热辐射探测器件

热辐射探测器件第1页，课件共64页，创作于2023年2月

光电倍增管主要由入射窗口、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极五个主要部分组成。2.光电倍增管(PMT)2.1．光电倍增管的结构第2页，课件共64页，创作于2023年2月

为了使光电子能有效地被各倍增极电极收集并倍增，阴极与第一倍增极、各倍增极之间以及末级倍增极与阳极之间都必须施加一定的电压。

最基本的方法是在阴极和阳极之间加上适当的高压，阴极接负，阳极接正，外部并接一系列电阻，使各电极之间获得一定的分压:2.2PMT的工作原理④经过倍增后的二次电子由阳极P收集起来，形成阳极光电流Ip，在负载RL上产生信号电压Ｕ0。①光子透过入射窗口入射在光电阴极K上②光电阴极K受光照激发，表面发射光电子③光电子被电子光学系统加速和聚焦后入射到第一倍增极D1上，将发射出比入射电子数更多的二次电子。入射电子经N级倍增后，光电子数就放大N次D2D1DnPKUORnRn-1R2R1-HVRL第3页，课件共64页，创作于2023年2月2.3．二次电子

当具有足够动能的电子轰击倍增极材料时，倍增极表面将发射新的电子。称入射的电子为一次电子，从倍增极表面发射的电子为二次电子

把二次发射的电子数N2与入射的一次电子数Nl的比值定义为该材料的二次发射系数

增大Ep，δ值反而下降δ随Ep增大而增大？第4页，课件共64页，创作于2023年2月3.CCD的结构和工作原理1前照明光输入1背照明光输入2电荷生成3电荷收集4电荷转移5电荷测量视频输出此图摘自JamesJanesick“DuelingDetectors”3.1CCD的结构和工作流程CCD?结构单元？线阵列？面阵列？第5页，课件共64页，创作于2023年2月x1x2x3y1y2y3紫色红色蓝色R:G:B=139:0:225R:G:B=225:0:0R:G:B=0:0:225y1y2y4紫色y3y4CCD成像原理简示图第6页，课件共64页，创作于2023年2月3.2CCD的工作流程CCD基本工作流程？信号电荷的产生信号电荷的存贮信号电荷的传输信号电荷的检测第7页，课件共64页，创作于2023年2月+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-VG电荷的存储第8页，课件共64页，创作于2023年2月123时间滑尺+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123电荷的转移三相CCD第9页，课件共64页，创作于2023年2月123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123电荷的转移三相CCD第10页，课件共64页，创作于2023年2月123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123电荷的转移三相CCD第11页，课件共64页，创作于2023年2月123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123电荷的转移三相CCD第12页，课件共64页，创作于2023年2月123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123电荷的转移三相CCD第13页，课件共64页，创作于2023年2月+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123123当第一个电荷包由右边移出时，下一个电荷包由左边移入。电荷的转移三相CCD第14页，课件共64页，创作于2023年2月123+5V0V-5V+5V0V-5V+5V0V-5V123电荷的转移三相CCD第15页，课件共64页，创作于2023年2月第5章热辐射探测器件苏州科技学院电子学院孙云飞第16页，课件共64页，创作于2023年2月什么是热电检测器件？热电探测器是将辐射能转换为热能，然后再把热能转换为电能的器件。热电探测器件大致分为热电偶及热电堆；气动探测器；热敏电阻；热释电探测器。热辐射探测器件=热电检测器件第17页，课件共64页，创作于2023年2月热电探测器件与普通的温度计的区别:相同点：二者都有随温度变化的性能。不同点：温度计是通过液体热胀冷缩原理，要与外界有尽量好的热接触，必须达到热平衡。热电探测器：既要与入射辐射有最佳的相互作用，同时又要尽量少的与外界发生热接触；能把热能转换成电能。第18页，课件共64页，创作于2023年2月黑体温度较低时,主要以不可见的红外光进行辐射,当温度为3000摄氏度时热辐射中最强的波长在红外区。5000度以上至8000度时,热辐射中最强的波长成分在可见光区。热辐射探测器件：远红外0.1cm～60um

