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探测器第一章探测器第一章 概述概述第1页，本讲稿共14页（3 3）工作温度）工作温度）工作温度）工作温度 许多探测器的性能与它的工作温度有密切的关系，在给出探许多探测器的性能与它的工作温度有密切的关系，在给出探许多探测器的性能与它的工作温度有密切的关系，在给出探许多探测器的性能与它的工作温度有密切的关系，在给出探测器的性能参数时需给出探测器的工作温度。测器的性能参数时需给出探测器的工作温度。测器的性能参数时需给出探测器的工作温度。测器的性能参数时需给出探测器的工作温度。较重要的几个工作温度：室温（较重要的几个工作温度：室温（较重要的几个工作温度：室温（较重要的几个工作温度：室温（295K295K或或或或300K300K）、干冰温度（）、干冰温度（）、干冰温度（）、干冰温度（194.6K194.6K）、液氮沸点（）、液氮沸点（）、液氮沸点（）、液氮沸点（77.3K77.3K）、液氦沸点（）、液氦沸点（）、液氦沸点（）、液氦沸点（4.2K4.2K）。）。）。）。（4 4）光敏面积和形状）光敏面积和形状）光敏面积和形状）光敏面积和形状 探测器的性能与探测器面积的大小和形状有关。因此，给出探测器的性探测器的性能与探测器面积的大小和形状有关。因此，给出探测器的性探测器的性能与探测器面积的大小和形状有关。因此，给出探测器的性探测器的性能与探测器面积的大小和形状有关。因此，给出探测器的性能参数时应给出它的面积。能参数时应给出它的面积。能参数时应给出它的面积。能参数时应给出它的面积。（5 5）探测器的偏置条件）探测器的偏置条件）探测器的偏置条件）探测器的偏置条件 探测器的性能与偏置条件有关，所以在给出探测器的性能参探测器的性能与偏置条件有关，所以在给出探测器的性能参探测器的性能与偏置条件有关，所以在给出探测器的性能参探测器的性能与偏置条件有关，所以在给出探测器的性能参数时应给出偏置条件。数时应给出偏置条件。数时应给出偏置条件。数时应给出偏置条件。（6 6）特殊工作条件）特殊工作条件）特殊工作条件）特殊工作条件第2页，本讲稿共14页1.3.2 1.3.2 主要性能参数（性能指标）主要性能参数（性能指标）主要性能参数（性能指标）主要性能参数（性能指标）性能指标可分为实际指标、参考指标。性能指标可分为实际指标、参考指标。性能指标可分为实际指标、参考指标。性能指标可分为实际指标、参考指标。实际指标：指对每个实际探测器直接测量出来的指标。实际指标：指对每个实际探测器直接测量出来的指标。实际指标：指对每个实际探测器直接测量出来的指标。实际指标：指对每个实际探测器直接测量出来的指标。参考指标：对某类探测器折合到标准条件时的指标值。参考指标：对某类探测器折合到标准条件时的指标值。参考指标：对某类探测器折合到标准条件时的指标值。参考指标：对某类探测器折合到标准条件时的指标值。（1 1）响应率（响应度）响应率（响应度）响应率（响应度）响应率（响应度）R R 响应率响应率响应率响应率R R是探测器输出信号是探测器输出信号是探测器输出信号是探测器输出信号S S与探测器的输入量与探测器的输入量与探测器的输入量与探测器的输入量X X之比，即之比，即之比，即之比，即 响应率表征探测器对辐射响应的灵敏度，是探测器的一个重要的性响应率表征探测器对辐射响应的灵敏度，是探测器的一个重要的性响应率表征探测器对辐射响应的灵敏度，是探测器的一个重要的性响应率表征探测器对辐射响应的灵敏度，是探测器的一个重要的性能参数。能参数。能参数。