Cistopis_ detektory .pdf - FBMI

fbmi.cvut.cz

Cistopis_ detektory .pdf - FBMI

Detektory optického záření

Vrbová, Jelínková, Gavrilov, Úvod do laserové techniky,

ČVUT FJFI, 1994

Kenyon, The light fantastic, Oxford

Goldman, Lasers in Medicine, kapitola Optická a tepelná

dozimetrie


Zjišťování optického záření :

v daném místě

v daném čase

Přímá detekce : frekvence vlny stejná s

rezonanční frekvencí obvodu připojeného

k anténě (pro opt. záření nevhodné,

anténa velikosti mikrometrů)

Nepřímá detekce : založena na absorpci

záření a přeměně vnitřní energie

kvantové soustavy na energii tepelnou,

elektrickou nebo chemickou.


Základní parametry optických detektorů

(detektivita, konverzní účinnost, časová odezva,

spektrální charakteristika)

DETEKTIVITA – minimální výkon optického

záření je úměrný druhé odmocnině ze šířky

frekvenčního pásma detekčního zařízení

P min = f/D [W -1 Hz 1/2 ]

U většiny plošných detektorů je minimální

detekovatelný výkon P min úměrný také druhé

odmocnině z plošného obsahu S fotocitlivé

plochy detektoru

P min = f S/D [W -1 mHz 1/2 ]


Základní parametry optických detektorů

(detektivita, konverzní účinnost, časová odezva,

spektrální charakteristika)

KONVERZNÍ ÚČINNOST – poměr

výsledné (využité energie) k energii do

procesu vstupující

Je li detektor založen na fotoeletrickém

jevu, pak se namísto konverzní účinnosti

uvádí kvantová účinnost, tj. poměr počtu

uvolněných fotoelektronů k počtu fotonů

záření dopadajích na fotokatodu


Základní parametry optických detektorů

(detektivita, konverzní účinnost, časová odezva,

spektrální charakteristika)

ČASOVÁ ODEZVA – detektoru je časový

interval, za který se podstatně změní výstupní

signál detektoru, jestliže se na počátku změnila

skokem intenzita signálu dopadajícího na

detektor

SPEKTRÁLNÍ CHARAKTERISTIKA – je závislost

výstupní veličiny detektoru optického záření na

frekvenci (vln. délce) dopadajícího optického

záření


TEPELNÉ DETEKTORY

Kalorimetr teplo

Termočlánek termoel. napětí

Bolometr změna el. vodivosti

Termistor změna el. vodivosti

Pyroelektrický detektor změna polarizace

Pyromagnetický detektor změna permeability

Golayova cela tepelná roztažnost plynu

Evaporograf kondenzované páry na tenké membráně

Tekuté krystaly změna optických vlastností

Termionický detektor změna rychlosti emise z katody


TEPELNÉ DETEKTORY = Fototermální detektory

Založené na absorpci dopadajícího světla povrchem černého tělesa „blackbody“ (tj. 100%

absorpce) a měření výsledného nárůstu teploty povrchu konverzí do elektrického signálu.

Hlavní výhodou takovýchto detektorů je že mají téměř plochou spektrální odezvu v širokém

rozsahu vlnových délek, nezávisí na charakteristikách pulzu dopadajícího světla, a mohou být

použity pro vysoké hodnoty výkonu.

Obráceně, mají pomalou časovou odezvu (což limituje jejich užití když se mění světlo na

srovnatelné časové škále) a relativně špatnou citlivost. Jsou tudíž nejčastěji používány pro

měření středního (průměrného) výkonu laserů. Citlivé prvky mohou být různých rozměrů a

tvaru pro různé aplikace a detektorové hlavy jsou často napojeny na kabel vzdáleného čtecího

zařízení, což dává flexibilitu v umístění detektoru.


