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光電管（光信號轉(zhuǎn)換成電信號的電子產(chǎn)品）

次瀏覽 | 更新時(shí)間：2023-05-16

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光電管

光信號轉(zhuǎn)換成電信號的電子產(chǎn)品

光電管（phototube）基于外光電效應(yīng)的基本光電轉(zhuǎn)換器件。光電管可使光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電管分為真空光電管和充氣光電管兩種。光電管的典型結(jié)構(gòu)是將球形玻璃殼抽成真空，在內(nèi)半球面上涂一層光電材料作為陰極，球心放置小球形或小環(huán)形金屬作為陽極。若球內(nèi)充低壓惰性氣體就成為充氣光電管。光電子在飛向陽極的過程中與氣體分子碰撞而使氣體電離，可增加光電管的靈敏度。用作光電陰極的金屬有堿金屬、汞、金、銀等，可適合不同波段的需要。光電管靈敏度低、體積大、易破損，已被固體光電器件所代替。

基本信息

中文名	光電管
外文名	phototube
電子產(chǎn)品類別	光電轉(zhuǎn)換器件
分為	真空光電管和充氣光電管兩種

產(chǎn)品概述

光電管基本結(jié)構(gòu)

光電倍增管是進(jìn)一步提高光電管靈敏度的光電轉(zhuǎn)換器件。管內(nèi)除光電陰極和陽極外，兩極間還放置多個(gè)瓦形倍增電極。使用時(shí)相鄰兩倍增電極間均加有電壓用來加速電子。光電陰極受光照后釋放出光電子，在電場作用下射向第一倍增電極，引起電子的二次發(fā)射，激發(fā)出更多的電子，然后在電場作用下飛向下一個(gè)倍增電極，又激發(fā)出更多的電子。如此電子數(shù)不斷倍增，陽極最后收集到的電子可增加 10^4～10^8倍，這使光電倍增管的靈敏度比普通光電管要高得多，可用來檢測微弱光信號。光電倍增管高靈敏度和低噪聲的特點(diǎn)使它在光測量方面獲得廣泛應(yīng)用。

產(chǎn)品原理

光電管結(jié)構(gòu)原理圖

光電管原理是光電效應(yīng)。一種是半導(dǎo)體材料類型的光電管，它的工作原理光電二極管又叫光敏二極管，是利用半導(dǎo)體的光敏特性制造的光接受器件。當(dāng)光照強(qiáng)度增加時(shí)，PN結(jié)兩側(cè)的P區(qū)和N區(qū)因本征激發(fā)產(chǎn)生的少數(shù)載流子濃度增多，如果二極管反偏，則反向電流增大，因此，光電二極管的反向電流隨光照的增加而上升。光電二極管是一種特殊的二極管，它工作在反向偏置狀態(tài)下。常見的半導(dǎo)體材料有硅、鍺等。如我們樓道用的光控開關(guān)。還有一種是電子管類型的光電管，它的工作原理用堿金屬（如鉀、鈉、銫等）做成一個(gè)曲面作為陰極，另一個(gè)極為陽極，兩極間加上正向電壓，這樣當(dāng)有光照射時(shí)，堿金屬產(chǎn)生電子，就會(huì)形成一束光電子電流，從而使兩極間導(dǎo)通，光照消失，光電子流也消失，使兩極間斷開。

光電效應(yīng)原理示意圖

光照射到某些物質(zhì)上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化。這類光致電變的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱為光電效應(yīng)。金屬表面在光輻照作用下發(fā)射電子的效應(yīng)，發(fā)射出來的電子叫做光電子。光波長小于某一臨界值時(shí)方能發(fā)射電子，即極限波長，對應(yīng)的光的頻率叫做極限頻率。臨界值取決于金屬材料，而發(fā)射電子的能量取決于光的波長而與光強(qiáng)度無關(guān)，這一點(diǎn)無法用光的波動(dòng)性解釋。還有一點(diǎn)與光的波動(dòng)性相矛盾，即光電效應(yīng)的瞬時(shí)性，按波動(dòng)性理論，如果入射光較弱，照射的時(shí)間要長一些，金屬中的電子才能積累住足夠的能量，飛出金屬表面。可事實(shí)是，只要光的頻率高于金屬的極限頻率，光的亮度無論強(qiáng)弱，光子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時(shí)的，不超過十的負(fù)九次方秒。正確的解釋是光必定是由與波長有關(guān)的嚴(yán)格規(guī)定的能量單位(即光子或光量子)所組成。這種解釋為愛因斯坦所提出。光電效應(yīng)由德國物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)，對發(fā)展量子理論起了根本性作用，在光的照射下，使物體中的電子脫出的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)(Photoelectric effect)。光電效應(yīng)分為光電子發(fā)射、光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏打效應(yīng)。前一種現(xiàn)象發(fā)生在物體表面，又稱外光電效應(yīng)。后兩種現(xiàn)象發(fā)生在物體內(nèi)部，稱為內(nèi)光電效應(yīng)。

