热辐射探测器件幻灯片.ppt
热辐射探测器件第1页，共64页，编辑于2022年，星期一 光电倍增管光电倍增管主要由主要由入射窗口、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极入射窗口、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极五个五个主要部分组成。主要部分组成。2.2.光电倍增管光电倍增管(PMT)2.12.1光电倍增管的结构光电倍增管的结构第2页，共64页，编辑于2022年，星期一 为了使光电子能有效地被各倍增极电极收集并倍增，为了使光电子能有效地被各倍增极电极收集并倍增，阴极阴极与第一倍增极、各倍增极之间以及末级倍增极与阳极之间都必须与第一倍增极、各倍增极之间以及末级倍增极与阳极之间都必须施加一定的电压施加一定的电压。最基本的方法是在阴极和阳极之间加上适当的高压，阴最基本的方法是在阴极和阳极之间加上适当的高压，阴极接负，阳极接正，外部并接一系列电阻，使各电极之间获极接负，阳极接正，外部并接一系列电阻，使各电极之间获得一定的分压得一定的分压:2.2 PMT2.2 PMT的工作原理的工作原理 经过倍增后的经过倍增后的二次电子二次电子由阳极由阳极P收集起来收集起来，形成阳形成阳极光电流极光电流Ip，在负载，在负载RL上产上产生信号电压生信号电压0。光子透过入射窗口光子透过入射窗口入射在入射在光电阴极光电阴极K上上 光电阴极光电阴极K受光照激发，受光照激发，表面发射光电子表面发射光电子 光电子光电子被电子光学系统加速和聚被电子光学系统加速和聚焦后入射到焦后入射到第一倍增极第一倍增极D1上上，将发将发射出比入射电子数更多的二次电子。射出比入射电子数更多的二次电子。入射电子经入射电子经N级倍增后，光电子数就级倍增后，光电子数就放大放大N次次D2D1DnPKUORnRn-1R2R1-HVRL第3页，共64页，编辑于2022年，星期一2.32.3二次电子二次电子 当具有足够动能的电子轰击倍增极当具有足够动能的电子轰击倍增极材料时，倍增极表面将发射新的电子。材料时，倍增极表面将发射新的电子。称入射的电子为一次电子，从倍增极称入射的电子为一次电子，从倍增极表面发射的电子为二次电子表面发射的电子为二次电子 把二次发射的电子数把二次发射的电子数N N2 2与入射的一次电子数与入射的一次电子数N Nl l的的比值定义为该材料的比值定义为该材料的二次发射系数二次发射系数 增大增大E Ep p，值值反而下降反而下降 随随E Ep p增大而增大而增大增大？第4页，共64页，编辑于2022年，星期一3.CCD 3.CCD 的结构和工作原理的结构和工作原理1 前照明光输入前照明光输入1 背照明光输入背照明光输入2 电荷生成电荷生成3 电荷收集电荷收集4 电荷转移电荷转移5 电荷测量电荷测量视频输出视频输出此图摘自JamesJanesick“DuelingDetectors”3.1 CCD 3.1 CCD 的结构和工作流程的结构和工作流程CCD?结构单元？结构单元？线阵列？线阵列？面阵列？面阵列？第5页，共64页，编辑于2022年，星期一3.2 CCD 3.2 CCD 的工作流程的工作流程CCD基本工作流程？信号电荷的产生信号电荷的产生信号电荷的存贮信号电荷的存贮信号电荷的传输信号电荷的传输信号电荷的检测信号电荷的检测第7页，共64页，编辑于2022年，星期一+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-VG电荷的存储电荷的存储第8页，共64页，编辑于2022年，星期一123时间滑尺+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123电荷的转移电荷的转移 三相三相CCDCCD第9页，共64页，编辑于2022年，星期一123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123电荷的转移电荷的转移 