Wykład VII Detektory I

Wykład VII Detektory I

Rodzaje detektorów

Parametry detektorów Sygnał na wyjściu detektora zależy od długości fali (l), powierzchni światłoczułej (A) i częstości modulacji (f), polaryzacji (niech opisuje to parametr b - bias) oraz mocy padającego promieniowania (P): V = V ( b, f, l, P, A) Parametry opisujące własności detektora powinny dać odpowiedź na cztery podstawowe pytania: jak zależy sygnał z detektora od długości fali promieniowania, czyli jak wygląda jego charakterystyka widmowa; jaka najmniejsza moc promieniowania padającego na detektor spowoduje pojawienie się na jego wyjściu sygnału równego szumom własnym detektora; jaką uzyska się wielkość sygnału, jeśli na detektor pada jednostkowa moc promieniowania; jak zachowuje się detektor przy modulacji promieniowania. Wielkością ograniczającą stosowalność detektora jest szum.

Czułość napięciowa i charakterystyka widmowa Czułość napięciowa - stosunek wartości skutecznej napięcia sygnału wyjściowego o częstotliwości podstawowej do wartości skutecznej mocy promieniowania padającego o częstotliwości podstawowej: ] [ ) ( ),, ( ),, ( W V P f b V f b R s V l l l l l gdzie P l l jest quasi monochromatyczną mocą promieniowania o długości fali l, padającą na detektor. Charakterystyka widmowa

Ekwiwalentna moc szumów i detekcyjność Ekwiwalentna moc szumów ( NEP noise equivalent power ) jest to taka wartość skuteczna mocy promieniowania padającego na detektor, która daje na wyjściu sygnał o wartości skutecznej równej poziomowi szumu, znormalizowanego do jednostkowej szerokości pasma: Detekcyjność znormalizowana, D* l. Jest to stosunek sygnału do szumu odniesiona do jednostkowego strumienia promieniowania (padającego na jednostkę powierzchni detektora) i jednostkowej szerokości pasma przenoszenia:

Charakterystyka częstotliwościowa dla detektorów fotonowych V ( f ) 1 gdzie jest stałą czasową detektora: 4 1 2 f 2 2 1 2 f 3db

Szumy w detektorach fotonowych

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 śr = i n 2 R L = 2e(i ph + i 0 ) fr L Gdzie f pasmo przenoszenia detektora a i 0 - prąd ciemny Szum termiczny wywołany ruchliwością nośników w >0 Moc szumu termicznego: P term = 4k f

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

Szum generacji-rekombinacji i szum 1/f Szum g-r Wywołany jest statystyczną fluktuacją procesów rekombinacji elektron - dziura P g r = 4 i 2 τr L N (1 + 4π 2 f 2 τ 2 ) Gdzie i prąd polaryzacji detektora, τ czas rekombinacji, N - średnia liczba nośników Szum 1/f Przyczyna nie jest znana Zwykle α = 2 i β = 1. P 1/f = K i α fr L f β

Detektory termiczne Detektory te opierają się na zjawiskach termicznych, czyli takich, w których następuje zmiana pewnych własności materiału spowodowana zmianą jego temperatury pod wpływem padającego promieniowania. Efekty te nie zależą od fotonowej natury padającego promieniowania. Dlatego też fotosygnał zależy tylko od mocy padającego promieniowania a nie zależy od długości fali. ermopara Detektor piroelektryczny Bolometr Komórka Golay a

Detektory termiczne

Wymiana ciepła z otoczeniem Jeśli ciało pochłonęło energię cieplną Q to jego temperatura wzrośnie o : Q = C Strumień ciepła oddawany otoczeniu: d( Q) d( ) C dt dt Strumień ciepła pobrany przez otoczenie: P = G Jeśli strumień promieniowania zewnętrznego jest równy zeru to z ZZE: d( Q) dt P 0 dt d( ) gdzie R =1/G i nazywa się opornością cieplną. R 1 C = 0 exp t τ

Wymiana ciepła z otoczeniem + oświetlenie Oznaczmy strumień ciepła P związany z oświetleniem. Jeśli strumień światła modulowany jest periodycznie w czasie z częstotliwością 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 (*)

Kontaktowa różnica potencjałów termoel termoel Efekt Seebecka Siła termoelektryczna jest proporcjonalna do różnicy temperatur

ermopara ermoelement składa się z szeregowo połączonych wielu złączy: -płytki odbiornika -złącza wykonanego z materiału o dużym współczynniku, -termicznie izolowanych wsporników mocujących termoelement. termoel termoel P R exp( ) 0 it C R i 1 Czułość termoelementu: S termoel P C R R i 1 2 2 R 1

Detektor piroelektryczny

Porównanie detektora piroelektrycznego i termopary

Bolometr Pod wpływem ciepła wydzielonego w bolometrze przy absorpcji promieniowania wzrasta temperatura bolometru i zmienia się jego opór elektryczny. Ponieważ zmiany oporu mogą być b. małe, stosuje się układy mostkowe do pomiaru tych zmian, np. mostek Wheatstone a.

Komórka Golay a