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1、第二章 光辐射探测器,光电探测器的分类:,基于光电效应原理的光子探测器, 光电子发射探测器 光伏探测器、 光电导探测器,特点：探测灵敏度高（探测能力，响应波长范围，响应速度） 对波长探测选择敏感； 多数工作在低温环境下,光电探测器的分类,基于光热热电效应原理的探测器, 热电偶探测器 热敏电阻探测器 热释电探测器,特点：探测灵敏度较低（探测能力，响应波长范围，响应速度） 对波长探测选择不敏感； 多数工作在室温环境下,一)探测器的灵敏度特性, 探测器的量子效率,2.1 探测器的性能参数,响应度,在入射辐射垂直投射到探测器响应平面时,Rbb( Tb,f,f ) 黑体辐射,R( ,f,f ) 单色光辐
2、射,3）噪声等效功率,4）探测度D和归一化探测度D*,A：探测器面积， f：放大器带宽,5)探测器的光谱响应,探测器的光谱响应是指探测器灵敏度与波长间的关系，如：R(f,);D*(,f )等,6）探测器的频率响应,R(0)：无调制时的直流相应,7）探测器的响应时间,当t=,当t=,二） 噪声的统计描述和探测器噪声,1）噪声的概念和分类,噪声是有用信号以外的无用信号，噪声是一种随机信号，不可预知它的精确大小，但有其统计规律，只能用统计的理论和方法处理。,系统外部噪声 由系统外部产生系统内部噪声 由系统内部元件、电路产生,按噪声的波形特征及变化规律分脉冲噪声和连续性噪声，周期性噪声和非周期性噪声，
3、平稳性噪声和非平稳性噪声； 按噪声的幅度和频谱分布状况分有高斯噪声和白噪声。,二）探测器的噪声,（1）散粒噪声（散弹噪声）,半导体中的产生复合噪声,噪声带宽：,0.707R (0),探测器或电路的电流的微粒流随机起伏引起的噪声,（2）热噪声（过剩噪声）,（3）温度噪声（热探测器）,（4）闪烁噪声（电流噪声、低频噪声,1/f噪声）,2， 0.81.5,由于导体中电子的无规则热运动，产生的电流随机起伏引起的噪声,由于环境或器件温度的随机起伏引起的噪声,与光辐射的调制频率有关，与f成反比,热导,3）高斯噪声和白噪声,高斯噪声 噪声强度具有高斯分布的噪声,白噪声,噪声功率谱按频率均匀分布在整个频率区间
4、的噪声，其功率谱记为：,1）几何参数,视场角和立体角(致冷探测器和具有浸没透镜探测器）,定义权重立体角（是入射角）：响应元的中心对光阑的张角的余弦,标称面积 An:厂商提供面积选用面积 As:转换能量的实际面积有效面积 Ae:整体响应灵敏度与其最大值之比,三）探测器的几何参数和使用参数,2）探测器的电参数,阻抗,偏置工作电压：必须加偏压；无偏压（按工作原理不同）,3） 使用条件,工作温度：为提高灵敏度，减低噪声， 室温；低温,不同的探测器阻抗不同，要和放大器匹配,光电子发射探测器,真空光电二极管,光电倍增管,电子倍增器和微通道板,2.2 光电子发射探测器,1）金属光电子发射,在某热平衡温度下，
5、金属中处在费米能级E=EF上的电子，吸收光子能量h后， 除去散射能量损失E, 还克服表面势垒EA 的能量，逸出金属表面的现象,光电子所具有的最大动能 ，,光电子发射的辐射极限频率,如果 EF = 0,2）半导体的光电子发射,本征半导体的能带结构,W0=h0=Eg+EA,杂质半导体的能带结构,N半导体 Wn0 = EA+EnP半导体 Wp0 = EA+Eg-Ep,受主能级,施主能级,杂质半导体的能带结构,EA 材料的亲和势,负亲合势复合半导体,两种材料未接触前的能带结构,两种材料接触后的能带结构形成了负电子亲合势(- EA),价带,价带,光电阴极的性能参数,（1）光照灵敏度,阴极输出光电流与输入