中红外60um～2.5um

近红外2.5um～780nm

可见光780nm～380nm

近紫外线380nm～200nm

远紫外200nm～10nm

χ射线10nm～0.1nm

γ射线＜0.1nm

★器件吸收入射辐射功率产生温升，温升引起材料各种有赖于温度的参量的变化，监测其中一种性能的变化，来探知辐射的存在和强弱。这一过程比较慢，一般的响应时间多为毫秒级。第19页，课件共64页，创作于2023年2月内容5.1热辐射的一般规律5.2热敏电阻5.3热电偶5.4热释电探测器5.5高莱探测器第20页，课件共64页，创作于2023年2月1.热电探测器件的性能如何表征？2.热电探测器件的温升跟辐射功率的关系？3.热电探测器件的温升跟入射波的调制频率的关系？4.热电探测器件的温升跟材料的热容和热导（阻）的关系？5.1热辐射的一般规律温升：当热探测器的敏感元件吸收红外辐射后将引起温度升高：ΔT=T-T0;热容：单位质量的物体在某一过程中，每升高（或降低）单位温度时从外界吸收（或放出）的热量：C=ΔQ/

mΔT;热导:单位时间内透过某种材料的热量除以材料两表面间的温

度差：G=ΔQ/ΔT；第21页，课件共64页，创作于2023年2月热电探测器件吸收辐射引起的温度变化设入射辐射的功率为则探测器吸收辐射后每秒钟产生的热量为设探测器的原温度为T0，吸收辐射后的温升为△T5.1热辐射的一般规律第22页，课件共64页，创作于2023年2月所以探测器吸收的辐射功率等于每秒钟探测器升温所需的能量和传导损失的能量由探测器与周围环境发生热传导引起的单位时间内的热量为？第23页，课件共64页，创作于2023年2月取幅值可得第24页，课件共64页，创作于2023年2月温升与入射的辐射功率成正比，跟调制频率成反比。入射辐射功率越大，温升越大，调制频率ω越大，温升就越小。

在相同的入射辐射下，希望得到大的温升，则探测器的①热容要小；②与外界的热耦合要小。③材料的吸收系数要大；第25页，课件共64页，创作于2023年2月内容5.1热辐射的一般规律5.2热敏电阻5.3热电偶5.4热释电探测器5.5高莱探测器第26页，课件共64页，创作于2023年2月5.2热敏电阻探测器热敏电阻

(测辐射热计Bolometer)——吸收辐射后由于温升而使电阻改变的器件。它多由金属氧化物半导体材料制成。也有由单晶半导体、玻璃和塑料制成的。广泛应用于测温、控温、温度补偿、报警等领域。符号热敏电阻第27页，课件共64页，创作于2023年2月适宜材料有铂、铜、镍、铁等。正性热敏电阻PTC：：一般金属的能带结构外层无禁带，自由电子密度很大，以致外界光作用引起的自由电子密度相对变化较半导体而言可忽略不计。吸收辐射产生温升后，自由电子浓度的增加是微不足道的。相反，因晶格振动的加剧妨碍了自由电子作定向运动，从而电阻温度系数是正的热敏电阻的分类（1）正性热敏电阻PTC：PositiveTemperatureCoefficient(PTC)thermistors（2）负性热敏电阻NTC：NegativeTemperatureCoefficient(NTC)thermistors第28页，课件共64页，创作于2023年2月热敏电阻的分类（1）正性热敏电阻PTC：PositiveTemperatureCoefficient(PTC)thermistors（2）负性热敏电阻NTC：NegativeTemperatureCoefficient(NTC)thermistors负性热敏电阻NTC：半导体材料对光的吸收除了直接产生光生载流子的本征吸收和杂质吸收外，还有不直接产生载流子的晶格吸收和自由电子吸收等，并且不同程度地转变为热能，引起晶格振动的加剧，器件温度的上升，即器件的电阻值发生变化。其中部分电子能够从价带跃迁到导带成为自由电子，使电阻减小，电阻温度系数是负的。第29页，课件共64页，创作于2023年2月迁移率与温度的关系掺杂很轻：忽略电离杂质散射μ高温：晶格振动散射为主，忽略电离杂质散射μT晶格振动散射μ高掺杂情况：低温：电离杂质散射为主，忽略晶格散射

