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硅光电探测器光谱响应度测量标准装置张建民林延东邵晶樊其明(中国计量科学研究院，北京100013)摘要本文介绍了硅光电探测器光谱响应度测量的原理和装置，描述了相对和绝对光谱响应度标定方法，详细分析了引起标定误差的因素和误差合成，简要分析了国际比对结果。
本装置的波长范围为300～1000nm，相对光谱响应的不确定度(1σ)为0.21%～0.86%，绝对光谱响应的不确定度(1σ)为0.25%～0.87%。
关键词：光电探测器相对光谱响应度绝对光谱响应度硅半导体材料和硅光电器件工艺的发展，使硅光电探测器的灵敏度、温度系数、表面均匀性和稳定性等都达到了相当完善的程度。
它已经在光学测量方面成为普遍采用的传感器，在光度、色度、光谱辐射和激光辐射等精密光学测量领域尤其受到重视。
几乎在所有的测量中均要求精确测定它的光谱响应度，因此，建立硅光电探测器的光谱响应度测量标准装置是十分必要的〔1，2〕。
1 测量原理光电探测器的光谱响应度分为绝对的和相对的两类〔3〕。
绝对光谱响应度又分为辐通量响应度和辐照度响应度。
绝对光谱辐通量响应度定义为：在规定的波长λ上，光电探测器输出的短路电流I(λ)与入射到该探测器的辐通量(功率)之比：(λ)定义为：在规定的波长λ上，光电探测器输绝对光谱辐照度响应度RE出的短路电流I(λ)与照射到该探测器表面的辐照度E(λ)之比：上进行归一相对光谱响应度R(λ)系指绝对光谱响应度在某一特定波长λ化的光谱响应度：硅光电探测器光谱响应度的测量和标定分两步进行：首先，在光谱响应度标准装置上，通过与无光谱选择性参考探测器的比较，标定相对光谱响应度；然后在相同装置上，通过与陷阱二极管保存的激光功率标准的比较，标定绝对光谱响应度。
1.1 硅光电探测器光谱响应度测量标准装置在此装置上既能标定硅光电探测器的相对光谱响应度，又能标定绝对光谱响应度。
装置的光路图如图1所示，用溴钨灯做辐射源L1，其色温在3000～3200K，由凹面反射镜M1将L1的灯丝成像在棱镜-光栅双单色仪Mn的入射狭缝上。
福建师范大学物理与光电信息科技学院光电检测技术实验－实验一1 实验一光电探测原理实验一、内容简介光电探测原理实验箱，是本公司为适合光电子、信息工程、物理等专业教学内容的需要，最新推出的光电类教学实验装置。
本实验箱从了解和熟悉光电二极管和光电池的角度出发，讨论关于光电二极管和光电池的主要技术问题，主要知识点包括：光照度及其测量基本知识；光电池的结构、工作原理和光照特性及其应用；光电二极管的结构、工作原理和光照特性及其应用等。
本实验系统注重理论与实践的紧密结合，突出实用性，可作为光测控技术、光电子技术、光电子仪器仪表及精密仪器等专业本科生和研究生课堂实验与研究。
二、实验箱说明实验箱配备有0～12V 可调的直流电压源，可为光电二极管提供可以调节的偏置电压。
本实验箱还配有照度计、电压表和电流表，各表头显示单元和各种调节单元都放在面板上，而光源、照度计探头、硅光电池和硅光电二极管等不需要经常移动的器件都在实验箱里面固定，所有引出线都通过连线连接到面板上，学生做实验时只需要简单连线即可，连线、调节、观察和记录都很方便。
实验箱还配备10K 粗调电位器RP1和47K 多圈精密细调电位器RP2，可供学生配合其它元件自己动手搭建实验之用，提高学生动手动脑能力。
面板操作示意图：实验（一）光照度测试一、实验目的1、了解光照度基本知识；2、了解光照度测量基本原理；3、学会光照度的测量方法。
二、实验内容对光照度进行测量，观察现象。
三、预备知识1、光照度基本知识光照度是光度计量的主要参数之一，而光度计量是光学计量最基本的部分。
光度量是限于人眼能够见到的一部分辐射量，是通过人眼的视觉效果去衡量的，人眼的视觉效果对各种波长是不同的，通常用V（λ）表示，定义为人眼视觉函数或光谱光视效率。
因此，光照度不是一个纯粹的物理量，而是一个与人眼视觉有关的生理、心理物理量。
光照度是单位面积上接收的光通量，因而可以导出：由一个发光强度I的点光源，在相距L 处的平面上产生的光照度与这个光源的发光强度成正比，与距离的平方成反比，即：2EI/L式中：E——光照度，单位为Lx；I——光源发光强度，单位为cd；L——距离，单位为m。
光电检测实验报告光电二极管
与实验报告有关
一、实验目的
本实验旨在探究光电二极管的基本特性，了解不同参数对光电二极管
的作用原理。
二、实验原理
光电二极管是一种特殊的半导体器件，由一个P半导体和一个N半导
体组成。
其结构类似于普通的二极管，它是由一块金属片和一块硅片组成的。