6、光通量之比,光谱灵敏度,（2）量子效率,常用光电发射材料,2）真空、充气光电二极管,充气光电二极管,真空光电二极管,光电管,真空光电管的输出信号和噪声,信号电流,散弹噪声均方电流,热噪声均方电流,Id：无光照时，光电阴极的热电子发射和电极间漏电流形成的暗电流。Iks+Ikb：信号光和背景光照射饱和发射电流均值,光电管负载电阻和放大器输入电阻引起的热噪声，R 等效电阻,真空光电管的输出信号噪声比,令SNR=1,只考虑信号噪声，则：,3）光电倍增管（PhotomultiplierPMT),（1）光电倍增管的结构和工作原理,K 阴极（1000v3000V),D 聚焦电极,A 阳极,D1,D2,D3,
7、D4,D5,D6,D7,D8倍增电极（1300100v),(2) 倍增电极,总增益,具有二次电子发射性能材料做成的电极，通常用二次发射系数 表示这种性能。,常用材料有： 锑化铯 400v, 10 银镁合金AgMgO(Cs) 400v, 6 负亲合势材料GaPCs 1000v, 50,百叶窗式倍增电极,倍增电极面积小，电流密度逐级递增，极间电场均匀，对电压变化不敏感，受磁场影响小,(3)光电倍增管的典型结构,瓦片式（聚焦型）：放大倍率高，电子渡越时间小， 适于快速管。,盒栅式倍增电极,结构紧凑，均匀性、稳定性好，级数变化灵活，对电源要求不严格。,(4)光电倍增管的工作电路,G=CV dG/G=d
8、V0/V0, 要求电压稳定度不低于0.010.05%，波纹系数不高于0.001 Io=V0/Rn Io(2025)Ia,Io=V0/Rn,脉冲工作的光电倍增管，为使极间电压保持稳定，分压器后几级电阻上要并联稳压电容。C1,C2,C3 约为0.05F0.1F。,光电倍增管的接地方式,阳极接地方式 特点： 这种接法杂散电容小，直接接输出级。 但阴极对地、对屏蔽罩有负高压，暗电流大，噪声大。,K,A,D1 D 2 D n,GND,-1500V,RL,屏蔽罩,GND, 阴极接地（正高压）方式 特点：这种接法对地、对屏蔽罩无负高压，暗电流小，噪声小。但阳极呈高压，需经电容隔离，不能直接接输出级，高频性能
9、不好。,关于负载电阻的考虑频响要求高的场合，越小越好，光电倍增管的负载阻抗应小于放大器输入阻抗,（5）光电倍增管的噪声与探测灵敏限,光电倍增管的散弹噪声,是倍增电极的倍增系数，倍增级数为n,G2=2n是功率增益。,探测器输出信噪比,对于强信号，忽略信号外其它噪声， =1，则：,是噪声因子,G=n是电流增益。,（6）光电倍增管的性能指标, 光谱响应范围和最大响应波长 光电倍增管响应波长决定于光电阴极材料，一般在可见光到近红外波段范围，即 0 .21.2m 阴极积分灵敏度 单位入射光功率所产生的饱和光电流，就是阴极电流响应度： Sk Rik = ik/Ps Sk = 20 200A/Lm 阳极积分
10、灵敏度 SA=Sk G SA= 20 3 104 A/Lm 电流增益 G = 105 108 暗电流 Id n 10-8 A 响应时间 一般在 10 ns 10s,光电倍增管及电源,（7）电子倍增器和微通道板,通道型电子倍增器(Channel Electron Multiplier，CEM)是一种由内壁既是电阻体又是二次发射体的微细玻璃管构成。,采用重金属铅、铋硅酸盐玻璃，直径10100m,电阻率1091011/cm,3000v,弯曲板单通道电子倍增器,既能提高器件的空间和时间分辨率,又能降低暗噪声。能有效的抑制由反馈正离子产生的背景噪声和对光阴极的有害轰击， 器件的工作寿命得以提高。,微通道板(Microchannel Plate,MCP),微通道板一般由1万1000万个相互平行的通道电子倍增器密集成二维阵列结构组成，通道直径10100m,长度通常是直径的40100倍，前后端面电极间电阻达109量级，总增益为106,特点 体积小、分辨力好、增益高、噪声低、使用电压低,电极材料：Ni-Cr 通道孔径：550 m 开口比：60,
