Cistopis_ detektory .pdf - FBMI
Cistopis_ detektory .pdf - FBMI
Cistopis_ detektory .pdf - FBMI
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Detektory optického záření<br />
Vrbová, Jelínková, Gavrilov, Úvod do laserové techniky,<br />
ČVUT FJFI, 1994<br />
Kenyon, The light fantastic, Oxford<br />
Goldman, Lasers in Medicine, kapitola Optická a tepelná<br />
dozimetrie
Zjišťování optického záření :<br />
v daném místě<br />
v daném čase<br />
Přímá detekce : frekvence vlny stejná s<br />
rezonanční frekvencí obvodu připojeného<br />
k anténě (pro opt. záření nevhodné,<br />
anténa velikosti mikrometrů)<br />
Nepřímá detekce : založena na absorpci<br />
záření a přeměně vnitřní energie<br />
kvantové soustavy na energii tepelnou,<br />
elektrickou nebo chemickou.
Základní parametry optických detektorů<br />
(detektivita, konverzní účinnost, časová odezva,<br />
spektrální charakteristika)<br />
DETEKTIVITA – minimální výkon optického<br />
záření je úměrný druhé odmocnině ze šířky<br />
frekvenčního pásma detekčního zařízení<br />
P min = f/D [W -1 Hz 1/2 ]<br />
U většiny plošných detektorů je minimální<br />
detekovatelný výkon P min úměrný také druhé<br />
odmocnině z plošného obsahu S fotocitlivé<br />
plochy detektoru<br />
P min = f S/D [W -1 mHz 1/2 ]
Základní parametry optických detektorů<br />
(detektivita, konverzní účinnost, časová odezva,<br />
spektrální charakteristika)<br />
KONVERZNÍ ÚČINNOST – poměr<br />
výsledné (využité energie) k energii do<br />
procesu vstupující<br />
Je li detektor založen na fotoeletrickém<br />
jevu, pak se namísto konverzní účinnosti<br />
uvádí kvantová účinnost, tj. poměr počtu<br />
uvolněných fotoelektronů k počtu fotonů<br />
záření dopadajích na fotokatodu
Základní parametry optických detektorů<br />
(detektivita, konverzní účinnost, časová odezva,<br />
spektrální charakteristika)<br />
ČASOVÁ ODEZVA – detektoru je časový<br />
interval, za který se podstatně změní výstupní<br />
signál detektoru, jestliže se na počátku změnila<br />
skokem intenzita signálu dopadajícího na<br />
detektor<br />
SPEKTRÁLNÍ CHARAKTERISTIKA – je závislost<br />
výstupní veličiny detektoru optického záření na<br />
frekvenci (vln. délce) dopadajícího optického<br />
záření
TEPELNÉ DETEKTORY<br />
Kalorimetr teplo<br />
Termočlánek termoel. napětí<br />
Bolometr změna el. vodivosti<br />
Termistor změna el. vodivosti<br />
Pyroelektrický detektor změna polarizace<br />
Pyromagnetický detektor změna permeability<br />
Golayova cela tepelná roztažnost plynu<br />
Evaporograf kondenzované páry na tenké membráně<br />
Tekuté krystaly změna optických vlastností<br />
Termionický detektor změna rychlosti emise z katody
TEPELNÉ DETEKTORY = Fototermální <strong>detektory</strong><br />
Založené na absorpci dopadajícího světla povrchem černého tělesa „blackbody“ (tj. 100%<br />
absorpce) a měření výsledného nárůstu teploty povrchu konverzí do elektrického signálu.<br />
Hlavní výhodou takovýchto detektorů je že mají téměř plochou spektrální odezvu v širokém<br />
rozsahu vlnových délek, nezávisí na charakteristikách pulzu dopadajícího světla, a mohou být<br />
použity pro vysoké hodnoty výkonu.<br />
Obráceně, mají pomalou časovou odezvu (což limituje jejich užití když se mění světlo na<br />
srovnatelné časové škále) a relativně špatnou citlivost. Jsou tudíž nejčastěji používány pro<br />
měření středního (průměrného) výkonu laserů. Citlivé prvky mohou být různých rozměrů a<br />
tvaru pro různé aplikace a detektorové hlavy jsou často napojeny na kabel vzdáleného čtecího<br />
zařízení, což dává flexibilitu v umístění detektoru.
