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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)光照強度增加時，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(dāng)有光照射時，堿金屬產(chǎn)生電子，就會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度無關(guān)，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(yīng)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?？墒聦嵤牵灰獾念l率高于金屬的極限頻率，光的亮度無論強弱，光子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時的，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，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動，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(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動時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，正離子卻反向運動被陰極接收。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，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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