Istituto Nazionale di Ottica Applicata
Strumenti di misura della radiazione
L. Mercatelli
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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
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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
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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
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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
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ES. Il fotodiodo viene filtrato in modo da modificarne la sensibilità e renderla più simile a quella dell’occhio umano
Filtraggio -1
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Filtraggio -2
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Luxmetro
• Misura W/m2 “pesati” sulla risposta dell’occhio (LUX)
FOTODIODO
FILTRO
TESTA - COSENO
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Tipologie di illuminanti
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Color Correction Factor
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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)
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Vacuum Photodiodes
• La sensibilità spettrale è determinata dal materiale del catodo
• Es: fototubi per UV catodo Cs-Te
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Fotomoltiplicatori
• Emissione secondaria dai dinodi• Alto guadagno• Utilizzati in conteggio di singolo fotone
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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
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Termopile
•Giunzione “calda” immersa in assorbitore•Giunzione “fredda” schermata da vernice od altro
•Sensibilità spettrale dipende da assorbitore
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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
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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
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Spettroradiometro
Misure di radianza spettrale
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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
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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
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Il colore -2
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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”