DIN 5030-5-1987 Spectral measurement of radiation physical detectors for spectral measurement of radiation terminology characteristic quantities selection criteria《发射光的光谱测量 发射光的光谱测.pdf

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1、DIN3 DIN 5030 TEIL 5 87 2794442 0020934 705 = , DK 535.243-141-31 : 628.981 : 681.785.5 : 001.4 D EUTSC H E N O RM Dezember 1987 C. Spektrale Strah I u ngsmessu ng Physikalische Empfnger fr spektrale Strahlungsmessungen Begriffe, Kenngren, Auswahlkriterien - DIN - 5030 Teil 5 Spectral measurement of

2、 radiation; physical detectors for spectral measurement of radiation; terminology, characteristic quantities, selection criteria 1 Anwendungsbereich Diese Norm legt Begriffe und Kenngren fest und gibt Kriterien fr die Auswahl von physikalischen Empfn- gern fr spektrale Strahlungsmessungen im optisch

3、en Spektralbereich von 100 nm bis 1 mm. Sie stellt jedoch keinen Ersatz fr Datenbltter oder andere Herstelleran- gaben dar. 2 Begriffe 2.1 Einteilung der Spektralbereiche Siehe DIN 5030 Teil 2 22 Strstrahlung Optische Strahlung, a) deren Wellenlnge bzw. Wellenlngenbereich auRer- halb des Spektralber

4、eiches der zu messenden Strah- lung liegt; b) die auseinem anderen als dem gewnschten Raumwin- kel auf die Empfngerflche einfllt. 2.3 Rauschen Siehe DIN 5030 Teil 1 2.4 Rauschquivalente Strahlungsleistung Qr Effektivwert des Wechselanteils derjenigen Leistung einer quasi-monochromatischen, zeitlich

5、sinusfrmig modulier- ten Strahlung), die den gleichen Effektivwert des Wech- selanteils des Empfngerausgangssignals hervorruft wie das Rauschen. Anmerkung: Die Angabe einer rauschquivalenten Strah- lungsleistung oder Bestrahlungsstrke ist nur aus- sagekrftig, wenn Wellenlnge und Modulations- frequen

6、z der zur Messung benutzten Strahlung an- gegeben werden. Gelegenheitiich, insbesondere bei Infrarot-Empfngern, wird statt auf eine quasi- monochromatische Strahlung auf die (spektral nicht zerlegte) Strahlung eines schwarzen Strahlers bestimmter Temperatur Bezug genommen. 2.5 Rauschquivalente Bestr

7、ahlungsstarke E, Effektivwert des Wechselanteils derjenigen Bestrahlungs- strke einer quasi-monochromatischen, zeitlich sinusfr- mig modulierten Strahlungz), die den gleichen Effektiv- wert des Wechselanteils des Empfngerausgangssignals hervorruft wie das Rauschen. Anmerkung: Die Angabe einer rausch

8、quivalenten Strah- lungsleistung oder Bestrahlungsstrke ist nur aus- sagekrftig, wenn Wellenlnge und Modulations- frequenz der zur Messung benutzten Strahlung an- gegeben werden. Gelegentlich, insbesondere bei Infrarot-Empfngern, wird statt auf eine quasi- monochromatische Strahlung auf die (spektra

9、l nicht zerlegte) Strahlung eines schwarzen Strahlers bestimmter Temperatur Bezug genommen. 2.6 Einteilung der Empfnger nach der physikalischen Wirkungsweise 2.6.1 Thermischer Empfnger Strahlungsempfnger, bei dem die einfallende Strahlungs- energie durch Absorption in Wrme berfhrt und die dadurch en

10、tstehende Temperaturerhhung in ein meR- bares (meist elektrisches) Signal umgewandelt wird. Anmerkung: Hierunter fallen u. a. Thermosulen, Bolo- meter, pyroelektrische und pneumatische Empfn- ger. 2.6.2 Photoelektrischer Empfnger Strahlungsempfnger, bei dem ein Photoeffekt genutzt wird. Anmerkung: B

