第三章光辐射探测器

In 2q I p f
2
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。
（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，相当于光伏型中单向导电PN结内的散粒噪声。(3-9)
二次电子发射数 ②二次发射系数： >1 入射电子数
③二次电子发射材料
半导体:氧化的银镁合金、氧化铜镀 合金 2.光电倍增管的工作原理： ①基本特性
υ A ＞υ
υ
K
D4＞υ D3＞υ D2＞υ D1＞
②结构示意图
③工作原理
K受照后发射电子D1、 D2、 D3„„是二级 电子发射 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 发射，使光电子数倍增，最后到达阳极 A。
探测器的分类
主观探测器 人眼
客观探测器
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 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
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
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器的范畴内。 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：
3
3.2 3.2.1
光电探测器
3.2.2
3.2.3
光电管 和光电 倍增管
光伏探 测器
光电导 探测器
3.2.1 光电管和光电倍增管 光电管 1.光电管工作电路
2.光电效应方程
根据光子说及能量转换和守恒定律有: hυ —表示一个光子的能量
1 2 hv mv E0 2
E0—金属的逸出功
3.光阴极的量子效率: 光阴极发射的光电平均数
( ) ( ) hv hc
探测器的量子效率为（3-3）
（）
输出信号电子数 探测器接收的光子数
=
[1 - （） ] （ i ）
Q( ) [1 ( )]i ( )
( ) hc
单位时间内探测器的输出信号电子数为（3-4）
( ) Q( ) [1 ( )]i ( ) hc
（1） （2） （3）
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。
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。
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。
热探测器利用热电效能
入射到光电阴极上光子数
4.光电管的基本特征 ①积分响应度:
饱和光电流IP S 入射到光阴极上的通量
②响应时间约10-8S(快速变化的脉冲光)
③暗电流 ID=Ir+Il Ir—热电流,光阴极在Ι
f下的热电子发射
Il—漏电流(为主),阴极间的非无穷大电阻产 生无光照射时产生微小的电流输出 光电管的最小可测功率由暗电流决定(漏电 流)
R E I / E, ( A / W m )
2
（2）
（3）
RL I / L, ( A / W m sr )
2
探测器的响应度描述光信号转换成电信号 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。
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)
辐射度 光度与色度及其测量
第三章 光辐射探测器
厦门理工学院
本章内容
3.1 光辐射探测器的性能参数
3.2
光电探测器
3.3
热探测器
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， 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 往直接影响到光辐射度量测量的可 行性及精确性
探测器接收 光辐射能
引起物体自 身温度升高
温度的变化使探测 器的电阻值发生变 化，或表面电荷发 生变化，或产生电 动势等
通过这些探测 器参量的变化
反映入射 光辐射量
光辐射探测器 光电探测器 外光电效应 热探测器 内光电响应 无放大作用 真空光电管 充气光电管 有放大作用 光电倍增管 充气光电管 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 光导型 本征光导探测器 光敏电阻 光导探测器 光伏型 无放大作用 光电池 光电二极管 双光电二极管 气动光导探测器 高莱探测器
3、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
4、使用光电倍增管时的注意事项
①由于疲劳现象存在，测试前必须预照后 再进行测量 ②温度控制在(环境温度)250C
③保证供电直流电源具有很高的稳定性
3
3.3 热探测器
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。 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 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。
I ( ) I ( ) I ( ) R ( ) , RE ( ) , RL ( ) ( ) E ( ) L ( )
积分响应度和光谱响应度的关系为(3-2)
I R ( )( )d RE ( ) E ( )d RL ( ) L( )d R , RE , RL ( )d E( )d L( )d
1.24 / Eg
1.24 /( Eg EA
内光电效应 ) 外光电效应
3.1.2 噪声及其评价参数
1 噪声
2 噪声等效 功率NEP
1、噪声 在系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。
系统的噪声
探测器的辐射通量光谱电流响应度为（3-5）
I ( ) ( ) q ( ) R ( ) ( A /W ) ( ) hc 1239 .8
max {
1.24 / Eg
1.24 /( Eg EA )
对于光电探测器，最大响应波长为（3-6）
max {
来自外部的 噪声： 人为干扰 自然干扰
系统内部噪 声： 人为噪声 固有噪声
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
In 2q I p f
2
（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）
T
a G 1 2 2
设入射辐射通量 exp( it ) 0 即是频率 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 (3-25)

T
a G 1
I I
2 N k 1
K
2 k
2 SNR I s / I N
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)
SNR I s / I
2 N
2. 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)
（3） 探测器的光谱响应范围，响应速度，线性动态范围等。
3.1.1 响应度
定义：单位辐射度量产生的电信号量，记作R， 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。
（1）
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
R I / , ( A / W )
④光电特征—光电流与入射通量之间的关系 (如图)
非线性响应
光电流的输出值与照射时间的关系
5.光电管的种类 ①真空管:响应时间(约10-8至10-9s)Ι 的线性好,响应度S较低
P与φ
②充气管(管内充Ar):响应时间长Ι P与φ 的 线性范围短,响应度高达150μ A/lm
光电倍增管： 1.二次电子发射:电子将能量转发给发射表 面,因电子束射到材料上而引起材料表面 的电子发射 ①二次电子发射的现象—低噪声、反应时 间快
常 见 光 辐 射 探 测 器 的 分 类
杂质光导探测器
N型/P型光导探测器
3.1 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：
（1） 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） （2） 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）
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。
（ )） ( ) (
hv hc
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智，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
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)
d( T) C GT a, T dt
t 0
0
式（3-24）表示探测器表面吸收的 辐射能，部分消耗在热导损失上 （探测器温升 T 损失的热辐射功 率），部分使表面温升。
I NEP (W ) SNR R
2 N
D 1 / NEP
用NEP描述探测器探测能力的不便之 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）
D 1 / NEP
D* Ad fD
R I /( Ad f )
（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)
I KI f / f
2 f a


I KI f / f
2 f 2
(3-12)
2 I2 N Ik k 1
K
（5）温度噪声
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）
I
2 GR
4q I p f 4q G i E p Ad f
2 2
（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)
百度文库
I 4kTf / R
2 T
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。
④光电倍增管的基本特性：
a)放大系数M
设有n个二次发射极，则M=σ
b)灵敏度（响应度）
n
光谱响应度:由光阴极材料决定
积分响应度:分阴极响应度和阳极响应度
光电倍增管的积分响应度为：S=SA=Skσ
其中Sk为光阴极响应度
n
c)光电特性曲线（如图）
d)电极管各级间电压分配: 等压分配和非等压分配 e)暗电流：采用降低光电倍增管的工作 温度来减小暗电流,另外还可减小阴 极老化
2 N
(cm Hz1/ 2 W 1 )
更常采用的是采用比探测率D*
（3-17）
D* Ad fD
R
2 IN /( Ad f )
(cm Hz1/ 2 W 1 )
需要注意：探测器的比探测率不是 一个固有常量。
探测器的比探测率不是一个固 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，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。