氖灯辉光放电THz波探测器的机理及应用研究

摘要

由于太赫兹波具有异于其他波段的特性，太赫兹技术在军事科技、宽带通信、医学探测和空间科学等方面都有无限的应用潜能。但是目前常用的探测设备价格昂贵、对工作环境要求严格，这些条件极大的限制了太赫兹技术的实验运作和实际应用。辉光放电探测器(GDD)具有快的响应速度、可在室温工作、价格低及耐高电学性等特点，为太赫兹探测器的研制提出了新的方向。
　　本文介绍了利用氖灯制备GDD，并测试了GDD的放电特性、不同放电状态下GDD对太赫兹信号的响应率及信噪比。认为GDD工作在辉光放电及异常辉光放电区域时，可用于对太赫兹信号的探测。实验测得工作电流为88.9μA时，GDD对0.17THz的太赫兹波的响应率可达0.102mV/W，信噪比为14.89。实验还发现GDD的响应率与放电电流并非简单的线性关系。同时，噪声是随着GDD放电电流的增大而增加。
　　在气体放电的基础上，对GDD的工作特性进行了分析。在等离子体的基础上，分析了太赫兹波与GDD放电时形成的等离子体的作用。结合早期GDD在微波段的探测机理，分析了GDD在太赫兹波段的探测机理。认为GDD放电空间中电子吸收了入射太赫兹波的能量，因而增加了电子与气体原子发生电离碰撞与激发碰撞的频率，使得放电空间中产生新的电子-正离子对。新产生的电子在直流偏置电场下进一步加速产生电离碰撞，引起内部的电信号放大，最终增加了GDD的放电电流。
　　利用连续太赫兹波透射式成像系统，分别以GDD和肖特基二极管作为探测器，进行了太赫兹波成像实验。获得了对比度，空间分辨率相近的样品太赫兹图像，表明GDD可以用于连续太赫兹波成像。

目录

声明

摘要

1 概述

1．1 太赫兹辐射的特性

1．2 太赫兹的探测技术

1．2．1 太赫兹时域光谱技术

1．2．2 量热探测技术

1．2．2 外差式探测

1．3 辉光放电探测器及研究现状

1．4 等离子体定义及研究方法

1．5 主要的研究内容

1．6 本章小结

2 氖灯制做辉光放电探测器及其性能

2．1．1 实验仪器

2．1．2 实验结果

2．2．1 实验仪器及设置

2．2．2 实验结果

2．3 太赫兹辐射下GDD电流的响应

2．3．1 实验仪器及设置

2．3．2 实验结果

2．4 GDD的响应率和信噪比测试

2．4．1 探测器的响应率与信噪比

2．4．2 GDD不同放电状态下的响应率与信噪比

2．4．3 GDD不同压强与电极间距乘积下的响应率

3．6．3 GDD的噪声

2．5 本章小结

3 辉光放电探测器的理论研究

3．1 GDD中带电粒子的作用

3．1．1 气体击穿与带电粒子的产生

3．1．2 GDD工作中粒子间的碰撞

3．1．3 放电中带电粒子的消失

3．2 电磁波对等离子体的作用

3．2．1 等离子体震荡

3．2．2 等离子体对电磁波的屏蔽与传播

3．3 辉光放电机理

3．4 GDD探测微波辐射机理研究

3．5 辉光放电对太赫兹辐射的响应

3．5．1 入射电磁波对电子能量及电离碰撞频率的影响

3．5．2 入射电磁波对电子扩散的影响

3．5．2 入射电磁波对放电电流的影响

3．6 本章小结

4 基于GDD透射式THz波成像

4．1 所用仪器及设置

4．2 连续透射式成像系统

4．3 成像结果

4．4 本章小结

5 结论与展望

5．1 本文研究工作总结

5．2 未来工作展望

致谢

参考文献

附录