第三章 光辐射探测器
第三章光辐射探测器
光热探测器对光辐射的响应有两个过程： •器件吸收光能量使自身温度发生变化 共性
•把温度变化转换为相应的电信号
个性
光热探测器的最大特点是： 从紫外到40μm以上宽波段范围，其响应 灵敏度与光波波长无关，是对光波长无选 择性探测器。响应速度较慢 。
探测器遵从的热平衡方程：
Ct d(dTt)GtT
设入射光的表达式为： 0(1ejt)
以上两式表明：PN结两边少数载流子
与多数载流子之间的关系。
热平衡状态下，PN结中漂移运动等 于扩散运动，净电流为零。
当在PN结两端外加电压U，使势垒高度由 qUD变为q(UD–U)，引起多数载流子扩散时， 少数载流子产生增量Δnp、Δpn，有关系式：
np np eq(UDU)/kT nn
pn pn eq(UDU)/kT pp npnp(eqU /k T1)
cI f
f
多数器件的1/f噪声在200～300Hz以 上已衰减为很低水平。
五、温度噪声
在光热探测器中，由于器件本身吸收和传导
等热交换引起的温度起伏。
tn2
4kT2f
Gt[1(2ft
)2]
低频时
t
2 n
4kT 2f Gt
也具有白噪声性质。
光电探测器 噪声功率谱 综合示意图
3.1.4 光探测器的性能参数 一、光电特性和光照特性
PN结导电特性： U 0 正向偏置，电流随着电压
的增加急剧上升。
U 0 反向偏置，电流为
反向饱和电流。
U 0热平衡状态 ，I=0
二、光照下的PN结 h > E g 产生电子-空穴对。
在自建电场作用下， 光电流Iφ的方向与I0相同。
光照下PN结的电流方程为
三度学习题与思考题(理论部分)
《辐射度、光度与色度及其测量》习题及思考题第一章辐射度量、光辐射度量基础1.通常光辐射的波长范围可分为哪几个波段？2.简述发光强度、亮度、光出射度、照度等定义及其单位。
3.试述辐射度量与光度量的联系和区别。
4.人眼视觉的分为哪三种响应？明暗和色彩适应各指什么？5.何为人眼的绝对视觉阈、阈值对比度和光谱灵敏度？6.试述人眼的分辨力的定义及其特点。
7.简述人眼对间断光的响应特性，举例利用此特性的应用。
8.人眼及人眼－脑的调制传递函数具有什么特点？9.描述彩色的明度、色调和饱和度是怎样定义的，如何用空间纺锤体进行表示？10.什么是颜色的恒常性、色对比、明度加法定理和色觉缺陷。
11.简述扬-赫姆霍尔兹的三色学说和赫林的对立颜色学说。
12.朗伯辐射体是怎样定义的？其有哪些主要特性？13.太阳的亮度L＝1.9⨯109 cd/m2，光视效能K＝100，试求太阳表面的温度。
14.已知太阳常数(大气层外的辐射照度)E=1.95 cal/min/cm2，求太阳的表面温度(已知太阳半径R s=6.955⨯105 km，日地平均距离L=1.495⨯109 km)。
15.某一具有良好散射透射特性的球形灯，它的直径是20cm，光通量为2000lm，该球形灯在其中心下方l=2m处A点的水平面上产生的照度E等于40lx，试用下述两种方法确定这球形灯的亮度。
(1)用球形灯的发光强度；(2) 用该灯在A点产生的照度和对A点所张的立体角。
16.假定一个功率(辐射通量)为60W的钨丝充气灯泡在各方向均匀发光，求其发光强度。
17.有一直径d=50mm的标准白板，在与板面法线成45︒角处测得发光强度为0.5cd，试分别计算该板的光出射度M v、亮度L和光通量Φv。
18.一束光通量为620lm，波长为460nm的蓝光射在一个白色屏幕上，问屏幕上在1分钟内接受多少能量？19.一个25W的小灯泡离另一个100W的小灯泡1m，今以陆米－布洛洪光度计置于两者之间，为使光度计内漫射“白板”T的两表明有相等的光照度，问该漫射板T应放在何处？20.氦氖激光器发射出波长632nm的激光束3mW，此光束的光通量为多少？若激光束的发散半角1mrad，放电毛细管的直径为1mm，并且人眼只能观看1cd/cm的亮度，问所戴保护眼镜的透射比应为多少？21.在离发光强度为55cd的某光源2.2m处有一屏幕，假定屏幕的法线通过该光源，试求屏幕上的光照度。
