常見光譜分析儀用探測器及光電探測器分類簡介

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2018-06-01

　　光探測器按照工作原理和結(jié)構(gòu)，通常分為光電探測器和熱電探測器，其中光電探測器包括真空光電器件(光電倍增管等)和固體光電探測器(光電二極管、光導(dǎo)探測器、CCD等)。

　　● 光電倍增管(PHOTOMULTIPLIER TUBES，PMT)

　　光電倍增管(PMT)是一種具有極高靈敏度的光探測器件，同時(shí)還有快速響應(yīng)、低噪聲、大面積陰極(光敏面)等特點(diǎn)。

　　典型的光電倍增管，在其真空管中，包括光電發(fā)射陰極(光陰極)和聚焦電極、電子倍增極和電子收集極(陽極)的器件。當(dāng)光照射光陰極，光陰極向真空中激發(fā)出光電子。這些光電子按聚焦極電場進(jìn)入倍增系統(tǒng)，通過進(jìn)一步的二次發(fā)射得到倍增放大;放大后的電子被陽極收集作為信號(hào)輸出(模擬信號(hào)輸出)。因?yàn)椴捎昧硕伟l(fā)射倍增系統(tǒng)，光電倍增管在可以探測到紫外、可見和近紅外區(qū)的輻射能量的光電探測器件中具有極高的靈敏度和極低的噪聲。

　　從接受入射光方式上來分，光電倍增管有側(cè)窗型(Side-on)和端窗型(Head-on)兩種結(jié)構(gòu)。

　　側(cè)窗型的光電倍增管，從玻璃殼的側(cè)面接收入射光，而端窗型光電倍增管是從玻璃殼的頂部接收入射光。通常情況下，側(cè)窗型光電倍增管價(jià)格較便宜，并在分光光度計(jì)和通常的光度測定方面有廣泛的使用。大部分的側(cè)窗型光電倍增管使用了不透明光陰極(反射式光陰極)和環(huán)形聚焦型電子倍增極結(jié)構(gòu)，這使其在較低的工作電壓下具有較高的靈敏度。

　　端窗型(也稱作頂窗型)光電倍增管在其入射窗的內(nèi)表面上沉積了半透明光陰極(透過式光陰極)，使其具有優(yōu)于側(cè)窗型的均勻性。端窗型光電倍增管的特點(diǎn)還包括它擁有從更大面積的光敏面(幾十平方毫米到幾百平方厘米的光陰極)。端窗型光電倍增管中還有針對高能物理實(shí)驗(yàn)用的，可以廣角度捕集入射光的大尺寸半球形光窗的光電倍增管。

　　由于外加電壓的變化會(huì)引起光電倍增管增益的變化，對輸出的影響很大，因此對供給光電倍增管的工作電源電壓要求較高，必須有極好的穩(wěn)定性。

　　同時(shí)需要注意的是，由于光電倍增管增益很大，一般情況不允許加高壓時(shí)暴露在日光下測量可見光，以免造成損壞，作為光探測器使用時(shí)，需要將光電倍增管進(jìn)行密封。

　　另外，光電倍增管受溫度影響很大，降低光電倍增管的使用環(huán)境溫度可以減少熱電子發(fā)射，從而降低暗電流。特別是在使用長波(近紅外波段，俗稱紅敏)光電倍增管時(shí)，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制光電倍增管的環(huán)境溫度。此外，大多數(shù)的光電倍增管會(huì)受到磁場的影響。磁場會(huì)使電子脫離預(yù)定軌道而造成增益的減少。因而影響到光電倍增管的工作效率。因此，光電倍增管的封裝要特別注意進(jìn)行電磁屏蔽。

　　● 光電二極管(Photodiode)

　　光電二極管的工作原理主要基于光生伏特效應(yīng)。

　　光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料吸收光能后，在PN結(jié)上產(chǎn)生電動(dòng)勢的效應(yīng)。

　　● 光電導(dǎo)探測器(Photoconductive Detector)

