真空光電管

當入射的光線透過光窗照射到光電陰極上時，光電子從陰極發射到真空中，在電場的作用下，光電子在極間做加速運動，最後這些光電子被陽極（接收極）所收集。在陽極外電路中，就可以測出光電流的數值，光電流的大小主要取決於陰極的靈敏度和光照的強度等因素。

真空光電管的結構主要由光電陰極、陽極、玻殼和引出線組成。

光電管管內陰極與陽極的設置和形狀，按照不同應用的需要可以有不同的形式，一般可分為中心陰極式、中心陽極式、半圓柱面陰極式、平行平板電極式和帶圓筒平板陰極式等。

中心陰極式光電管採用同心球面形結構。球形玻殼，在球殼內表面常蒸上透明的導電膜或不透明的金屬厚膜作為陽極，如果是不透明的金屬層，則在玻殼上必須留下一個不蒸金屬層的透明小窗口，以便入射光線能通過它照射到陰極上；陰極作成小球，放置在陽極球面中心。中心陰極式光電管的結構示意圖如圖1-1所示。

這種光電管的陰極受光面很小，因而光電流也很小，只適用於低照度下測量光電子的初速度分佈和要求在低電壓下得到飽和光電流的低照度光電發射研究。

實際使用的光電管，都希望光電陰極有足夠大的受光面積，因此大多光電管都採用中心陽極式結構，如圖1-2所示。

在這種結構的光電管中，玻殼還是球形的，陰極蒸在玻殼內壁上，佔半個球面，另一半作為透光窗口，陽極做成小球形或小環形置於球形玻殼中心。陽極由於體積很小，可以幾乎不遮擋陰極受光。

中心陽極式光電管的優點是陰極受光面積大，對入射光聚焦光斑的大小要求十分嚴格；在大面積受光場合，光電子由球面向球心飛行，路程相同，因此渡越時間比較一致；極間電容很小，高頻特性好。

這種光電管的不足在於：陽極收集光電子的效率低，要使陰極發射的光電子能全部被陽極所接收，陽極就必須加足夠高的電壓；玻殼透光窗部位的內壁往往會沉積光電子，形成管壁電荷場，導致光電管工作的不穩定。克服這種缺點的辦法是，在製造陰極前，先在玻殼內壁上蒸塗半透明的金屬或氧化錫薄膜，這樣不但能使陰極保持等電位，而且使整個玻殼內壁都可以保持陰極電位，也防止了窗口部分內壁電荷的積累，使光電管工作穩定；還可以把陽極做成網狀，用以減少管壁電荷場的影響，提高工作穩定性。 ^[1] 

從製作方便來考慮，人們更多地習慣於圓柱式結構。在這種光電管中，可以採用半圓柱面形陰極與同軸直杆形成陽極或框架形陽極，如圖1-3所示。其陰極大多選用易於加工成形的金屬做成半圓形基底，然後在其內壁上塗上光電發射層，也可以將陰極材料直接塗敷在圓柱玻殼半邊內壁上，光電管的外殼則採用尺寸較大的圓柱形玻殼。

這種光電管陰極面積大，可獲得較大光電流，也有利於增加極間的絕緣性能、降低漏電。

如果光電管的光電陰極和陽極是平行平板結構，陰極是半透明的圓片，採用透射式光電發射，陽極是金屬圓片，與陰極平行放置，則在陰-陽極之間形成的基本上是均勻電場，光電子在從陰極飛向陽極的過程中基本上保持直線軌跡。這種管子可適用於大面積的受照場合和低電壓工作場合，雖然管子的極間電容較大，但並不影響管子的正常使用。

在圓柱玻殼的頂部內壁塗敷半透明的陰極，而玻殼的側面圓柱體內壁蒸鍍金屬層並與陰極平面同電位，從而構成一個帶側壁圓筒的平板陰極，陽極位於圓筒開口一端，即玻殼下端並與圓筒同心，可以做成平板圓片形，也可以做成圓環形。陰極為透射式光電發射，入射光線與平行平板式光電管一樣不會受陽極遮擋，工作穩定性好。如以圓片作陽極，則管子有良好的接收特性，工作電壓可以很低；如以圓環作為陽極，則極間電容很小，但工作電壓必須提高。

1、 光照特性

光電管光照特性是指在光源光譜不變和一定的陽極電壓下，光電流與光照強度之間的關係。當光照較弱，光電流密度在幾十uA/cm之內時，陰極發射的光電子數，即光電流大小與光照強度呈線性關係；但當強光照射時，則會偏離線性，陰極發射光電子過程會產生光電疲乏，使光電流出現飽和。