第三章__光辐射探测器的理论基础
2N(2l+1)
例如，1ｓ、2ｓ能带，最多容纳 2N个电子。 2ｐ、3ｐ能带，最多容纳 6N个电子。
电子排布时，应从最低的能级排起。
有关能带被占据情况的几个名词：
1．满带（排满电子） 2．价带（能带中一部分能级排满电子）
1.电子的能量是分立的能级; 2.电子的运动有隧道效应。
原子的外层电子(高能级)， 势垒穿透概率 较大， 电子可以在整个晶体中运动, 称为 共有化电子。
原子的内层电子与原子核结合较紧,一般 不是 共有化电子。
1.电子的共有化运动
孤立原子 能量按照能级分布 晶体 壳层交叠
二. 能带 (energy band)
或价带顶之能级差。
③其它吸收，有激子吸收，自由载流子吸
收、晶格吸收等。
本征吸收和杂质吸收的能带
1、非平衡载流子的产生 热平衡状态，T定，载流子浓度一定。 热平衡状态下载流子浓度，称平衡载流子浓度。
np
Nc N
exp
Ec E KT
N
Nc
exp
Eg KT
对半导体施加外界作用(光, 电等)，迫使它处于与热平 衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。
亦称导带 3．空带（未排电子） 亦称导带 4．禁带（不能排电子）
导体 Eg
导体
导体
绝缘体 Eg
半导体 Eg
导体 在外电场的作用下，大量共有化电子很 易获得能量，集体定向流动形成电流。 E
从能级图上来看，是因为其共有化电子 很易从低能级跃迁到高能级上去。
绝缘体 在外电场的作用下，共有化电子很难接 受外电场的能量，所以形不成电流。
光电子技术概论
§1、问题的提出及概述
•什么是“光电子学”； •什么是“光电子技术”； •什么是“光电子技术基础”；
光电子技术
光通信
无线光通信
量子通信
宽带、高速、长距离（干线，点对点）
城域网
无线接入网
光传感
光纤传感
医疗诊断
生物信息
环境监测
安全监测
其它：光盘、存储、条形码、加工、武器……
波分复用光通信系统
Wavelength Division Multiplexing (WDM)Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA)
➢ 将电子学使用的电磁波频率提高到光频，产生电子 学所不可能产生的许多新功能。
➢
以前由电子方法实现的任务现在用光学方法来
完成 ——光电子学，研究光子与束缚电子的
相互作用，是光子学的第一个阶段。
➢ 激光器的发明(1960年)是20世纪的重大成就之一是 继原子能、半导体、计算机后的又一重大发明
➢ 计算机延伸了人的大脑 而激光延伸了人的五官 是探索大自然奥秘的超级“探针”
光电子技术
ELECTRONIC TECNOLOGY
本书主要内容
绪论 第1章 光电系统中的常用光源 第2章 光辐射的调制 第3章 光辐射探测器 第4章 光电成像器件 第5章 光存储器 第6章 平板显示器件
绪论
➢ §1、问题的提出及概述 ➢ §2、光电子学与光电子技术简介 ➢ §3、 光电子信息产业的重要性 ➢ §4 、光电子技术的应用 ➢ §5 、本课程的主要内容 ➢ §6 、本课程学习方法、要求
信号
λ1
发射机
光放大器
λ1
功放
预放
λn 复用器
光通信：光波频率~ 1016Hz, 允许高频调制，
光电探测器
种类
• • • • 真空管光电探测器（PMT等） 半导体光电探测器 热电探测器 多通道探测器、成像器件
1.真空管光电探测器
• 利用在真空中光阴极受光辐照后产生光电子发射效应
光电阴极材料 • 光吸收系数大 • 传输能量损失小 • 光电子逸出功低
探测器窗口 • 透过率大
G n
AE
1.2光电倍增管
主要指标：
