“光电探测器”专题导读

光电探测器是现代光电技术的核心,具有高灵敏度、高分辨率、宽波长响应范围等优点,广泛应用于光通讯、光计算、医疗、安防、航空航天、环境监测等领域。光电探测技术的集成化和智能化已成为当前的发展趋势,通过与先进的信号处理算法和人工智能技术相结合,光电探测系统能够实现更高的自动化和智能化水平。随着微电子技术的进步,光电探测器和成像系统的微型化、便携化也成为可能。现阶段国内光电探测器蓬勃发展,基于新型材料和结构的红外探测器、可见光探测器、紫外探测器等都取得了丰硕了成果。为了促进国内光电探测领域的学术研究和发展,加强相关研究学者之间的学术交流与合作,《光子学报》特别推出“光电探测器”专题,集中展示和探讨我国光电探测领域的研究成果和研究进展。本专题文章侧重红外探测器和紫外探测器中应用的多种新材料、新结构及器件新性能.

不同环境因素对甲烷探测器报警动作值的影响

为研究不同类型的甲烷探测器在实际应用场景的表现,根据甲烷探测器类型特点选取市面上常见的半导体式、催化燃烧式、红外吸收式、激光式探测器,根据GB15322-2019开展标准化实验,得出在不同环境下探测器报警动作值的变化及其使用中的注意事项。激光式探测器长期稳定性和抗高浓度冲击能力优于其他类型探测器;红外吸收式探测器在实际使用中,应注意水蒸气的干扰;催化燃烧式探测器应注意高空跌落和高浓度冲击对传感器的影响;半导体式探测器易受高浓度冲击的影响,应注意定期检定校准。

基于透镜阵列多元聚焦的连续晶体三维位置灵敏探测器设计和仿真

连续晶体闪烁体探测器可以实现γ射线作用点的三维位置定位。本文提出一种新的探测器结构,引入透镜阵列实现作用点定位。探测器采集多元聚焦图像,从而改变对连续晶体闪烁光分布探测的需求。文中建立连续晶体、透镜阵列和光子计数器阵列的模型进行模拟研究,建立多元聚焦的光路反演重建算法定位γ射线作用点的三维位置。通过重建结果分析评估基于透镜阵列的连续晶体探测器性能,这种结构具有较好的定位能力和位置分辨。对于尺寸为48 mm×48 mm×45 mm的硅酸钇镥(LYSO)闪烁晶体,实现了xy平面位置分辨优于1.54 mm,z方向位置分辨优于3.13 mm。基于连续晶体和透镜阵列结构的探测器还可对多作用点的情形进行重建,分析三组选定位置的重建结果,该结构对双作用点定位具有可行性。

基于低温积分球的中红外陷阱探测器技术

针对中波红外辐射测量定标的需求,提出了将微型积分球与中红外探测器集成在低温环境中。验证比对了几种用于制作积分球内腔表面的材料样品,通过宽光谱反射率、特征光谱反射率、双向反射分布函数(bidirectional reflectance distribution function,BRDF),以及用激光共聚焦显微镜、扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)等进行微观表面形貌的测量,获得了适用于制作中红外积分球的内腔表面制作工艺。BRDF测试结果显示,制作的内腔表面接近朗伯反射表面。测试了积分球探测器样品的光谱与电学性能,经过表面粗糙化处理并蒸镀金属反射膜,样品的光谱波段适应性好,光强衰减比为0.0674,经计算,积分球内腔壁的反射率为96.4%;同时,低温积分球的引入,使探测器芯片的噪声由3.5×10^(-12)A·Hz^(-1/2)降低至1.0×10^(-12)A·Hz^(-1/2)。

集成芯片硅微条探测器电子读出系统设计

设计了基于VATA460.3专用集成芯片(ASIC)的多通道、低功耗带触发硅微条探测器读出系统,该系统实现了共32路粒子入射信息读出。测试结果表明:该系统各通道基线稳定,等效噪声水平均低于0.17 fC,动态范围可达90 fC。

宽波段响应硅雪崩光电探测器研究

本文基于目前对宽波段探测器的应用需求,设计了一种在250~1100 nm范围有较高响应的硅雪崩光电探测器(Si APD),不需要拼接即可实现紫外-可见-近红外波段光的高效探测。分别对硅的紫外增强和(近)红外增强进行了分析,在此基础上,为获得宽波段响应Si APD,对器件结构进行模拟设计,采用光背入射等方式,提高短波吸收,同时保证近红外吸收。模拟优化的Si APD器件峰值波长940 nm左右,在250 nm和1100 nm处响应光电流均超过峰值的15%,这种结构的器件适用于多光谱及未来高精度探测等应用领域。