11、eim photoelektrischen Empfnger gibt es stets eine langwellige Grenze fr die Anwendung, da jedes Photon eine Mindestenergie haben muR, um einen Photoeffekt auslsen zu knnen. 2.6.2.1 Photokathoden-Empfnger Strahlungsempfnger, bei dem die einfallende Strahlung aus einer Photokathode Elektronen in das u

12、mgebende 1) Ihre Leistung hat einen Gleichanteil Q0/2 und einen (physikalisch nicht isoliert realisierbaren) Wechselan- teil der Amplitude Q0/2 und der Modulationsfre- quenz f. Der Effektivwert des Wechselanteils ist fi.Q0/4. Die Abhngigkeit von der Zeit t wird also beschrieben durch (t) = Po *(l-co

13、s2xft). 2 2) Funote 1 gilt hier sinngem Fortsetzung Seite 2 bis 8 NormenausschuR Lichttechnik (FNL) im DIN Deutsches Institut fr Normung e.V. - Alleinverkauf - der Normen durch Beuth Verlag GrnbH. BurggrafenstraBe 6, i000 Berlin 30 DIN 5030 Teil 5 Dez 1987 Preisgr. Vertr.-Nr. 0007 12.7 DIN1 DIN 5030

14、 TEIL 5 87 Seite 2 DIN 5030 Teil 5 Vakuum (oder Gas) auslst (uerer Photoeffekt), die dann von einer Anode - gegebenenfalls nach Verstr- kung - gesammelt werden. Anmerkung: Hierzu gehren u. a. Photozellen und Photo- 2.6.2.2 Photoleiter (Photowiderstand) Strahlungsempfnger, bei dem sich die elektrisch

15、e Leitf- higkeit whrend Bestrahlung infolge des inneren Photo- effektes erhht. Anmerkung: Nur bei Bestrahlung der gesamten Empfn- gerflche mit rtlich konstanter Bestrahlungsstrke ist die nderung des elektrischen Leitwertes (in einem nicht sehr groen Bestrahlungsstrke- bereich) proportional zur Bestr

16、ahlungsstrke. vervielfacher. 2.6.2.3 Sperrschichtempfnger Halbleiter-Strahlungsempfnger mit Sperrschicht, bei dem durch Bestrahlung Elektron-Loch-Paare infolge des inneren Photoeffektes erzeugt und durch das elektrische Feld in der Sperrschicht getrennt werden. Die Rekombi- nation erfolgt ber den el

17、ektrischen Strom (Photostrom) irn uReren Kreis. Anmerkung: Hierzu gehren u. a. Photoelemente, Photo- dioden und Phototransistoren. 2.7 Aselektiver Empfnger, selektiver Empfnger 2.7.1 Aselektiver Empfnger Strahlungsempfnger, dessen relative spektrale Empfind- lichkeit im interessierenden Spektralbere

18、ich wellenln- gen- bzw. frequenzunabhngig ist. Anmerkung: Hierzu gehren die meisten thermischen Empfnger, deren relative spektrale Empfindlich- keit hufig nur durch den spektralen Transmissions- grad des verwendeten Strahlungseintrittsfensters festgelegt ist. Bei Anwendung aselektiver Empfn- ger ist

19、 besonders darauf zu achten, da keine Strahlung nichtgewnschter Spektralbereiche mit- gemessen wird. 2.7.2 Selektiver Empfnger Strahlungsempfnger, dessen relative spektrale Empfind- lichkeit Wellenlngen- bzw. frequenzabhngig ist. Anmerkung: Photoelektrische Empfnger sind aufgrund ihrer physikalische