能参数。（a a）根据输入量的不同，定义不同的响应率（通量响应率、辐照度响）根据输入量的不同，定义不同的响应率（通量响应率、辐照度响）根据输入量的不同，定义不同的响应率（通量响应率、辐照度响）根据输入量的不同，定义不同的响应率（通量响应率、辐照度响应率）。应率）。应率）。应率）。第3页，本讲稿共14页（b b）电压响应率（）电压响应率（）电压响应率（）电压响应率（R Rv v，V/WV/W）和电流响应率（）和电流响应率（）和电流响应率（）和电流响应率（R Ri i，I/WI/W）。）。）。）。（c c）直流响应率（）直流响应率（）直流响应率（）直流响应率（R R0 0）和交流响应率（）和交流响应率（）和交流响应率（）和交流响应率（R R(f f)）。）。）。）。R R0 0 ：入射辐射是恒定的，探测器的输出信号也是恒定的。：入射辐射是恒定的，探测器的输出信号也是恒定的。：入射辐射是恒定的，探测器的输出信号也是恒定的。：入射辐射是恒定的，探测器的输出信号也是恒定的。R R(f f)：若入射辐射是交变辐照，探测器的输出信号也是交变的。：若入射辐射是交变辐照，探测器的输出信号也是交变的。：若入射辐射是交变辐照，探测器的输出信号也是交变的。：若入射辐射是交变辐照，探测器的输出信号也是交变的。（d d）黑体响应率（）黑体响应率（）黑体响应率（）黑体响应率（R R(T,fT,f)）和单色响应率（）和单色响应率（）和单色响应率（）和单色响应率（R R(,f,f)）。）。）。）。R R(T,fT,f)：表示对绝对温度为：表示对绝对温度为：表示对绝对温度为：表示对绝对温度为T T的黑体入射辐射，在调制频率的黑体入射辐射，在调制频率的黑体入射辐射，在调制频率的黑体入射辐射，在调制频率f f 下测下测下测下测得的响应率。常用的参考辐射源为得的响应率。常用的参考辐射源为得的响应率。常用的参考辐射源为得的响应率。常用的参考辐射源为500K500K黑体。黑体。黑体。黑体。R R(,f,f)：采用波长为：采用波长为：采用波长为：采用波长为 的单色光源测得的响应率。的单色光源测得的响应率。的单色光源测得的响应率。的单色光源测得的响应率。第4页，本讲稿共14页（2 2）噪声等效功率）噪声等效功率）噪声等效功率）噪声等效功率NEPNEP 当辐射在探测器上产生的信号电压当辐射在探测器上产生的信号电压当辐射在探测器上产生的信号电压当辐射在探测器上产生的信号电压V V，恰好等于探测器自身的噪声，恰好等于探测器自身的噪声，恰好等于探测器自身的噪声，恰好等于探测器自身的噪声电压电压电压电压V VN N（即信号噪声比为（即信号噪声比为（即信号噪声比为（即信号噪声比为1 1）时，所需投射到探测器上的辐射功率）时，所需投射到探测器上的辐射功率）时，所需投射到探测器上的辐射功率）时，所需投射到探测器上的辐射功率P P，即即即即 （a a）黑体噪声等效功率）黑体噪声等效功率）黑体噪声等效功率）黑体噪声等效功率NEPNEP(T,f T,f)（NEPNEP(T,f,T,f,f f)）和光谱噪声等效）和光谱噪声等效）和光谱噪声等效）和光谱噪声等效功率功率功率功率NEPNEP(,f,f)（NEPNEP(,f,f,f f)）。）。）。）。（b b）另一种表示式：）另一种表示式：）另一种表示式：）另一种表示式：第5页，本讲稿共14页（3 3）探测率）探测率）探测率）探测率D D、D*D*、D*D*（a a）探测率）探测率）探测率）探测率D D 表示辐照在探测器上的单位辐射功率所获得的信噪比。探测率越大，表表示辐照在探测器上的单位辐射功率所获得的信噪比。