三相三相CCDCCD第10页，共64页，编辑于2022年，星期一123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123电荷的转移电荷的转移 三相三相CCDCCD第11页，共64页，编辑于2022年，星期一123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123电荷的转移电荷的转移 三相三相CCDCCD第12页，共64页，编辑于2022年，星期一123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123电荷的转移电荷的转移 三相三相CCDCCD第13页，共64页，编辑于2022年，星期一+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123123当第一个电荷包由右边移出时，下一个电荷包由左边移入。电荷的转移电荷的转移 三相三相CCDCCD第14页，共64页，编辑于2022年，星期一123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123电荷的转移电荷的转移 三相三相CCDCCD第15页，共64页，编辑于2022年，星期一第5章 热辐射探测器件苏州科技学院苏州科技学院 电子学院电子学院 孙云飞孙云飞第16页，共64页，编辑于2022年，星期一什么是热电检测器件？什么是热电检测器件？热电探测器是将热电探测器是将辐射能辐射能转换为转换为热能热能，然后再把热能转换为，然后再把热能转换为电电能能的器件。的器件。热电探测器件大致分为热电探测器件大致分为热电偶热电偶及热电堆；气动探测器；及热电堆；气动探测器；热敏电热敏电阻阻；热释电探测器热释电探测器。热辐射探测器件=热电检测器件第17页，共64页，编辑于2022年，星期一热电探测器件与普通的温度计的区别热电探测器件与普通的温度计的区别:相同点：相同点：相同点：相同点：二者都有随温度变化的性能。二者都有随温度变化的性能。不同点：不同点：不同点：不同点：温度计是通过液体热胀冷缩原理，要与外界有尽量好的热接触，温度计是通过液体热胀冷缩原理，要与外界有尽量好的热接触，必须达到热平衡。必须达到热平衡。热电探测器：既要与入射辐射有最佳的相互作用，同时又要热电探测器：既要与入射辐射有最佳的相互作用，同时又要尽量少的与外界发生热接触；能把热能转换成电能。尽量少的与外界发生热接触；能把热能转换成电能。第18页，共64页，编辑于2022年，星期一内容5.1热辐射的一般规律5.2热敏电阻5.3热电偶5.4热释电探测器5.5高莱探测器第20页，共64页，编辑于2022年，星期一1.1.1.1.热电探测器件的性能如何表征？热电探测器件的性能如何表征？热电探测器件的性能如何表征？热电探测器件的性能如何表征？2.2.2.2.热电探测器件的热电探测器件的热电探测器件的热电探测器件的温升温升温升温升跟辐射功率的关系？跟辐射功率的关系？跟辐射功率的关系？跟辐射功率的关系？3.3.3.3.热电探测器件的温升跟入射波的调制频率的关系？热电探测器件的温升跟入射波的调制频率的关系？热电探测器件的温升跟入射波的调制频率的关系？热电探测器件的温升跟入射波的调制频率的关系？4.4.4.4.热电探测器件的温升跟材料的热电探测器件的温升跟材料的热电探测器件的温升跟材料的热电探测器件的温升跟材料的热容热容热容热容和和和和热热热热导（导（导（导（阻阻阻阻）的关系？）的关系？）的关系？）的关系？