光電管

光電管（phototube）基於外光電效應的基本光電轉換器件。光電管可使光信號轉換成電信號。光電管分為真空光電管和充氣光電管兩種。光電管的典型結構是將球形玻璃殼抽成真空，在內半球面上塗一層光電材料作為陰極，球心放置小球形或小環形金屬作為陽極。若球內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鹼金屬、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。

基本介紹

• 中文名：光電管
• 外文名：phototube
• 類型：光電轉換器件
• 分為：真空光電管和充氣光電管兩種

概述

光電倍增管是進一步提高光電管靈敏度的光電轉換器件。管內除光電陰極和陽極外，兩極間還放置多個瓦形倍增電極。使用時相鄰兩倍增電極間均加有電壓用來加速電子。光電陰極受光照後釋放出光電子，在電場作用下射向第一倍增電極，引起電子的二次發射，激發出更多的電子，然後在電場作用下飛向下一個倍增電極，又激發出更多的電子。如此電子數不斷倍增 ，陽極最後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使它在光測量方面獲得廣泛套用。

光電管基本結構

原理

光電管原理是光電效應。一種是半導體材料類型的光電管，它的工作原理光電二極體又叫光敏二極體，是利用半導體的光敏特性製造的光接受器件。當光照強度增加時，PN結兩側的P區和N區因本徵激發產生的少數載流子濃度增多，如果二極體反偏，則反向電流增大，因此，光電二極體的反向電流隨光照的增加而上升。光電二極體是一種特殊的二極體，它工作在反向偏置狀態下。常見的半導體材料有矽、鍺等。如我們樓道用的光控開關。還有一種是電子管類型的光電管，它的工作原理用鹼金屬（如鉀、鈉、銫等）做成一個曲面作為陰極，另一個極為陽極，兩極間加上正向電壓，這樣當有光照射時，鹼金屬產生電子，就會形成一束光電子電流，從而使兩極間導通，光照消失，光電子流也消失，使兩極間斷開。

光電管結構原理圖

光照射到某些物質上，引起物質的電性質發生變化。這類光致電變的現象被人們統稱為光電效應。金屬表面在光輻照作用下發射電子的效應，發射出來的電子叫做光電子。光波長小於某一臨界值時方能發射電子，即極限波長，對應的光的頻率叫做極限頻率。臨界值取決於金屬材料，而發射電子的能量取決於光的波長而與光強度無關，這一點無法用光的波動性解釋。還有一點與光的波動性相矛盾，即光電效應的瞬時性，按波動性理論，如果入射光較弱，照射的時間要長一些，金屬中的電子才能積累住足夠的能量，飛出金屬表面。可事實是，只要光的頻率高於金屬的極限頻率，光的亮度無論強弱，光子的產生都幾乎是瞬時的，不超過十的負九次方秒。正確的解釋是光必定是由與波長有關的嚴格規定的能量單位(即光子或光量子)所組成。這種解釋為愛因斯坦所提出。光電效應由德國物理學家赫茲於1887年發現，對發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象叫做光電效應(Photoelectric effect)。 光電效應分為光電子發射、光電導效應和光生伏打效應。前一種現象發生在物體表面，又稱外光電效應。後兩種現象發生在物體內部，稱為內光電效應。

光電效應原理示意圖

光電效應里，電子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直於金屬表面射出，與光照方向無關 ，光是電磁波，但是光是高頻震盪的正交電磁場，振幅很小，不會對電子射出方向產生影響。

真空光電管

真空光電管（又稱電子光電管）由封裝於真空管內的光電陰極和陽極構成。當入射光線穿過光窗照到光陰極上時，由於外光電效應（見光電式感測器），光電子就從極層內發射至真空。在電場的作用下，光電子在極間作加速運動，最後被高電位的陽極接收，在陽極電路內就可測出光電流，其大小取決於光照強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定的不同，光電管一般可分為5種類型。①中心陰極型：這種類型由於陰極面積很小，受照光通量不大，僅適用於低照度探測和光子初速度分布的測量。②中心陽極型：這種類型由於陰極面積大，對入射聚焦光斑的大小限制不大；又由於光電子從光陰極飛向陽極的路程相同，電子渡越時間的一致性好;其缺點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：這種結構有利於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，電極對於光線入射的一致性好。⑤帶圓筒平板陰極型：它的特點是結構緊湊、體積小、工作穩定。

真空光電管

充氣光電管

充氣光電管（又稱離子光電管）由封裝於充氣管內的光陰極和陽極構成。它不同於真空光電管的是，光電子在電場作用下向陽極運動時與管中氣體原子碰撞而發生電離現象。由電離產生的電子和光電子一起都被陽極接收，正離子卻反向運動被陰極接收。因此在陽極電路內形成數倍於真空光電管的光電流。充氣光電管的電極結構也不同於真空光電管。常用的電極結構有中心陰極型、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射層的結構破壞。充氣光電管按管內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充氬氣，優點是氬原子量小，電離電位低，管子的工作電壓不高。有些管內充純氦或純氖，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。由於氬原子的存在使處於亞穩態的氖原子碰撞後即能恢復常態，因此減少惰性。

充氣離子光電管

參數及特性

光電管的伏安特性

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生的電流之間的關係稱為光電管的伏安特性。

光電管的光照特性

當光電管的陰極和陽極之間所加的電壓一定時，光通量與光電流之間的關係。

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。

光電管的光譜特性

一般光電陰極材料不同的光電管有不同的紅限頻率，因此它們可用於不同的光譜範圍。

另外，同一光電管對於不同頻率的光的靈敏度不同。以GD-4型光電管為例，陰極是用銻銫材料製成，其紅限λc=700nm，對可見光範圍的入射光靈敏度比較高。適用於白光光源，被套用於各種光電式自動檢測儀表中。

對紅外光源，常用銀氧銫陰極，構成紅外探測器。

對紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。