。實際指標(biāo)：指對每個實際探測器直接測量出來的指標(biāo)。參考指標(biāo)：對某類探測器折合到標(biāo)準(zhǔn)條件時的指標(biāo)值。

（1）響應(yīng)率（響應(yīng)度）R

響應(yīng)率R是探測器輸出信號S與探測器的輸入量X之比，即

響應(yīng)率表征探測器對輻射響應(yīng)的靈敏度，是探測器的一個重要的性能參數(shù)。（a）根據(jù)輸入量的不同，定義不同的響應(yīng)率（通量響應(yīng)率、輻照度響應(yīng)率）。第3頁，共14頁，2023年，2月20日，星期六（b）電壓響應(yīng)率（Rv，V/W）和電流響應(yīng)率（Ri，I/W）。（c）直流響應(yīng)率（R0）和交流響應(yīng)率（R(f)

）。

R0

：入射輻射是恒定的，探測器的輸出信號也是恒定的。

R(f)：若入射輻射是交變輻照，探測器的輸出信號也是交變的。

（d）黑體響應(yīng)率（R(T,f)）和單色響應(yīng)率（R(λ,f)）。

R(T,f)

：表示對絕對溫度為T的黑體入射輻射，在調(diào)制頻率f下測得的響應(yīng)率。常用的參考輻射源為500K黑體。

R(λ,f)：采用波長為λ的單色光源測得的響應(yīng)率。第4頁，共14頁，2023年，2月20日，星期六（2）噪聲等效功率NEP

當(dāng)輻射在探測器上產(chǎn)生的信號電壓V，恰好等于探測器自身的噪聲電壓VN（即信號噪聲比為1）時，所需投射到探測器上的輻射功率P，即

（a）黑體噪聲等效功率NEP(T,f)

（NEP(T,f,△f)）和光譜噪聲等效功率NEP(λ,f)（NEP(λ,f,△f)）。（b）另一種表示式：第5頁，共14頁，2023年，2月20日，星期六（3）探測率D、D*、D**（a）探測率D

表示輻照在探測器上的單位輻射功率所獲得的信噪比。探測率越大，表示探測器的探測能力越強。

（b）歸一化探測率D*有由從而表示當(dāng)探測器的敏感元具有單位面積、放大器的測量帶寬為1Hz時，單位輻射功率所能獲得的信號噪聲比。它消除了探測器面積AD和噪聲等效帶寬△f

的影響，稱為歸一化探測率或比探測率

D*，單位為cm.Hz1/2/W

（或Jones）。

第6頁，共14頁，2023年，2月20日，星期六*黑體探測率（D*(T,f)）和光譜（單色）探測率（D*(λ,f)）

式中是入射黑體輻射通量（W），E(T,λ)是黑體輻照度（W/cm2）。（c）D**式中Ω是探測器響應(yīng)單元向擋板或冷屏所張的有效立體角。對于Ω在半角為θ/2的錐形中為常數(shù)的特殊情況（如圖），第7頁，共14頁，2023年，2月20日，星期六（4）光譜響應(yīng)

功率相等的不同波長的輻射照在探測器上所產(chǎn)生的信號與輻射波長的關(guān)系叫做探測器的光譜響應(yīng)（等能量光譜響應(yīng)函數(shù)）。

（a）光譜響應(yīng)率函數(shù)與總響應(yīng)率函數(shù)對具有給定的光譜響應(yīng)率函數(shù)的探測器在總的輸入（例如輻射通量功率P）和總的輸出（例如光電壓V）之間存在下列關(guān)系則探測器總響應(yīng)率（總輸出與總輸入之比）可寫成

第8頁，共14頁，2023年，2月20日，星期六（b）相對光譜響應(yīng)和絕對光譜響應(yīng)探測器的相對光譜響應(yīng)函數(shù)r(λ)可表示為總響應(yīng)率的公式可改寫為：式中，R(λ)為絕對光譜響應(yīng)率，R(λ0)為歸一化波長上的絕對光譜響應(yīng)率。在光譜響應(yīng)測量中，一般都是測量相對光譜響應(yīng)。稱為“光譜匹配系數(shù)”（），并把它解釋為發(fā)生在探測器光譜響應(yīng)分布和入射通量光譜分布之間的相對覆蓋程度。如圖：式中p(λ)是光源的相對光譜分布。第9頁，共14頁，2023年，2月20日，星期六（c）光子探測器和熱探測器的光譜響應(yīng)曲線

實際的截止波長λc：響應(yīng)率下降到峰值波長的50％處所對應(yīng)的波長。

第10頁，共14頁，2023年，2月20日，星期六（5）響應(yīng)時間探測器的響應(yīng)時間（也稱時間常數(shù)τ）表示探測器對交變輻射響應(yīng)的快慢。

決定探測器時間常數(shù)最重要的因素：自由載流子壽命、熱時間常數(shù)和電時間常數(shù)。光電導(dǎo)探測器的響應(yīng)時間取決于多數(shù)載流子壽命，而光伏和光磁電探測器的響應(yīng)時間取決于少數(shù)載流子的壽命。

第11頁，共14頁，2023年，2月20日，星期六探測器受輻照的輸出信號遵從指數(shù)上升規(guī)律。式中，S為輸出信號，S0為一恒定值，τ為響應(yīng)時間（時間常數(shù)）。當(dāng)時，除去輻照后輸出信號隨時間下降，如下式所示當(dāng)時，因此，響應(yīng)時間的物理意義是：當(dāng)探測器受紅外輻射照射時，輸出信號上升到穩(wěn)定值的63％時所需要的時間；或去除輻照后輸出信號下降到穩(wěn)定值的37％時所需要的時間。

τ越短，響應(yīng)越快；τ越長，響應(yīng)越慢。熱探測器的響應(yīng)時間長達毫秒量級，光子探測器的時間常數(shù)可小于微秒量級。

第12頁，共14頁，2023年，2月20日，星期六（6）頻率響應(yīng)探測器的響應(yīng)率隨調(diào)制頻率變化的關(guān)系叫探測器的頻率響應(yīng)。大多數(shù)探測器，響應(yīng)率隨頻率的變化如同一個低通濾波器，可表示為式中，R0為低頻時的響應(yīng)率；R(f)指頻率為f時的響應(yīng)率。第