探测率越大，表表示辐照在探测器上的单位辐射功率所获得的信噪比。探测率越大，表表示辐照在探测器上的单位辐射功率所获得的信噪比。探测率越大，表示探测器的探测能力越强。示探测器的探测能力越强。示探测器的探测能力越强。示探测器的探测能力越强。（b b）归一化探测率）归一化探测率）归一化探测率）归一化探测率D*D*有有由由从而从而 表示当探表示当探测测器的敏感元具有器的敏感元具有单单位面位面积积、放大器的、放大器的测测量量带宽为带宽为1Hz时时，单单位位辐辐射功率所能射功率所能获获得的信号噪声比。它消除了探得的信号噪声比。它消除了探测测器面器面积积AD和噪声等和噪声等效效带宽带宽f f 的影响，称的影响，称为归为归一化探一化探测测率或比探率或比探测测率率 D*D*，单位为单位为单位为单位为cm.Hzcm.Hz1/21/2/W/W （或（或（或（或JonesJones）。）。）。）。第6页，本讲稿共14页*黑体探测率（黑体探测率（黑体探测率（黑体探测率（D*D*(T,f T,f)）和光谱（单色）探测率（）和光谱（单色）探测率（）和光谱（单色）探测率（）和光谱（单色）探测率（D*D*(,f,f)）式中式中 是入射黑体辐射通量（是入射黑体辐射通量（W），），E(T,)是黑体是黑体辐照度（辐照度（W/cm2）。）。（c）D*式中式中是探测器响应单元向挡板或冷屏所张的有效立体角。是探测器响应单元向挡板或冷屏所张的有效立体角。对于对于在半角为在半角为/2的锥形中为常数的的锥形中为常数的特殊情况（如图），特殊情况（如图），第7页，本讲稿共14页（4 4）光谱响应）光谱响应）光谱响应）光谱响应 功率相等的不同波长的辐射照在探测器上所产生的信号与辐射波长的功率相等的不同波长的辐射照在探测器上所产生的信号与辐射波长的功率相等的不同波长的辐射照在探测器上所产生的信号与辐射波长的功率相等的不同波长的辐射照在探测器上所产生的信号与辐射波长的关系叫做探测器的光谱响应（等能量光谱响应函数）。关系叫做探测器的光谱响应（等能量光谱响应函数）。关系叫做探测器的光谱响应（等能量光谱响应函数）。关系叫做探测器的光谱响应（等能量光谱响应函数）。（a a）光谱响应率函数与总响应率函数）光谱响应率函数与总响应率函数）光谱响应率函数与总响应率函数）光谱响应率函数与总响应率函数 对具有给定的光谱响应率函数的探测器在总的输入（例如辐对具有给定的光谱响应率函数的探测器在总的输入（例如辐对具有给定的光谱响应率函数的探测器在总的输入（例如辐对具有给定的光谱响应率函数的探测器在总的输入（例如辐射通量功率射通量功率射通量功率射通量功率P P）和总的输出（例如光电压）和总的输出（例如光电压）和总的输出（例如光电压）和总的输出（例如光电压V V）之间存在下列关系）之间存在下列关系）之间存在下列关系）之间存在下列关系则探测器总响应率（总输出与总输入之比）可写成则探测器总响应率（总输出与总输入之比）可写成 第8页，本讲稿共14页（b b）相对光谱响应和绝对光谱响应）相对光谱响应和绝对光谱响应）相对光谱响应和绝对光谱响应）相对光谱响应和绝对光谱响应 探测器的相对光谱响应函数探测器的相对光谱响应函数探测器的相对光谱响应函数探测器的相对光谱响应函数r r()可表示为可表示为可表示为可表示为总响应率的公式可改写为：总响应率的公式可改写为：式中，式中，R()为绝对光谱响应率，为绝对光谱响应率，R(0)为归一化波长上的绝对光谱响应率。在光谱为归一化波长上的绝对光谱响应率。在光谱响应测量中，一般都是测量相对光谱响应。响应测量中，一般都是测量相对光谱响应。