光子计数探测器CT脂肪定量准确性和稳定性的体模研究

目的 旨在探讨光子计数探测器(PCD)-CT在不同扫描方案下进行脂肪定量的准确性及辐射剂量水平。方法 构建11个不同脂肪浓度的体模[真实脂肪分数(FF)为0%、2.5%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、40%、50%和100%]。采用3种扫描模式(横断面扫描、常规螺旋扫描和大螺距螺旋扫描)、4种管电压[90、120、140和锡过滤(Sn)100 kV]和3种水平的影像质量(IQ,20、40和80)的参数组合方式完成36种扫描方案的PCD-CT扫描。记录每种扫描方案重建影像的CT剂量指数(CTDIvol)。以120 kV-IQ80的常规螺旋扫描方案作为参考,将所有方案扫描获得的CT值通过线性回归方程转换为FF值。采用组内相关系数(ICC)和Bland-Altman分析进行准确性和一致性评估,使用单向重复测量方差分析对PCD-CT衍生的FF进行比较分析。结果 PCD-CT在所有扫描方案下获得的FF的一致性和准确性结果优异[ICC>0.9(范围:0.929~0.998,P<0.017)]。通过PCD-CT获得的FF与真实FF值之间的均方根误差(RMSE)范围为1.0%~5.0%,其中120 kV-IQ20大螺距扫描的RMSE值最低(1.0%)。120 kV-IQ20和120kV-IQ80常规螺旋扫描偏倚值最低(平均值分别为1.19%和1.23%)。36种扫描方案的辐射剂量范围为0.09~1.45m Gy。结论 PCD-CT在多种扫描方案下进行脂肪定量均具有较高的准确性。此外,PCD-CT具有在超低辐射剂量下进行准确脂肪定量的潜力。

高纯锗探测器瞬态温度场特性的模拟研究

为确保探测器在低温环境下稳定运行,分析了高纯锗探测器的内部传热机理,基于COMSOL Multiphysics软件建立了探测器的三维计算模型,得到了制冷过程中三维瞬态温度分布规律以及不同探测器内部结构和材料选择对温度分布的影响,通过仿真数据与实验数据的一致性比较,验证了该模型及仿真方法的正确性。为进一步优化和改进液氮制冷和电制冷型高纯锗探测器的设计参数提供了理论支撑。

PEN衬底氧化镓基柔性紫外探测器的制备与性能研究(特邀)

针对传统硬性衬底无法弯折的问题,采用聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)衬底制备柔性紫外光电探测器。柔性衬底具有的抗曲折性,能够提升探测器的鲁棒性,并且能让其适用于各种复杂形态的应用场景,同时减少占用空间,有助于整个电路的集成化。实验使用磁控溅射镀膜工艺首先在PEN衬底上生长氧化镓薄膜,并在氧化镓薄膜上生长氧化铟锡电极,在室温下成功制备柔性氧化镓紫外光电探测器,器件响应波长处于小于280 nm的深紫外区。将器件弯折20000次后其暗电流无显著变化,光电流增大,保持了良好的紫外光探测性能,探测器上升时间和衰减时间分别为0.24 s/0.74 s和0.10 s/0.71 s,其电流-时间特性曲线呈现周期性稳定,表明即使经过多次弯折,柔性氧化镓紫外探测器仍然具有良好的光电探测性能。

基于单个宽频CMOS探测器的太赫兹焦平面扫描成像系统

太赫兹波是介于毫米波与红外光之间的电磁波,具有强穿透性、非电离性、高瞬时带宽等特点,在安全检查、无损检测、医疗成像等领域有着广阔的应用前景。在成像系统中,探测器是至关重要的部分。本文提出了一种将不同中心频率的窄带探测器输出结合实现宽频带探测的结构,为了减少面积,这些窄带探测器采用嵌套式结构,即高频窄带探测器被依次放置在低频窄带探测器的内部,每一个窄带探测器均包括环形天线、匹配网络和场效应晶体管检波电路。该探测器由65 nm标准CMOS工艺制成,探测频率范围覆盖了100~1000 GHz。基于该宽频探测器搭建实现了太赫兹焦平面成像系统,该系统主要包括太赫兹辐射源、聚四氟乙烯(PTFE)透镜、宽频CMOS探测器等。实验结果表明,该成像系统在100 GHz、220 GHz和300 GHz频率下能够稳定成像,并且随着频率的提高,成像质量也明显提升。通过对得到的成像结果使用形态学闭运算进行优化,解决了成像中信息缺失的问题,有效地改善了成像质量。

