光电管

定义与物理基础

光电管是一种基于外光电效应的光电器件。外光电效应指光照射到金属或金属氧化物构成的光电材料上时，材料表面电子吸收光子能量后克服表面逸出功而逸出物体表面的现象。光子能量为 $E=h\omega$，其中 $h=6.626\times {10}^{-34}\mathrm{J}\cdot \mathrm{s}$ 为普朗克常数，$\omega$ 为光的振动频率（单位 $\mathrm{H}\mathrm{z}$）。一个光子只把能量交给一个电子；电子逸出需满足光子能量大于表面逸出功 $A_0$，逸出电子动能由光电效应方程给出。

结构与工作原理

光电管由光阴极（K 极）、阳极（A 极）密封在透明玻璃壳内构成。阴极贴于玻璃管内壁或涂在半圆筒形金属板内壁上，其光敏面朝向管内；阳极通常为金属丝弯成的矩形、圆形或金属丝柱，置于管中央。使用时阳极为正极、阴极为负极，两极间加一定电压。光经光窗照到阴极，阴极发射光电子，光电子在极间电场中加速飞向阳极，被高电位阳极收集，在外电路形成光电流。光电流大小主要取决于阴极灵敏度和入射光辐射强度。

真空型与充气型

真空光电管玻璃壳内为真空；充气光电管结构相同，但充有少量惰性气体（如氩、氖）。充气型中，光电子飞向阳极途中与气体原子碰撞使气体电离，电离产生的新电子与光电子一起被阳极接收，正离子反向运动被阴极接收，故光电流可增大到真空型的数倍，灵敏度提高。但充气光电管的光电流与入射光强度不成比例，且稳定性较差、惰性大、温度影响大、容易衰老。真空光电管的灵敏度随电压变化的稳定性和频率特性优于充气管。自动检测仪表中因要求温度影响小、灵敏度稳定，一般采用真空光电管。

主要特性

伏安特性：一定光照下，阳极电压与阳极电流的关系。在固定光谱与接收条件下，光电流随光照强度（照度）增加而增加；相同光照下，光电流在一定范围内随所加电压增加而增大，当电压增大到所有激发出的光电子都被阳极收集后，光电流不再增大。一般工作点应选在光电流与阳极电压无关的曲线平坦部分（工作区）。充气光电管在平坦段后随电压增加呈急剧上升。

光照特性：阳极与阴极间电压一定时，光通量与光电流的关系。银氧铯阴极光电管的光电流与光通量成线性关系；锑铯阴极光电管呈非线性关系。在线性段，光照特性曲线的斜率（光电流与入射光通量之比）称为光电管的灵敏度；对非线性段，灵敏度应取工作点处的局部斜率 $\mathrm{d}I\mathrm{/}\mathrm{d}\mathrm{\Phi }$，一般不等于 $I\mathrm{/}\mathrm{\Phi }$。

光谱特性：不同光电阴极材料的光电管对同一波长光的灵敏度不同；同一阴极材料对不同波长光的灵敏度也不同。银氧铯阴极、锑铯阴极以及多种成分（锑、钾、钠、铯等）阴极各有不同的光谱响应曲线。应根据待检测光谱范围选用合适阴极材料，使最大灵敏度落在该范围内。

符号、单位与适用范围

照度符号 $E$，单位勒克斯（$\mathrm{l}\mathrm{x}$），$1\mathrm{l}\mathrm{x}=1\mathrm{l}\mathrm{m}\mathrm{/}{\mathrm{m}}^2$，表示被照射平面上某点的光亮程度。光电管输出光电流通常在微安级，入射光很微弱时仅零点几微安。光电管适用于要求温度影响小、灵敏度稳定的自动检测场合；随着半导体光电器件发展，真空光电管已逐步被半导体光电器件替代。