金属片在表面覆盖着一层半导体材料层，而硅片则覆盖着一层P沟槽，形成一个PN结构，这就是光电二极管的基本结构。
当光电二极管接受到
外部光照时，在P层和N层之间就会产生电子-空穴对，并促使电子向N
层移动，从而在P层和N层之间构成一个电流，也就是由光引起的电流。
三、实验设备
1、光源：LED灯泡；
2、示波器：用于测量光电二极管的输出电流与电压；
3、电源：用于给光电二极管提供电势；
4、电阻：用于限制光电二极管的输出电流；
5、光电二极管：本次实验使用的是JH-PJN22；
6、多用表：用于测量电流、电压。
四、实验步骤
1、用多用表测量光电二极管JH-PJN22的参数，测量其正向电压和正向电流与LED照射强度的关系；
2、设置由电源、电阻和光电二极管组成的电路，并使用示波器测量输出电流和电压；。
宽响应高灵敏度软X射线单光子计数探测器
杨名恪;王占山
【期刊名称】《光学机械》
【年(卷),期】1991(000)001
【摘要】本文阐述了不同类型的软X射线探测器的机理及近期发展,总结了以往的工作,针对当前软X射线研究的迫切需要,提出了用CsI光电阴极做为转换材料、道电子倍增器做为电子倍增元件的宽响应,单光子计数探测器。
【总页数】5页(P76-80)
【作者】杨名恪;王占山
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】TL816.1
【相关文献】
1.单光子计数用探测器的最新进展 [J], Lesko.,B;顾聚兴
2.单光子计数闪烁探测器灵敏度标定方法 [J], 何小安;李朝光;易荣清;苏明;张奇玮;阮锡超
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实验1 光电探测器光谱响应特性实验实验目的1. 加深对光谱响应概念的理解；2. 掌握光谱响应的测试方法；3. 熟悉热释电探测器和硅光电二极管的使用。
实验内容1. 用热释电探测器测量钨丝灯的光谱特性曲线；2. 用比较法测量硅光电二极管的光谱响应曲线。
实验原理光谱响应度是光电探测器对单色入射辐射的响应能力。
电压光谱响应度()v R λ定义为在波长为λ的单位入射辐射功率的照射下，光电探测器输出的信号电压，用公式表示，则为()()()v V R P λλλ=(1-1) 而光电探测器在波长为λ的单位入射辐射功率的作用下，其所输出的光电流叫做探测器的电流光谱响应度，用下式表示()()()i I R P λλλ=(1-2) 式中，()P λ为波长为λ时的入射光功率；()V λ为光电探测器在入射光功率()P λ作用下的输出信号电压；()I λ则为输出用电流表示的输出信号电流。
为简写起见，()v R λ和()i R λ均可以用()R λ表示。
但在具体计算时应区分()v R λ和()i R λ，显然，二者具有不同的单位。
通常，测量光电探测器的光谱响应多用单色仪对辐射源的辐射功率进行分光来得到不同波长的单色辐射,然后测量在各种波长的辐射照射下光电探测器输出的电信号()V λ。
然而由于实际光源的辐射功率是波长的函数，因此在相对测量中要确定单色辐射功率()P λ需要利用参考探测器（基准探测器）。
即使用一个光谱响应度为()f R λ的探测器为基准，用同一波长的单色辐射分别照射待测探测器和基准探测器。
由参考探测器的电信号输出（例如为电压信号）()f V λ可得单色辐射功率()=()()f P V R λλλ，再通过(1-1)式计算即可得到待测探测器的光谱响应度。
本实验采用单色仪对钨丝灯辐射进行分光，得到单色光功率()P λ ，这里用响应度和波长无关的热释电探测器作参考探测器，测得()P λ入射时的输出电压为()f V λ。
10×10 CsI(Tl)光电二极管阵列探测器的研制工业CT(计算机断层成像)作为一种先进的无损检测技术已在工业产品内部结构分析、材料密度及结构尺寸的定量测量等方面获得广泛应用，本文试图研制一种CsI(Tl)光电二极管阵列探测器用于工业CT。
首先模拟了CsI(Tl)晶体特性并确定了合适的晶体形制，然后购买相应的CsI(Tl)光电二极管探测器进行实验，与模拟结果相比较。
在此基础上设计阵列探测器电路板，加工制作一个10×10 CsI(Tl)光电二极管阵列探测器，对该阵列探测器进行调试并测量其探测效率、分辨率以及光学窜扰等参数。
最后评估它的工作效果，并测试了其在X 射线照相和断层成像中的应用，同时讨论了它的改进方案，为最终研制探测单元尺寸更小，数目更多的阵列探测器提供参考。
关键词：工业CT，CsI(Tl)光电二极管，阵列探测器引言1.1 背景及意义基于射线与物质相互作用的基本原理发展而来的计算机断层成像技术被创造性地应用于工业检测领域，进而成为一种先进的无损检测技术——工业CT。