基于优化地理探测器的生态环境质量驱动力分析

[目的]克服生态环境质量(EQI)演化驱动因子在离散化过程中的随机性和主观性,优化传统地理探测器。[方法]利用相等间隔法、分位数法、自然断点法、几何间隔法和标准差法5种离散方法,对重庆市22项EQI演化驱动因子进行离散化,并结合地理探测器确定各因子的合理离散法与分类数,从而探究各驱动因子的驱动力大小和各驱动因子间交互模式。[结果](1)2005—2020年重庆市EQI处于I、Ⅲ和Ⅳ级的区县数量占比减少0.211,处于Ⅱ和V级的区县数量占比上升0.211,总体呈下降趋势,在空间上呈由西北向东南走向的梯度分布特征。(2)研究中各离散方法适用性排序为:自然断点法>几何间隔法>分位数法>相等间隔法>标准差法。不同因子适用的离散方法各异,应根据因子数据特征择优选取离散方法。(3)识别出影响重庆市EQI演化的关键驱动因子4个(0.37~0.49),主要驱动因子13个(0.14~0.33)、次要驱动因子4个(0.05~0.13)和其他因子1个(0.04),各驱动因子间交互作用均为双重增强或非线性增强。[结论]合理的离散化可以一定程度上克服连续数据离散化过程中的随机性和主观性,从而优化重庆市EQI演化驱动力探测结果。

探测器机械结构静力学分析与轻量化设计

在产品设计过程中,机械结构的静力学分析与轻量化设计对产品的整体质量有着极为重要的影响。对产品的机械结构进行静力学分析可以保证产品有较好稳定性,对产品进行轻量化设计则是提高产品的综合性能,比如在不影响强度的情况下减小产品质量,从而提高产品综合品质。基于此,本文将结合3He管探测器的设计,对其主要部件进行静力学分析,并借助静力学分析结果对探测器的密闭腔体与盖板进行轻量化设计。

核保障用探测器的现状与发展

国际原子能机构(IAEA)建立了比较完整的核保障体系并不断加以完善,以确保有能力监督原子能技术的和平利用,以及保障相关核技术不被应用于军事用途。本文对IAEA核保障体系的建立和发展进行了描述。核保障技术的应用与发展依赖于探测技术的进步,国内在核保障技术方面做了大量的研究,基于各种探测需求开发了不同探测装置,如针对γ射线、X射线、中子的辐射探测器,针对衰变产生热量的量热计,针对不同质量数进行区分的质谱仪。对IAEA核保障设备的发展趋势进行了分析,提出了一些未来可以应用的探测器或探测技术。

基于InSe/MoTe_(2)异质结构的超灵敏宽光谱光电探测器

基于光栅效应的二维材料垂直结构可实现高灵敏度和宽光谱光探测器。本文报告了一种基于硒化铟(InSe)/二碲化钼(MoTe_(2))垂直异质结构的高灵敏度光电探测器,该探测器在365~965 nm波长范围内具有出色的宽光谱探测能力。顶层的InSe用作调节沟道电流的光栅层,MoTe_(2)则用作传输层。通过结合两种材料的优势,该光电探测器的响应时间为21.6 ms,比探测率在365 nm光照下可以达到1.05×10^(13)Jones,在965 nm光照下也可达到109 Jones数量级。外量子效率可达1.03×10^(5)%,显示出强大的光电转换能力。

强流脉冲束流位置探测器标定技术

电子直线感应加速器性能提升对束流探测器提出了高精度测量要求,由此不仅要求高精度的探测器设计装配技术,而且也要求探测器的准确标定。从强流脉冲束流位置探测器测量原理出发,从理论和实验两方面开展强流脉冲束流位置探测器标定技术研究。在理论上采用解析方法,分析了不同的计算处理方法和标定方法的标定效果,提出了特征平面标定,在建立的位置标定系统上,对用于多脉冲电子直线感应加速器的No.23电阻环进行了标定实验研究,实验结果验证了理论分析结果,根据理论和实验研究结果,确定了强流脉冲束流位置探测器标定方法。

32×32 Si盖革模式激光焦平面探测器

为了满足350 nm~1100 nm波长范围内远距离及微弱激光3维成像探测的需求,提出了一种规模为32×32的盖革模式硅激光焦平面阵列探测器,它主要由硅雪崩光电二极管阵列、读出电路芯片、微透镜阵列、半导体制冷器、引脚网格阵列壳体等元件组成。硅雪崩光电二极管焦平面阵列采用拉通型N^(+)-Π_(1)-P^(-)-Π_(2)-P^(+)结构,工作在盖革模式下,通过Si片背面抛磨减薄及盲孔刻蚀技术,实现了纤薄光敏区的加工;读出电路采用主动模式淬灭设计,使电路单元的死时间控制在50 ns以内,并利用一种带相移技术的时间数字转换电路优化方案,在满足时间分辨率不大于2 ns的同时,降低了读出电路芯片的功耗。结果表明,在反向过偏电压14 V、工作温度-40℃的条件下,该探测器在850 nm的目标波长可实现20.7%的平均光子探测效率与0.59 kHz的平均暗计数率,时间分辨率为1 ns,有效像元率优于97%。该研究为纤薄型背进光Si基激光焦平面探测器的研制提供了参考。