20、n Wirkungsweise selektiv. Durch zustzliche Manahmen It sich manchmal in gewissen Spektralbereichen eine nahezu wellen- lngen- bzw. frequenzunabhngige Empfindlich- keit erreichen. 2.8 Begriffe fr Ortsauflsende Empfnger 2.8.1 Ortsauflsender Empfnger Strahlungsempfnger zur ortsaufgalsten Messung der Be

21、strahlungsstrke oder der Bestrahlung. 2.8.2 Abtastung Ortsaufgelste, sequentielle bernahme der Mewerte eines ortsauflsenden Empfngers in eine mewertver- arbeitende, meist elektronische, Anordnung. 2.8.3 Empfngerelement Besteht ein (makroskopischer) Strahlungsempfnger aus mehreren unabhngigen kleinen

22、 Empfngern, so heien diese Empfngerelemente. 2794442 0020935 b4L 2.8.4 Empfngerzeile Ortsauflsender Empfnger, der aus zeilenfrmig ange- ordneten Empfngerelementen besteht, deren Abtastung ber unbewegliche, den einzelnen Empfngerelementen fest zugeordnete, Elektroden erfolgt. 2.8.5 Empfngermatrix Ort

23、sauflsender Empfnger, der aus mehreren parallelen Empfngerzeilen besteht. 2.8.6 Ortsauflsender Empfnger mit bewegter Ortsauflsender Empfnger mit homogener oder nahezu homogener Empfngerflche und bewegter Abtastsonde meist in Form eines Elektronenstrahls. 2.8.7 Abtastzeile Bereich der Empfngerflche e

24、ines ortsauflsenden Emp- fngers mit bewegter Abtastung, der bei einer eindimen- sionalen Abtastung durch die Abtastsonde mit dieser in Wechsel Wirkung tritt. Abtastung 3 Kenngren von Strahlungsempfngern 3.1 Empfindlichkeit, (relative) spektrale Empfindlich- Siehe DIN 5031 Teil 2 Anmerkung: Der Begri

25、ff Empfindlichkeit wird in dieser Norm ausschlieRlich im Sinne der genannten Defi- nitionen verwendet. keit, differentielle Empfindlichkeit 3.2 Externe (bzw. interne) Quantenausbeute ve Verhltnis der Anzahl der Elementarereignisse, wie etwa die Freisetzung eines Elektrons, die zur Empfngeraus- gangs

26、gre beitragen, zu der Zahl der einfallenden (bzw. absorbierten) Photonen. Anmerkung: Die externe Quantenausbeute ve It sich aus der spektralen Empfindlichkeit s und der Wel- lenlnge ,I bzw. Frequenz v wie folgt berechnen: h Planck-Konstante, c Lichtgeschwindigkeit, e Elementarladung. (bzw- vi) ve =

27、shcl (eA) = shvle (1) 3.3 Dunkelausgangssignal Wert der Empfngerausgangsgre, wenn die Empfnger- flche nicht der zu messenden Strahlung ausgesetzt ist. Anmerkung: Beispiele sind der Dunkelstrom von Photo- vervielfachern, der Sperrstrom von Photodioden und die Thermospannung einer abgedunkelten Thermo

28、sule. 3.4 Detektivitt D Kehrwert der rauschquivalenten Strahlungsleistung: D = llQr (2) 3.5 Normierte Detektivitt D“ Mit der Quadratwurzel aus dem Produkt von Empfnger- flche A und (Modulationsfrequenz-)Bandbreite Af des MeRsystems multiplizierte Detektivitt: D“ =D = b-AffQr (3) DIN1 DIN 5030 TEIL 5

29、 87 Anmerkung: Die Definition ist zweckmig, da bei vie- len Empfngertypen das Rauschsignal am Emp- fngerausgang proportional zu anwchst. 3.6 Nutzbarer Spektralbereich (eines Empfngers) Spektralbereich, in dem die relative spektrale Empfind- lichkeit einen anzugebenden Wert nicht unterschreitet. 3.7

