现代精密测量仪器中的光电探测器

现代精密测量仪器中的光电探测器

河北大学电子与信息工程系 宋登元

华北电力大学电子学实验室 孙同文

【摘要】　光电探测器是许多精密分析和测量仪器的“心脏”,在研制和应用方面已经取得了很大的进展。文章介绍了光电探测器的种类及覆盖的光谱区域,光电倍增管(PM T)和半导体光电探测器的基本特性,论述了它们在医学诊断、环境监测和分析仪器中的应用以及今后的发展方向。

【关键词】　光电探测器　医学诊断　环境监测　液相色谱

一、引言

在现代众多的精密分析、测量和诊断仪器中,最关键的部件是它的信号检测元件—光电探测器。人们称光电探测器是这类仪器的“心脏”。现代光电探测器的研究开发工作已经取得了重大进展,各类光电探测器不断问世,探测光谱覆盖了从Χ射线到远红外的宽阔范围,其灵敏度和可靠性满足各种精密分析检测仪器的需要。并广泛地用于医学、物理、化学、生物学和环境保护等各个领域。

目前高灵敏度的光电探测器是利用光电效应的原理制成的,主要分为真空管和固体光电探测器两大类。真空管中的光电倍增管(PM T)是依靠入射光子打在阴极材料上使其内部电子被轰击出来形成光电流来工作的,这种效应称为外光电效应。作为固体光电探测器典型代表的半导体光电探测器是利用内光电效应工作的。在这种器件中,入射光子并不直接把光电子从半导体材料中轰击出来,而是在材料内部产生电子空穴对,使器件的输出电流发生变化。由于不同光电探测器的工作原理和所用材料物理性质的差异,因而产生不同的光谱测量区域。详见附图

。附图　光电探测器材料和覆盖的频谱范围

综　述　

二、光电探测器的原理和特性

光电探测器是一种能对光信号进行放大,最终转换为电信号的器件,它的工作过程随光作用的介质及信号放大方式的不同有着很大差异。目前广泛使用的光电探测器有光电倍增管(PM T)和半导体光电探测器。

11光电倍增管

光电倍增管(PM T)是一种电真空器件,已有50多年的发展历史。由于新技术不断用于PM T的制备,使它至今仍是一类非常重要的光电探测器被广泛地使用。

PM T的突出优点是高效益、高灵敏度、低噪声及大的有源区面积。PM T的倍增因子可达103～107倍,能测量很微弱的光信号,甚至是单光子信号也能被测量到。同时它能对光信号进行几乎无噪声的放大。随着新制备工艺的采用,一些被人们认为PM T不如半导体光电探测器的缺点正在被改进。主要表现为PM T的平均无故障时间(M TB F)已达10000～100000h r,电源电压要求已降至±15V DC,功耗只有十几毫瓦。最小的PM T的体积已与半导体探测器类似,能容易地与仪器集成在一起。

21半导体光电探测器

目前使用的半导体光电探测器是光电二极管,它包括平面型、P I N型、肖特基型和雪崩型。前3种没有内部增益或放大作用,因此需要外部放大器,而雪崩光电二极管有高的内部增益,可达100～1000。无论何种形式的半导体光电二极管,其核心都是由P型和N 型半导体构成的P-N结。

半导体光电探测器是一种体积小、重量轻、工作电压低、寿命长和响应速度快的固体光传感器。此外,它的价格相对便宜,抗外部电磁干扰和抗强光损伤的性能也都比PM T 好。由于可用不同的半导体材料(Si,GaA s, Ge,PbS,InA s等)制备,因此它们有从可见光到红外光宽的频谱响应范围,但半导体光电探测器在高增益、低噪声和大有源区域面积方面还不如PM T。

