真空光电管

结构与工作原理

真空光电管由阴极（K极）和阳极（A极）构成，二者密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电材料，或在管内装入柱面形金属板并在其内壁涂阴极光电材料；阳极通常用金属丝弯曲成矩形、圆形或做成金属丝柱，置于玻璃管中央。使用时阳极为正极、阴极为负极，两极间加有一定电压。光通过光窗照在阴极上，阴极因外光电效应发射光电子，光电子在极间电场作用下做加速运动，被高电位的阳极收集，形成光电流。光电流的大小主要取决于阴极灵敏度和入射光辐射的强度。

外光电效应基础

外光电效应是光照射到金属或金属氧化物构成的光电材料上时，光子的能量传给材料表面的电子，电子获得足够能量后克服正离子对它的吸引力，脱离材料表面进入外界空间的现象，即电子逸出物体表面的现象。其定量关系由光电效应方程给出：

式中 $E_k$ 为逸出光电子的动能（单位 J），$m$ 为电子质量（单位 kg），$v$ 为电子逸出的初始速度（单位 m/s），$h$ 为普朗克常数（$h=6.626\times {10}^{-34}\mathrm{J}\cdot \mathrm{s}$），$\nu$ 为光的振动频率（单位 Hz），$A_0$ 为表面逸出功（单位 J）。该式表明：一个光子的能量只给一个电子；只有当光子能量 $h\nu$ 大于表面逸出功 $A_0$ 时，电子才能逸出，逸出电子的动能等于光子能量与逸出功之差。

伏安特性与饱和平台

在一定的光照射下，对光电管所加电压与所产生的光电流之间的关系称为光电管的伏安特性。对真空光电管：

• 在固定入射光谱、固定接收面积与固定入射方向的条件下，光电流随光照强度（照度，指照射到单位面积上的光通量，表示被照射平面上某一点的光亮程度，符号 $E$，单位勒克斯 $\mathrm{l}\mathrm{m}\mathrm{/}{\mathrm{m}}^2$ 或 lx）的增加而增加；照度是与人眼视觉特性相关的光度量，不能普遍等同于辐照度，不同波长或红外辐射下不能仅用照度描述响应；
• 在相同光照下，在一定范围内光电流随所加电压的增加而增大；
• 电压增加到一定程度后，光电流不再增大，曲线趋于水平，形成饱和平台。

饱和平台的物理原因是：当阳极电压足够高时，阴极被光激发出来的所有光电子都被阳极全部收集，光电流达到该光照下的最大值，继续升高电压也不能再增加被收集的电子数。因此一般工作应选在光电流与阳极电压无关的曲线平坦部分，即工作区。

与充气光电管的比较

充气光电管结构相同，只是管内充有少量惰性气体（如氩或氖）。阴极被光照射后，光电子在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，正离子向反方向运动被阴极接收，因此增大了光电流，通常能形成数倍于真空型光电管的光电流，使灵敏度增加。但充气光电管的光电流与入射光强度不成比例关系，因而具有稳定性较差、惰性大、温度影响大、容易衰老等缺点；其伏安特性在平坦段后随电压增加呈指数级急剧上升。真空光电管玻璃泡内为真空，优点是灵敏度随电压变化的稳定性及频率特性优于充气管。在自动检测仪表中，由于要求受温度影响小和灵敏度稳定，一般都采用真空光电管。

其他主要性能

光电管的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性等描述。

• 光照特性：当阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系。银氧铯阴极光电管的光电流与光通量成线性关系；锑铯阴极的光电管成非线性关系。光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度：对非线性光照特性，局部灵敏度为 $\mathrm{d}I\mathrm{/}\mathrm{d}\mathrm{\Phi }$，一般不等于 $I\mathrm{/}\mathrm{\Phi }$；只有在过原点的线性段，灵敏度才可表示为 $I\mathrm{/}\mathrm{\Phi }$。
• 光谱特性：不同光电阴极材料的光电管对同一波长的光有不同的灵敏度；同一种阴极材料的光电管对不同波长的光的灵敏度也不同。因此对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极，使其最大灵敏度落在需要检测的光谱范围内。

适用范围

真空光电管适用于要求受温度影响小、灵敏度稳定、光电流与入射光强度关系较确定的自动检测场合。随着半导体光电器件的发展，真空光电管已逐步被半导体光电器件所替代。

这里 $\nu$ 为普通频率（Hz），光子能量为 $h\nu$；若使用角频率 $\omega$（rad/s），应写 $\mathrm{\hslash }\omega$。光电方程给出逸出电子的最大动能，实际电子动能有分布。