30、Frequenzgang der Empfindlichkeit Abhngigkeit der Empfindlichkeit von der Frequenz einer zeitlich sinusfrmig modulierten Strahlung. Anmerkung: Der Frequenzgang wird oft vereinfacht durch die Angabe des Frequenzbereiches gekenn- zeichnet, in dem die Empfindlichkeit nur inner- halb anzugebender Grenzen

31、 von der Frequenz ab- hngt. 3.8 Anstiegs- (bzw. Abfall-)Zeit (eines Strahlungs- empfngers) Zeit, die die Empfngerausgangsgre bentigt, um nach pltzlichem Auftreten (bzw. Wegfallen) einer konstanten Eingangsgre von einem bestimmten niedrigen (bzw. hohen) Bruchteil auf einen bestimmten hohen (bzw. nied

32、rigen) Bruchteil des Maximalwertes anzusteigen (bzw. abzufallen). Anmerkung: Es ist blich, fr den niedrigen Bruchteil 10% und fr den hohen 90% des Maximalwertes anzusetzen. 3.9 Zeitkonstante (eines Empfngers) Zeit, die die Empfangerausgangsgre bentigt, um nach einer sprunghaften nderung der ansonste

33、n konstanten Eingangsgre den Bruchteil (1 -l/e) ihrer endgltigen nderung zu erreichen. Dabei ist vorauszusetzen, da keine Drift auftritt und da sich die zeitliche Anderung der Ausgangsgre durch eine Exponentialfunktion be- schreiben It. 3.10 Nichtlinearitt fNL Relative Abweichung der Empfindlichkeit

34、 s(z) von der Empfindlichkeit s(zo) bei einem anzugebenden Bezugs- wert z, der Eingangs- oder Ausgangsgre z: (4) Anmerkung: Die Nichtlinearitt kann insbesondere wel- lenlngenabhngig sein. 3.1 1 Linearitatsbereich Bereich der Empfngereingangs- bzw. Ausgangsgre, in dem die Nichtlinearitt anzugebende G

35、renzwerte nicht berschreitet. Anmerkung: Oft ist es notwendig, den Linearittsbereich bzgl. Strahlungsleistung und Bestrahlungsstrke zu kennen. 3.12 Empfngerflche Fr den Empfang von Strahlung vorgesehene Flche oder ffnung des Empfngers. 3.13 Inhomogenitt fm Relative Abweichung der Empfindlichkeit s(P

36、) an einem Punkt P der Empfngerflche von der Empfindlichkeit = 2794442 0020Lb 588 DIN 5030 Teil 5 Seite 3 s(p,) an einem anzugebenden Bezugspunkt Po der Emp- f nge r f Ic h e : (5) Zur Bestimmung von s(P) ist eine kleine, rechteckige oder kreisfrmige Teilflche mit P als Mittelpunkt ZU be- strahlen .

37、 Anmerkung 1 : Form und Gre der Teilflche, die der Geometrie, dem Meprinzip und der beabsichtig- ten Anwendung des Empfngers angepat werden sollten, sind.fr die Beurteilung der Inhomogenitt unerllich und deshalb anzugeben. Bei Photolei- tern mu die Teilflche in einer Richtung die Ab- messungen des E

38、mpfngers berdecken (spaltfr- mige Abtastung). Anmerkung 2: Vernachlssigbare Inhomogenitt bedeu- tet nicht in allen Fllen, da bei konstanter einge- strahlter Leistung das Ausgangssignal vom Durch- messer des Strahlungsbndels unabhngig ist. Es ist auch darauf zu achten, da lokal nicht der Lineari- tts

39、bereich (bzgl. Bestrahlungsstrke) verlassen wird. 3.14 Homogener Bereich Bereich der Empfngerflche, fr den die Inhomogenitt anzugebende Grenzwerte nicht berschreitet. Anmerkung: Der homogene Bereich kann von der Wel- lenlnge und dem Einfallswinkel der Strahlung ab- hngen. 3.15 ffnungswinkel Spanne d