TEPELNÉ DETEKTORY- fotoodpor<br />
založen na vnitřním fotoelektrickém jevu<br />
tvořen Si nebo Ge destičkou s naneseným<br />
kovem ve tvaru meandru<br />
elektrický odpor se snižuje se zvyšující se<br />
intenzitou dopadajícího světla<br />
lze detekovat VIS, IR, UV – v závislosti na<br />
použitém materiálu<br />
velká citlivost, nízká cena, dlouhá doba<br />
odezvy, velká teplotní závislost<br />
ČVUT v Praze - Fakulta biomedicínského inženýrství
FOTOELEKTRICKÉ DETEKTORY<br />
Jsou založeny na přeměně optického záření na<br />
elektrickou energii (fotovodivostní změny,<br />
fotodielektrický jev – tj. změně permitivity excitací<br />
atomů, nebo na vnitřním nebo vnějším fotoelektrickém<br />
jevu)<br />
Vnější fotoelektrický jev – je emise elektronů z<br />
pevných látek a kapalin a je vyvolána absorpcí záření<br />
Vnitřní fotoelektrický jev – je změna populace<br />
elektronových energetických hladin v pevné látce –<br />
dochází k ní po absorpci optického záření – jedná se o<br />
přirůstek počtu uvolňovaných elektronů
FOTOELEKTRICKÝ JEV<br />
Fotoelektrický jev či fotoefekt je fyzikální jev, při němž jsou elektrony<br />
uvolňovány (vyzařovány, emitovány) z látky (nejčastěji z kovu) v důsledku<br />
absorpce elektromagnetického (např. rentgenové záření nebo viditelného<br />
světla) látkou. Emitované elektrony jsou pak označovány jako<br />
fotoelektrony a jejich uvolňování se označuje jako fotoelektrická emise<br />
(fotoemise).<br />
Pokud jev probíhá na povrchu látky, tzn. působením vnějšího<br />
elektromagnetického záření se elektrony uvolňují do okolí látky, hovoří se o<br />
vnějším fotoelektrickém jevu.<br />
Fotoelektrický jev však může probíhat i uvnitř látky, kdy uvolněné elektrony<br />
látku neopouští, ale zůstávají v ní jako vodivostní elektrony. V takovém<br />
případě se hovoří o vnitřním fotoelektrickém jevu.
FOTOELEKTRICKÉ DETEKTORY<br />
FOTOVODIVOSTNÍ DETEKTOR, FOTOKATODA, VAKUOVÁ DIODA, FOTONÁSOBIČ, POLOVODIČOVÁ<br />
FOTODIODA, SCHOTTKYHO FOTODIODA, LAVINOVÝ DETEKTOR, CCD<br />
FOTOVODIVOSTNÍ DETEKTOR – zvětšení<br />
vodivosti materiálu účinkem opt. záření- v<br />
důsledku vnitřního fotoelektrického jevu. U<br />
polovodičů. Spektrálně selektivní v pásmu 0.6<br />
až 12 mikrometrů. Detektivita v rozmezí 10 12 až<br />
10 15 W -1 Hz 1/2
FOTOELEKTRICKÉ DETEKTORY<br />
FOTOVODIVOSTNÍ DETEKTOR, FOTOKATODA, VAKUOVÁ DIODA, FOTONÁSOBIČ,<br />
POLOVODIČOVÁ FOTODIODA, SCHOTTKYHO FOTODIODA, LAVINOVÝ DETEKTOR, CCD<br />
Fotovodiče (fotovodivostí <strong>detektory</strong>)<br />
Základem je polovodič – aplikováno napětí. Ve<br />
tmě mají vysoký odpor.<br />
Foton, jehož energie je větší než energie<br />
zakázaného pásu , dokáže vyrazit elektron z<br />
valenčního do vodivostního pásu a zanechat za<br />
sebou díru, čímž se produkují další nábojové<br />
nosiče. Vln. délka fotonu musí být kratší než :<br />
c<br />
hc 1,24<br />
[ m]<br />
E E ( eV )<br />
<br />
g g
FOTOELEKTRICKÉ DETEKTORY<br />
FOTOVODIVOSTNÍ DETEKTOR, FOTOKATODA, FOTONÁSOBIČ, VAKUOVÁ DIODA,<br />
POLOVODIČOVÁ FOTODIODA, SCHOTTKYHO FOTODIODA, LAVINOVÝ DETEKTOR,<br />
CCD<br />
FOTOKATODA – je základem vakuové<br />
fotodiody, fotonásobiče,…Je založena na<br />
vnějším fotoelektrickém jevu. Fotokatoda<br />
je tvořena tenkou vrstvou materiálu.<br />
Dopadající záření uvolňuje fotoelektron z<br />
katody do vakua.
