第五章 光辐射的探测

第五章半导体中的光辐射和光吸收1. 名词解释：带间复合、杂质能级复合、激子复合、等电子陷阱复合、表面复合。

带间复合：在直接带隙的半导体材料中，位于导带底的一个电子向下跃迁，同位于价带顶的一个空穴复合，产生一个光子，其能量大小正好等于半导体材料E。

的禁带宽度g浅杂质能级复合：杂质能级有深有浅，那些位置距离导带底或价带顶很近的浅杂质能级，能与价带之间和导带之间的载流子复合为边缘发射，其光子能量总E小。

比禁带宽度g激子复合：在某些情况下，晶体中的电子和空穴可以稳定地结合在一起，形成一个中性的“准粒子”，作为一个整体存在，即“激子”。

在一定条件下，这些激子中的电子和空穴复合发光，而且效率可以相当高，其复合产生的光子能量小E。

于禁带宽度g等电子陷阱复合：由于等电子杂质的电负性和原子半径与基质原子不同，产生了一个势场，产生由核心力引起的短程作用势，从而形成载流子的束缚态，即陷阱能级，可以俘获电子或空穴，形成等电子陷阱上的束缚激子。

由于它们是局域化的，根据测不准关系，它们在动量空间的波函数相当弥散，电子和空穴的波函数有大量交叠，因而能实现准直接跃迁，从而使辐射复合几率显著提高。

表面复合：晶体表面的晶格中断，产生悬链，能够产生高浓度的深的或浅的能级，它们可以充当复合中心。

通过表面的跃迁连续进行表面复合，不会产生光子，因而是非辐射复合。

2. . 什么叫俄歇复合，俄歇复合速率与哪些因素有关？为什么长波长的InGaAsP 等材料的俄歇复合比短波长材料严重？为什么俄歇复合影响器件的J th 、温度稳定性和可靠性？ 解析：● 俄歇效应是一个有三粒子参与、涉及四个能级的非辐射复合的效应。

在半导体中，电子与空穴复合时，把能量或者动量通过碰撞转移给第三个粒子跃迁到更高能态，并与晶格反复碰撞后失去能量。

这种复合过程叫俄歇复合.整个过程中能量守恒，动量也守恒。

●半导体材料中带间俄歇复合有很多种，我们主要考虑CCHC 过程（两个导带电子与一个重空穴）和CHHS 过程（一个导带电子和两个重空穴）。

第一章射线与物质的相互作用1.不同射线在同一物质中的射程问题如果已知质子在某一物质中的射程和能量关系曲线，能否从这一曲线求得d （氘核）与t （氚核）在同一物质中的射程值？如能够，请说明如何计算？解：P12”利用Bethe 公式，也可以推算不同带点例子在某一种吸收材料的射程。

”根据公式：)()(22v R M M v R b ab b a a Z Z =，可求出。

步骤：1先求其初速度。

2查出速度相同的粒子在同一材料的射程。

3带入公式。

2：阻止时间计算：请估算4MeV α粒子在硅中的阻止时间。

已知4MeV α粒子的射程为17.8μm 。

解：解：由题意得 4MeV α粒子在硅中的射程为17.8um 由T ≌1.2×107-REMa，Ma=4得 T ≌1.2×107-×17.8×106-×44()s ＝2.136×1012-()s3：能量损失率计算课本3题，第一小问错误，应该改为“电离损失率之比”。

更具公式1.12-重带点粒子电离能量损失率精确表达式。

及公式1.12-电子由于电离和激发引起的电离能量损失率公式。

代参数入求解。

第二小问：快电子的电离能量损失率与辐射能量损失率计算：()20822.34700700()rad iondE E Z dx dEdx*⨯≅=≈4光电子能量：光电子能量：（带入B K ） 康普顿反冲电子能量：200.511m c Mev =ie hv E ε-=220200(1cos ) 2.04(1cos 20) 4.16160.060.3947(1cos )0.511 2.04(1cos 20)0.511 2.040.06Er Ee Mev m c Er θθ--⨯====+-+-+⨯5:Y 射线束的吸收解：由题意可得线性吸收系数10.6cm μ-=，311.2/pb g cm ρ=12220.6 5.3610/11.2/m pb cm cm g g cmμμρ--∴===⨯质量吸收系数 由r N μσ=*可得吸收截面：12322230.61.84103.2810/r cm cm N cm μσ--===⨯⨯ 其中N 为吸收物质单位体积中的原子数2233.2810/N cm =⨯ 0()t I t I e μ-=要求射到容器外时强度减弱99.9% 0()0.1%0.001t I t e I μ-∴=∴=即t=5In10 =11.513cm6：已知)1()(tι--=e A t f t 是自变量。

