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Istituto Nazionale di Ottica Applicata

Strumenti di misura della radiazione

L. Mercatelli



Scegliere un rivelatore

• Sensibilità spettrale

• Può essere cambiato picco di sensibilità o larghezza di banda ma vi deve essere sufficiente segnale iniziale

• Insensibilità alla radiazione fuori della banda d’interesse


Rivelatori al silicio

• Giunzione P-N: Diodo polarizzato inversamente

• Corrente proporzionale luce incidente

• Radiazione assorbita esponenzialmente con la distanza. Proporzionale al coeff. Assorbimento

• Coeff. Assorbimento alto per corte (UV) e basso per lunghe (IR) - trasparente per >1200 nm


Rivelatori al silicioLinearità mantenuta entro range dinamico di 10 decadi Utilizzati come standard al NIST

• Limite teorico di sensibilità corrente di buio, rumore shot, rumore termico

• Limite pratico di sensibilità irradianza che produce una corrente confrontabile con la corrente di buio


Scelta dei filtri

Risposta fotorivelatore

dTTTSKR percfiltern

percfilter

percfilterdetector )(...)()()( 21

2

1

I filtri funzionano per assorbimento o per interferenza

• Assorbimento: Legge Lambert-Beer. Banda larga, passa-alto

• Interferenza: deposizioni dielettriche causano interferenza dei fronti d’onda. Banda stretta

LeeII )()( 0


ES. Il fotodiodo viene filtrato in modo da modificarne la sensibilità e renderla più simile a quella dell’occhio umano

Filtraggio -1


Filtraggio -2


Luxmetro

• Misura W/m2 “pesati” sulla risposta dell’occhio (LUX)

FOTODIODO

FILTRO

TESTA - COSENO


Tipologie di illuminanti


Color Correction Factor


Vacuum Photodiodes

• Fototubo: sensore basato su effetto fotoelettrico

• Coating del catodo con materiali che emettono elettroni se colpiti da radiazione (es. Cesio)

• Anodo a 50-90V per raccogliere gli elettroni uscenti dal catodo. (Tecnologia odierna pochi Volts ddp)


Vacuum Photodiodes

• La sensibilità spettrale è determinata dal materiale del catodo

• Es: fototubi per UV catodo Cs-Te


Fotomoltiplicatori

• Emissione secondaria dai dinodi• Alto guadagno• Utilizzati in conteggio di singolo fotone


Termopile

Effetto Seebeck (Thomas Johann Seebeck, 1770-1831). Una corrente elettrica scorre in un circuito costituito da due conduttori metallici in serie quando le due giunzioni sono a temperature diverse. La fem è proporzionale alla differenza di temperatura delle giunzioni


Termopile

•Giunzione “calda” immersa in assorbitore•Giunzione “fredda” schermata da vernice od altro

•Sensibilità spettrale dipende da assorbitore


Filtri per Irradianza Effettiva

Combinazione filtro-sensibilità spettrale per misure di irradianza effettiva

Irradianza effettiva: irradianza pesata in proporzione all’effetto chimico o biologico che ha la luce su una determinata sostanza

Es: Funzione peso per irraggiamento della pelle umana usata per determinare il rischio UV


Campo di vista del rivelatore

Importanza del campo di vista, in accordo al tipo di misura da compiere:

• Es. Misura di irraggiamento della pelle umana: la pelle è piana e diffondente ed assorbe radiazione in proporzione all’angolo di incidenza

• Es. Misure di radianza necessitano angoli di accettazione stretti

• I fotodiodi al silicio hanno risposta coseno, ma l’introduzione di filtri davanti ne limita il campo

• Un campo di vista stretto porta a misurare segnali bassi. Per compensare il problema si aumenta la sezione del fascio misurato tramite lenti


Spettroradiometro

Misure di radianza spettrale


Misure con spettroradiometro

Spectralon:

• Superficie che riflette tutte le lungh. d’onda con la stessa efficienza.

• La diffusione nello spazio rispetta la legge di Lambert

SORGENTE SPECTRALON

SPETTRORADIOMETRO


Il colore -1

In termini di spettro, il colore è:

L’EMISSIONE DELLA SORGENTE CHE NON VIENE ASSORBITA DAL CAMPIONE MA RIDISTRIBUITA NELLO SPAZIO

SORGENTE

CAMPIONE

COLORATO


Il colore -2


CONCLUSIONI

• I rivelatori di LUX o rivelatori filtrati danno informazione integrale:– POSSIBILE PROBLEMA: posso avere molti lux ma

emissione monocromatica– POSSIBILE ESPERIMENTO: led blu tanti lux,

poche frequenze

• Gli spettroradiometri danno duplice informazione: “QUANTA” luce, e “COME E’ FATTA”

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