T电离杂质散射T晶格振动散射迁移率的影响因素第30页，课件共64页，创作于2023年2月热敏电阻的分类（1）正性热敏电阻PTC：PositiveTemperatureCoefficient(PTC)thermistors（2）负性热敏电阻NTC：NegativeTemperatureCoefficient(NTC)thermistors热敏电阻探测器的主要参数有：（1）电阻-温度特性①

正温度系数的热敏电阻②

负温度系数的热敏电阻（2）热敏电阻阻值变化量ΔRT=RTaTΔT

电阻温度系数ΔT

W0

ΔU

?第31页，课件共64页，创作于2023年2月测辐射热计吸收辐射产生温升∆T，阻值相应变化∆RT，在负载上产生的电压变化为：RT代入电阻温度系数第32页，课件共64页，创作于2023年2月测辐射热计第33页，课件共64页，创作于2023年2月由热敏材料制成的厚度为0.01mm左右的薄片电阻粘合在导热能力高的绝缘衬底上，电阻体两端蒸发金属电极以便与外电路连接；再把衬底同一个热容很大、导热性能良好的金属相连构成热敏电阻。（使用热特性不同的衬底，可使探测器的时间常量由大约1ms变为50ms）红外辐射通过探测窗口投射到热敏元件上，引起元件的电阻变化。为了提高热敏元件接收辐射的能力（提高吸收系数），常将热敏元件的表面进行黑化处理。测辐射热计的核心部件-热敏电阻第34页，课件共64页，创作于2023年2月内容5.1热辐射的一般规律5.2热敏电阻5.3热电偶5.4热释电探测器5.5高莱探测器第35页，课件共64页，创作于2023年2月5.3热电偶（thermocouples&thermopile）热电偶：即两种相互接触的材料构成的器件作用：它能产生温差电效应：Φ→ΔT→U第36页，课件共64页，创作于2023年2月

将两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设T＞T0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。一、热电偶的工作原理热电偶原理图TT0AB12

回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即接触电势和温差电势。1、热电偶第37页，课件共64页，创作于2023年2月热电极A自由端（参考端、冷端）

测量（工作端、热端）

热电极B热电势AB

当A、B材料确定，且冷端温度恒定，则热电动势仅与测量端温度有关。第38页，课件共64页，创作于2023年2月AB1T0T2

由热电效应制成的测温传感器就是热电偶。测温时：

结点1置于被测温度场中，称为测量端（工作端、热端）；

结点2处于某一恒定温度（或已知温度），称为参考端（自由端或冷端）。

可见热电偶由温差产生的热电势是随介质温度变化而变化，即： Et＝eAB(T)－eAB(T0)；

eAB(T0)—温度为T0处热电势；

eAB(T)—温度为T处热电势。

Et—热电偶的热电势；第39页，课件共64页，创作于2023年2月AB1T0T2热电偶示意图ABT0T测量仪表或电路热电偶与测量仪表连接示意图第40页，课件共64页，创作于2023年2月（1）接触电势热电偶的热电势由接触电势和温差电势组成

由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当两种不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散。电子的扩散速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。设导体A和B的自由电子密度为nA和nB，且有nA>nB，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B则因获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍了电子继续扩散，达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电动势。第41页，课件共64页，创作于2023年2月式中：K—波尔兹曼常数，K＝1.38×10-23

e—电子电荷量e=1.6×10-19C

NA、NB为A、B材料的自由电子密度。其大小可表示为：T0端接触电势T端接触电势接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。ABT0T接触电势EAB(T)EAB(T0)第42页，课件共64页，创作于2023年2月热电偶是一个闭合回路，回路中总的接触电势为当热电偶两端温度相同时，回路中总的接触电势为零。第43页，课件共64页，创作于2023年2月2.温差电势

对于单一金属，如果两端的温度不同，则温度高端的自由电子向低端迁移，使单一金属两端产生不同的电位，形成电势，称为温差电势。其大小与金属材料的性质和两端的温差有关，可表示为A导体：B导体：总温差电动势：σ——汤姆逊系数，表示导体两端的温度差为1℃时所产生的温差电动势，例如在0℃时，铜的σ=2μV/℃。ABT0T接触电势EAB(T)EAB(T0)第44页，课件共64页，创作于2023年2月3.回路总电势：

