热电型光辐射探测器时间响应特性的研究

　　1　引　言

　　热电型光辐射探测器可以通过电校准对光辐射实现绝对测量,因而成为光辐射计量中非常重要的基于探测器的基本测量方法之一[1]。虽然相对于光电型探测器,热电型光辐射探测器有探测率低、响应速度慢、对温度等环境条件较敏感的缺点,但是它具有光谱响应平坦和光谱范围宽(覆盖从紫外到远红外)的特点。因此,不论用作基准、标准探测器还是用作实用探测器,各种型式的热电型光辐射探测器被广泛应用。优质的热电型光辐射探测器能够达到0.2%的不确定度。影响热电型光辐射探测器测量不确定度的因素很多,例如表面的反射损失、光电不等效、面响应不均匀性、温度和湿度的波动等[2,3]。对于热电型光辐射探测器来说,时间响应特性是一个容易忽视的因素。在建立相关基准、标准等要求高准确度的应用中,为提高吸收比以改善光谱响应的平坦性和减小由于表面反射造成的误差,探测器接收辐射的部分常设计成腔型。这样,探测器的响应度就会有更好的光谱平坦性,并且对于接收表面材料的光谱吸收比不太敏感。但是,由于腔型接收器的设计会导致探测器的辐射灵敏部分的热容加大,因而时间常数加大,响应速度慢的问题会更加突出。

　　本文介绍了对目前广泛使用的典型的腔型和平面型光辐射探测器的时间响应特性的测量,结果显示该项因素对光辐射功率测量结果的影响不容忽视。文中还介绍了避免该因素导致测量误差的必要措施。

　　2　测量原理和装置

　　假设热电型光辐射探测器的接收体的热容为H,通过热导为G的连接体与温度为T0的热沉相联接。如果探测器的入射功率在t0时刻从W=0阶跃变化为一个恒定入射功率W=P0,通过求解热传导方程可得到灵敏面相对于热沉的温度差T相对于从t0时刻起的时间t的变化遵从指数衰减函数[4]:

式中,T(t)为在t时刻温度的瞬时值;T∞为随时间t的增加而最终达到的平衡温度差;常数τ=H/G是探测器的时间常数,单位为s(秒),表现为信号达到最终值的(1-1/e)所需的时间。当t=τ时,T(τ)≈0.632T∞。在探测器的线性范围内,探测器的输出V正比于探测器灵敏面的温升,所以探测器的输出信号与探测器灵敏面的温升具有相同的变化规律。根据式(1)的规律,时间经过7倍时间常数后,探测器的输出与最终平衡时输出的相对偏差将达到0.13%以内。另外一个表征探测器时间响应特性的参数为上升时间(或下降时间)Tr,通常为输出信号经历峰值的10%和90%之间变化过程需要的时间。

　　为测量热电型光辐射探测器的时间响应特性建立的测量装置如图1所示。系统处于恒温、洁净的实验室,温度稳定在23±0.2℃。光源是He-Ne激光器,波长为633 nm。为提供近似理想的阶跃输入,由计算机控制电动快门的关闭和打开,激光光束通过功率稳定装置后,8小时内的稳定度达到0.01%以内。另外在测量过程中采用监测探测器监视光束功率的稳定性。实验过程中每隔一定的时间间隔测量被测和监测探测器的输出,时间间隔根据测量周期的长短选择,一般为1 s。