4. 暗电流 • 主要来源于阴极和倍 增级的热电子发射 • 决定了光电倍增管可 探测的最小光功率 • 暗电流与管子的工作 温度以及所加电压有 关
1.2光电倍增管
主要指标：
5.噪声等效功率 • 与阳极暗电流相等 的阳极输出电流所 需要的光功率决定 了光电倍增管可探 测的最小光功率 • ～10-15—10-16瓦， • ～10-18—10-19瓦（冷 却后），单光子探 测水平
单位时间内流出探测器件的光电子数与入射光子数之比
如有一探测器的灵敏度为0.5 A/W,其量子效率 为多少(光波长为1um)？
光探测器－参数
2.噪声等效功率（NEP） • 信噪比: SNR 信号的峰值和噪声的有效值(√带宽)之比
• NEP
NEP P S / N 1/ Hz
单位为W/Hz1/2
R1
C
R2
Vs
fC
图2.3 探测器的频率响应
f
Vmax
1 = c
T
i t dt
0
光探测器－参数
响应光谱 频谱响应 噪声
光探测器－噪声
1. 热噪声(thermal noise 或称Johnson noise)
白噪声
热噪声均方振幅电压值：
光电探测器
一`光电探测器第一节 光辐射探测器的主要指标光信号的探测是光谱测量中的重要一环，在不同的场合和针对不同的目的所采用的探测器也不同，最重要的考虑是探测器的应用波长范围、探测灵敏度以及响应时间。
光探测器是将光辐射能转变为另一种便于测量的物理量的器件，它的门类繁多，一般来说可以按照在探测器上所产生的物理效应，分成光热探测器、光电探测器和光压探测器，光压探测器使用得很少。
本章将着重介绍光谱学测量中常用的探测器。
光热探测器是探测元件吸收光辐射后引起温度的变化，例如光能被固体晶格振动吸收引起固体的温度升高，因此对光能的测量可以转变为对温度变化的测量。
这种探测器的主要特点是：具有较宽的光波长响应范围，但时间响应较慢，测量灵敏度相对也低一些，经常用于光功率或光能量的测量。
光电探测器是将光辐射能转变为电流或电压信号进行测量，是最常使用的光信号探测器。
它的主要特点是：探测灵敏度高，时间响应快，可以对光辐射功率的瞬时变化进行测量，但它具有明显的光波长选择特性。
光电探测器又分内光电效应器件和外光电效应器件，内光电效应是通过光与探测器靶面固体材料的相互作用，引起材料内电子运动状态的变化，进而引起材料电学性质的变化。
例如半导体材料吸收光辐射产生光生载流子，引起半导体的电导率发生变化，这种现象称为光电导效应，所对应的器件称为光导器件；又如半导体PN 结在光辐照下，产生光生电动势，称为光生伏特效应，利用这种效应制成的器件称为光伏效应器件。
外光电效应器件是依据爱因斯坦的光电效应定律，探测器材料吸收辐射光能使材料内的束縛电子克服逸出功成为自由电子发射出来。
P k E h E -=ν ---------------------------------- (2.1-1)上式中 νh 是入射光子的能量，E p 是探测器材料的功函数，即光电子的逸出功，E k 是光电子离开探测器表面的动能。
这种探测器有一个截止频率和截止波长C ν和C λ： hp E c =ν , ()()nm eV E E hC p p C 1240==λ --------(2.1-2)频率低于C ν 或波长长于C λ 的光波不能被探测到，因为这样的光子能量不足以使电子克服材料的逸出功。
核辐射探测第三章 闪烁探测器
3、PMT 使用中的几个问题
1) 光屏蔽，严禁加高压时曝光。
2) 高压极性：正高压和负高压供电方式。
正高压供电方式，缺点是脉冲输出要用耐高压 的电容耦合，耐高压电容体积大，因而分布电 容大。高压纹波也容易进入测量电路。
负高压供电方式，阳极是地电位，耦合方式简 单，尤其在电流工作方式。但其阴极处于很高 地负电位，需要注意阴极对处于地电位的光屏 蔽外壳之间的绝缘。
纯晶体 Bi4Ge3O12 BGO
2) 有机闪烁体：有机晶体——蒽晶体等； 有机液体闪烁体及塑料闪烁体.
