真空光电管

发布者:admin 发布时间:2019-10-31 12:57 浏览次数:

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  真空光电管(又称电子光电管)由封装于真空管内的光电阴极和阳极构成。当入射光线穿过光窗照到光阴极上时,由于外光电效应(见光电式传感器),光电子就从极层内发射至真空。在电场的作用下,光电子在极间作加速运动,最后被高电位的阳极接收,在阳极电路内就可测出光电流,其大小取决于光照强度和光阴极的灵敏度等因素。

  当入射的光线透过光窗照射到光电阴极上时,光电子从阴极发射到真空中,在电场的作用下,光电子在极间做加速运动,最后这些光电子被阳极(接收极)所收集。在阳极外电路中,就可以测出光电流的数值,光电流的大小主要取决于阴极的灵敏度和光照的强度等因素。

  光电管管内阴极与阳极的设置和形状,按照不同应用的需要可以有不同的形式,一般可分为中心阴极式、中心阳极式、半圆柱面阴极式、平行平板电极式和带圆筒平板阴极式等。

  球形玻壳,在球壳内表面常蒸上透明的导电膜或不透明的金属厚膜作为阳极,如果是不透明的金属层,则在玻壳上必须留下一个不蒸金属层的透明小窗口,以便入射光线能通过它照射到阴极上;阴极作成小球,放置在阳极球面中心。中心阴极式光电管的结构示意图如图1-1所示。

  这种光电管的阴极受光面很小,因而光电流也很小,只适用于低照度下测量光电子的初速度分布和要求在低电压下得到饱和光电流的低照度光电发射研究。

  实际使用的光电管,都希望光电阴极有足够大的受光面积,因此大多光电管都采用中心阳极式结构,如图1-2所示。

  在这种结构的光电管中,玻壳还是球形的,阴极蒸在玻壳内壁上,占半个球面,另一半作为透光窗口,阳极做成小球形或小环形置于球形玻壳中心。阳极由于体积很小,可以几乎不遮挡阴极受光。

  中心阳极式光电管的优点是阴极受光面积大,对入射光聚焦光斑的大小要求十分严格;在大面积受光场合,光电子由球面向球心飞行,路程相同,因此渡越时间比较一致;极间电容很小,高频特性好。

  这种光电管的不足在于:阳极收集光电子的效率低,要使阴极发射的光电子能全部被阳极所接收,阳极就必须加足够高的电压;玻壳透光窗部位的内壁往往会沉积光电子,形成管壁电荷场,导致光电管工作的不稳定。克服这种缺点的办法是,在制造阴极前,先在玻壳内壁上蒸涂半透明的金属或氧化锡薄膜,这样不但能使阴极保持等电位,而且使整个玻壳内壁都可以保持阴极电位,也防止了窗口部分内壁电荷的积累,使光电管工作稳定;还可以把阳极做成网状,用以减少管壁电荷场的影响,提高工作稳定性。

  人们更多地习惯于圆柱式结构。在这种光电管中,可以采用半圆柱面形阴极与同轴直杆形成阳极或框架形阳极,如图1-3所示。其阴极大多选用易于加工成形的金属做成半圆形基底,然后在其内壁上涂上光电发射层,也可以将阴极材料直接涂敷在圆柱玻壳半边内壁上,光电管的外壳则采用尺寸较大的圆柱形玻壳。

  这种光电管阴极面积大,可获得较大光电流,也有利于增加极间的绝缘性能、降低漏电。

  如果光电管的光电阴极和阳极是平行平板结构,阴极是半透明的圆片,采用透射式光电发射,阳极是金属圆片,与阴极平行放置,则在阴-阳极之间形成的基本上是均匀电场,光电子在从阴极飞向阳极的过程中基本上保持直线轨迹。这种管子可适用于大面积的受照场合和低电压工作场合,虽然管子的极间电容较大,但并不影响管子的正常使用。

  在圆柱玻壳的顶部内壁涂敷半透明的阴极,而玻壳的侧面圆柱体内壁蒸镀金属层并与阴极平面同电位,从而构成一个带侧壁圆筒的平板阴极,阳极位于圆筒开口一端,即玻壳下端并与圆筒同心,可以做成平板圆片形,也可以做成圆环形。阴极为透射式光电发射,入射光线与平行平板式光电管一样不会受阳极遮挡,工作稳定性好。如以圆片作阳极,则管子有良好的接收特性,工作电压可以很低;如以圆环作为阳极,则极间电容很小,但工作电压必须提高。