5.15.1热辐射的一般规律热辐射的一般规律温升：温升：温升：温升：当热探测器的敏感元件吸收红外辐射后将引起温度升当热探测器的敏感元件吸收红外辐射后将引起温度升当热探测器的敏感元件吸收红外辐射后将引起温度升当热探测器的敏感元件吸收红外辐射后将引起温度升 高：高：高：高：T=T-TT=T-TT=T-TT=T-T0 0 0 0;热容：热容：热容：热容：单位质量的物体在某一过程中，每升高（或降低）单单位质量的物体在某一过程中，每升高（或降低）单单位质量的物体在某一过程中，每升高（或降低）单单位质量的物体在某一过程中，每升高（或降低）单 位温度时从外界吸收（或放出）的热量：位温度时从外界吸收（或放出）的热量：位温度时从外界吸收（或放出）的热量：位温度时从外界吸收（或放出）的热量：C=C=C=C=Q/Q/Q/Q/m m m mT;T;T;T;热导热导热导热导:单位时间内透过某种材料的热量除以材料两表面间的温单位时间内透过某种材料的热量除以材料两表面间的温单位时间内透过某种材料的热量除以材料两表面间的温单位时间内透过某种材料的热量除以材料两表面间的温 度差：度差：度差：度差：G=G=G=G=Q/Q/Q/Q/T T T T；第21页，共64页，编辑于2022年，星期一热电探测器件吸收辐射引起的温度变化热电探测器件吸收辐射引起的温度变化热电探测器件吸收辐射引起的温度变化热电探测器件吸收辐射引起的温度变化设入射辐射的功率为设入射辐射的功率为则探测器吸收辐射后每秒钟产生的热量为则探测器吸收辐射后每秒钟产生的热量为设探测器的原温度为设探测器的原温度为T T0 0，吸收辐射后的温升为吸收辐射后的温升为T T5.15.1热辐射的一般规律热辐射的一般规律第22页，共64页，编辑于2022年，星期一所以探测器吸收的辐射功率等于每秒钟探测器升温所需的能量和传所以探测器吸收的辐射功率等于每秒钟探测器升温所需的能量和传导损失的能量导损失的能量由探测器与周围环境发生热传导引起的单位时间内的热量为由探测器与周围环境发生热传导引起的单位时间内的热量为？第23页，共64页，编辑于2022年，星期一取幅值可得取幅值可得第24页，共64页，编辑于2022年，星期一 温升与温升与入射的辐射功率成正比入射的辐射功率成正比，跟调制频率成反比。，跟调制频率成反比。入射辐射功率越大，温升越大，调制频率入射辐射功率越大，温升越大，调制频率越大，温升就越小。越大，温升就越小。在相同的入射辐射下，希望得到大的温升，则探测器的在相同的入射辐射下，希望得到大的温升，则探测器的 热容要小；热容要小；与外界的与外界的热耦合要小热耦合要小。材料的材料的吸收系数要大；吸收系数要大；第25页，共64页，编辑于2022年，星期一内容5.1热辐射的一般规律5.2热敏电阻5.3热电偶5.4热释电探测器5.5高莱探测器第26页，共64页，编辑于2022年，星期一5.2 热敏电阻探测器热敏电阻(测辐射热计Bolometer)吸收辐射后由于温升而使电阻改变的器件。它多由金属氧化物半导体材料制成。也有由单晶半导体、玻璃和塑料制成的。广泛应用于测温、控温、温度补偿、报警等领域。符号热敏电阻第27页，共64页，编辑于2022年，星期一适宜材料有适宜材料有铂铂、铜铜、镍镍、铁铁等。等。正性热敏电阻PTC：一般金属的能带结构外层无禁带，自由电子密度很大，以致外界光作用引起的自由电子密度相对变化较半导体而言可忽略不计。吸收辐射产生温升后，自由电子浓度的增加是微不足道的。相反，因晶格振动的加剧妨碍了自由电子作定向运动，从而电阻温度系数是正的热敏电阻的分类（1）正性热敏电阻PTC：PositiveTemperatureCoefficient(PTC)thermistors（2）负性热敏电阻NTC：NegativeTemperatureCoefficient(NTC)thermistors第28页，共64页，编辑于2022年，星期一热敏电阻的分类（1）正性热敏电阻PTC：PositiveTemperatureCoefficient(PTC)thermistors（2）负性热敏电阻NTC：NegativeTemperatureCoefficient(NTC)thermistors负性热敏电阻NTC：半导体材料对光的吸收除了直接产生光生载流子的本征吸收和杂质吸收外，还有不直接产生载流子的晶格吸收和自由电子吸收等，并且不同程度地转变为热能，引起晶格振动的加剧，器件温度的上升，即器件的电阻值发生变化。其中部分电子能够从价带跃迁到导带成为自由电子，使电阻减小，电阻温度系数是负的。