第一章 基本概念1.何为碳单位，碳单位的符号和质量。

答：以一个C 12原子质量的十二分之一作为原子质量单位，记为u ，这个原子质量单位称为碳单位，kg kg u 27261066056.112/1099267.11--⨯=⨯=。

2.何为原子序数和原子质量数，用何符号表示？答：原子核中质子的数目称为原子序数，用符号Z 表示；原子核中质子数和中子数之和称为原子质量数，也称质量数，用符号A 表示。

3.用X AZ 表示原子（核）时，A 、X 和Z 各表示什么意义？答：A 是原子质量数，X 是元素符号，Z 是质子数或则是原子序数。

4.用上题的符号时，中子的数目如何确定？答：中子数Z A N -=。

5.当原子核发射一个α粒子时，从原子核中发射出哪些核子？各为多少？答：6.当原子核发射一个β粒子时，放射性原子的A 和Z 如何变化？答：A 会增加1，Z 不变。

7.当原子核发射一个γ粒子时，放射性原子的A 和Z 是否会发生变化？答：不会发生改变。

8.什么是核素和核子？同位素的天然丰度的定义。

答：通常把具有相同质子数Z 、中子数N 的一类原子（核）称为一种核素，即核素是指任一种元素的任一种同位素，也就是说原子核构成（核内中子数和质子数）完全相同的物质就是一种核素。

对于天然存在的元素，一种核素在它所属的天然元素中所占的原子百分数称为该核素的天然丰度。

9.什么是质量亏损？原子核的结合能如何表示？什么是原子核的平均结合能？答：组成原子核的Z 个质子和A-Z 个种子的质量之和与该原子核的质量之差称为原子核的质量亏损。

原子核的结合能除以该原子的质量数A 所得的商，称为平均结合能，以ε表示。

10.一个原子质量单位的物质所相应的静止质量能为多少？答：931.5MeV 。

11.在放射性衰变中，λ的意义是什么？答：λ的物理意义为单位时间内、一个核素衰变的概率。

12.样品当前的放射性活度1450Bq ，若半衰期为25min ，试问在1h 前样品的放射性活度是多少？（7656Bq ）解：15006025/693.02/1=⨯==λT136001062.404-7650/1450/)(1062.44-⨯⨯--===⨯=⇒-s e e t A A λτλ13.试述放射性物质的衰变规律？说明半衰期的物理意义？衰变常数和半衰期之间的关系？ 答：一定数量的某种放射性核素并不是在某一时刻突然全部衰变完，而是随时间的增加而逐渐地减少。

辐射探测学复习要点辐射探测学复习要点第⼀章辐射与物质的相互作⽤（含中⼦探测⼀章）1.什么是射线？由各种放射性核素发射出的、具有特定能量的粒⼦或光⼦束流。

2.射线与物质作⽤的分类有哪些？重带电粒⼦、快电⼦、电磁辐射（γ射线与X射线）、中⼦与物质的相互作⽤3.电离损失、辐射损失、能量损失率、能量歧离、射程与射程歧离、阻⽌时间、反散射、正电⼦湮没、γ光⼦与物质的三种作⽤电离损失：对重带电粒⼦，辐射能量损失率相⽐⼩的多，因此重带电粒⼦的能量损失率就约等于其电离能量损失率。

辐射损失：快电⼦除电离损失外，辐射损失不可忽略；辐射损失率与带电粒⼦静⽌质量m 的平⽅成反⽐。

所以仅对电⼦才重点考虑辐射能量损失率：单位路径上，由于轫致辐射⽽损失的能量。

能量损失率：指单位路径上引起的能量损失，⼜称为⽐能损失或阻⽌本领。

按能量损失作⽤的不同，能量损失率可分为“电离能量损失率”和“辐射能量损失率”能量歧离(Energy Straggling)：单能粒⼦穿过⼀定厚度的物质后，将不再是单能的（对⼀组粒⼦⽽⾔），⽽发⽣了能量的离散。

电⼦的射程⽐路程⼩得多。

射程：带电粒⼦在物质中不断的损失能量，待能量耗尽就停留在物质中，它沿初始运动⽅向所⾏径的最⼤距离称作射程，R。

实际轨迹叫做路程P。

射程歧离(Range Straggling)：由于带电粒⼦与物质相互作⽤是⼀个随机过程，因⽽与能量歧离⼀样，单能粒⼦的射程也是涨落的，这叫做能量歧离。

能量的损失过程是随机的。

阻⽌时间：将带电粒⼦阻⽌在吸收体内所需要的时间可由射程与平均速度来估算。

与射程成正⽐，与平均速度成反⽐。

反散射：由于电⼦质量⼩，散射的⾓度可以很⼤，多次散射，最后偏离原来的运动⽅向，电⼦沿其⼊射⽅向发⽣⼤⾓度偏转，称为反散射。

正电⼦湮没放出光⼦的过程称为湮没辐射γ光⼦与物质的三种作⽤：光电效应（吸收）、康普顿效应（散射）、电⼦对效应（产⽣）电离损失、辐射损失：P1384.中⼦与物质的相互作⽤，中⼦探测的特点、基本⽅法和基本原理中⼦本⾝不带电，主要是与原⼦核发⽣作⽤，与γ射线⼀样，在物质中也不能直接引起电离，主要靠和原⼦核反应中产⽣的次级电离粒⼦⽽使物质电离。

