1-2探测器概论

㈠、基本结构与原理
光电阴极 电子光学输入系统 阳极
光入射窗口 二次发射电子倍增器
1．光入射窗
光窗分侧窗式和端窗式两种，它是入射光的通道。由于
光窗对光的吸收与波长有关，波长越短吸收越多，所以倍
增管光谱特性的短波阈值决定于光窗材料。
侧窗式
端窗式
2．光电阴极
光电阴极由光电发射材料制作。光电发射材料大 体可分为：金属材料、半导体材料。
的接地方式有两种，即
阴极接地或阳极接
地。
阳极接地
阴极接地的特点
优点：便于屏蔽，光、磁、电的屏蔽罩可以跟阴极 靠得近些，屏蔽效果好；暗电流小，噪声低。 缺点：但这时阳极要处于正高压，会导致寄生电容 大，匹配电缆连接复杂，特别是后面若接直流放大器，整 个放大器都处于高电压，不利于安全操作；如果后面接交 流放大器，则必须接一个耐压很高的隔直电容器，而一般 耐压很高的电容器体积大而且价格高。
6．噪声等效功率(NEP)
或称最小可探测功率Pmin。 信噪比为1时，入射 到探测器上的辐射通量。即
e NEP S/N
一、概念理解 1、光电探测器的响应度（或灵敏度） 2、信噪比 3、最小可探测功率
二、简答题 热电检测器件和光电检测器件的特点是什么？
三、选择题 1、光电检测系统的核心是（ ）
4.伏安特性
光电倍增管的伏安 特性曲线分为阴极伏安 特性曲线与阳极伏安特 性曲线。在电路设计时， 一般使用阳极伏安特性 曲线来进行负载电阻、 输出电流、输出电压的 计算。
5. 频率响应
由于PMT是光电发射型器件，而光电发射的延迟时 间≤3×10－13S，所以PMT有很高的频率响应。
6.噪声
主要来源是光电阴极、光电发射的随机性和各倍 增极二次电子发射的随机性，同时也与背景光或信 号光中的直流分量有关。

N—一个探测区域内所需设置的探测器数量（只） S—一个探测区域的面积（m2） A—一个探测器的保护面积（m2） k—安全修正系数，K=0.7~1.0
说明： (1) 修正系数K，建议特级保护对象k=0.7~0.8，一级保护
对象k=0.8~0.9，二级保护对象k=0.9~1.0 (2) 特级保护对象，指公安消防部门重点保护的建筑，《高
因为当探测器监视的地面面积S＞80m2时，安装在其顶棚上的感 烟探测器受其它环境条件影响较小。房间越高、火源和顶棚的间距越 大，则烟雾均匀扩散的区域越大。
(3) 感烟探测器的保护面积和保护半径比感温探测器的要大。
A烟＝60~120m2/只、 A温＝20~40m2/只； R烟＝5.8~9.9m/只、 R温＝3.4~6.3m/只。 原因是烟的均匀扩散能力和范围比温度（热气流）要大。
(3) 对绘出的探测器布置平面图，校核探测器到最远点的水平距离R′是否超 过探测器的保护半径R;
若超过则应重新选定安装间距a、b，若仍然不能满足校核条件，应增加 N，并重新布置，直到满足R> R′。
2.梁对探测器的影响
不同房间高度下的不同梁高，对烟雾、热气流的蔓延影响不同，会给探测
器的设置和感受程度带来影响。若梁间区域面积较小时，梁对热气流或烟气流
安装间距的确定：
探测器在房间中布置时，如果是多只探测器，那么两探测器
水平距离和垂直距离称安装间距，用a、b表示。 确定a、b的方法
（1）计算法
① 表中查得A和R，计算直径D＝2R ② 根据D值对应A在图中粗实线上（即由D值
所包围部分上）取一点，它所对应的数即
为a、b值。注意实际应大于查得的a、b值。 ③ 检验探测器到最远点水平距离是否超过探
(三)感烟探测器的换气系数