FOTOELEKTRICKÉ DETEKTORY<br />
FOTOVODIVOSTNÍ DETEKTOR, FOTOKATODA, FOTONÁSOBIČ, VAKUOVÁ DIODA,<br />
POLOVODIČOVÁ FOTODIODA, SCHOTTKYHO FOTODIODA, LAVINOVÝ DETEKTOR,<br />
CCD<br />
pro detekci velmi slabých signálů<br />
Fotonásobič<br />
scintilátor a fotokatoda přemění dopadající<br />
foton na elektron<br />
elektron je urychlován napětím mezi<br />
dynodami a vyvolává na nich sekundární<br />
emisi elektronů<br />
po sérii zesílení dopadají elektrony na anodu<br />
ČVUT v Praze - Fakulta biomedicínského inženýrství<br />
zesílení až 10 8 , doba odezvy jednotky ns
FOTOELEKTRICKÉ DETEKTORY<br />
FOTOVODIVOSTNÍ DETEKTOR, FOTOKATODA, VAKUOVÁ DIODA, FOTONÁSOBIČ, POLOVODIČOVÁ<br />
FOTODIODA, SCHOTTKYHO FOTODIODA, LAVINOVÝ DETEKTOR, CCD<br />
VAKUOVÁ FOTODIODA – skládá se z<br />
fotokatody a anody. Elektrony uvolněné<br />
zářením z fotokatody jsou urychlovány<br />
přiloženým napětím. Časová odezva 0.1 ns.<br />
POLOVODIČOVÁ FOTODIODA- využívá vnitřní<br />
fotoelektrický jev a jednosměrné vodivosti na<br />
PN přechodu polovodičové diody. Působením<br />
opt. záření vznikají v PN přechodu volné nosiče.<br />
Proud v závěrném směru je je úměrný<br />
intenzitě dopadajícího záření. Časová odezva<br />
několik pikosekund.
FOTOELEKTRICKÉ DETEKTORY<br />
FOTOVODIVOSTNÍ DETEKTOR, FOTOKATODA, FOTONÁSOBIČ, VAKUOVÁ DIODA,<br />
POLOVODIČOVÁ FOTODIODA, SCHOTTKYHO FOTODIODA, LAVINOVÝ DETEKTOR, CCD<br />
Fotodioda<br />
založena na vnitřním fotoelektrickém jevu<br />
polarizovaná v závěrném směru<br />
pro detekci má pracovní bod ve 3. kvadrantu V-A charakteristiky<br />
záření dopadá na PN přechod<br />
vznik páru elektron - díra, který zvyšuje vodivost polovodiče<br />
krátká doba odezvy (jednotky ps)<br />
ČVUT v Praze - Fakulta biomedicínského inženýrství
FOTOELEKTRICKÉ DETEKTORY<br />
FOTOVODIVOSTNÍ DETEKTOR, FOTOKATODA, VAKUOVÁ DIODA, FOTONÁSOBIČ,<br />
POLOVODIČOVÁ FOTODIODA, SCHOTTKYHO FOTODIODA , LAVINOVÝ DETEKTOR, CCD<br />
SCHOTTKYHO FOTODIODA – měření slabých a<br />
krátkých signálů. Podobné vlastnosti jako přechod PN<br />
u polovodičů má i přechod kov- polovodič, který se<br />
využívá u Schottkyho fotodiody. Mají velmi rychlou<br />
odezvu. Schopné pracovat při frekvencích 100 GHz.<br />
LAVINOVÝ DETEKTOR (fotodioda) - je polovodičová<br />
součástka využívající vysokého elektrického pole k<br />
urychlení volných nábojů na dostatečnou energii k<br />
ionizaci atomů (tím dojde k lavinovým procesům) v<br />
polovodiči a k zesílení fotoproudu. Mají velkou<br />
detektivitu a krátkou časovou odezvu (10 -10 až 10 -11<br />
s). Používají se k měření slabých a krátkých signálů.