三、光电探测器的应用

光电探测器作为一类光传感器应用十分广泛。下面介绍一下它们在医疗诊断、环境监测及分析仪器中的应用。

11医学诊断

近几年发展起来的医学诊断精密仪器大多采用了高灵敏度的光电探测器作为信号接收转换器。特别是计算机断层扫描成像技术,如ς射线断层照相(CT)、正电子发射断层照相(PET)。其原理是由闪烁体(碘化钠N a I 或锗酸钕B GO晶体)和光电探测器构成的仪器探头接收到Χ射线或ς射线的辐射后先进入闪烁体,使闪烁体受激发产生荧光。一个ς或Χ射线光子能产生几百个2-3eV能量的可见光子。用光导或反射物把这些可见光子收集到光电探测器窗口上,从而产生脉冲信号,送到后级处理系统变为图像显示。

CT是一种常用的三维图像影像学诊断技术,通常探头中使用的都是PM T作为传感器。随着硅光电探测器的发展,探头中使用了硅光电探测器。虽然这时需要的ς射线的强度要稍高于PM T要求的强度,但降低了成本。

PET能够动态地显示人体各部位的生理活动功能,称为目前世界上最先进的医学成像仪器,已从实验开始进入临床诊断。与CT不同的是,这种设备的辐射源不是来自外部,而是来自患者体内。首先用能发射正电子的核素制成标记化合物,注入或吸入患者体内。标记物发射的正电子能在很短的距离内与负电子相撞,发生正、负电子对的湮没,产生一个对能量为511KeV的Χ光子。体外PET探头的闪烁体将测到的Χ射线变为可见光谱送给PM T。在PET中,常用PM T为传感器,因为PM T有比其它探测器高的灵敏度,这样可以降低注入到患者体内标记物的数量。

　综　述

21环境监测

光电探测器是大气监测中普遍采用的传感器,对NO x的监测就是一个很好的应用实例。大气中氮氧化合物(NO x)的含量是监测的重点,许多环保法规都要求相关的企业对它们的NO x排放量进行连续监测。检测NO x 最常用的方法是把从工厂废气中采样的气体与臭氧(O3)一块通入反应室,NO x与O3反应能产生发光波长为600～2500nm的化学发光。由于光谱强度与NO x的浓度成正比,所以用PM T、Si光电探测器或红外探测器测量化学发光信号,最后计算出NO x的含量。

在这种应用中,PM T是比较合适的选择。因为化学发光产生在流动的反应室中,具有很大的分散性。PM T有大的有源区面积,能满足该应用大于150mm2有源区的要求。因而有高的收集效率。另一个注意的问题是,由于化学发光谱的主要成分已到了PM T响应曲线的高端边缘,为提高探测效率,这时需选用具有棱柱形窗口的PM T,棱柱形窗口能使入射光在内部多射多次,同时多次与光阴极作用,这样灵敏度可提高500倍,对波长为800nm光的量子效率可达2%。

31分析仪器

光是探测器的另一大应用领域是各种分析仪器,如液相色谱仪。少量样品注入分离柱后,色谱分离剂喷入到柱中。分离出的物质在下部的样品室由UV光照射,通过光电探测器接收的光信号来确定物质的成分和含量。 在这些应用中,对于蛋白质或核酸等生物化合物,由于对紫外光有较大的吸收,所以可以通过测量入射光和透射光之差来确定化合物的含量。Si光电探测器常被选为这种仪器的传感器,因为它允许大的光信号输入,这样可以使散粒噪声降至最小。

如果化合物对光的吸收很微弱,用上述方法就很难测量到它的存在,这时必须采用荧光探测法。与吸收测量不同,荧光探测是在暗背景下测量由紫外光激发样品所发射的荧光,所以信号是极其微弱的,这时高灵敏度的PM T则是最好的选择。

四、结论与展望

光电探测器已成为传感器的一个重要分支而被广泛地应用在精密分析、测量和诊断仪器中。今后的发展方向主要包括两方面:一是用新材料开发新器件。新材料的不断涌现,特别是根据能带工程制备出来的半导体量子阱和超晶格材料,为光电二极管的发展提供了物理和化学性质优异的新材料,用它们制成的光传感器将会有更好的性能和更宽的频谱范围。二是用新技术改进器件。新的集成技术、薄膜淀积技术、键合技术、高密封技术将用于光电传感器的制造,使其性能进一步提高。展望未来,光电探测器作为一个高新技术领域将会对下世纪的仪器仪表的发展产生重要的影响。

综　述