對於光電測量應用來説，強光照射時，光電管將受到光照特性偏離線性的限制；而當很弱的光照射時，光電管則受到暗電流及暗電流的漲落所引起的噪聲限制。

2、 光譜特性

光電管的光譜特性是指光電陰極發射能力與光波波長的關係。真空光電管的光譜特性主要取決於光電陰極的類型、厚度及光窗材料。由於光電管的結構特點和製造工藝不同，即使光電陰極相同，各管子之間的光譜響應曲線也都會存在有一定差別。

3、 伏安特性

在具有一定輻射光譜的光源並以一定光通量照射時，光電管的輸出電流與陽極電壓的關係曲線稱為光電管的伏安特性。正常的光電管，不論其結構如何，其伏安特性都會出現飽和區，一般在陽極電壓為50V-100V時，真空光電管的所有光電子都會到達陽極，光電流開始飽和。能使光電流達到飽和所對應的陽極電壓稱為飽和電壓，不同電極結構的光電飽和電壓不同；就同一光電管而言，由於空間電荷的影響，飽和電壓也會隨着照射光的光通量的增大而提高；另外，光電管伏安特性還與入射光的波長有關，即使光通量相當，波長不同，飽和電壓也不同，這是因為波長短的光比波長長的光激發出的光電子初速度要大的緣故。

採用薄膜高阻層陰極的光電管的伏安特性曲線會不存在飽和現象，而是始終緩慢上升，有時還會出現光電流迅速躍升的反常現象，這是由於陽極這時接收到的不只是光電子，而且還有二次電子引起的。

圖1-4給出了真空光電管的伏安特性曲線的一般形式。

4、 頻率特性

當光電管受到交變脈衝光照射時，陽極輸出的光電流的脈衝幅度與調製光的頻率間的關係稱為光電管的頻率特性。通常光電管在低頻區工作時，光電流不受頻率的影響；而在高頻區工作時，光電流將隨頻率的提高而減小，這表明光電轉換過程出現了惰性。惰性的出現與光電子在極間的渡越時間、極間電容的大小、管子的結構和工作電壓有關。

5、 穩定性

（1）時間穩定性。光電管具有良好的短期穩定性，但若連續使用，靈敏度就有下降的趨勢，特別是在強光照射下更是如此。但是靈敏度的下降在開始時塊，後來就較慢，最後幾乎保持不變，趨於穩定。

光電管的靈敏度的變化可分為可逆和不可逆兩種類型，把使用過的管子在黑暗環境中存放一定時間，其靈敏度可以全部或部分地得到恢復，這就是可逆的變化，這種變化稱為光電管的疲乏；反之，靈敏度不可恢復的變化就是不可逆變化，這種變化稱為光電管的衰老。光電管的時間穩定性主要取決於陰極的光電疲乏和衰老特徵，而這與陰極的種類、照射光的強弱及光的波長有關。此外，還與光電管的結構、陰極表面狀況、玻殼清潔程度、基底的材料和管內殘餘氣體有關。

（2）温度穩定性。光電管的靈敏度還會受到環境温度的影響，而且這種影響對不同的光電陰極的光電管不同。比如，對銻銫陰極來説，温度為10攝氏度到45攝氏度時，其靈敏度基本不變，但温度升到150攝氏度時，靈敏度會顯著下降；而銀氧銫光電陰極温度升高到100攝氏度到150攝氏度時，光電流會有所增加，但此時陰極的熱發射也顯著上升，而當温度超過200攝氏度時，光電流又會減少，而且是不可逆的；對於無金屬襯底的半透明銻銫或銀氧銫光電陰極，温度降到負50攝氏度時，靈敏度會下降很多等。 ^[1] 

6、 暗電流

在完全沒有光照射時光電管陽極的輸出電流就是暗電流。光電管內產生暗電流的原因是陽極與陰極間的漏電流和陰極的熱發射，可以用在陰極上加上相對陽極為正的電位，熱發射即應消失，而漏電流不變的辦法來區分這兩種暗流。降低熱發射的方法是採用大逸出功的陰極與減少陰極的實際尺寸，比如銻銫陰極在室温下的熱發射就遠小於銀氧銫陰極。

7、 噪聲

光電管的噪聲可分為暗電流脈衝噪聲和寄生在信號中的噪聲。產生噪聲的原因主要有：陰極發射不均勻引起的散粒噪聲，這種噪聲對陰極的光電發射和熱發射都會存在；負載電阻上產生的熱噪聲。光電管在探測弱光時，熱噪聲是主要的。

散粒噪聲電壓與負載電阻成正比，而熱噪聲電壓則正比於負載電阻的平方根，因此，提高負載電阻，可使熱噪聲小於散粒噪聲。