TEPELNÉ DETEKTORY- fotoodpor

založen na vnitřním fotoelektrickém jevu

tvořen Si nebo Ge destičkou s naneseným

kovem ve tvaru meandru

elektrický odpor se snižuje se zvyšující se

intenzitou dopadajícího světla

lze detekovat VIS, IR, UV – v závislosti na

použitém materiálu

velká citlivost, nízká cena, dlouhá doba

odezvy, velká teplotní závislost

ČVUT v Praze - Fakulta biomedicínského inženýrství


FOTOELEKTRICKÉ DETEKTORY

Jsou založeny na přeměně optického záření na

elektrickou energii (fotovodivostní změny,

fotodielektrický jev – tj. změně permitivity excitací

atomů, nebo na vnitřním nebo vnějším fotoelektrickém

jevu)

Vnější fotoelektrický jev – je emise elektronů z

pevných látek a kapalin a je vyvolána absorpcí záření

Vnitřní fotoelektrický jev – je změna populace

elektronových energetických hladin v pevné látce –

dochází k ní po absorpci optického záření – jedná se o

přirůstek počtu uvolňovaných elektronů


FOTOELEKTRICKÝ JEV

Fotoelektrický jev či fotoefekt je fyzikální jev, při němž jsou elektrony

uvolňovány (vyzařovány, emitovány) z látky (nejčastěji z kovu) v důsledku

absorpce elektromagnetického (např. rentgenové záření nebo viditelného

světla) látkou. Emitované elektrony jsou pak označovány jako

fotoelektrony a jejich uvolňování se označuje jako fotoelektrická emise

(fotoemise).

Pokud jev probíhá na povrchu látky, tzn. působením vnějšího

elektromagnetického záření se elektrony uvolňují do okolí látky, hovoří se o

vnějším fotoelektrickém jevu.

Fotoelektrický jev však může probíhat i uvnitř látky, kdy uvolněné elektrony

látku neopouští, ale zůstávají v ní jako vodivostní elektrony. V takovém

případě se hovoří o vnitřním fotoelektrickém jevu.


FOTOELEKTRICKÉ DETEKTORY

FOTOVODIVOSTNÍ DETEKTOR, FOTOKATODA, VAKUOVÁ DIODA, FOTONÁSOBIČ, POLOVODIČOVÁ

FOTODIODA, SCHOTTKYHO FOTODIODA, LAVINOVÝ DETEKTOR, CCD

FOTOVODIVOSTNÍ DETEKTOR – zvětšení

vodivosti materiálu účinkem opt. záření- v

důsledku vnitřního fotoelektrického jevu. U

polovodičů. Spektrálně selektivní v pásmu 0.6

až 12 mikrometrů. Detektivita v rozmezí 10 12 až

10 15 W -1 Hz 1/2


FOTOELEKTRICKÉ DETEKTORY

FOTOVODIVOSTNÍ DETEKTOR, FOTOKATODA, VAKUOVÁ DIODA, FOTONÁSOBIČ,

POLOVODIČOVÁ FOTODIODA, SCHOTTKYHO FOTODIODA, LAVINOVÝ DETEKTOR, CCD

Fotovodiče (fotovodivostí detektory)

Základem je polovodič – aplikováno napětí. Ve

tmě mají vysoký odpor.

Foton, jehož energie je větší než energie

zakázaného pásu , dokáže vyrazit elektron z

valenčního do vodivostního pásu a zanechat za

sebou díru, čímž se produkují další nábojové

nosiče. Vln. délka fotonu musí být kratší než :

c

hc 1,24

[ m]

E E ( eV )


g g


FOTOELEKTRICKÉ DETEKTORY

FOTOVODIVOSTNÍ DETEKTOR, FOTOKATODA, FOTONÁSOBIČ, VAKUOVÁ DIODA,

POLOVODIČOVÁ FOTODIODA, SCHOTTKYHO FOTODIODA, LAVINOVÝ DETEKTOR,

CCD

FOTOKATODA – je základem vakuové

fotodiody, fotonásobiče,…Je založena na

vnějším fotoelektrickém jevu. Fotokatoda

je tvořena tenkou vrstvou materiálu.

