基于新型半导体肖特基紫外探测器件的紫外线指数监测仪

　　0　引言

　　光电探测器件是发展光电接收和测量仪器的最为关键的部件。传统的紫外线(UV)检测多采用紫外增强型硅光二极管作为传感器,接受紫外辐射,进行测量;或者是在普通硅光二极管前面加一层荧光材料,由紫外线激发荧光材料发出可见光,再通过硅光二极管接受光信号,进行紫外辐射的测量。前者由于硅光二极管的光谱响应峰值在可见光区,须在传感器前加上多层的滤光片以减小或消除可见光及红外光对测量结果的影响,并且由于技术水平所限,紫外增强型硅光二极管尚不能对紫外全波段有较好的响应,所以不仅成本高、体积大,精度也较差。后者由于荧光材料稳定性较差,且仅有某一波长范围的紫外光照射才发光,精度更是难以保证。

　　近年来,中国科学院上海技术物理研究所开展了氮化镓基紫外器件的研究与试制工作,取得重大突破,成功地研制了光谱响应和红斑作用光谱响应一致的紫外半导体肖特基器件。同其他紫外探测器件相比,这种器件无需滤光片的辅助即可进行紫外探测,为商业应用提供了相当理想的解决方案。所述的紫外线指数监测仪设计就是这种新型半导体紫外探测器件在大气环境监测中具体的应用研究。

　　1　紫外线检测

　　太阳紫外辐射是寻常辐射的主要来源,适量强度及谱段的辐射对人类是有利的,地球的臭氧(O₃)层是抵制过量有害紫外辐射的天然屏障。然而地球大气层的臭氧量正在减少,过量紫外线辐射特别是UV-B波段的辐射对人类构成极大的威胁,皮肤晒伤及皮肤癌的发病率增加。研究表明:太阳的紫外辐射对农作物、森林、草原以及江河湖海中的植物都有很大的影响,这些影响对于全球生态环境、人类生存可能会带来严重后果^[1]。因此对太阳紫外辐射的监测十分重要,最常见的监测就是大气环境的紫外线指数气象预报。

　　紫外线指数(Ultraviolet Index,简写为UV Index或UVI)是由世界卫生组织(WHO)根据紫外线对人类皮肤的损害所确定的标准,显示地球表面太阳紫外线辐射伤害人类皮肤的程度。紫外线指数越高,表示紫外线强度越强,对皮肤造成的伤害越高。世界气象组织及世界卫生组织所建议的计算紫外线指数的标准方法^[2]为:

　　(1)测量280~400 nm不同波长的太阳紫外线辐射强度E(λ),如图1所示;

　　(2)将不同波长的太阳紫外线辐照度乘以红斑作用光谱曲线S(λ)(如图1所示)内对应的加权数值,以反映人类皮肤对紫外线的反应;

　　(3)将不同波长的太阳紫外线辐射强度E(λ)与红斑作用光谱曲线S(λ)相乘,然后对波长280~400 nm进行积分,得出受红斑作用光谱曲线加权后的太阳光谱内所度量紫外线辐射强度