7.2 外光电效应光电器件.doc

7.2 外光电效应光电器件利用物质在光照下发射电子即外光电效应制成的光电器件，如光电管和光电倍增管，一般都是真空或充气的光电器件。7.2.1 光电管1结构与原理光电管的结构如图7.2.1所示，它由一个阴极和一个阳极构成，分别叫光阴极和光阳极，并密封在一只真空玻璃管内。阳极是位于光电管中心的环形金属丝，或是置于柱面中心轴位置的金属丝柱；阴极的形式有多种，可以在玻璃管内装入柱面形金属板，再将板内壁涂上阴极涂料（铯氧银或锑化铯等），也可直接在玻璃管内壁涂一层阴极涂料，这种最简单。当光照在阴极上时，阴极发射出光电子，被具有一定电位的中央阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流。在外电场作用下将形成电流，叫光电流。如图7.2.2所示，电阻上的电压降正比于光电流。光电流的大小与光强度成正比关系，故外电路电阻上的电压正比于光强。图7.2.1 光电管的结构 图7.2.2 光电管电路在光电管内充入少量的惰性气体（如氩、氖等），构成充气光电管。当充气光电管的阴极被光照射后，光电子在飞向阳极的途中，和惰性气体的原子发生碰撞而使气体电离，因此增大了光电流，从而使光电管的灵敏度增加。可见充气光电管比真空光电管灵敏度高。2特性1) 伏安特性当入射光的频率和光通量不变时，阳、阴两极的电压与光电流之间的关系叫伏安特性。如图7.2.3所示。当阳极电压较低时，阴极发射的电子只有一部分能到达阳极，其余部分又回到阴极，故这时，光电流的大小正比于电压的大小。随着阳极电压的增大，光电流随着增大。再继续增大电压，当阴极发射的电子全部达到阳极时，光电流趋于恒定，称为饱和状态。 图7.2.3（a） 真空光电管的伏安特性 图7.2.3（b） 充气光电管的伏安特性2）光照特性光照特性是指当光电管的阳极和阴极之间电压一定时，光电流与光通量之间的关系。图7.2.4曲线1是氧铯阴极光电管的特性，光电流与光通量呈线性关系；曲线2是锑铯阴极光电管的光照特性，呈非线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之比）称为光电管的灵敏度。由图中可以看出：当阳极电压一定时，光电流与光通量成线性关系，转换灵敏度为常数；转换灵敏度随阳极电压的增大而增大；充气光电管的灵敏度比真空光电管的灵敏度高一个量级。但是由于由于惰性气体的存在，当射入交变的光通量时，灵敏度会出现非线性。充气光电管的许多参数与温度有关，且易于老化等缺点，使得目前真空光电管比充气光电管更受欢迎。3）光谱特性一般对于阴极材料不同的光电管，有不同的红限频率，因此可用于不同的光谱范围。并且，对于同一光电管，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子数目也不同，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。图7.2.4 光电管的光照特性7.2.2 光电倍增管当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几个微安，很不容易探测。这时常用光电倍增管，它可对电流进行放大。1 结构与原理光电倍增管由光电阴极K、倍增电极D以及阳极A组成，如图7.2.5所示，倍增电极上涂有电子轰击下能发射更多电子的材料或合金，其形状和位置设计得正好使前一级发射的电子继续轰击下一级，倍增级多的可达30级，通常为1214级。阳极是最后用来收集电子的，输出电压脉冲。图7.2.5 光电倍增管的结构及工作原理工作时，各个倍增级上均加有电位，阴极电位最低，各倍增级的电位依次升高，阳极电位最高。由于相邻两倍增电极间有电位差，因此存在加速电场，对电子加速。从阴极发射出的光电子，在电场加速下，打到第一个倍增电极D1上，引起二次电子发射，每个电子能从倍增极上打出36个次级电子，被打出的次级电子再经电场加速后，打在第二个倍增电级D2上，电子数又增加36倍，如此不断倍增，阳极最后收集到的电子数将达到阴极发射电子数的105106倍，即光电倍增管的放大倍数可达到几万倍到几百万倍，光电倍增管的灵敏度比普通光电管高几万到几百万倍，因此，在很微弱的光照时，光电倍增管都能产生很大的光电流。2参数1）倍增系数倍增系数等于各倍增电极的二次电子发射系数的乘积。如果个倍增电极的相等，则其中为收集系数，它表示倍增管收集电子的效率。一般地，光电倍增管的收集系数在之间，稳定性在1%左右。加速电压（阳极电压）的稳定性要在0.1%以内。倍增极数一般为，倍增率一般为。阳极电流为其中是光阴极的光电流。2）灵敏度一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电阴极的灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫光电倍增管的总灵敏度。由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。3）暗电流、本底电流一般在使用光电倍增管时，必须将其放在暗室里避光使用，只对入射光起作用。但由于环境温度、热辐射等因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后仍有电流，这种电流称为暗电流。这种暗电流通常可以用补偿电路加以消除。如果光电倍增管与闪烁体放在一起，在完全避光的情况下，出现的电流叫本底电流。本底电流值大于暗电流。大于暗电流的部分，是由宇宙射线照射到闪烁体上，使其激发，闪烁体的激发光照射在光电倍增管上所引起。本底电流具有脉冲形式。4）飞行时