第3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
大学辐射探测器课程设计
大学辐射探测器课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握大学辐射探测器的基本原理和构成，了解不同类型的辐射探测器及其适用场合。
2. 使学生理解辐射探测器在核辐射测量中的应用，掌握相关的物理概念和数学表达式。
3. 帮助学生了解辐射探测器在环境保护、核安全以及医疗卫生等领域的实际应用。
技能目标：1. 培养学生能够运用所学知识分析和解决实际辐射探测问题的能力。
2. 提高学生实际操作辐射探测器的技能，包括设备的调试、使用和维护。
3. 培养学生运用相关软件进行辐射数据处理和分析的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对核辐射探测领域的兴趣和求知欲，激发他们主动探索科学问题的热情。
2. 增强学生的团队合作意识，培养他们在学术探讨中尊重事实、严谨治学的态度。
3. 强化学生的安全意识，让他们认识到核辐射探测在保护人类健康和环境安全方面的重要性。
课程性质：本课程为专业核心课程，以理论教学与实践操作相结合的方式进行。
学生特点：大学高年级学生，具备一定的物理学和数学基础，具有较强的逻辑思维能力和动手操作能力。
教学要求：注重理论与实践相结合，强化学生的实际操作技能，培养他们在核辐射探测领域的专业素养。
通过本课程的学习，使学生能够达到上述课程目标，为后续相关领域的研究和工作打下坚实基础。
二、教学内容1. 辐射探测器原理：包括核辐射基本概念、探测器的工作原理、射线与物质的相互作用。
- 教材章节：第一章 核辐射探测器基础- 内容：放射性衰变、射线分类、探测器响应原理、光电效应、康普顿散射等。
2. 辐射探测器类型：介绍各种类型的辐射探测器及其特点、应用。
- 教材章节：第二章 不同类型的辐射探测器- 内容：气体探测器、闪烁探测器、半导体探测器、热电离探测器等。
3. 辐射探测器的应用：讲解辐射探测器在各个领域的应用，如环境保护、核安全、医疗卫生等。
- 教材章节：第三章 辐射探测器的应用- 内容：环境辐射监测、核事故应急响应、放射性物质检测、核医学成像等。
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。
光学辐射探测
光学辐射探测的应用——基于红外成像的生命探测仪1光学辐射探测简介光学辐射是波长10nm～1mm之间的电磁辐射，包括紫外光、红外光以及可见光，可见光波长380～780nm，由于光波是电磁波的一种，因而它具有电磁波的基本特性。
以电磁波形式或粒子（光子）形式传播的能量，可以用平面镜、透镜或棱镜之类的光学元件反射、成像或色散，这种能量传播的过程称为辐射。
辐射度学：是一门测量电磁辐射的科学和技术。
在整个电磁辐射波谱范围内，不同波段的辐射能可以用不同的测量方法进行测量[1]。
光辐射探测器是一种用来探测光辐射的器件（军用光学中最常用的是可见光和红外辐射），它通过把光辐射转换成易于测量的电量来实现对光辐射的探测，是光探测系统的重要组成部分。
为了深入研究光辐射的探测过程以及对光探测系统的性能进行正确的分析计算，首先要了解光辐射探测器赖以工作的物理效应、光电转换的基本规律和光辐射探测器的特性参数。
从不同的角度出发可以将光辐射探测器分为不同的类型。
按其是否成像可以分为成像型和非成像型辐射探测器，按工作方式可以分为相干探测和非相干探测，按其反应机理可以分为光子探测器和热探测器，按其结构可分为单元和多元探测器，下面就部分类型进行介绍：热探测器是基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的器件。
这是一类研究最早并且较早得到实际应用的探测器。
由于其中的相当多探测器不需制冷，以及在全部波长上具有平坦响应两大特点，一直有广泛的应用。
而另外由于其在红外热辐射领域具有较好的大气传输特性，因此，红外热辐射的探测近年已经成为军事及民用发展的重要方向。
2红外热成像技术红外热成像技术最早在军事领域得到广泛应用，并且已经成为军事应用中具有重要战略地位的高新技术手段。
除此之外，红外成像技术还应用于各个方面，比如：应用于卫星的侦查、遥感和预警，对国家安全和经济利益有重大的影响；应用于战场系统中，避免电磁干扰，获取战场信息优势，成为获得胜利的主要技术；服务于飞机、舰艇、车辆的夜间导航与侦查，现代装备大部分装有红外仪器；应用于导弹的精确制导方面，成为重要反坦克导弹和肩射地空导弹发射的热瞄具；广泛应用于海上巡逻与救援、编队航行等方面。
