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光电管
阅读:5540时间:2010-09-29 11:54:36

  定义:一种光敏元件,当它受到辐射后,并从阴极释放出电子的电子管。可分为真空光电管和充气光电管。
  光电管(phototube)基于外光电效应的基本光电转换器件。光电管可使光信号转换成电信号。光电管的典型结构是将球形玻璃壳抽成真空,在内半球面上涂一层光电材料作为阴极,球心放置小球形或小环形金属作为阳极。若球内充低压惰性气体就成为充气光电管。光电子在飞向阳极的过程中与气体分子碰撞而使气体电离,可增加光电管的灵敏度。用作光电阴极的金属有碱金属、汞、金、银等,可适合不同波段的需要。光电管灵敏度低、体积大、易破损,已被固体光电器件所代替。

原理

  光电管原理是光电效应。一种是半导体材料类型的光电管,它的工作原理光电二极管又叫光敏二极管,是利用半导体的光敏特性制造的光接受器件。当光照强度增加时,pn结两侧的p区和n区因本征激发产生的少数载流子浓度增多,如果二极管反偏,则反向电流增大,因此,光电二极管的反向电流随光照的增加而上升。光电二极管是一种特殊的二极管,它工作在反向偏置状态下。常见的半导体材料有硅、锗等。如我们楼道用的光控开关。还有一种是电子管类型的光电管,它的工作原理用碱金属(如钾、钠、铯等)做成一个曲面作为阴极,另一个极为阳极,两极间加上正向电压,这样当有光照射时,碱金属产生电子,就会形成一束光电子电流,从而使两极间导通,光照消失,光电子流也消失,使两极间断开。

光电效应原理图


  光照射到某些物质上,引起物质的电性质发生变化。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应。金属表面在光辐照作用下发射电子的效应,发射出来的电子叫做光电子。光波长小于某一临界值时方能发射电子,即极限波长,对应的光的频率叫做极限频率。临界值取决于金属材料,而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关,这一点无法用光的波动性解释。还有一点与光的波动性相矛盾,即光电效应的瞬时性,按波动性理论,如果入射光较弱,照射的时间要长一些,金属中的电子才能积累住足够的能量,飞出金属表面。可事实是,只要光的频率高于金属的极限频率,光的亮度无论强弱,光子的产生都几乎是瞬时的,不超过十的负九次方秒。正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位(即光子或光量子)所组成。这种解释为爱因斯坦所提出。光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现,对发展量子理论起了根本性作用,在光的照射下,使物体中的电子脱出的现象叫做光电效应(Photoelectric effect)。 光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏打效应。前一种现象发生在物体表面,又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部,称为内光电效应。
  光电效应里,电子的射出方向不是完全定向的,只是大部分都垂直于金属表面射出,与光照方向无关 ,光是电磁波,但是光是高频震荡的正交电磁场,振幅很小,不会对电子射出方向产生影响。

分类

  光电管可分为真空光电管和充气光电管两种。

一、真空光电管
  真空光电管(又称电子光电管)由封装于真空管内的光电阴极和阳极构成。当入射光线穿过光窗照到光阴极上时,由于外光电效应(见光电式传感器),光电子就从极层内发射至真空。在电场的作用下,光电子在极间作加速运动,最后被高电位的阳极接收,在阳极电路内就可测出光电流,其大小取决于光照强度和光阴极的灵敏度等因素。按照光阴极和阳极的形状和设置的不同,光电管一般可分为 5种类型。①中心阴极型:这种类型由于阴极面积很小,受照光通量不大,仅适用于低照度探测和光子初速度分布的测量。②中心阳极型:这种类型由于阴极面积大,对入射聚焦光斑的大小限制不大;又由于光电子从光阴极飞向阳极的路程相同,电子渡越时间的一致性好;其缺点是光电子接收特性差,需要较高的阳极电压(图a)。③半圆柱面阴极型:这种结构有利于增加极间绝缘性能和减少漏电流(图b)。④平行平板极型:这种类型的特点是光电子从阴极飞向阳极基本上保持平行直线的轨迹,电极对于光线入射的一致性好。⑤带圆筒平板阴极型:它的特点是结构紧凑、体积小、工作稳定。

二、充气光电管
  充气光电管(又称离子光电管)由封装于充气管内的光阴极和阳极构成。它不同于真空光电管的是,光电子在电场作用下向阳极运动时与管中气体原子碰撞而发生电离现象。由电离产生的电子和光电子一起都被阳极接收,正离子却反向运动被阴极接收。因此在阳极电路内形成数倍于真空光电管的光电流。充气光电管的电极结构也不同于真空光电管。常用的电极结构有中心阴极型、半圆柱阴极型和平板阴极型。充气光电管最大缺点是在工作过程中灵敏度衰退很快,其原因是正离子轰击阴极而使发射层的结构破坏。充气光电管按管内充气不同可分为单纯气体型和混合气体型。①单纯气体型:这种类型的光电管多数充氩气,优点是氩原子量小,电离电位低,管子的工作电压不高。有些管内充纯氦或纯氖,使工作电压提高。②混合气体型:这种类型的管子常选氩氖混合气体,其中氩占10%左右。由于氩原子的存在使处于亚稳态的氖原子碰撞后即能恢复常态,因此减少惰性。

主要特性

  (1)光电管的伏安特性
  在一定的光照射下,对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。
  (2)光电管的光照特性
  当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时,光通量与光电流之间的关系。光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。

光电管伏安特性图


  (3) 光电管的光谱特性
  一般光电阴极材料不同的光电管有不同的红限频率,因此它们可用于不同的光谱范围。
  另外,同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。以GD-4型光电管为例,阴极是用锑铯材料制成,其红限λc=700nm,对可见光范围的入射光灵敏度比较高。适用于白光光源,被应用于各种光电式自动检测仪表中。
  对红外光源,常用银氧铯阴极,构成红外探测器。
  对紫外光源,常用锑铯阴极和镁镉阴极。

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