光電效應(yīng)里，電子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金屬表面射出，與光照方向無關(guān)，光是電磁波，但是光是高頻震蕩的正交電磁場，振幅很小，不會(huì)對電子射出方向產(chǎn)生影響。

真空版介紹

真空光電管

真空光電管（又稱電子光電管）由封裝于真空管內(nèi)的光電陰極和陽極構(gòu)成。當(dāng)入射光線穿過光窗照到光陰極上時(shí)，由于外光電效應(yīng)（見光電式傳感器），光電子就從極層內(nèi)發(fā)射至真空。在電場的作用下，光電子在極間作加速運(yùn)動(dòng)，最后被高電位的陽極接收，在陽極電路內(nèi)就可測出光電流，其大小取決于光照強(qiáng)度和光陰極的靈敏度等因素。按照光陰極和陽極的形狀和設(shè)置的不同，光電管一般可分為5種類型。①中心陰極型：這種類型由于陰極面積很小，受照光通量不大，僅適用于低照度探測和光子初速度分布的測量。②中心陽極型：這種類型由于陰極面積大，對入射聚焦光斑的大小限制不大；又由于光電子從光陰極飛向陽極的路程相同，電子渡越時(shí)間的一致性好；其缺點(diǎn)是光電子接收特性差，需要較高的陽極電壓。③半圓柱面陰極型：這種結(jié)構(gòu)有利于增加極間絕緣性能和減少漏電流。④平行平板極型：這種類型的特點(diǎn)是光電子從陰極飛向陽極基本上保持平行直線的軌跡，電極對于光線入射的一致性好。⑤帶圓筒平板陰極型：它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、工作穩(wěn)定。

充氣版介紹

充氣離子光電管

充氣光電管（又稱離子光電管）由封裝于充氣管內(nèi)的光陰極和陽極構(gòu)成。它不同于真空光電管的是，光電子在電場作用下向陽極運(yùn)動(dòng)時(shí)與管中氣體原子碰撞而發(fā)生電離現(xiàn)象。由電離產(chǎn)生的電子和光電子一起都被陽極接收，正離子卻反向運(yùn)動(dòng)被陰極接收。因此在陽極電路內(nèi)形成數(shù)倍于真空光電管的光電流。充氣光電管的電極結(jié)構(gòu)也不同于真空光電管。常用的電極結(jié)構(gòu)有中心陰極型、半圓柱陰極型和平板陰極型。充氣光電管最大缺點(diǎn)是在工作過程中靈敏度衰退很快，其原因是正離子轟擊陰極而使發(fā)射層的結(jié)構(gòu)破壞。充氣光電管按管內(nèi)充氣不同可分為單純氣體型和混合氣體型。①單純氣體型：這種類型的光電管多數(shù)充氬氣，優(yōu)點(diǎn)是氬原子量小，電離電位低，管子的工作電壓不高。有些管內(nèi)充純氦或純氖，使工作電壓提高。②混合氣體型：這種類型的管子常選氬氖混合氣體，其中氬占10%左右。由于氬原子的存在使處于亞穩(wěn)態(tài)的氖原子碰撞后即能恢復(fù)常態(tài)，因此減少惰性。

參數(shù)及特性

伏安特性

在一定的光照射下，對光電器件的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。

光照特性

當(dāng)光電管的陰極和陽極之間所加的電壓一定時(shí)，光通量與光電流之間的關(guān)系。

光照特性曲線的斜率稱為光電管的靈敏度。

1-氧銫陰極；2-銻銫陰極。

光譜特性

一般光電陰極材料不同的光電管有不同的紅限頻率，因此它們可用于不同的光譜范圍。

另外，同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同。以GD-4型光電管為例，陰極是用銻銫材料制成，其紅限λc=700nm，對可見光范圍的入射光靈敏度比較高。適用于白光光源，被應(yīng)用于各種光電式自動(dòng)檢測儀表中。

對紅外光源，常用銀氧銫陰極，構(gòu)成紅外探測器。

對紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。

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