第29页，共64页，编辑于2022年，星期一迁移率与温度的关系迁移率与温度的关系掺杂很轻：掺杂很轻：忽略电离杂质散射忽略电离杂质散射高温：高温：晶格振动散射为主，忽略电离杂质散射晶格振动散射为主，忽略电离杂质散射T晶格振动散射晶格振动散射高掺杂情况：高掺杂情况：低温：低温：电离杂质散射为主，忽略晶格散射电离杂质散射为主，忽略晶格散射T电离杂质散射电离杂质散射T晶格振动散射晶格振动散射迁移率的影响因素迁移率的影响因素第30页，共64页，编辑于2022年，星期一热敏电阻的分类（1）正性热敏电阻PTC：PositiveTemperatureCoefficient(PTC)thermistors（2）负性热敏电阻NTC：NegativeTemperatureCoefficient(NTC)thermistors热敏电阻探测器的主要参数有：（1）电阻-温度特性 正温度系数的热敏电阻 负温度系数的热敏电阻（2）热敏电阻阻值变化量RT=RTaTT电阻温度系数TW0U?第31页，共64页，编辑于2022年，星期一测辐射热计吸收辐射产生温升T，阻值相应变化RT，在负载上产生的电压变化为：RT代入电阻温度系数第32页，共64页，编辑于2022年，星期一测辐射热计测辐射热计第33页，共64页，编辑于2022年，星期一 由热敏材料制成的厚度为0.01mm左右的薄片电阻粘合在导热能力高的绝缘衬底上，电阻体两端蒸发金属电极以便与外电路连接；再把衬底同一个热容很大、导热性能良好的金属相连构成热敏电阻。（使用热特性不同的衬底，可使探测器的时间常量由大约1ms变为50ms）红外辐射通过探测窗口投射到热敏元件上，引起元件的电阻变化。为了提高热敏元件接收辐射的能力（提高吸收系数），常将热敏元件的表面进行黑化处理。测辐射热计的核心部件测辐射热计的核心部件-热敏电阻第34页，共64页，编辑于2022年，星期一内容5.1热辐射的一般规律5.2热敏电阻5.3热电偶5.4热释电探测器5.5高莱探测器第35页，共64页，编辑于2022年，星期一5.3热电偶（thermocouples&thermopile）热电偶：即两种相互接触的材料构成的器件作用：它能产生温差电效应：TU第36页，共64页，编辑于2022年，星期一 将两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设TT0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。一、热电偶的工作原理热电偶原理图TT0AB12 回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即接触电势和温差电势。1、热电偶第37页，共64页，编辑于2022年，星期一热电极A自由端（参考端、冷端）测量（工作端、热端）热电极B热电势AB当A、B材料确定，且冷端温度恒定，则热电动势仅与测量端温度有关。第38页，共64页，编辑于2022年，星期一AB1T0T2由热电效应制成的测温传感器就是热电偶。测温时：l结点1置于被测温度场中，称为测量端（工作端、热端）；l结点2处于某一恒定温度（或已知温度），称为参考端（自由端或冷端）。可见热电偶由温差产生的热电势是随介质温度变化而变化，即：EteAB(T)eAB(T0)；eAB(T0)温度为T0处热电势；eAB(T)温度为T处热电势。Et 热电偶的热电势；第39页，共64页，编辑于2022年，星期一AB1T0T2热电偶示意图ABT0T测量仪表或电路热电偶与测量仪表连接示意图第40页，共64页，编辑于2022年，星期一（1）接触电势热电偶的热电势由接触电势和温差电势组成 由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当两种不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散。电子的扩散速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。