　　光電導(dǎo)探測器是利用半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種光探測器件。

　　所謂光電導(dǎo)效應(yīng)，是指由輻射引起被照射材料電導(dǎo)率改變的一種物理現(xiàn)象。

　　通常，凡禁帶寬度合適的半導(dǎo)體材料都具有光電效應(yīng)。但是制造實(shí)用性器件還要考慮性能、工藝、價(jià)格等因素。常用的光電導(dǎo)探測器材料在射線和可見光波段有：CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge等;在近紅外波段有：PbS、PbSe、InSb、Hg0.75Cd0.25Te等;在長于8μm波段有:Hg1-xCdxTe、PbxSn1-x、Te、Si摻雜、Ge摻雜等;CdS、CdSe、PbS等材料可以由多晶薄膜形式制成光電導(dǎo)探測器。

　　可見光波段的光電導(dǎo)探測器極少用于光譜探測，通常稱為光敏電阻。

　　紅外波段的光電導(dǎo)探測器 PbS、Hg1-xCdxTe 的常用響應(yīng)波段在1～3μm、3～5μm、8～14μm三個(gè)大氣透過窗口。由于它們的禁帶寬度很窄，因此在室溫下，熱激發(fā)足以使導(dǎo)帶中有大量的自由載流子，這就大大降低了對輻射的靈敏度。響應(yīng)波長越長的光，電導(dǎo)體這種情況越顯著，其中1～3μm波段的探測器可以在室溫工作(靈敏度略有下降)。3～5μm波段的探測器分三種情況：1、‘在室溫下工作，但靈敏度大大下降，探測度一般只有1～7×108cm·Hz/W;2、熱電致冷溫度下工作(約-60℃)，探測度約為109cm·Hz/W;3、77K或更低溫度下工作,探測度可達(dá)1010cm·Hz/W以上。8～14μm波段的探測器必須在低溫下工作，因此光電導(dǎo)器件通常需要在制冷條件下使用。

　　紅外探測器的時(shí)間常數(shù)。PbS探測器時(shí)間常數(shù)一般為50～500μs，HgCdTe探測器的時(shí)間常數(shù)在10-6～10-8s量級(jí)。紅外探測器有時(shí)要探測非常微弱的輻射信號(hào)，例如10-14W;輸出的電信號(hào)也非常小，因此要有專門的前置放大器。

　　● 熱釋電探測器(Pyroelectric Detector)

　　熱釋電型紅外探測器是由具有極化現(xiàn)象的熱釋電晶體(鐵電體)制作而成的。其所探測的輻射必須是變化的;對于恒定的紅外輻射，必須進(jìn)行調(diào)制(斬光)，使恒定輻射變成交變輻射，借以不斷引起探測器的溫度變化才能導(dǎo)致熱釋電產(chǎn)生，并輸出相應(yīng)的電信號(hào)。

　　熱釋電探測器與之前的光電器件相比具有如下特點(diǎn)：1、無選擇性：響應(yīng)率與波長無關(guān);2、響應(yīng)慢。

　　● 光探測器的主要性能參數(shù)

　　◆ 光譜響應(yīng)度

　　光譜響應(yīng)度是指某一波長下探測器輸出的電壓或電流與入射光功率之比。

　　光譜響應(yīng)度隨波長的變化關(guān)系曲線即是探測器的光譜響應(yīng)曲線(絕對響應(yīng)曲線)。

　　若將光譜響應(yīng)曲線的最大值做歸一化處理，則得到相對光譜響應(yīng)曲線。

　　◆ 等效噪聲功率(NEP)

　　等效噪聲功率是信噪比為1時(shí)探測器能探測到的最小輻射功率，即最小可探測功率。

　　◆ 探測率(D)/比探測率(D*)

　　探測率D是NEP的倒數(shù)，D越大，表明探測器的探測性能越好。

　　比探測率D*即是歸一化的探測率，也叫探測靈敏度。其單位為：cm·Hz1/2·W-1.

　　◆ 時(shí)間常數(shù)