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          1. 光電倍增管:光照靈敏度&輻射靈敏度“差別”在哪?

            發布日期:2023-06-05 14:31:04   瀏覽量 :179
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            要想了解一下光照靈敏度與輻射靈敏度之間的差異,首先需要了解輻射度量光度量這兩個參數。

            一、輻射度量
            輻射度量的引入是為了定量描述光輻射。輻射功率是輻射度單位系統中的基本量,僅與輻射物體有關,并且輻射度量系統可以應用于整個電磁波段?;締挝皇峭咛兀╓)或焦耳(J)。在日常應用中,我們經常聽到的是輻射通量,它是指光源在單位時間內向各個方向輻射的能量,我們可以表示為:
            其中,d是在dt時間內轉移的單元能量。輻射通量的單位為瓦特(W)或焦耳/秒(J/S)。

            二、光度量

            針對不同頻率的輻射,不同的人眼視覺細胞有不同的反應,因此用輻射度量的單位來描述光輻射不能準確反映明暗變化。為了定量的描述人眼對各種頻率輻射能的相對靈敏度,引入了視見函數,國際照明委員會從很多人的大量觀察結果中取得平均值,得出了視見函數和波長的曲線(參考下圖1)。其中虛線是暗視覺視見函數,實線是明視覺視見函數。從圖1中我們可以看到人眼對于波長555 nm的綠光最敏感,取視見函數值為1?;締挝皇强驳吕╟d),光度量學只適用于可見光波段。我們常聽到的光通量,是從數量上描述電磁輻射對視覺的刺激強度引入的新物理量,稱為光通量φV,也稱之為光功率,表達式:

            其中φV為光通量,單位為lm。C為最大光視效能,數值為683 m/W,為輻通量,單位為W。即輻通量為1 W時,波長等于555 nm的綠光的光通量為683 lm,即1 lm光通量相當的瓦數為1/683(對波長為555 nm而言),其他的波長,1 lm光通量相當的瓦數均大于1/683。

            圖片
            圖1 不同波長下的光譜光視效率

            所以,輻射靈敏度是絕對的針對全部電磁波段能量的定量描述,而光度量是僅僅針對可見光波段,利用人眼作為探測器的描述,他們之間可以通過視見函數進行轉換。

            三、光照靈敏度

            陰極(陽極)光照靈敏度是指在特定的光源下,一般選用色溫為2856 K的鎢絲燈作為標準光源,對應1 lm光的輸出電流稱之為光照靈敏度。陰極光照靈敏度是指用色溫2856 K的鎢絲燈,當1 lm的光入射在陰極上,然后在陰極和陽極之間加一定的電壓所測試的數據,單位為uA/lm。
            對應的,陽極光照靈敏度是指在陰極光照靈敏度的基礎上,在倍增級間施加一定的增益電壓得到的電流值。一般陰極光照靈敏度乘以倍增電壓的增益值,就是陽極的光照靈敏度。
            以R928光電倍增管為例。R928為側窗型光電倍增管,直徑為28 mm,光陰極面為多堿
            圖2 光電倍增管R928展示
            R928的陰極光照靈敏度典型值為250 uA/lm,然后陽極光照靈敏度的典型值為2500 A/lm,他們之間的比值為107,與我們給出的在電壓1000 V的增益為107相匹配。
            圖3 R928電壓&增益曲線圖

            四、輻射靈敏度

            輻射靈敏度也是我們最關注的參數,是指在特定波長下,陰極面發射電流與入射光輻射功率之間的比值,單位為A/W。也可以使用量子效率來表示,他們之間的關系如下式:
            其中,h 是普朗克常數,λ是入射光波長(nm), c是真空中光的速度,e 是電子的電荷量,量子效率用百分比表示。
            陰極輻射靈敏度是指用特定波長和特定功率光源照射光電倍增管時的輸出,陽極光照靈敏度則是在加了倍增電壓下的陽極輸出值。陰極輻射靈敏度乘以倍增電壓的增益值就是陽極的輻射靈敏度。
            以R928光電倍增管為例,波長為400 nm時,陰極的輻射靈敏度典型值為7.4*105 mA/W,陽極的輻射靈敏度為A/W,他們之間的比值為107,與我們給出的在電壓1000 V的增益為107相匹配。我們根據陰極輻射靈敏度換算出其量子效率約為23%,與我們給出的量子效率曲線圖是一致的,其余波長的量子效率和輻射靈敏度均可以用該方法計算。
            圖4 R928陰極輻射靈敏度&量子效率曲線
            光照靈敏度參數能夠有效反映光電倍增管在可見光波段范圍內的靈敏度,而輻射靈敏度能夠精確到特定波長下的輻射靈敏度,更適合我們來評判光電倍增管的靈敏度參數。所以,我們可以根據使用的場景和或者光源來選擇不同參數下的光電倍增管,來滿足我們的使用需求。
            五、藍光靈敏度&紅白光靈敏度
            為什么要測試藍光靈敏度呢?在閃爍探測器中使用的閃爍體一般是碘化鈉等發光波長為420 nm的閃爍體,閃爍體發出的波長與該濾光片的透過率是非常一致的。所以針對有閃爍體應用的場合中,藍光靈敏度能夠很好地反應光電倍增管的靈敏度情況。
            藍光靈敏度是在光照靈敏度測試時,在光電倍增管的前面加入藍色濾光片后測其陰極輸出的電流。其中使用的濾光片是CS-5-58(康寧公司制)的濾光片,需要把CS-5-58標準樣品磨成一半的厚度后,再進行測試。
            紅白光靈敏度是用來評價光電倍增管在近紅外區域的靈敏度特性,測試方法和藍光靈敏度基本一致。在測試光照靈敏度的條件下,插入紅外光濾片后測得光電流除以沒有濾光片時入射到光陰極的光電流得出紅光靈敏度,此值與陰極光照靈敏度比值,稱為紅白光靈敏度比。其中所使用的濾光片為IR-D80A(東芝公司制),除此以外,也用R-68(東芝公司制)。隨濾光片的種類不同,紅光靈敏度的值也有變化。
            圖5 不同濾光片的光譜透過率
            倍增管
            光照靈敏度
            輻射靈敏度
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