Dopadající záření uvolňuje fotoelektron z

katody do vakua.


FOTOELEKTRICKÉ DETEKTORY

FOTOVODIVOSTNÍ DETEKTOR, FOTOKATODA, FOTONÁSOBIČ, VAKUOVÁ DIODA,

POLOVODIČOVÁ FOTODIODA, SCHOTTKYHO FOTODIODA, LAVINOVÝ DETEKTOR,

CCD

pro detekci velmi slabých signálů

Fotonásobič

scintilátor a fotokatoda přemění dopadající

foton na elektron

elektron je urychlován napětím mezi

dynodami a vyvolává na nich sekundární

emisi elektronů

po sérii zesílení dopadají elektrony na anodu

ČVUT v Praze - Fakulta biomedicínského inženýrství

zesílení až 10 8 , doba odezvy jednotky ns


FOTOELEKTRICKÉ DETEKTORY

FOTOVODIVOSTNÍ DETEKTOR, FOTOKATODA, VAKUOVÁ DIODA, FOTONÁSOBIČ, POLOVODIČOVÁ

FOTODIODA, SCHOTTKYHO FOTODIODA, LAVINOVÝ DETEKTOR, CCD

VAKUOVÁ FOTODIODA – skládá se z

fotokatody a anody. Elektrony uvolněné

zářením z fotokatody jsou urychlovány

přiloženým napětím. Časová odezva 0.1 ns.

POLOVODIČOVÁ FOTODIODA- využívá vnitřní

fotoelektrický jev a jednosměrné vodivosti na

PN přechodu polovodičové diody. Působením

opt. záření vznikají v PN přechodu volné nosiče.

Proud v závěrném směru je je úměrný

intenzitě dopadajícího záření. Časová odezva

několik pikosekund.


FOTOELEKTRICKÉ DETEKTORY

FOTOVODIVOSTNÍ DETEKTOR, FOTOKATODA, FOTONÁSOBIČ, VAKUOVÁ DIODA,

POLOVODIČOVÁ FOTODIODA, SCHOTTKYHO FOTODIODA, LAVINOVÝ DETEKTOR, CCD

Fotodioda

založena na vnitřním fotoelektrickém jevu

polarizovaná v závěrném směru

pro detekci má pracovní bod ve 3. kvadrantu V-A charakteristiky

záření dopadá na PN přechod

vznik páru elektron - díra, který zvyšuje vodivost polovodiče

krátká doba odezvy (jednotky ps)

ČVUT v Praze - Fakulta biomedicínského inženýrství


FOTOELEKTRICKÉ DETEKTORY

FOTOVODIVOSTNÍ DETEKTOR, FOTOKATODA, VAKUOVÁ DIODA, FOTONÁSOBIČ,

POLOVODIČOVÁ FOTODIODA, SCHOTTKYHO FOTODIODA , LAVINOVÝ DETEKTOR, CCD

SCHOTTKYHO FOTODIODA – měření slabých a

krátkých signálů. Podobné vlastnosti jako přechod PN

u polovodičů má i přechod kov- polovodič, který se

využívá u Schottkyho fotodiody. Mají velmi rychlou

odezvu. Schopné pracovat při frekvencích 100 GHz.

LAVINOVÝ DETEKTOR (fotodioda) - je polovodičová

součástka využívající vysokého elektrického pole k

urychlení volných nábojů na dostatečnou energii k

ionizaci atomů (tím dojde k lavinovým procesům) v

polovodiči a k zesílení fotoproudu. Mají velkou

detektivitu a krátkou časovou odezvu (10 -10 až 10 -11

s). Používají se k měření slabých a krátkých signálů.


Lavinová fotodioda

zesílení fotoproudu přiložením velkého závěrného

napětí

urychluje vzniklé nosiče tak, že produkují sekundární

elektrony

složitější konstrukce, kvalitní stabilizovaný zdroj napětí

rychlá odezva, vysoká citlivost, zesílení kolem 100

Absorpce se odehrává napříč šířkou slabě

dotované π-dotované vrstvy. Pak tedy

závěrný směr nabývá do bodu, kdy

elektrické pole přeteče přes p-vrstvu a

dosahuje přímo skrz slabě dotovanou πvrstvu.

