第三章 光辐射探测器

1、厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士第三章第三章 光辐射探测器光辐射探测器光辐射测量原理与技术光辐射测量原理与技术厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士本章内容本章内容光辐射探测器的性能参数光电探测器热探测器厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士 光辐射量的测量通常采用各种探测光辐射量的测量通常采用各种探测器把光辐射能变换成一种可测的量，器把光辐射能变换成一种可测的量，因而光辐射探测器是光辐射量测量因而光辐射探测器是光辐射量测量系统中的关键组成部分，其性能往系统中的关键组成部分，其性能往往直接影响到光辐射度量测量的可往直接影响到光辐射度量测量的可行性及精确性行性及精确性 厦门理工学院厦门理工学院王元樟博

2、士客观探测器客观探测器主观探测器主观探测器人眼人眼探测器的分类探测器的分类厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士随着光学和光电技术的展以及对光辐射探随着光学和光电技术的展以及对光辐射探测与精确定量、高灵敏度测量的需要，光测与精确定量、高灵敏度测量的需要，光辐射探测器的品种和数量发展，可对光辐辐射探测器的品种和数量发展，可对光辐射客观物理量进行精确的定量测量射客观物理量进行精确的定量测量光谱响应范围宽响应速度快响应度高这些优点使光辐射量的探测和测量能力大大地提高 厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士广义地讲，只要能提示光辐射存在，并可确广义地讲，只要能提示光辐射存在，并可确定其大小都应包含的光辐射探测

3、器的范畴内。定其大小都应包含的光辐射探测器的范畴内。光电探测器利用光电效应，把入射到物体表光电探测器利用光电效应，把入射到物体表面的辐射能变换成可测量的电量：面的辐射能变换成可测量的电量：（1）外光电效应基于外光电效应的光电探测器有真空光电管、充电光电管、光电倍增管、像增强器等。（3）光电导效应这类光电探测器有各种半导体材料制成的光敏电阻等。（2）光伏效应基于这类效应的探测器有以硒、硅、锗、砷化镓等材料做成的光电池、光电二极管、光电三极管等。厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士热探测器利用热电效能热探测器利用热电效能通过这些探测通过这些探测器参量的变化器参量的变化温度的变化使探测温度的变化使探测

4、器的电阻值发生变器的电阻值发生变化，或表面电荷发化，或表面电荷发生变化，或产生电生变化，或产生电动势等动势等探测器接收探测器接收光辐射能光辐射能引起物体自引起物体自身温度升高身温度升高反映入射反映入射光辐射量光辐射量厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士光辐射探测器光电探测器热探测器气动光导探测器外光电效应内光电响应无放大作用有放大作用真空光电管充气光电管光电倍增管充气光电管光伏型光导型无放大作用光电池光电二极管双光电二极管有放大作用光电三极管光电场效应管光电开关管光电雪崩二级管本征光导探测器杂质光导探测器光敏电阻光导探测器高莱探测器N型/P型光导探测器常常见见光光辐辐射射探探测测器器的的分分类类

5、厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士3.1 光辐射探测器的性能参数光辐射探测器的性能参数 对于光辐射探测器的应用，较关注的性能是：探测器的响应度大小（探测器的输出信号值定量地表示多大的光辐射度量）（1）与噪声相当的辐射功率大小（对某种探测器，需要多大的辐射度量才能使探测器产生可区别于噪声的信号量）（2）探测器的光谱响应范围，响应速度，线性动态范围等。（3）厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士3.1.1 响应度响应度定义：单位辐射度量产生的电信号量，记作定义：单位辐射度量产生的电信号量，记作R R，电信号可以是电流，称为电流响应度；也可以电信号可以是电流，称为电流响应度；也可以是电压，称为电压响应度

6、。是电压，称为电压响应度。对辐射通量的电流响应度对辐照度的电流响应度对辐亮度的电流响应度)/( ,/RWAI )/( ,/R2EmWAEI)/( ,/2srmWALIRL厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士探测器的响应度描述光信号转换成电信号探测器的响应度描述光信号转换成电信号大小的能力。大小的能力。 辐射度量测量中，测不同的辐射度量，应当用不同的响应度。)()()(,)()()(,)()()(RLIREIRILE探测器的响应度一般是波长的函数。与上面定义的积分响应度对应的光谱响应度为（3-1)积分响应度和光谱响应度的关系为(3-2)dLdLRRdEdERRddRILLEE)()()(,)()(