工业CT的应用遍及航空、航天、航海、核能、军事、石油、机械、海关及考古等多个部门，检测对象多种多样，包括火箭发动机、导弹、精密铸件、石油岩心、集装箱和化石等。
它与常规的射线检测技术相比，主要优点有：1）工业CT 能检测出工件的二维或三维图像，从图像上可直接获得目标特征的空间位置、形状及尺寸信息。
2）工业CT密度分辨能力极高，比常规无损检测技术高一个数量级。
3）采用高性能探测器的工业CT，探测器的动态响应范围可达106，远高于胶片和图像增强器；4）工业CT图像是数字化的结果，图像便于存储、传输、分析和处理[1]。
从20世纪70年代第一台CT出现到现在，CT技术己经经历了40多年的发展，CT技术从扫描方式的角度来看己经从第一代发展到了第四代。
第一代CT系统的扫描方式是平行束扫描;第二代扫描方式是窄角扇束扫描;第三代扫描方式是广角扇束扫描;第四代扫描方式是锥束扫描[2]。
第16卷 第6期强激光与粒子束Vol.16,No.6 2004年6月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS J un.,2004 文章编号:100124322(2004)0620685204硅光电二极管激光损伤阈值随激光脉宽的变化Ξ罗 福, 江继军, 孙承纬(中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳621900) 摘 要: 对飞秒激光辐照下硅光电二极管损伤阈值进行了实验测量,对从1s到60fs不同脉宽激光辐照下硅光电二极管损伤阈值进行了讨论。
实验数据表明,在1s到10ns脉宽范围内损伤所需能量密度近似而非严格地与脉宽的平方根成正比。
信号分析表明硅光电二极管的损伤主要由热效应造成,而60fs激光辐照下的损伤阈值为0.1J/cm2,明显偏离普通温度分布预言的趋势。
关键词: 飞秒激光; 硅光电二极管; 损伤阈值; 脉宽效应 中图分类号:TN249 文献标识码:A 光环境特别是激光给光电器件的应用带来了极其严重的影响,因此受到人们的高度重视。
硅PIN光电二极管因其响应时间快,工艺成熟,是可见光近红外区域的首选探测器。
Lars Sjoqvist对探测器的激光损伤问题进行了较为全面的探讨[1]。
早期面临的主要是长脉冲或连续激光,F.Bartoli等人给出了1.064μm激光照射下硅PIN光电二极管的损伤阈值[2],陈德章等研究了60μs钕激光对光电探测器的损伤阈值[3],2000年钟海荣等综述了激光对光电探测器的破坏机理研究情况[4],Steve E.Watkins等对10ns激光辐照下光电探测器的损伤机理进行了较为深入的研究[5]。
啁啾技术的应用使人们可以在压缩脉宽的同时获得很高的能量,现在已可获得脉宽达数fs的高能激光输出。
飞秒激光辐照下,器件材料内部发生各种瞬态非平衡过程,器件的损伤既有可能是晶格被电子加热引起的,也有可能是电子爆轰产生的冲击波造成的,为分析飞秒激光辐照下光电探测器的失效机制,我们对探测器的响应信号进行了监测分析。
第12卷 第1期2004年2月 光学精密工程Optics and Precis ion E ngineeringVol.12 No.1 Jan.2004文章编号 1004-924X(2004)01-0118-04用Si光电二极管标定软X射线探测器曹继红,尼启良,陈 波(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033)摘要:为了实现软X射线波段光源相对光谱分布的测量,引进了一种利用新型软X射线波段传递标准探测器—Si光电二极管对软X射线探测器进行标定。
标定了软X射线波段光谱测量实验中常用的探测器—通道电子倍增器在放大电压为1.3kV时的量子效率,并对实验结果进行了分析,得出在8～30n m波段内探测器标定误差为5.7%～8.9%。
关 键 词:软X射线探测器;软X射线;硅光电二极管;标定;量子效率中图分类号:TN366 文献标识码:ACalibration of soft X-ray detectorC AO Ji-hong,NI Qi-liang,CHE N Bo(Changchun Institute of Optics,Fine Me chanics&Physics,Chinese A cademy of Scienc es,Changc hun130033,China)A bstract:In order to measure the r elative spectrum distribution of soft