3) 气体闪烁体：Ar、Xe等。
2、闪烁体的发光机制
1) 无机闪烁体的发光机制
激活剂
重点分析掺杂的无机晶体，以NaI(Tl)， CsI(Tl),CsI(Na)属于离子晶体等为最典 型，又称卤素碱金属晶体。
t
te
IV.闪烁探测器的电压脉冲信号
由等效电路
可得：
ItVR(0t)C0
dV(t) dt
Vt
et/R0C0
t
Itet/R0C0dt
C0 0
代入：I(t)nphTMeet/
令： QnphTMe
V (t)Q R 0C 0 e e t/R 0C 0 t/
C 0 (R 0C 0)
1、当 R0C0 时 V(t)QE
在很多情况下，与相比， pt 是一个非常窄的
时间函数，这时可以忽略电子飞行时间的涨落，
用函数来近似 pt
即：可设 p t M e t te
则：I(t)n ph Tte t tM e (tte)d t 0
求 解
0
It nphTMee(tte)/
I t
nphT Me
e(tte )/
北京理工大学三度学总复习
任课老师：金伟其、王霞 办公地点：6号教学楼402、405 电话：68912569-801、802 又想：
第三章 光辐射探测器
知识点：
常见光辐射探测器的分类（熟悉）； 熟悉光电探测器（外光电效应、光伏效应、光电导效应） 和热探测器基本原理； 光辐射探测器的性能参数（响应度、主要噪声源、噪声 等效功率）
振对测量影响的方法、测量系统偏振
响应的测量方法。
测量系统的偏振响应
第八章 光度量的测量
发光强度的测量 熟悉在光度导轨上测量发光强度的原 理与方法；了解待测光源与标准光源 色温相差较大时，减小测量误差的两 种方法。
光通量的测量
照度的测量 亮度的测量
了解用偏光光度计测量发光强度的测
第六章 辐射测量的基本仪器
光度导轨 掌握单色仪的作用、 棱镜单色仪和光 栅单色仪的原理及主要性能指标， 了解使用单色仪中的几个问题。
积分球
单色仪 分光光度计和
了解分光光度计和光谱辐射计的基本 原理和用途。 掌握傅立叶变换光谱辐射计的基本原 理和主要优点。
光谱辐射计
光谱傅立叶变换光谱 辐射计
光通量的测量
第八章 光度量的测量
发光强度的测量 熟悉照度计的基本结构、可靠测量需 要满足的条件（光谱修正、探测器余 弦校正、线性度、定期标定、环境适 应性）。
光通量的测量
照度的测量 亮度的测量
了解目视法测量亮度的基本原理；掌
握经测量照度和亮度计进行亮度测量 的基本原理；了解亮度计的标定方法。
第七章 光辐射测量系统的性能及其测量
理想光辐射测量系统应当具有的性能； 熟悉响应度的几种标定方法； 测量系统的响应度 理解光谱泄露的概念、带宽归一化的 概念及方法；了解光谱泄露的主要原 测量系统的视场响应 测量系统的线性响应 因及检查方法。 理解系统的视场响应、相对视场响应、 系统半视场角、等效视场角的概念； 了解测量系统视场角的方法、影响测 量精度的因素及消减方法；
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③二次电子发射材料
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： ①基本特性
υ A ＞υ
υ
K
D4＞υ D3＞υ D2＞υ D1＞
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②结构示意图
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③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 A。
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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
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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
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4、使用光电倍增管时的注意事项
I KI f / f
2 f a
I KI f / f
2 f 2
(3-12)
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2 I2 N Ik k 1
K
（5）温度噪声
由热探测器和背景之间的能量交换 所造成的探测器自身的温度起伏， 称为温度噪声。 （3-13）
I I
2 N k 1
K
2 k
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注意 积分响应度不仅与探测器的光 谱响应度有关，也与入射辐射 的光谱特性有关，因而，说明 积分响应度时通常要求指出测 量所用的光源特性。
