CH4光电探测器及其校正技术

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1、现代检测技术第4章光电探测器及其校正技术本章主要包括以下内容1.光电倍增管2.光电导器件3.光电池和光电二极管4.CCD图像传感器5.热电探测器6.光电探测器的校正24.1概述3光电探测器的工作原理是将光辐射的作用视为所含光子与物质内部电子的直接作用。也就是物质内部电子在光子作用下，产生激发而使物质的电学特性发生变化。这种变化主要有以下三类：(1)外光电效应某些物质在光子的作用下．可以从物质内部逸出电子的现象叫做外光电效应。逸出电子的动能可用下式表示：式中，m为电子质量；v为电子逸出后所具有的速度；h是普朗克常数；Po为该物质的逸出功4(2)内光电效应某些物质在光子作用下，使

2、物质导电特性发生变化，这种现象叫做内光电效应。利用内光电效应材料制成的光电探测器主要是各种类型的光敏电阻。(3)障层光电效应在不同材料的接触面上，由于它们电学特性不同而产生障层。利用障层光电效应制成的光电探测器主要有各种类型的光电池和光电二极管、光电三极管等。4.2光电倍增管5利用外光电效应制成的光电器件主要有光电管和光电倍增管。光电管结构简单，如图4-1所示；图4-2所示是真空光电管的伏安持性图4-1光电管结构示意图图4-2真空光电管的伏安特性61.光电倍增管的工作原理光电倍增管是由封装在真空泡壳中的光阴极、阳极和若干中间二次发射极所组成。它的结构原理及偏置电路如图4-3所

3、示。图4-3光电倍增管及回路示意图7二次发射极二次发射体的重要参数是二次发射系数δ:式中n1、n2分别是输入二次发射体的一次电子数和二次发射体对应发出的电子数。二次电子发射系数与材料本身特性、一次电子的动能或极间电压的大小有关，如图4-5所示。图4-5δ—U关系曲线8阳极阳极是管内电压最高的地方，当最后一个二次极发出的电子飞到阳极上后，阳极也会产生二次电子发射，这将破坏稳定的输出。分压器它的作用是使光电倍增管中从光电阴极到依次各二次极，最后到阳极的电位逐渐升高，使光电子顺利完成电子倍增过程。92.光电倍增管的主要特性(1)光电倍增管的光谱特性光电倍增管的光谱特性主要由光阴极和

4、玻壳材料的特性来确定。影响光电倍增管光谱特性的还有一些其它因素，如温度、受照点位置和磁场等。图4-8锑绝阴极Sλ随T偏移的曲线10图4-8中纵坐标是光谱相对偏移，其定义为式中Sλ20oc为20℃时锑铯阴极的光谱灵敏度；SλT—温度为T时的光谱灵敏度。图4-9所示是多碱阴极的光谱特性随温度变化的曲线。图4-9多碱阴极Sλ随T偏移的曲线11(3)线性度在高精度的光电检测中，要求光电探测器的光特性具有良好的线性度，且线性范围尽可能宽。光特性是指倍增管输出信号电流随输入光通量变化的曲线，即I＝f(Φ)。(2)灵敏度光电器件灵敏度的定义有许多种，而对光电倍增管常用阳极灵敏度来表征这一特

5、性。定义阳极光谱灵敏度Sa(λ)为式中，单色光通量为Φ(λ)，阳极电流为Ia(λ)12图4-12给出了随入射通量Φ增加输出电流Ia偏离直线的情况图4一12Ia与f(Φ)曲线13(4)最大额定值①最大阴极电流Icm,有时给出最大电流密度(μA/cm2)。工作时不应超过额定值。有时阴极电流Ic虽小于Icm，但入射光点很小，也会因电流密度过大而引起局部损坏。这时应按电流密度的额定值来限制输入。②最大阳极电流Iam,该值通常是以不产生严重的和不可逆的损坏为限，通常阳极功率限制在0.5w以下。③最大额定电压Um,该指标是从管子的绝缘性能和工作可靠性出发给出的。为使噪声不至太大，一般建议

6、采用的总电压U＜(60—80)﹪Um。14(5)光电倍增管的不稳定性管子工作的不稳定性主要表现在以下三个方面:①由于光谱响应随时间缓慢地不可逆地变化②在几分钟或几小时内,由于可逆的疲劳所构成的漂移③滞后作用造成阳极输出的不稳定(6)暗电流在无光输入时，由阳极输出的电流叫做暗电流。暗电流的主要来源有热发射、漏电流、管内电子散射引起泡壳荧光反馈阴极引起的发射电流、残余气体电离和宇宙射线等。阳极热电流可表示为式中，Ico为光阴极发出的热电流；Iio为第i个二次极发出的热电流。15(7)光电倍增管的噪声与信噪比光电倍增管中的噪声源主要来自光阴极和二次极的热发射。入射光辐射本身亦带来噪

7、声。由光电阴极和K个二次发射极组成的光电倍增管中．综合在阳极输出时的噪声电流用均方根值表示为当δ1＝δ2＝…＝δk=δ时，则有16如果把暗发射也考虑在内，则阳极输出的信噪比为：由该式可知,要提高光电倍增管的信噪比可采取以下方法。①管子致冷可减少Ic0值；②当入射光斑较小时，应尽量选用光阴极面小的管子；③选用δ较高的材料做二次发射极，并提高工作电压；④减小检测系统频带宽度∆f，以提高信噪比；17(8)光电倍增管的时间特性光电倍增管时间特性用其对脉冲光的响应特性来表示。脉冲光可用激光脉冲来产生，如采用上升时