X-ray source,it is proposed to calibrate the channel electr on multiplier(CE M)using a silic on transfer standard photodiode calibrated by NIST.The quantum effi-ciency of the CE M has been determined using the calibration method proposed while CE M was biased to1.3kV.The analysis of calibration results indicates that the calibration error of CE M is11%～17%in the8～30nm region. Key words:soft X-ray detector;soft X-ray;silicon photodiode;detector calibration;quantum efficienc y1 引 言 实验室经常需要测量软X光源的绝对或相对光谱分布,并对其光谱特性进行研究。
在过去的十几年里,这种要求在基础和应用研究方面更是与日俱增。
如医学领域,由于只有某个波段的X 射线能治疗肿瘤,就必须知道X射线源是否在这个波段有最大的辐射强度。
然而,在实际光谱测量中,单色仪、探测器在不同的波段对光源的辐射有不同的响应效率,未经标定的测量系统的测量结果不能反映光源光谱辐射的真实情形,所以需要对单色仪、探测器在不同波段的响应效率进行标定。
标定软X射线探测器的传统方法是利用同步辐射、稀有气体电离室或壁稳氩弧灯等标准(或传递标准)仪器进行标定,而本文则是利用一种新型的传递标准探测器—Si光电二极管对软X 射线探测器进行标定。
虽然Si光电二极管在可见光和红外线等波段已得到广泛应用,但在软X射线波段的使用在国内尚无先例。
收稿日期:2003-11-22;修订日期:2003-12-04. 基金项目:国家重点基金项目(No.10333010) Si光电二极管是一种新型半导体光敏探测器。
基于Si光电二极管在软X射线波段有较高稳定的量子效率和高分辨率的探测本领,它逐渐受到短波光谱学领域的科学工作者的青睐。
欧洲科学家在SOH O人造卫星上用它来研究太阳光谱,美国NASA计划把它安装到GOES、TI MED和E OS等太空探测仪器上,俄罗斯的卫星上也安装了Si光电二极管探测器。
由IRD公司(International Radiation Detectors Inc.)开发的Si光电二极管是美国NIST (National Institute of Standards and Technology)认可的在5～250nm波段唯一的传递标准探测器。
近年来,Si光电二极管作为极紫外和软X射线波段的传递标准探测器正逐渐成为该波段辐射计量的主流探测器[1-5]。
2 Si光电二极管作软X射线传递标准探测器的优越特性 用作传递标准探测器的Si P-N结光电二极管AXUV系列适用于极紫外光和软X射线波段(5～254nm)。
图1是其内部结构;图2是其外观尺寸。
其工作原理是:当一定能量(约3.7eV)的光子入射到二极管,便在二极管中产生一个电子-空穴对(载流子),电子-空穴对在P N结电场的作用下形成一个与光子数成正比的电流,由外电路导出并测量。
在短波段的光子能量比3.7eV要大很多,一个光子产生的电子-空穴对就不只一个,因而使量子效率随波长变短而线性增加。
理论上Si光电二极管的电流测量用高精度静电计就可以,但一般的商用静电计外形较大,无法和二极管靠近连接,必须借助较长的电缆,这势必带来强噪音信号的干扰。
采用一个前置运算放大器,将其与二极管紧密连接后封装到圆柱形铝质容器里。
只有光入射到二极管的窗孔和导线的出孔处有一个小孔和外界相通,其余空间全由铝屏障(见图3),从而消除大部分噪音信号干扰。
其噪音性能几乎与电子倍增管和雪崩光敏管相近。
图1 Si光电二极管内部结构Fig.1 Structure of the Siphotodiode图2 AXUV-100的外形Fig.2 Figure of AXUV-100图3 Si光电二极管的安装Fig.3 Setup of the Si photod iode下面是实验中实际应用的Si光电二极管AX-UV-100的一些特性:量子效率:量子效率是指一个光子进入探测器后产生的光电子数。
根据工作需要,实际使用的Si光电二极管的标定范围是5～50nm。
图4是其实际量子效率曲线。