感应读出延时线阳极光子计数探测器研究

针对空间天文、生物荧光、光谱测量等领域对高灵敏、大面阵探测器的应用需求,研制出基于感应读出方式的延迟线阳极光子计数成像探测器。该探测器由微通道板、延时线阳极以及读出电路组成,其中延时线阳极的性能直接影响探测器的成像质量。作为一种电荷感应读出延时线阳极,该阳极利用信号到达的时间差解码入射光子的位置,可获得高的探测灵敏度和大的成像面积,同时简化了工艺难度并提升了可靠性。设计了感应读出延时线阳极,理论分析了探测器不同设计参数及材料对感应电荷量的影响,提出了解决异层电极间感应电荷量难以平衡的方法。据此研制出了收集面积为40 mm×40 mm的位敏阳极。测试结果表明该阳极信号传输衰减小于10%,极间串扰小于3%。利用该阳极进行了光子计数成像实验,获得了优于150μm的空间分辨率,为研制可应用于天文紫外光谱测量的大面阵、高灵敏探测器提供了理论依据及实验指导。

月球探测器鲁棒环形山检测及光学导航方法

针对月球探测器环形山检测方法受光照影响、鲁棒性差的问题,本文提出一种基于极大熵阈值三值化的鲁棒环形山检测算法。采用不同滤波核对图像进行去噪平滑,然后对处理后的图像进行极大熵阈值分割、将图像信息三值化,去除图像对光源的敏感性,同时最大程度保留图像信息;提出一种归一化多指标约束环形山匹配和拟合方法完成环形山提取,将环形山提取算法应用于光学导航中进行打靶实验验证算法实时性表现。仿真结果表明:与传统基于形态学或自适应边缘检测的方法相比,本文方法在较大尺度条件下提取出连续、光滑的环形山边缘,有效环形山数量提升35%以上,同时实时性更好、计算消耗降低40%;基于鲁棒环形山提取的光学导航算法实时性更好。

基于探测器响应机理的碳/碳构件CT图像环状伪影的校正方法

在碳/碳复合材料的计算机断层扫描(CT)中,由于探测器单元的响应非线性及不一致性导致重建图像出现严重的环状伪影,干扰图像中缺陷的检出,影响检测系统对被检构件的质量评价。结合碳/碳复合材料组分单一且密度均匀的特点,提出了一种基于探测器响应机理的CT图像环状伪影的校正方法,利用采集的劣化投影数据做预重建,对重建结果做阈值分割以获得被检测物体的三维模型。结合已知的材料和密度信息,对被检物体进行重投影,得到投影数据的理论值与实测值之间的映射关系,用于探测器响应校正以优化检测图像。与传统低通滤波的环状伪影校正方法相比,该方法考虑了环状伪影的物理成因并充分利用了检测对象的先验信息。研究结果表明,该校正方法在保留图像细节和纹理的同时,能够有效减少环状伪影,提升图像质量,消除伪影对于图形中缺陷识别的干扰,为提升检测系统对碳/碳复合材料构件缺陷的检出能力提供理论依据。

地理探测器方法下长江经济带(江苏段)土地城镇化时空演变及驱动因子分析

定量分析土地城镇化时空演变驱动力可为城市可持续发展提供科学依据。本文将对地观测数据与人口、经济数据相结合,以长江经济带(江苏段)沿江8市为例,基于2000—2020年5期Landsat影像、夜间灯光影像、年末人口总数和GDP,采用GeDetector对其近20年间空间、人口及经济维度的演化及多尺度分化的进程进行探讨,分析土地城镇化时空演变规律及驱动因子。研究结果表明:(1)城镇化过程直接驱动地表类型的变化,且人口数量和GDP总量能够作为城镇化过程强度的定量指标;(2)夜间灯光(NTL)数据耦合人口或经济统计数据能够较好解释区域城镇化过程中的时空差异;(3)长江经济带(江苏段)沿江8市城镇化过程经历了由数量向质量的转变。研究结果为引导城镇建设用地合理配置提供科学依据,为城市可持续发展提供决策参考。