CH4光電探測(cè)器及其校正技術(shù)

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1、現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)第4章光電探測(cè)器及其校正技術(shù)本章主要包括以下內(nèi)容1.光電倍增管2.光電導(dǎo)器件3.光電池和光電二極管4.CCD圖像傳感器5.熱電探測(cè)器6.光電探測(cè)器的校正24.1概述3光電探測(cè)器的工作原理是將光輻射的作用視為所含光子與物質(zhì)內(nèi)部電子的直接作用。也就是物質(zhì)內(nèi)部電子在光子作用下，產(chǎn)生激發(fā)而使物質(zhì)的電學(xué)特性發(fā)生變化。這種變化主要有以下三類(lèi)：(1)外光電效應(yīng)某些物質(zhì)在光子的作用下．可以從物質(zhì)內(nèi)部逸出電子的現(xiàn)象叫做外光電效應(yīng)。逸出電子的動(dòng)能可用下式表示：式中，m為電子質(zhì)量；v為電子逸出后所具有的速度；h是普朗克常數(shù)；Po為該物質(zhì)的逸出功4(2)內(nèi)光電效應(yīng)某些物質(zhì)在光子作用下，使

2、物質(zhì)導(dǎo)電特性發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)。利用內(nèi)光電效應(yīng)材料制成的光電探測(cè)器主要是各種類(lèi)型的光敏電阻。(3)障層光電效應(yīng)在不同材料的接觸面上，由于它們電學(xué)特性不同而產(chǎn)生障層。利用障層光電效應(yīng)制成的光電探測(cè)器主要有各種類(lèi)型的光電池和光電二極管、光電三極管等。4.2光電倍增管5利用外光電效應(yīng)制成的光電器件主要有光電管和光電倍增管。光電管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，如圖4-1所示；圖4-2所示是真空光電管的伏安持性圖4-1光電管結(jié)構(gòu)示意圖圖4-2真空光電管的伏安特性61.光電倍增管的工作原理光電倍增管是由封裝在真空泡殼中的光陰極、陽(yáng)極和若干中間二次發(fā)射極所組成。它的結(jié)構(gòu)原理及偏置電路如圖4-3所

3、示。圖4-3光電倍增管及回路示意圖7二次發(fā)射極二次發(fā)射體的重要參數(shù)是二次發(fā)射系數(shù)δ:式中n1、n2分別是輸入二次發(fā)射體的一次電子數(shù)和二次發(fā)射體對(duì)應(yīng)發(fā)出的電子數(shù)。二次電子發(fā)射系數(shù)與材料本身特性、一次電子的動(dòng)能或極間電壓的大小有關(guān)，如圖4-5所示。圖4-5δ—U關(guān)系曲線8陽(yáng)極陽(yáng)極是管內(nèi)電壓最高的地方，當(dāng)最后一個(gè)二次極發(fā)出的電子飛到陽(yáng)極上后，陽(yáng)極也會(huì)產(chǎn)生二次電子發(fā)射，這將破壞穩(wěn)定的輸出。分壓器它的作用是使光電倍增管中從光電陰極到依次各二次極，最后到陽(yáng)極的電位逐漸升高，使光電子順利完成電子倍增過(guò)程。92.光電倍增管的主要特性(1)光電倍增管的光譜特性光電倍增管的光譜特性主要由光陰極和

4、玻殼材料的特性來(lái)確定。影響光電倍增管光譜特性的還有一些其它因素，如溫度、受照點(diǎn)位置和磁場(chǎng)等。圖4-8銻絕陰極Sλ隨T偏移的曲線10圖4-8中縱坐標(biāo)是光譜相對(duì)偏移，其定義為式中Sλ20oc為20℃時(shí)銻銫陰極的光譜靈敏度；SλT—溫度為T(mén)時(shí)的光譜靈敏度。圖4-9所示是多堿陰極的光譜特性隨溫度變化的曲線。圖4-9多堿陰極Sλ隨T偏移的曲線11(3)線性度在高精度的光電檢測(cè)中，要求光電探測(cè)器的光特性具有良好的線性度，且線性范圍盡可能寬。光特性是指倍增管輸出信號(hào)電流隨輸入光通量變化的曲線，即I＝f(Φ)。(2)靈敏度光電器件靈敏度的定義有許多種，而對(duì)光電倍增管常用陽(yáng)極靈敏度來(lái)表征這一特

5、性。定義陽(yáng)極光譜靈敏度Sa(λ)為式中，單色光通量為Φ(λ)，陽(yáng)極電流為Ia(λ)12圖4-12給出了隨入射通量Φ增加輸出電流Ia偏離直線的情況圖4一12Ia與f(Φ)曲線13(4)最大額定值①最大陰極電流Icm,有時(shí)給出最大電流密度(μA/cm2)。工作時(shí)不應(yīng)超過(guò)額定值。有時(shí)陰極電流Ic雖小于Icm，但入射光點(diǎn)很小，也會(huì)因電流密度過(guò)大而引起局部損壞。這時(shí)應(yīng)按電流密度的額定值來(lái)限制輸入。②最大陽(yáng)極電流Iam,該值通常是以不產(chǎn)生嚴(yán)重的和不可逆的損壞為限，通常陽(yáng)極功率限制在0.5w以下。③最大額定電壓Um,該指標(biāo)是從管子的絕緣性能和工作可靠性出發(fā)給出的。為使噪聲不至太大，一般建議

6、采用的總電壓U＜(60—80)﹪Um。14(5)光電倍增管的不穩(wěn)定性管子工作的不穩(wěn)定性主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面:①由于光譜響應(yīng)隨時(shí)間緩慢地不可逆地變化②在幾分鐘或幾小時(shí)內(nèi),由于可逆的疲勞所構(gòu)成的漂移③滯后作用造成陽(yáng)極輸出的不穩(wěn)定(6)暗電流在無(wú)光輸入時(shí)，由陽(yáng)極輸出的電流叫做暗電流。暗電流的主要來(lái)源有熱發(fā)射、漏電流、管內(nèi)電子散射引起泡殼熒光反饋陰極引起的發(fā)射電流、殘余氣體電離和宇宙射線等。陽(yáng)極熱電流可表示為式中，Ico為光陰極發(fā)出的熱電流；Iio為第i個(gè)二次極發(fā)出的熱電流。15(7)光電倍增管的噪聲與信噪比光電倍增管中的噪聲源主要來(lái)自光陰極和二次極的熱發(fā)射。入射光輻射本身亦帶來(lái)噪

7、聲。由光電陰極和K個(gè)二次發(fā)射極組成的光電倍增管中．綜合在陽(yáng)極輸出時(shí)的噪聲電流用均方根值表示為當(dāng)δ1＝δ2＝…＝δk=δ時(shí)，則有16如果把暗發(fā)射也考慮在內(nèi)，則陽(yáng)極輸出的信噪比為：由該式可知,要提高光電倍增管的信噪比可采取以下方法。①管子致冷可減少I(mǎi)c0值；②當(dāng)入射光斑較小時(shí)，應(yīng)盡量選用光陰極面小的管子；③選用δ較高的材料做二次發(fā)射極，并提高工作電壓；④減小檢測(cè)系統(tǒng)頻帶寬度?f，以提高信噪比；17(8)光電倍增管的時(shí)間特性光電倍增管時(shí)間特性用其對(duì)脈沖光的響應(yīng)特性來(lái)表示。脈沖光可用激光脈沖來(lái)產(chǎn)生，如采用上升時(shí)