第一章 基本概念1.何为碳单位，碳单位的符号和质量。

答：以一个C 12原子质量的十二分之一作为原子质量单位，记为u ，这个原子质量单位称为碳单位，kg kg u 27261066056.112/1099267.11--⨯=⨯=。

2.何为原子序数和原子质量数，用何符号表示？答：原子核中质子的数目称为原子序数，用符号Z 表示；原子核中质子数和中子数之和称为原子质量数，也称质量数，用符号A 表示。

3.用X AZ 表示原子（核）时，A 、X 和Z 各表示什么意义？答：A 是原子质量数，X 是元素符号，Z 是质子数或则是原子序数。

4.用上题的符号时，中子的数目如何确定？答：中子数Z A N -=。

5.当原子核发射一个α粒子时，从原子核中发射出哪些核子？各为多少？答：6.当原子核发射一个β粒子时，放射性原子的A 和Z 如何变化？答：A 会增加1，Z 不变。

7.当原子核发射一个γ粒子时，放射性原子的A 和Z 是否会发生变化？答：不会发生改变。

8.什么是核素和核子？同位素的天然丰度的定义。

答：通常把具有相同质子数Z 、中子数N 的一类原子（核）称为一种核素，即核素是指任一种元素的任一种同位素，也就是说原子核构成（核内中子数和质子数）完全相同的物质就是一种核素。

对于天然存在的元素，一种核素在它所属的天然元素中所占的原子百分数称为该核素的天然丰度。

9.什么是质量亏损？原子核的结合能如何表示？什么是原子核的平均结合能？答：组成原子核的Z 个质子和A-Z 个种子的质量之和与该原子核的质量之差称为原子核的质量亏损。

原子核的结合能除以该原子的质量数A 所得的商，称为平均结合能，以ε表示。

10.一个原子质量单位的物质所相应的静止质量能为多少？答：931.5MeV 。

11.在放射性衰变中，λ的意义是什么？答：λ的物理意义为单位时间内、一个核素衰变的概率。

12.样品当前的放射性活度1450Bq ，若半衰期为25min ，试问在1h 前样品的放射性活度是多少？（7656Bq ）解：15006025/693.02/1=⨯==λT136001062.404-7650/1450/)(1062.44-⨯⨯--===⨯=⇒-s e e t A A λτλ13.试述放射性物质的衰变规律？说明半衰期的物理意义？衰变常数和半衰期之间的关系？ 答：一定数量的某种放射性核素并不是在某一时刻突然全部衰变完，而是随时间的增加而逐渐地减少。

⏹⏹⏹⏹⏹后再把热能转换成电能的器件。

⏹转换成热能的阶段（入射辐射引起温升的阶段），是共性的，具有普遍的意义。

第二阶段是将热能转换成各种形式的电能（各种电信号的输出）阶段。

5.2.1 热敏电阻5.2.1 热敏电阻5.2.2 ⏹⏹⏹5.2.2 普通热电偶：1。

热电极；2。

绝缘套管3。

保护套管；4。

接线盒；5。

盒盖材料：铂、铑、铱、铬、镍、铜---合金5.2.2 热电偶探测器±2.2 ℃or ±0.75%±3.9 ℉or ±0.75%准确度-50 ℃to 700 ℃-58 ℉to 1292 ℉测量范围可测量气体、液体、固体的温度应用范围表面热电偶5.2.2 热电偶探测器5.2.2 热电偶探测器5.2.3常见热释电红外传感器的外形⏹铁电体的自发极化强度P（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“⏹系制造的热敏探测器称为热释电器件。

⏹当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。

5.3.1 热释电器件的基本工作原理5.4 热探测器概述⏹热探测器是一类基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的器件。

⏹它的共同特点是，光谱响应范围宽，对于从紫外到毫米量级的电磁辐射几乎都有平坦的响应，而且响应度都很高，但响应速度较低。

所以热探测器对于交变光辐射又是一类窄带响应器件。

因此，具体选用器件时，要扬长避短，综合考虑。

5.4 热探测器概述在使用本章介绍的温差热电偶，热敏电阻和热释电探测器时，应注意如下几）由半导体材料制成的温差电堆，响应度很高，但机械强度较差，使用时必须十分当心。