设导体A和B的自由电子密度为nA和nB，且有nA nB，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B则因获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍了电子继续扩散，达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电动势。第41页，共64页，编辑于2022年，星期一式中：K波尔兹曼常数，K1.3810-23e 电子电荷量e=1.610-19CNA、NB为A、B材料的自由电子密度。其大小可表示为：T0端接触电势T端接触电势接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。ABT0T接触电势EAB(T)EAB(T0)第42页，共64页，编辑于2022年，星期一热电偶是一个闭合回路，回路中总的接触电势为当热电偶两端温度相同时，回路中总的接触电势为零。第43页，共64页，编辑于2022年，星期一2.温差电势 对于单一金属，如果两端的温度不同，则温度高端的自由电子向低端迁移，使单一金属两端产生不同的电位，形成电势，称为温差电势。其大小与金属材料的性质和两端的温差有关，可表示为A 导体：B导体：总温差电动势：汤姆逊系数，表示导体两端的温度差为1时所产生的温差电动势，例如在0时，铜的=2V/。ABT0T接触电势EAB(T)EAB(T0)第44页，共64页，编辑于2022年，星期一3.回路总电势：由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0如果TT0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势EAB(T,T0)=EAB(T)EB(T,T0)EAB(T0)EA(T,T0)？回路接触电势回路温差电势第45页，共64页，编辑于2022年，星期一(1)如果热电偶两电极的材料相同，即nA=nB，AB，虽然两端温度不同，但闭合回路的总热电势仍为零。因此，热电偶必须用两种不同材料作热电极。(2)如果热电偶两电极材料不同,而热电偶两端的温度相同，即TT0，闭合回路中也不产生热电势。讨论：可见：只要测出EAB（T,T0）的大小，就能得到被测温度T，这就是利用热电偶测温的原理。第46页，共64页，编辑于2022年，星期一热电偶回路中产生的总热电势 忽略温差电动势，热电偶的热电势可表示为：第47页，共64页，编辑于2022年，星期一内容5.1热辐射的一般规律5.2热敏电阻5.3热电偶5.4热释电探测器5.5高莱探测器第48页，共64页，编辑于2022年，星期一5.4.1 热释电探测器 热释电器件：一种利用热释电效应制成的热探测器件热释电效应：某些物质吸收光辐射后将其转换成热能，这个热能使晶体的温度升高，引起表面电荷发生变化的现象。温度低温度高如图表面电荷变低什么是热释电材料？热释电材料的工作原理是什么？第49页，共64页，编辑于2022年，星期一1.相关概念1）极化在电场作用下,电介质中束缚着的电荷发生位移或者极性按电场方向转动的现象2）自发极化在外加电场除去后铁电体仍保持着极化状态的现象铁电体在没有外电场作用时,存在着电偶极子的有序排列3）自发极化强度Ps在垂直于极化轴的单位面积上的自发极化电荷量。它是一个矢量,其单位为C/m2。5.4.2 热释电器件的基本工作原理钛酸钡；钛酸铋，铁酸铋第50页，共64页，编辑于2022年，星期一铁电体中存在固有的自发极化电矩；自发极化电矩可以在外电场作用下改变方向。铁电体的这些性质与铁磁性十分相似，故称铁电性。4）居里温度Tc（居里点）指一种临界温度，当大于Tc时，自发极化消失。居里温度第51页，共64页，编辑于2022年，星期一5.4.3 热释电效应1 1热释电材料热释电材料(铁电材料铁电材料)极性晶类，晶体内正、负电极性晶类，晶体内正、负电荷中心并不重合，晶体原子荷中心并不重合，晶体原子具有一定电矩；也就是说晶具有一定电矩；也就是说晶体本身具有自发极化特性。体本身具有自发极化特性。