40、es fr den Empfang von Strahlung vorgesehenen Wi nkelbereichs. Anmerkung: Gegebenenfalls ist zur vollstndigen Kenn- zeichnung mehr als ein ffnungswinkel anzugeben. 3.16 Anisotropie (Richtungsabhangigkeit der Empfind- Relative Abweichung der Empfindlichkeit s( O) bei Ein- fall der (kollimierten) Strah

41、lung unter dem Winkel 6 ge- gen eine Bezugsrichtung von der Empfindlichkeit so bei Strahlungseinfall in dieser (anzugebenden) Bezugsrich- tung: lichkeit) fAI Bei der Bestimmung von s( 6) darf nur der homogene Be- reich bestrahlt werden. Anmerkung 1 : Wenn die Anisotropie nicht rotationssy- metrisch

42、zur Bezugsrichtung ist, ist die Abhngig- keit von zwei Winkeln zur vollstndigen Beschrei- bung erford er1 ich. Anmerkung 2: Die Anisotropie kann insbesondere vom Polarisationszustand und der Wellenlnge der Strah- lung abhngen. Anmerkung 3: Es sind zwei Grenzflle der Bestrahlung zu unterscheiden: Wir

43、d ein Empfnger ohne Anisotropie (isotroper Empfnger) innerhalb eines homogenen, kollimier- ten Strahlungsbndels, dessen Querschnitt grer ist als die Empfngerflche, um eine Achse senk- recht zur Strahlungsrichtung gedreht, so nehmen DIN1 DIN 5030 TEIL 5 87 = Seite 4 DIN 5030 Teil 5 auf die Empfngerfl

44、che auftreffende Strahlungs- leistung und Bestrahlungsstarke und damit bei ei- nem linear arbeitenden Empfnger auch das Aus- gangssignal mit dem Kosinus des Einfallswinkels ab (sogenannte kosinusgetreue Bewertung). Wird ein isotroper Empfnger mit einem kollimierten Strah- lungsbndel, dessen Querschn

45、itt kleiner als die Empfngerflche ist, so bestrahlt, da bei Drehung um eine Achse senkrecht zur Strahlungsrichtung stets das ganze Bndel auf den homogenen Teil der Empfngerflche trifft, so bleibt die auftreffende Strahlungsleistung und damit (bei einem linear ar- beitenden Empfnger) auch das Ausgang

46、ssignal bei der genannten Drehung konstant. 3.17 Isotroper Bereich Winkelspanne, in der die Anisotropie anzugebende Grenz- werte nicht berschreitet. 3.18 Temperaturgang Abhngigkeit einer Empfnger-Kenngre von der Tem- peratu r. Anmerkung: Hngt eine Kenngre x in einem anzuge- benden Temperaturbereich

47、linear von der Tempe- ratur Tab, so kannder Temperaturgang durch ei- nen Temperaturkoeffizienten d angegeben wer- den. dx 3.19 Nachwirkung Zeitlich reversible nderung von Empfnger-Kenngren durch Bestrahlung bei sonst konstanten Betriebsbedin- gungen (z. B. infolge Ermdung). 3.20 Alterung Zeitlich ir

48、reversible nderung von Empfnger-Kenngr- Ren bei zulssigen Betriebs- und Lagerbedingungen. Anmerkung zu Abschnitt 3.18 bis Abschnitt 3.20: Eine langsame zeitliche nderung einer Kenngre wird als Drift bezeichnet, wenn ber die Ursache der nderung keine Aussage gemacht werden kann oder soll. 4 Spezielle Kenngren ortsauflsender Einige der nachfolgend definierten Kenngren knnen auch fr Einzelempfnger von Bedeutung sein. Sie hn- gen dann jedoch in der Regel von der elektrischen Be- Schaltung ab und knnen daher nicht fr den Empfanger allein definiert werden. Empfnger 4.1 G