有了量子效率,就可以按照公式I=i d/eP s e ,(1)计算测得光子流量I(光子/s),P s e是Si光电二极管的量子效率,i d是光电二极管测得的电流,它119第1期 曹继红,等:用Si光电二极管标定软X射线探测器是波长的函数。
图4 AXUV -100的实际量子效率Fig .4 Quantu m efficiency of AXUV -100稳定性:指量子效率的稳定性。
经过测试,在致密氧化膜的保护下,Si 光电二极管放入100%的相对湿度环境下存放4周或者室温下存放若干年,量子效率几乎不发生变化。
这种探测器保存方便。
分辨率:Si 光电二极管能分辨3.63eV 的光子,这也是半导体探测器普遍具有的优势。
此外还有其他特性,如较高的灵敏度,几nA 的暗电流和几十到几百倍的信噪比等。
与传统的软X 射线探测器相比较,AXU V 光电二极管探测器还有很多优点:低噪音、无偏压、线路少、体积小、对磁场无感应、相对大的收集面积、量子效率的空间分布均匀以及较大的电流动态范围等。
其光电转换发生在二极管的内部,不受外部污染的影响。
所有这些都决定了它适合作实验室软X 射线传递标准探测器。
3 通道电子倍增器标定实验 在相同条件下分别用通道电子倍增器和Si 光电二极管AXUV -100测量单色仪输出的光谱强度(记为I go ,单位光子/s ),则由公式(1)有I go =i ds /eP s e =i dr /eP re ,(2)i ds 是Si 光电二极管电流,i dr 是倍增器的电流,P re 是倍增器的量子效率。
但是,实验中不是直接测量电流,而是利用积分电容Q =V C =i d t 的关系,测量电流的积分电压V ,即上式(2)可变换为V ds C s /t s P s e =C r V dr /t r P re ,(3)这仅是一个理想的计算公式,没有考虑运放和前置放大器的增益以及电子倍增器的放大倍数。
不过运放电压和前置放大器电压是恒定的,增益是常数。
只要在电子倍增器的放大电压一定的情况下,实际的计算公式与理想公式(3)就只差一个常数,而且式(3)中的C 、t 对特定的Si 光电二极管积分电路和电子倍增器积分电路而言也是常数。
现在把所有的常数用K 代替,得到测量的实验公式P re =KV dr P s e /V ds ,(4) 实验具体步骤如下:在样品室的样品台上装上Si 探测器和电子倍增器,布局如图5。
样品台可以在计算机控制的步进电机驱动下旋转。
当完成一个探测器的测量工作后,在真空下转动样品台,使另一个探测器对准入射光。
转动角度在实验前的大气状态下已经调节好。
波长扫描范围是8～30nm ,间距与Si 光电二极管的量子效率曲线一致(见图4)。
真空度在～10-4Pa ,采用氙气靶激光等离子体光源。
测量数据由虚拟数据采集器采集和处理[6]。
图6是分别用Si 光电二极管和通道电子倍增器测得的单色仪输出的光谱分布(测量值是V dr 、V ds )。
图7是利用式(4)计算出的通道电子倍增器在放大电压为1.3kV 时的量子效率P re 的分布曲线。
图5 探测器的布局Fig .5 Positions of two detectors图6 用Si 光电二极管和电子倍增器测得的光谱Fig .6 Spectru m measured by photodiode and multiplier120光学 精密工程 第12卷图7 电子倍增器的效率曲线Fig .7 E fficiency of the electron multiplier4 实验分析 图8是用标定后的电子倍增器测得的单色仪输出的光谱强度分布,与用Si 光电二极管测得的光谱分布相同。
虽然在这次测量中电子倍增器的放大电压读数是1.3kV ,但由于读数时偶然误差的影响,实际的放大电压可能和前面实验中的放大电压有所不同,因而式(4)中的常数K 发生一些变化。
但在放大电压很小的变化范围内,可以认为K 是线性变化的,即放大电压的微小变化不会影响光谱的相对分布。
图8 用电子倍增器测得的单色仪输出的光谱分布I go (C S =1PF ,t s =40ns )Fig .8 Spectrum distribution of mon ochromator output ,mea -sured by electron multiplier下面是探测器标定误差分析:根据NI ST 对Si光电二极管的标定误差数据得出实际应用的8～30nm 波段内误差是7～11%(峰值波长12.5和17.5nm 处均为8%),该误差来源于NIST 的标定系统;作传递标准探测器进行标定实验时的校准误差为4～6%,该误差来源于Si 光电二极管自身,因而以高斯传递方式带入待标定的电子倍增器的误差为5.7～8.9%。