Lavinová fotodioda<br />
zesílení fotoproudu přiložením velkého závěrného<br />
napětí<br />
urychluje vzniklé nosiče tak, že produkují sekundární<br />
elektrony<br />
složitější konstrukce, kvalitní stabilizovaný zdroj napětí<br />
rychlá odezva, vysoká citlivost, zesílení kolem 100<br />
Absorpce se odehrává napříč šířkou slabě<br />
dotované π-dotované vrstvy. Pak tedy<br />
závěrný směr nabývá do bodu, kdy<br />
elektrické pole přeteče přes p-vrstvu a<br />
dosahuje přímo skrz slabě dotovanou πvrstvu.<br />
Elektrony generované v π-vrstvě jsou<br />
vmeteny do úzké oblasti elektrického pole<br />
kolem p-n + přechodu, kde spustí lavinový<br />
efekt.<br />
ČVUT v Praze - Fakulta biomedicínského inženýrství
superCCD<br />
CCD je akronym z anglického názvu<br />
technologie Charge Coupled Device<br />
neboli nábojově vázané prvky
CCD využívá podobně jako všechny ostatní světlocitlivé součástky fyzikálního jevu známého jako fotoefekt.<br />
Tento jev spočívá v tom, že částice světla foton při nárazu do atomudokáže převést některý z jeho elektronů<br />
ze základního do tzv. Excitovaného stavu.<br />
Odevzdá mu přitom energii E=ν.h, kde ν je frekvence fotonu (u viditelného světla v řádu stovek THz) a h je<br />
tzv. Planckova konstanta.<br />
U CCD je ovšem elektroda od polovodiče izolována tenoučkou vrstvičkou oxidu křemičitého SiO 2, který se<br />
chová jako dokonalý elektrický izolant, takže fotoefektem uvolněné elektrony nemohou být odvedeny pryč.<br />
Na elektrody označené na obrázku<br />
číslem 1 se přivede kladné napětí a na<br />
CCD se nechá působit světlo.<br />
Dopadající fotony excitují v polovodiči<br />
elektrony, které jsou pak přitahovány ke<br />
kladně nabitým elektrodám. Po<br />
elektronech zbudou v polovodiči tzv.<br />
díry, které vůči svému okolí vykazují<br />
kladný náboj a ty jsou naopak<br />
přitahovány elektrodou na spodku<br />
CCD. Hranice pixelů jsou na obrázku<br />
znázorněny svislými tečkovanými<br />
čarami. Protože na pixel vlevo dopadlo<br />
více fotonů, je u jeho elektrody<br />
shromážděno více elektronů než u<br />
pixelu vpravo.
DETEKTORY OPTICKÉHO ZÁŘENÍ<br />
Lidské oko<br />
Fotodioda (fotovoltaické články)<br />
CCD snímač<br />
UV a IR <strong>detektory</strong>
Lidské oko<br />
Nejstarší detektor optického záření<br />
Spektrálně selektivní v pásmu vlnových<br />
délek 400 až 800nm<br />
Max citlivost na 555nm<br />
Dva typy receptrorů (tyčinky a čípky)<br />
Oko je adaptivní<br />
Citlivost není konstantní
Dva typy receptorů :<br />
Lidské oko<br />
Tyčinky (průměr 2 mikrometry, počet 1.8 x 10 8 )<br />
Čípky (průměr 4 mikrometry, počet 7 x 10 6 )<br />
ČÍPKY TYČINKY<br />
Převážně v oblasti žluté skvrny větší hustota mimo žlutou skvrnu<br />
Malé zorné pole velké zorné pole<br />
Velká ostrost vidění nižší ostrost vidění<br />
Barevné vidění šedé (nebarevné) vidění<br />
Nižší citlvost vyšší citlivost
FOTOČLÁNKY (= zdroj fotoelektrického napětí)<br />
Příčiny vzniku fotoelektrického napětí :<br />
Důsledkem nehomogenního ozáření krystalu<br />
(difúzní elektromotorické napětí)<br />
Důsledkem ozáření přechodu PN nebo přechodu<br />
polovodič kov (Diodové fotoelektrické napětí)<br />
Důsledkem fotopiezoelektrického jevu (za<br />
přítomnosti tlaku)<br />
Důsledkem fotomagnetického jevu (za<br />
přítomnosti magnetického pole)<br />
Tlakem dopadajícího optického záření (předávání<br />
hybnosti záření elektronům v polovodičích)
OTÁZKY<br />
1. Definice základních parametrů optických detektorů<br />
(detektivita, konverzní účinnost, časová odezva, spektrální<br />
charakteristika)<br />
2. Tepelné <strong>detektory</strong><br />
3. Fotoelektrické <strong>detektory</strong> (princip, představitelé)<br />
4. Fotonásobič<br />
5. Fotodiody (vč. Lavinové a Schottky)<br />
6. Princip CCD<br />
7. Vnitřní a vnější fotoelektriký jev
Change language