光电管 Phototubes

2022-10-31 13:39:05 浏览:349

定义

可用作光电探测器的充气管或真空管。

由Julius Elster和Hans Geitel于1893年发明的光电管(或光电电池)是一种基于小玻璃管的光发射探测器,其中包含利用外部光电效应(或光发射效应)的电极。 这种管子通常被抽空或有时在低压下充满气体。

普通光管仅包含两个电极:光敏阴极和阳极。 在操作过程中,将一些电压(例如15 V或50 V)施加到电极(阳极的正极),以便光电子从阴极快速扫到阳极,并且可以测量光电流。 对于真空光管(真空光管),光电流取决于入射光功率,根据公式

其中η是量子效率,e是电子电荷,hν是光子能量。 (数量S称为响应度。 可用的动态范围可能非常大,例如光电流在几皮安(pA)和几微安(μA)之间,尽管最大允许的光电流通常远低于光电二极管。 温度对响应度几乎没有任何影响。

特别是对于在最大允许光电流附近操作,重要的是照亮光电阴极上足够大的光斑,以避免阴极部分的电流密度过大。

量子效率基本上取决于使用的光电阴极、使用的管玻璃、光学波长和入射角。 各种正极材料可用于可见光,红外光或紫外线,并且需要选择在相关光谱范围内具有高透射率的玻璃。 (请注意,不仅玻璃中的光吸收,而且玻璃表面的菲涅耳反射也会降低量子效率。 在大多数情况下,实现的量子效率低于25%,在某些情况下甚至低于1%。 有些设备是日盲的,即对可见光和近紫外光不敏感。

当使用具有低功函数的阴极材料时,可以在相对较长的光学波长(中红外光谱响应)下工作。 然而,在这种情况下,这可能是由热离子发射产生的显着暗电流(即没有入射光的光电流)。 在某些情况下,红外光管被冷却(例如用液氮)以减少暗电流。

管材几何形状

有“迎面”管,入射光进入与电连接器相反的设备。 其他是“侧面”管,入射光来自侧面,例如与连接器端成 90° 角。

光电管电子元件

与光电管结合使用的电子设备可能与光电二极管相似,只是光电管所需的电压暂时更高。

可以使用带有负载电阻的简单电路,用于将光电流转换为电压。 一个有利的方面是光电管的电容通常较低,至少与具有大有效面积的光电二极管相比是这样。 这允许在给定的检测带宽下使用更高的负载电阻,从而获得更高的电压。

接收光电流作为输入并提供电压输出的电流放大器也适用于光管。 当然,应使用低偏置运算放大器来避免明显的暗电流。

为了在皮安区域工作,必须注意避免漏电流,例如在电路板上或光电管的触点处;人们不应该徒手触摸这些东西。

充气光管

一些光管充满了气体,通常是低压下的氖(Ne)或氩(Ar)等稀有气体。 如果对管施加足够高的电压(例如,50 V 或 100 V,具体取决于型号),则可以采用基于电离的内部放大机制。 从本质上讲,光电子在与气体原子碰撞时被加速到足以产生二次载流子。 因此,响应度可以提高5倍或更高。 倍增系数随着施加电压的增加而增加;然而,工作电压受到辉光放电开始的限制,这可能会损坏电极并导致基本的不确定响应。

虽然响应度的提高对于低光照水平的灵敏检测可能是一个优势,但内部倍增也带来了缺点。 其中之一是响应度对施加电压的依赖性,这可能会影响光功率测量的准确性。 另一方面是可实现的测量带宽降低,因为收集载波需要更长的时间。

光电倍增管

光电管的一种特殊形式是光电倍增管。 这包含额外的电极,通过这些电极可以实现基于二次电子发射的高光电流放大。 这种器件通常被称为光电倍增管,即光电管通常被认为是只有两个电极的简单管。

光电二极管作为替代品

如今,光电管在很大程度上被光电二极管等固态器件所取代,其中使用内部光电效应。 然而,对于某些应用,光管仍然具有实质性的优势:

  • 它们可以具有较低的暗电流,从而降低噪声等效功率。
  • 它们可以具有较大的光敏区域,同时仍具有高检测带宽。
  • 光管的高动态范围和高稳定性有利于精确测量,例如在光谱仪中。
  • 特别是对于紫外线应用,高稳定性(例如与半导体器件相比)可能是一个很大的优势。

另一方面,光管具有较低的量子效率,对机械振动和冲击更敏感,通常需要高工作电压,并且只能处理非常有限的光电流。 特别是对于高灵敏度应用,必须避免在器件打开时明亮的环境光照射到光电阴极。 在空气中可以容纳氦气的环境中,可能会发生氦气通过玻璃管扩散,然后影响光管的性能。

参考文献

[1] J. Elster and H. Geitel, “Über die Entladung negativ electrischer Körper durch das Sonnen- und Tageslicht”, Ann. Physik 38, 497 (1889)
[2] A. Einstein, “Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt”, Ann. Physik 17, 132 (1905), doi:10.1002/andp.19053220607
[3] H. P. Bonzel and Ch. Kleint, “On the history of photoemission”, Prog. Surf. Sci. 49 (2), 107 (1995), doi:10.1016/0079-6816(95)00035-W

光学器件

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