!!.5. Детекторы излучения

Детекторы излучения - решающие части любой системы дистанционного зондирования. Спектральные компоненты излучения, полученные в оптической части системы, попадают в детекторы излучения и переводятся в форму, подходящую для преобразования их в данные. В системе дистанционного зондирования детектором излучения может быть фотопленка, с помощью фотохимических процессов которой излучение преобразуется в изображение, которое затем может подвергаться обработке. Фотонные детекторы преобразуют приходящее излучение в электрические сигналы, которые главным образом используются в цифровых системах дистанционного зондирования. Природа детекторов излучения в системе дистанционного зондирования, особенно ориентированной на число, оказывает значительное влияние на качество получаемых данных. Необходимо, чтобы аналитик представлял, как влияют на качество данных различные детекторы излучения, чтобы отклонения, вызванные детекторами, не принимать за аномалии объектов. В этом разделе главы будут рассмотрены различные типы детекторов излучения, наиболее часто применяемых в системах дистанционного зондирования, и будет дано относительно простое описание принципов их работы.

Фотонные и тепловые детекторы

Обычно используемые в дистанционном зондировании детекторы излучения делятся на два обширных класса: фотонные и тепловые. Тепловой детектор существенно изменяет свою тем-пературз в ответ на падающее излучение, и в большинстве случаев его электрическое сопротивление - функция температуры. Преимущество тепловых детекторов в том, что их отклик не зависит от длины волны падающего излучения, они реагируют на излучение всех длин волн. Недостаток в том, что тепловой детектор вообще не способен на быстрый отклик быстро меняющемуся входному излучению и, как правило, менее чувствителен, чем фотонный детектор.

Но следует отметить, что фотонные детекторы способны на быстрый отклик и поэтому часто используются в схемах детектирования систем дистанционного зондирования, ориентированных на число. Здесь мы будем рассматривать некоторые элементарные квантово-механические характеристики таких фотонных детекторов, чтобы дать основное представление об их свойствах и недостатках.

По существу, фотонные детекторы основаны на том принципе, что приходящее излучение возбуждает носители электрических зарядов, заставляя их переходить с одного энергетического уровня кристаллической решетки детектора на другой. Считают, что носители зарядов, занимающие нижние энергетические уров-64

S! о s со к

то г §.£

фотона = bv

Поглощение имеет место при hv>Eg

Рис. 11.18. Схема энергетической зоны.-фотонного детектора

НИ находятся в валентной зоне кристаллического детектора. Если носитель заряда возбуждается и переходит на такой энергетический уровень, что он может свободно двигаться по всей кристаллической структуре детектора, говорят, что он находится в зоне проводимости. Вследствие квантово-механических свойств прибора носитель заряда переходит с энергетического уровня валентной зоны на энергетический уровень зоны проводимости через «запрещенную» энергетическую зону. На рис. П. 18 дано, простое схематическое представление такой структуры энергетических зон.

Если рассматривать излучение с точки зрения квантовой механики, можно говорить о нем как о S-волновом или корпускуляр- " ном. Рассматривая излучение с точки зрения его волнового характера, мы говорим о длине волны, пакете волн и т. д. Однако, рассматривая излучение как корпускулярное, мы говорим о «частицах», называемых фотонами; каждый фотон обладает энергией, равной hv, где h - постоянная Планка, а v - частота излучения. Этот двойственный характер излучения - один из основных принципов современной физики.

Когда фотон (или квант) излучения попадает на фотонный детектор, носитель электрического заряда выбивается из валентной зоны и переходит в зону проводимости всякий раз,, когда hv больще или равно Eg, где Eg - «расстояние» в энергетическом смысле между валентной зоной и зоной проводимости. Точнее, фактически получаются два носителя зарядов. Один из них, носитель положительного заряда («дырка»), остается на-энергетическом уровне валентной зоны, носитель отрицательно-ного заряда (электрон) двигается в зону проводимости. Оба эти: носителя зарядов способствуют образованию в фотонном детекторе электрического сигнала. Поскольку электрон перемещается в зону проводимости только тогда, когда приходящий фотон имеет энергию hv, большую или равную Eg, то детектор поглощает излучение и является непроницаемым для этого излучения, только когда hvEg.

Отклик фотонного детектора пропорционален числу носителей зарядов в зоне проводимости, т. е. отклик пропорционален числу переходов электронов, вызванных приходящими фотонами. Чувствительность детектора - мера электрического отклика (т. е. число электронных переходов) на ватт приходящего излучения.

Поскольку фотонный детектор реагирует, только когда hv Eg и v = c/X (с -скорость света, ? - длина волны), то отклик

5-859

детектора имеет место всякий раз, когда he

->Es Дж.

Это выражение определяет пороговую длину волны Яс детектора. Мощность падающего пучка Ф определяется формулой he

ф = Лф-Вт,

где Мф - число падающих на детектор за 1 с фотонов, и, разумеется, /ic/Я -энергия фотона. Рещая относительно Ыф, имеем

==-hr~

Чувствительность детектора будет ФкцМф В/Вт,

где ц - квантовый выход; ki - коэффициент пропорциональности.

Следовательно, Ф = -В/Вт,

На рис. П.19 дан график этого отнощения. Для сравнения в той же системе координат приведен относительный отклик теплового детектора. Отметим, что чувствительность теплового детектора не зависит от длины волны и меньше, чем чувствительность фотонного детектора в диапазоне длин волн, близких к 1с. Вообще, максимум чувствительности фотонного детектора больше и быстрота реакции выше, чем у теплового детектора.

Чтобы покрыть широкую полосу длин волн, обычно необходимо несколько различных фотонных детекторов, поскольку они не могут обнаруживать излучение за пределами своих собственных пороговых длин волн. Кроме того, по мере того как длина волны уменьщается, чувствительность данного фотонного детектора снижается до такой величины, что обычно используются фотонные детекторы с более низким значением Яс. Кристаллические материалы, которые часто используются для изготовления детектора, - это кремний, сульфид свинца, антимонид индия, ртутно-кадмиевый теллурид, свинцово-оловянный теллурид и германий, легированный ртутью. На рис. 11.20 приведено типичное расположение таких детекторов, показывающее, каким €6