7、)(,)()()(R厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士注意注意积分响应度不仅与探测器的光谱响应度有关，也与入射辐射的光谱特性有关，因而，说明积分响应度时通常要求指出测量所用的光源特性。厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士光电探测器响应度可简单地推导如下光电探测器响应度可简单地推导如下 由普朗克量子理论可知，单个光子的入射能量为hv，则单位时间内入射到探测器表面的光子数为 探测器的量子效率为（3-3）hchv)()(hchv)()(）（）（输出信号电子数探测器接收的光子数）（）（i-1 =厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士单位时间内探测器的输出信号电子数为（单位时间内探测器的输出信号电子数为（3-

8、4） 探测器的辐射通量光谱电流响应度为（3-5）hci)()()(1 )(Qhci)()()(1 )(Q)/(8 .1239)()()()()(WAhcqIR厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士对于光电探测器，最大响应波长为（对于光电探测器，最大响应波长为（3-6） 内光电效应 外光电效应)/(24. 1/24. 1maxAggEEE)/(24. 1/24. 1maxAggEEE)/(24. 1/24. 1maxAggEEE厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士3.1.2 噪声及其评价参数噪声及其评价参数1噪声噪声2噪声等效噪声等效功率功率NEP厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士1、噪声、噪声 在系

9、统中任何虚假的或不需要的信号统称为噪声。 研究噪声的目的是探讨系统探测信息的极限以及在系统设计中如何抑制噪声以提高探测本领。厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士系统内部噪系统内部噪声：声：人为噪声人为噪声固有噪声固有噪声来自外部的来自外部的噪声：噪声：人为干扰人为干扰自然干扰自然干扰系统的噪声系统的噪声厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士分析噪声源的性质分析噪声源的性质（1）散粒噪声（2）产生-复合（G-R）噪声（3）热噪声或Johnson噪声（4）1/f 噪声（5）温度噪声3.1.2厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士（1）散粒噪声 由于光子流以间断入射的形式投射到探测器表面，以及探测器内部光子转

10、换成电子动能而产生的电子流具有统计涨落的特征，形成散粒噪声。 假设入射光子服从Poisson概率密度分布(3-8）fIqp 2I2nfIqp 2I2n厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士 在实验室进行光辐射测量时，可用一固定频率对信号进行调制。这样，系统的工作频带宽度可减少。 锁频技术可使系统工作在一个很窄的通频带范围内，有利于减少系统噪声。 增加信号的积分时间，缩小测量系统的频带，也可以减少散粒噪声。厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士（2）产生-复合（G-R）噪声 光导型探测器的G-R噪声是由于半导体内的载流子在产生和复合过程中，自由电子和空穴数随机起伏所形成的，也属于白噪声，相当于光伏型中单

11、向导电P-N结内的散粒噪声。(3-9)fAEGqfIqdpipRG22244I厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士（3）热噪声或Johnson噪声 热噪声由电阻材料中离散的载流子（主要是电子）的热运动造成。 热噪声电流的均方值为：(3-10) 使探测器制冷或者探测器及前置放大器一起制冷，可以减少热噪声电流。RfkTT/4I2厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士（4）1/f 噪声 一般认为，它与半导体的接触、表面、内部存在的势垒有关，所以有时叫做“接触噪声”，其值随信号调制频率的增加而减少 (3-11) (3-12)ffKIaf/I2ffKIf/I22厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士（5）温度噪声

12、 由热探测器和背景之间的能量交换所造成的探测器自身的温度起伏，称为温度噪声。 （3-13）KkkNI122IKkkNI122I厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士 只有信号足够强，才能与噪声电流区别开。 信噪比，作为表征探测系统探测能力和精度的一个十分重要的指标，记作SNR (3-14)2/SNRNsII2/SNRNsII厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士2. 噪声等效功率噪声等效功率NEP 噪声等效功率是探测器产生与其噪声均方根电压相等的信号所需入射到探测器的辐射功率 (3-15)(NEP2WRISNRN厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士用用NEP描述探测器探测能力的不便之描述探测器探测能力的

13、不便之处处 数值越小，表示探测器的探测能力越强，相对缺乏直观性。为此一般引入NEP的倒数D探测率 （3-16）NEP/1D NEP/1D 厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士更常采用的是采用比探测率更常采用的是采用比探测率D* （3-17） 需要注意：探测器的比探测率不是一个固有常量。)()/(A*D12/12WHzcmfAIRfDdNd)()/(A*D12/12WHzcmfAIRfDdNd厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士探测器的比探测率不是一个固探测器的比探测率不是一个固有常量。有常量。 首先，它和响应度成正比，随波长变化的规律与响应度的相同。 其次，与各种影响响应度和噪声电流的因素都有关系