光子噪声
探测器 噪声
电路噪声
●噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。 由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影 响对信号特别是微弱信号的正确探测。
●一个光电探测系统的极限探测能力往往由探 测系统的噪声所限制。
在精密测量、通讯、自动控制、核探测等领 域，减小和消除噪声是十分重要的问题， 是提高光电系统性能指标的关键。
即相位相反的相关噪声电压的合成是其瞬时值 或均方根值的线性相减，
例如：同频、反相的正弦波。 （4）当r取其它值时，表示两噪声电压部分相关。
1.4 多个噪声源的计算
每一噪声都包含很多的频率分量，而每一频 率分量的振幅及相位都是随机分布的。
●两个独立的噪声电压发生器（不相关，相关 系数r=0）串联时， 根据能量守恒原理，总输出功率等于各个噪 声源单独作用时的功率之和。
（2）当r=1时，表示两噪声电压完全相关，则：
E 2 E 1 2 E 2 2 2 E 1 E 2 ( E 1 E 2 ) 2
即完全相关，噪声电压的合成应当是瞬时值 或均方根值的线性相加， 例如：同频同相的正弦波。
（3）当r= -1时，表示两噪声电压完全相关， 但相位相反，则
E 2 E 1 2 E 2 2 2 E 1 E 2 ( E 1 E 2 ) 2
在实际使用中采用较高的调制频率可避免或 大大减小电流噪声的影响。
1.3 噪声源 的关联与叠加
噪声的关联
●不相关：当噪声电压、噪声电流彼此独立地 产生，且各瞬时值之间没有关系时，则称它 们是不相关联的，简称不相关；
●相关：若各瞬时值之间有某种关系存在，则 称它们为相关。 两个频率相同，相位一致的正弦波是完全相 关的例子。
● AB两极间的电阻为R，在绝对温度T的平衡态下， 内部的电 子处于不断的热运动中， 无序 的电子运动。

响应度定义为在一定波长的光照射下，光电探测器的平均输出电流与 入射的光功率之比： R I p
0
P0
量子效率定义为： 通过结区的光生载流子数 P
入射到器件上的光子数
Ip e h
0
h R0 响应度与量子效率的关系： e 响应度是在外部电路中呈现的宏观灵敏特性
量子效率是器件在内部呈现的微观灵敏特性
特点：与PIN和APD光检测器相比，这种结构的 结电容小，所以带宽大 另外它的制造也容易，但是这种器件的灵敏度低
光晶体管
光电晶体管和普通晶体管类似，也有电流放大作用，只是它的集电极 电流不只是受基极电路的电流控制，也可以受光的控制 光晶体管是双极型晶体管或场效应晶体管等三端器件构成的光电器件
光在这类器件的有源区内被吸收，产生光生载流子，通过内部电放大 机构，产生光电流增益
几种用的探测器
PIN光电二极管
在PN结中设置一层掺杂浓度很低的本征半导体（I层），I层的材料具有 高阻抗特性，使得PIN内部存在一个高电场区，I层几乎占据整个耗尽层， 控制I层的厚度可以控制耗尽层的厚度 I层很厚（相对）入射光很容易被吸收，从而产生大量的电子—空穴对， 大幅提高了光电转换速率 I层的引入减小了扩散分量对响应速度的 影响，但过宽的耗尽层使得载流子通过 耗尽区的漂移时间过长，又将降低响应 速度，因此应该将综合考虑设计I层厚度 特点：响应频率高、响应速度快、线性 度好成本低等 适用于短距离、小容量的光纤通信系统
APD
雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应工作的一种二极管 光从P+射入，进入I层，材料吸收光能产生初级电子—空穴对 载流子在I层被耗尽层较弱的电场加速，移向PN结 进入结区后，载流子在高电场中不断加速获得很高的能量，与晶格原子碰撞 使晶格原子发生电离，产生新的电子—空穴对，新的电子—空穴对也被加速， 又与其他原子碰撞发生电离，再次产生新的电子—空穴对，如此反复，实现对 光电子雪崩式的放大，大大的提高了器件的响应度 特点：灵敏度高、响应速度快、具有内部增益等 适用于长距离、大容量的光纤通信系统