  光电管光照特性是指在光源光谱不变和一定的阳极电压下,光电流与光照强度之间的关系。当光照较弱,光电流密度在几十uA/cm之内时,阴极发射的光电子数,即光电流大小与光照强度呈线性关系;但当强光照射时,则会偏离线性,阴极发射光电子过程会产生光电疲乏,使光电流出现饱和。

  对于光电测量应用来说,强光照射时,光电管将受到光照特性偏离线性的限制;而当很弱的光照射时,光电管则受到暗电流及暗电流的涨落所引起的噪声限制。

  光电管的光谱特性是指光电阴极发射能力与光波波长的关系。真空光电管的光谱特性主要取决于光电阴极的类型、厚度及光窗材料。由于光电管的结构特点和制造工艺不同,即使光电阴极相同,各管子之间的光谱响应曲线也都会存在有一定差别。

  在具有一定辐射光谱的光源并以一定光通量照射时,光电管的输出电流与阳极电压的关系曲线称为光电管的伏安特性。正常的光电管,不论其结构如何,其伏安特性都会出现饱和区,一般在阳极电压为50V-100V时,真空光电管的所有光电子都会到达阳极,光电流开始饱和。能使光电流达到饱和所对应的阳极电压称为饱和电压,不同电极结构的光电饱和电压不同;就同一光电管而言,由于空间电荷的影响,饱和电压也会随着照射光的光通量的增大而提高;另外,光电管伏安特性还与入射光的波长有关,即使光通量相当,波长不同,饱和电压也不同,这是因为波长短的光比波长长的光激发出的光电子初速度要大的缘故。

  采用薄膜高阻层阴极的光电管的伏安特性曲线会不存在饱和现象,而是始终缓慢上升,有时还会出现光电流迅速跃升的反常现象,这是由于阳极这时接收到的不只是光电子,而且还有二次电子引起的。

  当光电管受到交变脉冲光照射时,阳极输出的光电流的脉冲幅度与调制光的频率间的关系称为光电管的频率特性。通常光电管在低频区工作时,光电流不受频率的影响;而在高频区工作时,光电流将随频率的提高而减小,这表明光电转换过程出现了惰性。惰性的出现与光电子在极间的渡越时间、极间电容的大小、管子的结构和工作电压有关。

  (1)时间稳定性。光电管具有良好的短期稳定性,但若连续使用,灵敏度就有下降的趋势,特别是在强光照射下更是如此。但是灵敏度的下降在开始时块,后来就较慢,最后几乎保持不变,趋于稳定。

  光电管的灵敏度的变化可分为可逆和不可逆两种类型,把使用过的管子在黑暗环境中存放一定时间,其灵敏度可以全部或部分地得到恢复,这就是可逆的变化,这种变化称为光电管的疲乏;反之,灵敏度不可恢复的变化就是不可逆变化,这种变化称为光电管的衰老。光电管的时间稳定性主要取决于阴极的光电疲乏和衰老特征,而这与阴极的种类、照射光的强弱及光的波长有关。此外,还与光电管的结构、阴极表面状况、玻壳清洁程度、基底的材料和管内残余气体有关。

  (2)温度稳定性。光电管的灵敏度还会受到环境温度的影响,而且这种影响对不同的光电阴极的光电管不同。比如,对锑铯阴极来说,温度为10摄氏度到45摄氏度时,其灵敏度基本不变,但温度升到150摄氏度时,灵敏度会显著下降;而银氧铯光电阴极温度升高到100摄氏度到150摄氏度时,光电流会有所增加,但此时阴极的热发射也显著上升,而当温度超过200摄氏度时,光电流又会减少,而且是不可逆的;对于无金属衬底的半透明锑铯或银氧铯光电阴极,温度降到负50摄氏度时,灵敏度会下降很多等。

  在完全没有光照射时光电管阳极的输出电流就是暗电流。光电管内产生暗电流的原因是阳极与阴极间的漏电流和阴极的热发射,可以用在阴极上加上相对阳极为正的电位,热发射即应消失,而漏电流不变的办法来区分这两种暗流。降低热发射的方法是采用大逸出功的阴极与减少阴极的实际尺寸,比如锑铯阴极在室温下的热发射就远小于银氧铯阴极。

  光电管的噪声可分为暗电流脉冲噪声和寄生在信号中的噪声。产生噪声的原因主要有:阴极发射不均匀引起的散粒噪声,这种噪声对阴极的光电发射和热发射都会存在;负载电阻上产生的热噪声。光电管在探测弱光时,热噪声是主要的。

  散粒噪声电压与负载电阻成正比,而热噪声电压则正比于负载电阻的平方根,因此,提高负载电阻,可使热噪声小于散粒噪声。


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