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：
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 )/
第三章 核医学常用仪器
常用核医学仪器
1、γ闪烁探测器 2、γ照相机 3、单光子发射断层扫描仪 4、正电子发射断层扫描仪
5、甲状腺功能测定仪、肾图仪
（上尿路通否？）
Γ闪烁探测器
γ照相机结构----静态动态显像
准值器collimator
NaI（TlI）crystal
探头 光导
photomultiplier tube matrix
(二)后续电子学线路
1.前置放大器 2.主放大器 3.脉冲高度分析器(甄别器) 4.定标器数据处理和定时系统等 5、计算机输出系统
液体闪烁探测器 （liduid scintillation detector）
探测效率（E） 经测量得到的放射源的计数率（cps）与 该放射源在单位时间内的衰变数（dps） 的比值
电脑屏幕
单光子发射断层扫描仪
探头
显示屏
床
单光子发射断层扫描仪（γ光子）
探头（多个探头多角度采集信号提高 灵敏度、空间分辨率） 机架、计算机 光学照相、检查床 图象重建系统
SPECT与X-CT的比较
仪器种类 射线性质 SPECT（属于发射型CT） γ射线，光子流 X-CT透射 X射线，光子流
入射方式
符合线路
飞行时间测量装置
计算机数据处理
图象显示 断层床
PET显像原理
11C13N15O18F
引入体内
β+
ANIHHILATION
方向相反γ 光子
空间位置信
号能量信号
多角度核素 分布投影
不同角度分组
互成180。探头
计算机重建 多断面影像
功能代谢影像 各种生理参数
分子显像
PET优点（与SPECT相比）
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G为器件的热导
总结： 光探测器的噪声 1．热噪声(Johnson噪声) 2. 散粒噪声 3．产生－复合噪声 4．1/f 噪声 5．温度噪声 实际的光电探测器所含的噪声种类及大 小，后面各章结合器件介绍。
§3-4 探测器的主要特性参数
主要特性参数：
1．光电特性 2. 量子效率 3. 灵敏度与光谱特性 4．等效噪声功率和比探测率 5．响应时间与频率特性
§3-3 探测器中的噪声
噪声的基本概念 噪声的表示方法 探测器噪声分类
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§3-3 探测器中的噪声
噪声的基本概念
信号平均值处有随机起伏－－含有噪声 例如： 放音机的噪声 激光器的噪声
噪声影响信号（特别是弱信号）的测量和处理
2 nr
Δf
为测量的频带宽度
热噪声： 白噪声
§3-3 探测器中的噪声
2. 散粒噪声（Shot噪声） 光电探测器的散粒噪声是由于探测器在光辐射作 用或热激发下引起光电子或载流子的随机起伏
i = 2qIΔf
2 ns
I为器件输出平均电流 散粒噪声：白噪声
§3-3 探测器中的噪声
3．产生－复合噪声 －－又称为g－r噪声 （Generation Recombination） 半导体器件中由于载流子的产生与复合而 引起的平均载流子浓度的随机起伏。 不完全是白噪声 gr噪声是光电导探测器的主要噪声来源。
Φmin
§3-4 探测器的主要特性参数
4．等效噪声功率和探测率
辐射通量 信号电流 噪声电流
Φmin
NEP = Φmin
I=
2 in
当探测器输出的信号电流I (或电压U)等于探测器 本身的噪声电流(或电压)均方根值时，入射到探 测器上的信号辐射通量称为等效噪声功率（简称 NEP）又称为最小可探测功率
§3-4 探测器的主要特性参数
1．光电特性
光电特性是指电学参量与光辐射参量之间的函 数关系。
例如：I=f（Ф） I=f（E） 例1：P107 光敏电阻的 光电特性 线性度-重要性
§3-4 探测器的主要特性参数 Nhomakorabea2、量子效率：
每秒产生的平均光电子 数 η (λ ) = 每秒入射波长为 λ 的光子数
探测器类型 光电导探测器（本征）
§3-3 探测器中的噪声
4．1/f 噪声 1/f 噪声通常又称为电流噪声 －－也称为闪烁噪声或过剩噪声
cI i = β Δf f
2 nf
α
机理目前尚不清楚
低频区： 1kHz以下
§3-3 探测器中的噪声
5．温度噪声 热探测器中由于器件本身吸收和传导等的 热交换引起的温度起伏