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（ )） ( ) (
hv hc
光电探测器响应度可简单地推导如下 由普朗克量子理论可知，单个光子的入射能量为 hv，则单位时间内入射到探测器表面的光子数为
（3） 探测器的光谱响应范围，响应速度，线性动态范围等。
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3.1.1 响应度
定义：单位辐射度量产生的电信号量，记作R， 电信号可以是电流，称为电流响应度；也可以 是电压，称为电压响应度。
（1）
对辐射通量的 电流响应度 对辐照度的 电流响应度 对辐亮度的 电流响应度
R I / , ( A / W )
1.24 / Eg
1.24 /( Eg EA )
对于光电探测器，最大响应波长为（3-6）
max {
1.24 / Eg
1.24 /( Eg EA
内光电效应 ) 外光电效应
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3.1.2 噪声及其评价参数
1 噪声
2 噪声等效 功率NEP
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1、噪声 在系统中任何虚假的或不需要的信号 统称为噪声。 研究噪声的目的是探讨系统探测信息 的极限以及在系统设计中如何抑制噪 声以提高探测本领。
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探测器的分类
主观探测器 人眼
客观探测器
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随着光学和光电技术的展以及对光辐射探 测与精确定量、高灵敏度测量的需要，光 辐射探测器的品种和数量发展，可对光辐 射客观物理量进行精确的定量测量
光谱响应范围宽 响应速度快 响应度高
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这些优点使光 辐射量的探测 和测量能力大 大地提高
f下的热电子发射
Il—漏电流(为主),阴极间的非无穷大电阻产 生无光照射时产生微小的电流输出 光电管的最小可测功率由暗电流决定(漏电 流)
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④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
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5.光电管的种类 ①真空管:响应时间(约10-8至10-9s)Ι 的线性好,响应度S较低
2
（1）散粒噪声
由于光子流以间断入射的形式投射到探测器表面， 以及探测器内部光子转换成电子动能而产生的电 子流具有统计涨落的特征，形成散粒噪声。 假设入射光子服从Poisson概率密度分布(3-8）
In 2q I p f
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2
在实验室进行光辐射测量时，可用一 固定频率对信号进行调制。这样，系 统的工作频带宽度可减少。 锁频技术可使系统工作在一个很窄的 通频带范围内，有利于减少系统噪声。 增加信号的积分时间，缩小测量系统 的频带，也可以减少散粒噪声。
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（2）产生-复合（G-R）噪声 光导型探测器的G-R噪声是由于半导体 内的载流子在产生和复合过程中，自由 电子和空穴数随机起伏所形成的，也属 于白噪声，相当于光伏型中单向导电PN结内的散粒噪声。(3-9)
I
2 GR
4q I p f 4q G i E p Ad f
广义地讲，只要能提示光辐射存在，并可确 定其大小都应包含的光辐射探测器的范畴内。 光电探测器利用光电效应，把入射到物体表 面的辐射能变换成可测量的电量：
（1） （2） （3）
外光电效应
基于外光电效应 的光电探测器有 真空光电管、充 电光电管、光电 倍增管、像增强 器等。
光伏效应
基于这类效应的 探测器有以硒、 硅、锗、砷化镓 等材料做成的光 电池、光电二极 管、光电三极管 等。
光电导效应
这类光电探测器 有各种半导体材 料制成的光敏电 阻等。
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热探测器利用热电效能
探测器接收 光辐射能
引起物体自 身温度升高
温度的变化使探测 器的电阻值发生变 化，或表面电荷发 生变化，或产生电 动势等