但介质中的电偶极子排列杂但介质中的电偶极子排列杂乱乱,宏观不显极性。宏观不显极性。第52页，共64页，编辑于2022年，星期一2热释电材料的极化对热释电材料施加直流电场自发极化矢量 将趋向于一致排列，总的电极化矢量 加大。当电场去掉后，总的 仍能保持下来。第53页，共64页，编辑于2022年，星期一由于保持下来的由于保持下来的 ，将在材料表面吸附表，将在材料表面吸附表面电荷，其面电荷，其面电荷密度面电荷密度单畴化后的热电体，其电极化矢量 值是温度的函数第54页，共64页，编辑于2022年，星期一3热释电效应定义某些物质（如硫酸三甘肽、铌酸锂等）吸收光辐射后将其转换成热能，这个热能使晶体的温度升高，温度变化将引起居里温度以下的自发极化强度的变化，从而在晶体的特定方向上引起表面电荷的变化，这就是热释电效应。光辐射 T 光辐射T 极化强度矢量变化 晶体表面上出现所测量出的电荷 第55页，共64页，编辑于2022年，星期一4 4热释电材料最高工作温度热释电材料最高工作温度当当T T TcTc（居里温度时），单畴极化强（居里温度时），单畴极化强度消失度消失 0 0热释电现象消失热释电现象消失即当即当T TTcTc时，才有热释电现象时，才有热释电现象居里温度居里温度TcTc评价热释电探测器的品质评价热释电探测器的品质因数，希望因数，希望TcTc越高越好。越高越好。第56页，共64页，编辑于2022年，星期一 铁电体的自发极化强度PS（单位面积上的电荷量）与温度的关系如图所示，随着温度的升高，极化强度减低，当温度升高到一定值，自发极化突然消失，这个温度常被称为“居里温度”或“居里点”。在居里点以下，极化强度PS是温度T的函数。利用这一关系制造的热敏探测器称为热释电器件。第57页，共64页，编辑于2022年，星期一 注意：当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片时，引起薄片温度升高，表面电荷减少，相当于热“释放”了部分电荷。释放的电荷可用放大器转变成电压输出。如果辐射持续作用，表面电荷将达到新的平衡，不再释放电荷，也不再有电压信号输出。因此，热释电器件不同于其他光电器件，在恒定辐射作用的情况下输出的信号电压为零。只有在交变辐射的作用下才会有信号输出。第58页，共64页，编辑于2022年，星期一 图（a）所示的面电极结构面电极结构中，电极置于热释电晶体的前后表面上,其中一个电极位于光敏面内。这种电极结构的电极面积较大，极间距离较少，因而极间电容较大，故其不适于高速应用。图（b）所示的边电极结构边电极结构中，电极所在的平面与光敏面互相垂直，电极间距较大，电极面积较小，因此极间电容较小。由于热释电器件的响应速度受极间电容的限制，因此，在高速运用时以极间电容小的边电极为宜。5 5 热释电探测器的电路连接热释电探测器的电路连接第59页，共64页，编辑于2022年，星期一6.热释电探测器的工作原理分析 当红外辐射照射到已有自发极化强度的热释电晶体上时，引起晶体的温度升高，而导致表面电荷减少，这相当于“释放”了一部分电荷，释放的电荷可以用放大器转变成输出电压。如果红外辐射继续照射使晶体的温度升高到新的平衡值，那么这时候表面电荷也就达到新的平衡浓度，不再释放电荷，也就不再有输出信号。热释电探测器的电极面积为Ad，Ps为热释电晶体的极化矢量改变上式，得：热释电探测器输出电流：热释电系数1、热释电探测器的输出电流第60页，共64页，编辑于2022年，星期一2、热释电探测器的输出电压第61页，共64页，编辑于2022年，星期一高莱探测器-工作原理CompanyLogo第62页，共64页，编辑于2022年，星期一1.热敏电阻的分类及其工作原理2.什么是热电偶？解释温差电动势和接触电动势？3.热释电探测器的工作原理？4.高莱探测器的工作原理？热辐射探测器作业第63页，共64页，编辑于2022年，星期一恒温T1电荷中和时间：秒小时温升到T2 束缚电荷减少 极化驰豫时间皮秒“释放”电荷（输出电信号）热“释电”的物理过程第64页，共64页，编辑于2022年，星期一
