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光電管（光信號轉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

光信號轉換成電信號的電子產(chǎn)品

光電管（phototube）基于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(yáng)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(yáng)極的過(guò)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(lèi)別	光電轉換器件
分為	真空光電管和充氣光電管兩種

產(chǎn)品概述

光電管基本結構

光電倍增管是進(jìn)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(yáng)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(lái)加速電子。光電陰極受光照后釋放出光電子，在電場(chǎng)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(chǎng)作用下飛向下一個(gè)倍增電極，又激發(fā)出更多的電子。如此電子數不斷倍增，陽(yáng)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(lái)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用。

產(chǎn)品原理

光電管結構原理圖

光電管原理是光電效應。一種是半導體材料類(lèi)型的光電管，它的工作原理光電二極管又叫光敏二極管，是利用半導體的光敏特性制造的光接受器件。當光照強度增加時(shí)，PN結兩側的P區和N區因本征激發(fā)產(chǎn)生的少數載流子濃度增多，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(jiàn)的半導體材料有硅、鍺等。如我們樓道用的光控開(kāi)關(guān)。還有一種是電子管類(lèi)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(yáng)極，兩極間加上正向電壓，這樣當有光照射時(shí)，堿金屬產(chǎn)生電子，就會(huì )形成一束光電子電流，從而使兩極間導通，光照消失，光電子流也消失，使兩極間斷開(kāi)。

光電效應原理示意圖

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(lèi)光致電變的現象被人們統稱(chēng)為光電效應。金屬表面在光輻照作用下發(fā)射電子的效應，發(fā)射出來(lái)的電子叫做光電子。光波長(cháng)小于某一臨界值時(shí)方能發(fā)射電子，即極限波長(cháng)，對應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(cháng)而與光強度無(wú)關(guān)，這一點(diǎn)無(wú)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(cháng)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(wú)論強弱，光子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時(shí)的，不超過(guò)十的負九次方秒。正確的解釋是光必定是由與波長(cháng)有關(guān)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(ài)因斯坦所提出。光電效應由德國物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現，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象叫做光電效應(Photoelectric effect)。光電效應分為光電子發(fā)射、光電導效應和光生伏打效應。前一種現象發(fā)生在物體表面，又稱(chēng)外光電效應。后兩種現象發(fā)生在物體內部，稱(chēng)為內光電效應。

光電效應里，電子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金屬表面射出，與光照方向無(wú)關(guān)，光是電磁波，但是光是高頻震蕩的正交電磁場(chǎng)，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(chēng)電子光電管）由封裝于真空管內的光電陰極和陽(yáng)極構成。當入射光線(xiàn)穿過(guò)光窗照到光陰極上時(shí)，由于外光電效應（見(jiàn)光電式傳感器），光電子就從極層內發(fā)射至真空。在電場(chǎng)的作用下，光電子在極間作加速運動(dòng)，最后被高電位的陽(yáng)極接收，在陽(yáng)極電路內就可測出光電流，其大小取決于光照強度和光陰極的靈敏度等因素。按照光陰極和陽(yáng)極的形狀和設置的不同，光電管一般可分為5種類(lèi)型。①中心陰極型：這種類(lèi)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(yáng)極型：這種類(lèi)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(yáng)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(yáng)極電壓。③半圓柱面陰極型：這種結構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(lèi)型的特點(diǎn)是光電子從陰極飛向陽(yáng)極基本上保持平行直線(xiàn)的軌跡，電極對于光線(xiàn)入射的一致性好。⑤帶圓筒平板陰極型：它的特點(diǎn)是結構緊湊、體積小、工作穩定。

充氣版介紹

充氣離子光電管

充氣光電管（又稱(chēng)離子光電管）由封裝于充氣管內的光陰極和陽(yáng)極構成。它不同于真空光電管的是，光電子在電場(chǎng)作用下向陽(yáng)極運動(dòng)時(shí)與管中氣體原子碰撞而發(fā)生電離現象。由電離產(chǎn)生的電子和光電子一起都被陽(yáng)極接收，正離子卻反向運動(dòng)被陰極接收。因此在陽(yáng)極電路內形成數倍于真空光電管的光電流。充氣光電管的電極結構也不同于真空光電管。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(diǎn)是在工作過(guò)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(lèi)型的光電管多數充氬氣，優(yōu)點(diǎn)是氬原子量小，電離電位低，管子的工作電壓不高。有些管內充純氦或純氖，使工作電壓提高。②混合氣體型：這種類(lèi)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態(tài)的氖原子碰撞后即能恢復常態(tài)，因此減少惰性。

參數及特性

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(yáng)極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱(chēng)為光電管的伏安特性。

光照特性

當光電管的陰極和陽(yáng)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(xiàn)的斜率稱(chēng)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(jiàn)光范圍的入射光靈敏度比較高。適用于白光光源，被應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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