称称 为为“光光谱谱匹配系数匹配系数”（），并把它解释为发生在探），并把它解释为发生在探测器光谱响应分布和入射通量光谱分测器光谱响应分布和入射通量光谱分布之间的相对覆盖程度。如图布之间的相对覆盖程度。如图：式中式中p()是光源的相对光谱分布。是光源的相对光谱分布。第9页，本讲稿共14页（c c）光子探测器和热探测器的光谱响应曲线）光子探测器和热探测器的光谱响应曲线）光子探测器和热探测器的光谱响应曲线）光子探测器和热探测器的光谱响应曲线 实际实际的截止波的截止波长长c：响应率下降到峰值波长的：响应率下降到峰值波长的50处所对应的波长。处所对应的波长。第10页，本讲稿共14页（5 5）响应时间）响应时间）响应时间）响应时间 探测器的响应时间（也称时间常数探测器的响应时间（也称时间常数探测器的响应时间（也称时间常数探测器的响应时间（也称时间常数）表示探测器对交变辐射响）表示探测器对交变辐射响）表示探测器对交变辐射响）表示探测器对交变辐射响应的快慢。应的快慢。应的快慢。应的快慢。决定探测器时间常数最重要的因素：自由载流子寿命、热时间常数和电决定探测器时间常数最重要的因素：自由载流子寿命、热时间常数和电时间常数。时间常数。光电导探测器的响应时间取决于多数载流子寿命，而光伏和光磁电探测光电导探测器的响应时间取决于多数载流子寿命，而光伏和光磁电探测器的响应时间取决于少数载流子的寿命。器的响应时间取决于少数载流子的寿命。第11页，本讲稿共14页 探测器受辐照的输出信号遵从指数上升规律。探测器受辐照的输出信号遵从指数上升规律。探测器受辐照的输出信号遵从指数上升规律。探测器受辐照的输出信号遵从指数上升规律。式中，式中，S为输出信号，为输出信号，S0为一恒定值，为一恒定值，为响应时间（时间常数）。为响应时间（时间常数）。当当 时，时，除去辐照后输出信号随时间下降，如下式所示除去辐照后输出信号随时间下降，如下式所示当当 时，时，因此，响应时间的物理意义是：当探测器受红外辐射照射时，输因此，响应时间的物理意义是：当探测器受红外辐射照射时，输出信号上升到稳定值的出信号上升到稳定值的63时所需要的时间；或去除辐照后输出信号下降时所需要的时间；或去除辐照后输出信号下降到稳定值的到稳定值的37时所需要的时间。时所需要的时间。越短，响应越快；越短，响应越快；越长，响应越慢。热探测器的响应时间长达毫秒量越长，响应越慢。热探测器的响应时间长达毫秒量级，光子探测器的时间常数可小于微秒量级。级，光子探测器的时间常数可小于微秒量级。第12页，本讲稿共14页（6 6）频率响应）频率响应）频率响应）频率响应 探测器的响应率随调制频率变化的关系叫探测器的频率响应。探测器的响应率随调制频率变化的关系叫探测器的频率响应。探测器的响应率随调制频率变化的关系叫探测器的频率响应。探测器的响应率随调制频率变化的关系叫探测器的频率响应。大多数探测器，响应率随频率的变化如同一个低通滤波器，可表大多数探测器，响应率随频率的变化如同一个低通滤波器，可表大多数探测器，响应率随频率的变化如同一个低通滤波器，可表大多数探测器，响应率随频率的变化如同一个低通滤波器，可表示为示为示为示为式中，式中，R0为低频时的响应率；为低频时的响应率；R(f)指频率为指频率为f 时的响应率。时的响应率。第13页，本讲稿共14页（a）当）当 时，时，此时所对应的频率称为探测器的，此时所对应的频率称为探测器的响应频率响应频率。（b）双时间常数的情况）双时间常数的情况（大多数实际应用中不希望探测器具有双时间常数）（大多数实际应用中不希望探测器具有双时间常数）第14页，本讲稿共14页