第一章 光与物质相互作用基础一、 名词解释1、辐射能、辐射通量、辐射出射度、辐射强度、辐射亮度、辐射照度；（包括定义和计算方式）2、光谱光视效能、视见函数；（包括定义和计算方式）3、光通量、发光强度、照度；（包括定义和计算方式）4、自发辐射、受激辐射、受激吸收二、 简答及计算题1、给出光子能量、动量、运动质量的表达式。

2、（1）光子状态的描述不同于宏观物体，对光子状态的描述有何特点？（2）什么是光子的简并现象？（3）给出“相格”、“光子简并度”概念。

3、在对热辐射的度量中，“辐射度学单位”和“光度学单位”的根本区别是什么？4、（1）在自发辐射过程中，高能级粒子数的变化规律是什么？给出其推导过程。

（2）在自发辐射过程中，辐射光强的变化规律是什么？给出其推导过程。

5、什么是跃迁过程中的谱线加宽现象？“没有绝对的单一波长的光波存在”这句话如何从能级跃迁的角度给以说明？6、（1）什么是辐射谱的线型函数？其物理意义是什么？（2）“均匀加宽”和“非均匀加宽”如何定义？（3）“碰撞加宽”属于均匀还是非均匀加宽？其起因是什么？（4）解释气体分子中由于多普勒效益引起的辐射谱线的非均匀加宽现象。

（5）写出均匀增宽与非均匀增宽线型函数的N v Δ与D v Δ的表达式，以及在半宽频率处的的表达式。

)(v g 8、（1）在T=1500K 的热平衡空腔中，腔内折射率1≈η，求m μλ5.0=的可见光的自发辐射功率与受激辐射功率之比。

（2）要使受激辐射功率超过自发辐射，辐射场的能量密度必须大于多少？9、波长为m μ51.0的绿光的光通量为100lm ，其视见函数5.0)(=λV ，入射到一屏幕上，求在1min 时间内该屏所接收的辐射能量。

10、说明v A Δγτ,,,21这4个量的物理意义及相互联系。

11、若激光器分别以m μλ10=和m μλ5.0=输出1W 的连续光功率，试求这两种情况下，每秒钟从激光上能级向下能级跃迁的粒子数分别是多少？12、设一对激光能级和1（2E E 12g g =），两能级间的跃迁频率为（对应波长为v λ），能级上的粒子数密度分别为和。

北师大版八年级物理上学期第五章光现象知识总结与检测■知识提要1、光源：能发光的物体叫做光源。

光源可分为天然光源（水母、太阳），人造光源（灯泡、火把）;月亮、钻石、镜子、影幕不是光源。

2、光在同种均匀介质中沿直线传播；光的直线传播的应用：（1）小孔成像：像的形状与小孔的形状无关，像是倒立的实像（树阴下的光斑是太阳的像）。

实像：由实际光线会聚而成的像。

①小孔成像的条件：孔的大小必须远远小于孔到发光的距离及孔到光屏的距离。

②像的大小与发光体到孔的距离和像到孔的距离有关，发光体到小孔的距离不变，光屏远离小孔，实像增大；光凭靠近小孔，实像减小；光屏到小孔的距离不变，发光体远离小孔，实像减小；发光体靠近小孔，实像增大。

（2）取得直线：激光准直（挖隧道定向）；整队集合；射击瞄准；（3）限制视线：坐井观天、一叶障目；（4）影的形成：影子；日食、月食日食：太阳月球地球；月食：月球太阳地球常见的现象：①激光准直。

②影子的形成：光在传播过程中，遇到不透明的物体，在物体的后面形成黑色区域即影子。

③日食月食的形成：当地球在中间时可形成月食。

如图：在月球后1的位置可看到日全食，在2的位置看到日偏食，在3的位置看到日环食。

④小孔成像：小孔成像实验早在《墨经》中就有记载小孔成像成倒立的实像，其像的形状与孔的形状无关。

3、光线：常用一条带有箭头的直线表示光的径迹和方向；（是理想化物理模型，非真实存在）4、所有的光路都是可逆的，包括直线传播、反射、折射等。

5、真空中光速是宇宙中最快的速度；c=3×108m/s=3×105 m/s;6、光年：是光在一年中传播的距离，光年是长度单位；声音在固体中传播得最快，液体中次之，气体中最慢，真空中不传播；光在真空中传播的最快，空气中次之，透明液体、固体中最慢（二者刚好相反）。

光速远远大于声速（如先看见闪电再听见雷声；在跑100m时，声音传播时间不能忽略不计，但光传播时间可忽略不计）。