光辐射测量原理与技术——单色仪和摄谱仪

第六章光探测器及其特性

§引言

探测器的分类：

1.主观探测器和客观探测器

2.主观探测器:人眼

客观探测器:利用光照射后，探测器材料产生物

理或化学的变化而制成。

一般分成三类:光电效应探测器;热电效应探测器;

光化学效应探测器

概述

1.辐射能量的探测方法：

目视（主观）测量法

物理（客观）测量法→光电效应，热电效应

2.物理测量法所用探测器的类别:

光电探测器：光电倍增管、光电管、光电池、光导管、

热电探测器：热敏电阻、热电偶、热辐射计光化学效应探测器：感光底片

§6-1光电和热电探测器的特性

积分响应度（或积分灵敏度）

1.定义:S=Y/X X —入射的光辐射通量或光通量lm

Y —探测器输出的电流或电压(V/A)

2.单位:

3.光电效应探测器—选择探测器

热电效应探测器—无选择探测器

光谱响应度：

1.光谱响应度:S (λ)

2.光谱响应度分布

a.将光谱响应度随波长的排列所画成的曲线,称之

为探测器的光谱响应度分布

b.作用:可以确度光电探测器所能探测到的波长范

围及长波探测极限λ0

C.结论：外光电效应探测器探测到的波长极限

λ0<1200nm →光电管和光电倍增管只能对近红外、可见光、紫外光进行探测。中

红外、

远红外用对此波段灵敏的探测器进行探测

3.相对光谱响应度Sr (λ)的计标分布曲线

Sr (λ)=S (λ)/Sm

Sm —给定参考值（S (λ)的平均值、最大值、任意

选定值）

4、探测器的长波极限波长λm

lm A/μμw A/μμw

μμV/V/lm μμ

在相对光谱响应度分布曲线中定义长波响应度

降到最大值的1/10处所对应的波长称为探测器的长波极限λm

响应时间τ：

1.从探测器接受到入射辐射这一瞬间开始至探测器反应达最大值所需的时间称为响应时间

2.单位用秒或毫秒（s 、ms ）

3.讨论：

a>对于稳定光源响应时间不影响测量精度

b>对于脉冲光源要求τ<脉冲宽度（脉冲变化时间）

最小可探测功率：

1.探测器噪音讯号I

2.探测器最小可测功率φ极

如S=100μA/μlm ,无光照射时I=0.01μA

φ极

=0.01/100=0.0001μlm

§ 6-2 光电管和光电倍增管

//I

S Y X I S φφ==→=

极极无光照时的噪声信号探测器的响应度

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:

2012hv

mv E =+

h υ—表示一个光子的能量

E 0—金属的逸出功

3.光阴极的量子效应:

η=光阴极发射的光电平均数

入射到光电阴极上光子数

4.光电管的基本特征

⑴积分响应度:

S =P 饱和光电流I 入射到光阴极上的通量 ⑵响应时间约810-S(快速变化的脉冲光)

⑶暗电流I D =I r +I L

I r —热电流,光阴极在Ιf 下的热电子发射

I L —漏电流(为主),阴极间的非无穷大电阻产生

光电管的最小可测功率由暗电流决定(漏电流)

⑷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

⑴真空管:响应时间(约10-8至10-9s)Ιp与φ的线性好,响应度S较低

⑵充气管(管内充Ar):响应时间长Ιp与φ的线性范围短,响应度高达150μA/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

⑴二次电子发射的现象—低噪声、反应时间快

⑵二次发射系数

⑶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：

⑴基本特性

υA ＞υD4 ＞υD3 ＞υD2 ＞υD1 ＞υk

⑵结构示意图

⑶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。

⑷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=σn

b)灵敏度（响应度）

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=S kσn

其中S k为光阴极响应度

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

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

⑴由于疲劳现象存在，测试前必须预照30min后

进行测量

⑵温度控制（环境温度）250C

⑶保证供电直流电源具有很高的稳定性