Elektrony generované v π-vrstvě jsou

vmeteny do úzké oblasti elektrického pole

kolem p-n + přechodu, kde spustí lavinový

efekt.

ČVUT v Praze - Fakulta biomedicínského inženýrství


superCCD

CCD je akronym z anglického názvu

technologie Charge Coupled Device

neboli nábojově vázané prvky


CCD využívá podobně jako všechny ostatní světlocitlivé součástky fyzikálního jevu známého jako fotoefekt.

Tento jev spočívá v tom, že částice světla foton při nárazu do atomudokáže převést některý z jeho elektronů

ze základního do tzv. Excitovaného stavu.

Odevzdá mu přitom energii E=ν.h, kde ν je frekvence fotonu (u viditelného světla v řádu stovek THz) a h je

tzv. Planckova konstanta.

U CCD je ovšem elektroda od polovodiče izolována tenoučkou vrstvičkou oxidu křemičitého SiO 2, který se

chová jako dokonalý elektrický izolant, takže fotoefektem uvolněné elektrony nemohou být odvedeny pryč.

Na elektrody označené na obrázku

číslem 1 se přivede kladné napětí a na

CCD se nechá působit světlo.

Dopadající fotony excitují v polovodiči

elektrony, které jsou pak přitahovány ke

kladně nabitým elektrodám. Po

elektronech zbudou v polovodiči tzv.

díry, které vůči svému okolí vykazují

kladný náboj a ty jsou naopak

přitahovány elektrodou na spodku

CCD. Hranice pixelů jsou na obrázku

znázorněny svislými tečkovanými

čarami. Protože na pixel vlevo dopadlo

více fotonů, je u jeho elektrody

shromážděno více elektronů než u

pixelu vpravo.


DETEKTORY OPTICKÉHO ZÁŘENÍ

Lidské oko

Fotodioda (fotovoltaické články)

CCD snímač

UV a IR detektory


Lidské oko

Nejstarší detektor optického záření

Spektrálně selektivní v pásmu vlnových

délek 400 až 800nm

Max citlivost na 555nm

Dva typy receptrorů (tyčinky a čípky)

Oko je adaptivní

Citlivost není konstantní


Dva typy receptorů :

Lidské oko

Tyčinky (průměr 2 mikrometry, počet 1.8 x 10 8 )

Čípky (průměr 4 mikrometry, počet 7 x 10 6 )

ČÍPKY TYČINKY

Převážně v oblasti žluté skvrny větší hustota mimo žlutou skvrnu

Malé zorné pole velké zorné pole

Velká ostrost vidění nižší ostrost vidění

Barevné vidění šedé (nebarevné) vidění

Nižší citlvost vyšší citlivost


FOTOČLÁNKY (= zdroj fotoelektrického napětí)

Příčiny vzniku fotoelektrického napětí :

Důsledkem nehomogenního ozáření krystalu

(difúzní elektromotorické napětí)

Důsledkem ozáření přechodu PN nebo přechodu

polovodič kov (Diodové fotoelektrické napětí)

Důsledkem fotopiezoelektrického jevu (za

přítomnosti tlaku)

Důsledkem fotomagnetického jevu (za

přítomnosti magnetického pole)

Tlakem dopadajícího optického záření (předávání

hybnosti záření elektronům v polovodičích)


OTÁZKY

1. Definice základních parametrů optických detektorů

(detektivita, konverzní účinnost, časová odezva, spektrální

charakteristika)

2. Tepelné detektory

3. Fotoelektrické detektory (princip, představitelé)

4. Fotonásobič

5. Fotodiody (vč. Lavinové a Schottky)

6. Princip CCD

7. Vnitřní a vnější fotoelektriký jev

More magazines by this user
Similar magazines