14、，所以在给出探测器的比探测率时，一般注明测量的条件。一些不在圆弧号内说明的可另加注释。3厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士3.2 光电探测器光电探测器3.2.13.2.23.2.3光电管和光电倍增管光伏探测器光电导探测器厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士3.2.1 光电管和光电倍增管光电管和光电倍增管 光电管光电管1.1.光电管工作电路光电管工作电路厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士2.2.光电效应方程光电效应方程根据光子说及能量转换和守恒定律有根据光子说及能量转换和守恒定律有: : hh表示一个光子的能量表示一个光子的能量 E E0 0金属的逸出功金属的逸出功3.3.光阴极的量子效光阴极的量

15、子效率率: : 2012hvmvE光阴极发射的光电平均数入射到光电阴极上光子数厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士4.4.光电管的基本特征光电管的基本特征积分响应度积分响应度: : 响应时间约响应时间约1010-8-8S(S(快速变化的脉冲光快速变化的脉冲光) )S P饱和光电流I入射到光阴极上的通量厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士暗电流暗电流 I ID D= =I Ir r+I+Il lI Ir r热电流热电流, ,光阴极在光阴极在f f下的热电子发射下的热电子发射I Il l漏电流漏电流( (为主为主),),阴极间的非无穷大电阻阴极间的非无穷大电阻产生无光照射时产生微小的产生无光照射时产生

16、微小的电流电流输出输出光电管的最小可测功率由暗电流决定光电管的最小可测功率由暗电流决定( (漏电漏电流流) )厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士5.5.光电管的种类光电管的种类真空管真空管: :响应时间响应时间( (约约1010-8-8至至1010-9-9s)s)P P与与的线性好的线性好, ,响应度响应度S S较低较低充气管充气管( (管内充管内充ArAr):):响应时间长响应时间长P P与与的的线性范围短线性范围短, ,响应度高达响应度高达150A/lm150A/lm厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士光电倍增管：1.1.二次电子发射二次电子发射: :电子将

17、能量转换给发射表电子将能量转换给发射表面面, ,因电子束射到材料上而引起材料表面因电子束射到材料上而引起材料表面的电子发射的电子发射二次电子发射的现象二次电子发射的现象低噪声、反应时低噪声、反应时间快间快二次发射系数：二次发射系数： 11二次电子发射数入射电子数厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士二次电子发射材料半导体半导体: :氧化的银镁合金、氧化铜镀氧化的银镁合金、氧化铜镀合金合金2.2.光电倍增管的工作原理：光电倍增管的工作原理：基本特性基本特性 A AD4D4D3D3D2D2D1D1K K厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士结构示意图结构示意图厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士工作原理工作

18、原理K K受照后发射电子受照后发射电子D D1 1、 D D2 2、 D D3 3是二级是二级电子发射电子发射极电位依次逐级升高，光电子被电场加速极电位依次逐级升高，光电子被电场加速后打到二次电子发射极上产生二次电子后打到二次电子发射极上产生二次电子发射，使光电子数倍增，最后到达阳极发射，使光电子数倍增，最后到达阳极A A。厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士光电倍增管的基本特性：a)a)放大系数放大系数M M 设有设有n n个二次发射极，则个二次发射极，则M=M=n nb)b)灵敏度（响应度）灵敏度（响应度） 光谱响应度光谱响应度: :由光阴极材料决定由光阴极材料决定 积分响应度积分响应度:

19、:分阴极响应度和阳极响应度分阴极响应度和阳极响应度 光电倍增管的积分响应度为：光电倍增管的积分响应度为：S=SS=SA A= =S Sk kn n 其中其中S Sk k为光阴极响应度为光阴极响应度厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士c)c)光电特性曲线（如图）光电特性曲线（如图）厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士d)d)电极管各级间电压分配电极管各级间电压分配: : 等压分配和非等压分配等压分配和非等压分配e)e)暗电流：采用降低光电倍增管的工作暗电流：采用降低光电倍增管的工作温度来减小暗电流温度来减小暗电流, ,另外还可减小阴另外还可减小阴极老化极老化厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士3 3、