由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0如果T＞T0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势EAB(T,T0)=EAB(T)＋EB(T,T0)－EAB(T0)－EA(T,T0) ？回路接触电势回路温差电势第45页，课件共64页，创作于2023年2月(1)如果热电偶两电极的材料相同，即nA=nB，σA＝σB，虽然两端温度不同，但闭合回路的总热电势仍为零。因此，热电偶必须用两种不同材料作热电极。(2)如果热电偶两电极材料不同,而热电偶两端的温度相同，即T＝T0，闭合回路中也不产生热电势。讨论：

可见：只要测出EAB（T,T0）的大小，就能得到被测温度T，这就是利用热电偶测温的原理。第46页，课件共64页，创作于2023年2月热电偶回路中产生的总热电势忽略温差电动势，热电偶的热电势可表示为：

第47页，课件共64页，创作于2023年2月内容5.1热辐射的一般规律5.2热敏电阻5.3热电偶5.4热释电探测器5.5高莱探测器第48页，课件共64页，创作于2023年2月5.4.1热释电探测器热释电器件：一种利用热释电效应制成的热探测器件热释电效应：某些物质吸收光辐射后将其转换成热能，这个热能使晶体的温度升高，引起表面电荷发生变化的现象。温度低温度高如图表面电荷变低什么是热释电材料？热释电材料的工作原理是什么？第49页，课件共64页，创作于2023年2月1.相关概念1）极化——在电场作用下,电介质中束缚着的电荷发生位移或者极性按电场方向转动的现象2）自发极化——在外加电场除去后铁电体仍保持着极化状态的现象铁电体在没有外电场作用时,存在着电偶极子的有序排列3）自发极化强度Ps——在垂直于极化轴的单位面积上的自发极化电荷量。它是一个矢量,其单位为C/m2。5.4.2热释电器件的基本工作原理钛酸钡；钛酸铋，铁酸铋第50页，课件共64页，创作于2023年2月铁电体中存在固有的自发极化电矩；自发极化电矩可以在外电场作用下改变方向。铁电体的这些性质与铁磁性十分相似，故称铁电性。4）居里温度Tc（居里点）——指一种临界温度，当大于Tc时，自发极化消失。居里温度第51页，课件共64页，创作于2023年2月5.4.3热释电效应1．热释电材料(铁电材料)极性晶类，晶体内正、负电荷中心并不重合，晶体原子具有一定电矩；也就是说晶体本身具有自发极化特性。但介质中的电偶极子排列杂乱,宏观不显极性。第52页，课件共64页，创作于2023年2月2．热释电材料的极化对热释电材料施加直流电场自发极化矢量将趋向于一致排列，总的电极化矢量

加大。当电场去掉后，总的仍能保持下来。第53页，课件共64页，创作于2023年2月由于保持下来的，将在材料表面吸附表面电荷，其面电荷密度单畴化后的热电体，其电极化矢量值是温度的函数第54页，课件共64页，创作于2023年2月3．热释电效应定义某些物质（如硫酸三甘肽、铌酸锂等）吸收光辐射后将其转换成热能，这个热能使晶体的温度升高，温度变化将引起居里温度以下的自发极化强度的变化，从而在晶体的特定方向上引起表面电荷的变化，这就是热释电效应。

光辐射T↑↓σ光辐射→T↑→极化强度矢量变化→晶体表面上出现所测量出的电荷

第55页，课件共64页，创作于2023年2月4．热释电材料最高工作温度当T↑＝Tc（居里温度时），单畴极化强度消失＝0热释电现象消失即当T＜Tc时，才有热释电现象居里温度Tc——评价热释电探测器的品质因数，希望Tc越高越好。第56页，课件共64页，创作于2023年2月铁电体的自发极化强度PS（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“居里温度”或“居里点”。在居里点以下，极化强度PS是温度T的函数。利用这一关系制造的热敏探测器称为热释电器件。第57页，课件共64页，创作于2023年2月注意：当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片时，引起薄片