通过这些探测 器参量的变化
反映入射 光辐射量
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光辐射探测器 光电探测器 外光电效应 热探测器 内光电响应 无放大作用 真空光电管 充气光电管 有放大作用 光电倍增管 充气光电管 有放大作用 光电三极管 光电场效应管 光电开关管 光电雪崩二级管 光导型 本征光导探测器 光敏电阻 光导探测器
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④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=σ
b)灵敏度（响应度）
n
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=SA=Skσ
其中Sk为光阴极响应度
n
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c)光电特性曲线（如图）厦门理工Leabharlann 院2 2厦门理工学院
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（3）热噪声或Johnson噪声 热噪声由电阻材料中离散的载流子（主 要是电子）的热运动造成。 热噪声电流的均方值为：(3-10)
I 4kTf / R
2 T
使探测器制冷或者探测器及前置放大器 一起制冷，可以减少热噪声电流。
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（4）1/f 噪声 一般认为，它与半导体的接触、表面、 内部存在的势垒有关，所以有时叫做 “接触噪声”，其值随信号调制频率的 增加而减少 (3-11)
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2 SNR I s / I N
只有信号足够强，才能与噪声电流区 别开。 信噪比，作为表征探测系统探测能力 和精度的一个十分重要的指标，记作 SNR (3-14)
SNR I s / I
2 N
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2. 噪声等效功率NEP
噪声等效功率是探测器产生与其噪声均 方根电压相等的信号所需入射到探测器 的辐射功率 (3-15)
1 2 hv mv E0 2
E0—金属的逸出功
3.光阴极的量子效率: 光阴极发射的光电平均数
入射到光电阴极上光子数
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4.光电管的基本特征 ①积分响应度:
饱和光电流IP S 入射到光阴极上的通量
②响应时间约10-8S(快速变化的脉冲光)
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③暗电流 ID=Ir+Il Ir—热电流,光阴极在Ι
P与φ
②充气管(管内充Ar):响应时间长Ι P与φ 的 线性范围短,响应度高达150μ A/lm
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光电倍增管： 1.二次电子发射:电子将能量转换给发射表 面,因电子束射到材料上而引起材料表面 的电子发射 ①二次电子发射的现象—低噪声、反应时 间快
二次电子发射数 ②二次发射系数： >1 入射电子数
( ) ( ) hv hc
探测器的量子效率为（3-3）
（）
输出信号电子数 探测器接收的光子数
=
[1 - （） ] （ i ）
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Q( ) [1 ( )]i ( )
( ) hc
单位时间内探测器的输出信号电子数为（3-4）
光辐射测量原理与技术
第三章 光辐射探测器
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本章内容
3.1 光辐射探测器的性能参数
3.2
光电探测器
3.3
热探测器
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光辐射量的测量通常采用各种探测 器把光辐射能变换成一种可测的量， 因而光辐射探测器是光辐射量测量 系统中的关键组成部分，其性能往 往直接影响到光辐射度量测量的可 行性及精确性
( ) Q( ) [1 ( )]i ( ) hc
探测器的辐射通量光谱电流响应度为（3-5）
I ( ) ( ) q ( ) R ( ) ( A /W ) ( ) hc 1239 .8
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max {
I NEP (W ) SNR R