20、光电倍增管常设计成聚焦或散焦式两种、光电倍增管常设计成聚焦或散焦式两种聚焦式光电倍增管的示意图聚焦式光电倍增管的示意图厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士4 4、使用光电倍增管时的注意事项、使用光电倍增管时的注意事项由于疲劳现象存在，测试前必须预照后由于疲劳现象存在，测试前必须预照后再进行测量再进行测量温度控制在温度控制在( (环境温度环境温度)25)250 0C C保证供电直流电源具有很高的稳定性保证供电直流电源具有很高的稳定性3厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士3.3 热探测器热探测器 热探测器是各种探测器中唯一能得到无选择热探测器是各种探测器中唯一能得到无选择性响应的探测器。性响应的探测器

21、。 为提高热探测器的探测能力，应最大限度地为提高热探测器的探测能力，应最大限度地吸收各种波长的入射辐射能，所以热探测器吸收各种波长的入射辐射能，所以热探测器表面常用煤黑、黑色金属氧化物或黑色无定表面常用煤黑、黑色金属氧化物或黑色无定形金属等做成黑的。形金属等做成黑的。厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士 按照能量守恒定律，热探测器吸收入射辐射能与探测器表面温度升高之间的关系可写成： 吸收的辐射热能=探测器的热传导损失+探测器表面的温升所需的能量。 表达式可写成为: (3-24)0,)Td(C0tTaTGdt厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士 式（3-24）表示探测器表面吸收的辐射能，部分消耗在热

22、导损失上（探测器温升 损失的热辐射功率），部分使表面温升。T厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士 设入射辐射通量设入射辐射通量 即是频率即是频率 的调制光信号，则解式（的调制光信号，则解式（3-24） 可得探测器表面温度变化的幅度可得探测器表面温度变化的幅度 (3-25)exp(0ti221GaT221GaT厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士要提高热探测器响应度，应减少要提高热探测器响应度，应减少探测器的热导和热容。探测器的热导和热容。 为此，热探测器常常做成薄条或薄片状，以减少热容；探测器表面的支承部分要尽可能少，引线要短且细，以减少热导。这样热探测器在结构上较脆弱，且热导和热容的减少还受到工

23、艺等的限制，故热探测器的时间常数比光电探测器大得多，一般为ms级。厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士为了减少外界温度、空气流动为了减少外界温度、空气流动等对热探测器信号探测的影响等对热探测器信号探测的影响（温度噪声），常常把探测片（温度噪声），常常把探测片封装在密封的真空容器内。封装在密封的真空容器内。 真空封装的热探测器响应度为真空封装的热探测器响应度为非真空封装状态的两倍以上，非真空封装状态的两倍以上，但是，真空封装后与外界的热但是，真空封装后与外界的热交换也变差，时间常数将会增交换也变差，时间常数将会增大。大。厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士在绝大多数情况下，热探测器响应在绝大多数情况

24、下，热探测器响应度的不平坦可忽略不记，只是在精度的不平坦可忽略不记，只是在精确光谱量标定时才需考虑。确光谱量标定时才需考虑。 虽然平坦的光谱响应十分重要，但实际上由于探测器表面黑色层的吸收比不可能是理想平坦的，探测器外面的窗材料不仅限制透过辐射能的波长范围，且在透射谱段的光谱透射比也不完全平坦，故热探测器并不具有完全理想平坦的光谱响应。厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士3.3 热探测器热探测器热电偶和热偶堆测辐射热计热释电探测器3厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士3.3.1 3.3.1 热电偶和热偶堆热电偶和热偶堆 热电偶是基于两种不同金属在其连接点有温差时会产生热电动势的塞贝克效应。 当一个

25、连接点受光辐照时升温，而另一连接点不受辐照时，在回路中就会产生电流。厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士热偶堆热偶堆 把多个热电偶串接构成热偶堆，可提高响应度（N个串联热电偶的热偶堆，其响应度为单个热电偶的N倍。）厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士 由于两连接点相距不远，所以当接在桥式回路中时，环境温度变化的影响可自动补偿，故一般工作在常温下。 热电偶产生的温差电动势V和温度T(K)之间的关系可写成 （3-26）2VcTbTa厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士 塞贝克系数(3-31) 由式(3-24)及式(3-26)，可得热电偶的响应度为cTbdTdVTa2)( 222)( CGaTaVR厦门理工学院厦门理工学院王元樟博士 在频率很低时，G C, 则 即用高吸收比的表面层、高塞贝克系数且性能稳定的热电偶金属、低热导的结构可使热电偶有较高的响应度。GaTa/)( RGaTa/)( R厦门理工