阴极电子学实验.doc

阴极电子学实验指导书蒋泉实验 光电阴极光谱灵敏度的测量一、 实验目的（1） 熟悉以光辐射功率标准为基准测定光电器件光谱灵敏度的方法（2） 熟悉单色仪、聚光镜、色温灯等光学仪器的使用方法（3） 测量光电倍增管的相对光谱灵敏度二、实验原理(1)光谱灵敏度是描述光电器件对不同波长的入射光辐射敏感的程度，有的也叫光谱响应。它又分为绝对光谱灵敏度和相对光谱灵敏度。若光电器件对波长的光辐射通量产生输出的光电流或电压量为I，则其绝对光谱灵敏度为(2)单位为A/W。它与积分灵敏度的关系为习惯上用A/lm作单位，由上式可知，只有S()不为零的光谱区才是式中的积分范围，亦即光电器件的可用范围。(3)在实际工作中，常用的是S()随波长的相对变化，称为相对光谱灵敏度S()，它定为光电器件在某个波长的绝对光谱灵敏度与其最大绝对光谱灵敏度 S()max之比，即光电器件的相对光谱灵敏度S()，是一个无量纲的量，为简单计，S()就写作S()。光电器件光谱灵敏度的测定方法有几种，但基本上分为两类，一类是以热电偶或热电堆为基准，一类是以光辐射功率标准作为基准。图1是以光辐射功率标准作为测量基准的测量方法原理图，图中光源1发7光电器件9放大器5单色仪3聚光镜6出射狭缝4入射狭缝10万用表2稳流电源8稳压电源 1光源 图1 光谱灵敏度测试装置出的光经聚光镜3会聚后照在单色仪5的入射狭缝4上，入射的光经光栅色散后，单色光由出射狭缝6射出并照在光电器件7上，它所产生的光电压经一高精度电压放大器9放大后，其电压值就可用万用表10显示。当转动单色仪的波长鼓轮时，在出射狭缝处将按顺序射出各种波长的单色光，记下每一单色波长对应的电压值，设为V()，那么电压值一定与光源的光谱功率分布P()，单色仪系统的透射比()，放大器的放大倍数A以及待测光电器件的相对光谱灵敏度S()成正比，即(4) V()P()() S()A放大器的放大倍数A是与波长无关的常数，而单色仪系统的透射比()也可近似看为一常数，即对可见光波段各波长的响应是比较均匀的。由式(4)可知，如已测出待测光电器件在波长出的光电压V()，并且已知光源的光谱功率分布P()，就可以求得待测光电器件的相对光谱灵敏度S()，即(5) S() V() / P()再将S()归一化即可。(6)由式(5)可知，要测量光电器件的相对光谱灵敏度S()，必须先测出光电压V()，还要知道光源的光谱功率分布P()。我们可以根据普朗克黑体辐射定律，得到绝对黑体的光辐射出射度Mb为式中Mb单位为W.cm-2.m-1；为波长，单位为m；T为绝对黑体的绝对温度，单位为K；c1=3.7418441012 W.cm2，为第一辐射常数；c2=1.438833cm.K，为第二辐射常数。如果我们用一校准的标准色温灯(T=2856K)作为光源，把它看为近似绝对黑体，就可利用式(6)计算出光源的光谱功率分布P()。三、 实验设备和线路图（1） 平面光栅单色仪及直流稳压电源单色仪内装有型号为R456的光电倍增管，它由一光电阴极，数个电子倍增极以及收集极组成，它需要一稳压电源。单色仪入射狭缝和出射狭缝的宽度和高度都可调，波长用机械计数器显示，波长扫描分为手动和自动两种扫描方式。图2是单色仪的控制面板示意图。扫描换档电源波长指示倒顺开关扫描手轮滤色片手轮图2 单色仪控制面板示意图直流稳压电源用于给光电倍增管提供电压，01000v可调。（2） 标准2856K色温灯及直流稳流电源色温灯用作光源，工作电流3.578A，而直流稳流电源为其提供电流，05A可调。（3） 聚光镜，高精度电压放大器，数字万用表两个四、 实验步骤本实验是以单色仪为核心器件，测量光电倍增管的相对光谱灵敏度。按照实验指导书的图1，分别接好光路与电路图，详细检查无误后，再依次打开各电源。（1） 把两个数字万用表分别并联与串联接入电压放大器与色温灯电源回路中。（2） 打开电压放大器电源。（3） 打开稳流电源，慢慢调至3.578A，点亮色温灯。（4） 打开稳压电源，调至700v左右。（5） 打开单色仪的入射狭缝，慢慢摇动扫描手轮，在可见光光谱范围(40007500)内找出光电压最大值对应的波长。（6） 调节光电倍增管的电压以及放大器的放大倍数，使光电压值为9v左右。（7） 把手轮摇回4000，以步长为100摇到7500，记下每一波长对应的光电压值。（8） 关色温灯、稳压、稳流及放大器电源，关单色仪入射狭缝。五、 实验报告要求（1） 认真做好预习报告，了解实验步骤（此为预习报告，做实验前给老师检查）（2） 写出相对光谱灵敏度的定义及其数学表达式（3） 列出实验记录数据，计算出R456光电倍增管的相对光谱灵敏度S()（4） 画出S()曲线，并分析R456光电倍增管的光谱特性六、实验注意事项（1）实验过程中，切毋用手摸单色仪的出入口狭缝，以免损坏。（2）点亮色温灯时，应慢慢加大电压，以免烧坏。附：实验记录表格及2856K色温灯相对光谱功率P()波长()400041004200430044004500460047004800V()P()0.1990.2390.2830.3330.3880.4470.5100.5790.651S()波长()490050005100520053005400550056005700V()P()0.7280.8080.8920.9791.0681.1601.2541.3501.447S()波长()580059006000610062006300640065006600V()P()1.5441.6431.7411.8401.9382.0352.1322