ΔW = G t = 4GkT Δf
噪声影响信号（特别是弱信号）的测量和处理
§3-3 探测器中的噪声
探测器的噪声
1．热噪声(Johnson噪声) 2. 散粒噪声 3．产生－复合噪声 4．1/f 噪声 5．温度噪声
§3-3 探测器中的噪声
1．热噪声(Johnson噪声)
热噪声是由于载流子的热运动而引起电流或电压 的随机起伏。
4 kT Δ f 2 i = ,u nr = 4 kT Δ fR R
（时域）
上限截止频率 或3dB带宽 （频域）
f HC =
1 2πτ
本章小结：（要点，课后自行总结）
1. 光学谱区： 0.01～1000μm 可见光谱区： 0.38～0.78μm 光辐射量度 －－辐射度量（电磁波谱） －－光度量（可见光谱区） 2. 半导体基础：导带Ec、价带Ev及二者之间的禁带Eg 本征半导体、P型半导体和N型半导体 费米能级Ef描述载流子的分布 本征吸收和杂质吸收；载流子寿命τ 3. 光电效应：光电导效应、光伏效应和光电子发射效应·······。 光子探测器，光电转换规律 4. 光探测器噪声：散粒噪声、热噪声、产生－复合噪声、 电流噪声（1/f噪声） 、温度噪声、 5. 光探测器特性参数：光电特性、灵敏度、噪声等效功率、响应时间
§3-4 探测器的主要特性参数
3. 灵敏度与光谱特性
光谱灵敏度 ：
U (λ ) SU (λ ) = Φ (λ )
S
I (λ ) S I (λ ) = Φ (λ )
例1：人眼 光谱灵敏度
例2：硅光电器件 光谱灵敏度
§3-4 探测器的主要特性参数
3. 灵敏度与光谱特性
光谱灵敏度 ：
I (λ ) S I (λ ) = Φ (λ )
§3-4 探测器的主要特性参数
4．等效噪声功率和探测率
NEP = Φmin
2 I = in
探测能力：探测器灵敏度 探测器噪声水平
方便测量
NEP =
5Φmin 5I / i
2 n
NEP =
2 in SI
§3-4 探测器的主要特性参数
4．等效噪声功率和探测率
SI 1 = ( W -1 ) D= 愈大愈好－－习惯 2 NEP in
I (λ ) / q η (λ ) = Φ ( λ ) / hν
§3-4 探测器的主要特性参数
3. 灵敏度与光谱特性
灵敏度是表征探测器将入射光信号转换成电信 号能力的特性参数，又称为响应率。
U SU = Φ
I SI = Φ
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3. 灵敏度与光谱特性
灵敏度与量子效率
I ( λ ) qη q η S I (λ ) = = = λ Φ (λ ) hv hc
SI ( λ )
峰值波长λp 截止波长λ0
SImax
50％SImax
λ p λ0
光子探测器光谱特性曲线
λ
§3-4 探测器的主要特性参数
4．等效噪声功率和探测率
辐射通量 信号电流 噪声电流
用单色光测量； 一般为曲线 例：P71 图4－11 用标准光源测量； 一般为具体数据
积分灵敏度：
SI
∫ S=
∞ 0
I = Φ
∫
∞
Φ (λ ) S (λ )dλ
0
Φ (λ )dλ
§3-4 探测器的主要特性参数
3. 灵敏度与光谱特性 光谱特性（曲线）
光谱响应 范围
峰值波长λp
截止波长λ0
§3-4 探测器的主要特性参数
η（％）
～60
光电导探测器（非本征） ～30 ～60 光伏探测器 ～10 光电子发射探测器
η < 100％
－－原因：反射、透射、散射等
2、量子效率： • 量子效率：在某一特定波长上，每秒钟内 产生的光电子数与入射光量子数之比。 • 对理想的探测器，入射一个光量子发射一 个电子， η=1 • 实际上， η <1 • 量子效率是一个微观参数，量子效率愈高 愈好。
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§3-3 探测器中的噪声
噪声的表示方法
用均方噪声
2 in
2 i n总
2 un
=
2 i n1
多个噪声源 （互不相关）
+
2 in2
+ ⋅⋅⋅ +
2 i nk
噪声功率谱
§3-3 探测器中的噪声
光电探测系统噪声：
D =
*
Ad Δf D =
Ad Δf = D
SI i /( Ad Δf )
2 n
cm ⋅ Hz /W
1/2
用单位带宽和单位面积的噪声电流来衡量探 测器的探测能力
§3-4 探测器的主要特性参数
5. 响应时间与频率特性
矩形光脉冲，响应出 现上升沿和下降沿 正弦型调制光，响应率 随频率升高而降低
τ－探测器响应时间