Wykład VII Detektory

Transkrypt

1 Wykład VII Detektory

2 Rodzaje detektorów

3 Parametry detektorów Sygnał na wyjściu detektora zaeży od długości ai powierzchni światłoczułej A i częstości moduacji poaryzacji niech opisuje to parametr - ias oraz mocy padającego promieniowania P: V = V P A Parametry opisujące własności detektora powinny dać odpowiedź na cztery podstawowe pytania: jak zaeży sygnał z detektora od długości ai promieniowania czyi jak wygąda jego charakterystyka widmowa; jaka najmniejsza moc promieniowania padającego na detektor spowoduje pojawienie się na jego wyjściu sygnału równego szumom własnym detektora; jaką uzyska się wiekość sygnału jeśi na detektor pada jednostkowa moc promieniowania; jak zachowuje się detektor przy moduacji promieniowania. Wiekością ograniczającą stosowaność detektora jest szum.

4 Czułość napięciowa i charakterystyka widmowa Czułość napięciowa - stosunek wartości skutecznej napięcia sygnału wyjściowego o częstotiwości podstawowej do wartości skutecznej mocy promieniowania padającego o częstotiwości podstawowej: ] [ W V P V R s V gdzie P jest quasi monochromatyczną mocą promieniowania o długości ai padającą na detektor. Charakterystyka widmowa

5 Ekwiwaentna moc szumów i detekcyjność Ekwiwaentna moc szumów NEP noise equivaent power jest to taka wartość skuteczna mocy promieniowania padającego na detektor która daje na wyjściu sygnał o wartości skutecznej równej poziomowi szumu znormaizowanego do jednostkowej szerokości pasma: ] [ ] [ 2 1/ Hz W V P V Hz W R V NEP s n v n Detekcyjność znormaizowana D*. Jest to stosunek sygnału do szumu odniesiona do jednostkowego strumienia promieniowania padającego na jednostkę powierzchni detektora i jednostkowej szerokości pasma przenoszenia: ] [ 2 1/ * W cmhz P V A V V A R NEP A D n s n v

6 Charakterystyka częstotiwościowa da detektorów otonowych V 1 gdzie jest stałą czasową detektora: d

7 Szumy w detektorach otonowych

8 Szum śrutowy i Johnsona - Nyquista Fotoprąd: i ph ep h Szum śrutowy wywołany ziarnistością nośników prądu występuje w detektorach gdy płynie przez nie prąd. Moc szumu śrutowego: P sr = i n 2 R L = 2ei ph + i 0 R L Gdzie pasmo przenoszenia detektora a i 0 - prąd ciemny Szum termiczny wywołany ruchiwością nośników w >0 Moc szumu śrutowego: P term = 4k

9 Stosunek sygnał/szum S/N S N = Psyg P sr + P term = i 2 ph R L 2e i ph + i 0 R L + 4k Duży sygnał i duża R L S N = i ph 2e - dominuje szum śrutowy Mały sygnał i duża R L S N = i 2 ph 2ei 0 Mały sygnał i mała R L 2 R L S N = i ph 4k - dominuje szum termiczny

10 Szum generacji-rekominacji i szum 1/ Szum g-r Wywołany jest statystyczną uktuacją procesów rekominacji eektron - dziura P g r = 4 i 2 τr L N 1 + 4π 2 2 τ 2 Gdzie i prąd poaryzacji detektora τ czas rekominacji N - średnia icza nośników Szum 1/ Przyczyna nie jest znana Zwyke α = 2 i β = 1. P 1/ = K i α R L β

11 Detektory termiczne Detektory te opierają się na zjawiskach termicznych czyi takich w których następuje zmiana pewnych własności materiału spowodowana zmianą jego temperatury pod wpływem padającego promieniowania. Eekty te nie zaeżą od otonowej natury padającego promieniowania. Datego też otosygnał zaeży tyko od mocy padającego promieniowania a nie zaeży od długości ai. ermopara Detektor piroeektryczny Boometr Komórka Goay a

12 Detektory termiczne

13 Wymiana ciepła z otoczeniem Jeśi ciało pochłonęło energię ciepną Q to jego temperatura wzrośnie o : Q = C Strumień ciepła oddawany otoczeniu: d Q d C dt dt Strumień ciepła porany przez otoczenie: P = G Jeśi strumień promieniowania zewnętrznego jest równy zeru to z ZZE: d Q dt P 0 d R 1 C dt gdzie R =1/G i nazywa się opornością ciepną.

14 Wymiana ciepła z otoczeniem d R 1 C dt Całkując oustronnie: n 1 t c RC Niech w chwii t=0 0 = D 0. Wtedy da t=0: n 0 = c 1 n t n RC 0 n 0 1 t gdzie = R C. Stąd = 0 exp t τ

15 Wymiana ciepła z otoczeniem + oświetenie Oznaczmy strumień ciepła P związany z oświeteniem. Jeśi strumień światła moduowany jest periodycznie w czasie z częstotiwością w: P P exp it 0 d Q dt P P exp it 0 Niech = a exp it wtedy a 0 C R i 1 PR P R 0 exp it C R i 1 *

16 Wymiana ciepła z otoczeniem + oświetenie Jeśi wprowadzimy admitancję ciepną A 1 1 ic R Z to równanie * ędzie przypominać prawo Ohma da prądu przemiennego: = Z P u napięcie; Z - Z impedancja w owodzie prądu zmiennego; P i prąd.

17 Kontaktowa różnica potencjałów termoe termoe Eekt Seeecka Siła termoeektryczna jest proporcjonana do różnicy temperatur

18 ermopara ermoeement składa się z szeregowo połączonych wieu złączy: -płytki odiornika -złącza wykonanego z materiału o dużym współczynniku -termicznie izoowanych wsporników mocujących termoeement. termoe termoe P R exp 0 it C R i 1 Czułość termoeementu: S termoe P C R R i R 1

19 Detektor piroeektryczny

20 Porównanie detektora piroeektrycznego i termopary

21 Boometr Pod wpływem ciepła wydzieonego w oometrze przy asorpcji promieniowania wzrasta temperatura oometru i zmienia się jego opór eektryczny. Ponieważ zmiany oporu mogą yć. małe stosuje się układy mostkowe do pomiaru tych zmian np. mostek Wheatstone a.

22 Komórka Goay a