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日本SUNX神視光電傳感器工作原理與應(yīng)用
點(diǎn)擊次數(shù)：1602 發(fā)布時(shí)間：2011-7-8
日本SUNX神視光電傳感器工作原理與應(yīng)用
日本SUNX神視光電元件是光電傳感器中zui重要的部件,常見的有真空光電元件和半導(dǎo)體光電元件兩大類.它們的工作原理都基于不同形式的光電效應(yīng).根據(jù)光的波粒二像性,我們可以認(rèn)為光是一種以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流,這種粒子稱為光子.每個(gè)光子具有的能量為式中,為光波頻率;h為普朗克常數(shù),h=6.63
對不同頻率的光,其光子能量是不相同的,光波頻率越高,光子能量越大.用光照射某一物體,可以看作是一連串能量為Au的光子轟擊在這個(gè)物體上,此時(shí)光子能量就傳遞給電子,并且是一個(gè)光子的全部能量一次性地被一個(gè)電子所吸收,電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會發(fā)生變化,從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng),我們把這種物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng).通常把光電效應(yīng)分為三類:
1）在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng),基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管,光電倍增管等.
2）在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng).基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻,光敏晶體管等.
3）在光線作用下,物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢的現(xiàn)象稱為光生伏應(yīng),基于光生伏應(yīng)的光電元件有光電池等.
SUNX外光電效應(yīng)器件
日本SUNX神視光電傳感器工作原理與應(yīng)用日本SUNX神視光電傳感器工作原理
日本SUNX神視光電管是利用外光電效應(yīng)制成的光電元件,其外形和結(jié)構(gòu)如圖7.2.1所示,半圓筒形金屬片制成的陰極K和位于陰極軸心的金屬絲制成的陽極A封裝在抽成真空的玻殼內(nèi),當(dāng)入射光照射在陰極上時(shí),單個(gè)光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個(gè)自由電子,從而使自由電子的能量增加h.當(dāng)電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功A時(shí),它就可以克服金屬表面束縛而逸出,形成電子發(fā)射.這種電子稱為光電子,光電子逸出金屬表面后的初始動(dòng)能為（1/2）m.
根據(jù)能量守恒定律有
由上式可知,要使光電子逸出陰極表面的必要條件是h>A.由于不同材料具有不同的逸出功,因此對每一種陰極材料,入射光都有一個(gè)確定的頻率限,當(dāng)入射光的頻率低于此頻率*,不論光強(qiáng)多大,都不會產(chǎn)生光電子發(fā)射,此頻率限稱為"紅限".相應(yīng)的波長λK為式中,c為光速;A為逸出功.
光電管正常工作時(shí),陽極電位高于陰極,如圖7.2.2所示.在人射光頻率大于"紅限"的前提下,從陰極表面逸出的光電子被具有正電位的陽極所吸引,在光電管內(nèi)形成空間電子流,稱為光電流.此時(shí)若光強(qiáng)增大,轟擊陰極的光子數(shù)增多,單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)也就增多,光電流變大.在圖7.2.2所示的電路中,電流IФ和電阻只RL上的電壓降U0就和光強(qiáng)成函數(shù)關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換.
圖7.2.1 光電管結(jié)構(gòu)示意圖 圖7.2.2 光電管測量電路圖
陰極材料不同的光電管,具有不同的紅限,因此適用于不同的光譜范圍.此外,即使入射光的頻率大于紅限,并保持其強(qiáng)度不變,但陰極發(fā)射的光電子數(shù)量還會隨入射光頻率的變化而改變,即同一種光電管對不同頻率的入射光靈敏度并不相同.光電管的這種光譜特性,要求人們應(yīng)當(dāng)根據(jù)檢測對象是紫外光,可見光還是紅外光去選擇陰極材料不同的光電管,以便獲得滿意的靈敏度.
由于真空光電管的靈敏度低,因此人們研制了具有放大光電流能力的光電倍增管.圖7.2.3是光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖.
日本SUNX神視光電傳感器工作原理與應(yīng)用光電倍增管主要由光陰極K,倍增極D和陽極A組成,并根據(jù)要求采用不同性能的玻璃殼進(jìn)行真空封裝.依據(jù)分裝方法,可分成端窗式和側(cè)窗式兩大類.端窗式光電倍增管的陰極通常為透射式陰極,通過管殼的端面接受入射光.側(cè)窗式陰極則是通過管殼的側(cè)面接收入射光,它的陰極通常為反射式陰極.
圖7.2.3 光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖
光陰極的量子效率是一個(gè)重要的參數(shù).波長為λ的光輻射入射到光陰極時(shí),一個(gè)入射光子產(chǎn)生的光電子數(shù),定義為光陰極的量子效率.光陰極有很多種,常用的有雙堿,S11及S20三種.光陰極通常由脫出功較小的銻銫或鈉鉀銻銫的薄膜組成,光陰極接負(fù)高壓,各倍增極的加速電壓由直流高壓電源經(jīng)分壓電阻分壓供給,靈敏檢流計(jì)或負(fù)載電阻接在陽極A處,當(dāng)有光子入射到光陰極K上,只要光子的能量大于光陰極材料的脫出功,就會有電子從陰極的表面逸出而成為光電子.在K和D1之間的電場作用下,光電子被加速后轟擊*倍增極D1,從而使D1產(chǎn)生二次電子發(fā)射.每一個(gè)電子的轟擊約可產(chǎn)生3～5個(gè)二次電子,這樣就實(shí)現(xiàn)了電子數(shù)目的放大.D1產(chǎn)生的二次電子被D2和D1之間的電場加速后轟擊D2,…….這樣的過程一直持續(xù)到zui后一級倍增極Dn,每經(jīng)過一級倍增極,電子數(shù)目便被放大一次,倍增極的數(shù)目有8～13個(gè),zui后一級倍增極Dn發(fā)射的二次電子被陽極A收集.若倍增電極有n級,各級的倍增率為б,則光電倍增管的倍增率可以認(rèn)為是бn,因此,光電倍增管有*的靈敏度.在輸出電流小于1mA的情況下,它的光電特性在很寬的范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系.光電倍增管的這個(gè)特點(diǎn),使它多用于微光測量.若將靈敏檢流計(jì)串接在陽極回路中,則可直接測量陽極輸出電流.若在陽極串接電阻RL作為負(fù)載,則可測量RL兩端的電壓,此電壓正比于陽極電流.
圖7.2.4 光電倍增管的基本電路 圖7.2.5 光敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖及符號
圖7.2.4所示為光電倍增管的基本電路.各倍增極的電壓是用分壓電阻R1,R2,……Rn獲得的,陽極電流流經(jīng)負(fù)載電阻RL得到輸出電壓U0.當(dāng)用于測量穩(wěn)定的輻射通量時(shí),圖中虛線連接的電容C1,C2,…,Cn和輸出隔離電容C0都可以省去.這時(shí)電路往往將電源正端接地,并且輸出可以直接與放大器輸入端連接,從而使它能夠響應(yīng)變化緩慢的入射光通量.但當(dāng)入射光通量為脈沖通量時(shí),則應(yīng)將電源的負(fù)端接地,因?yàn)楣怆姳对龉艿年帢O接地比陽極接地有更低的噪聲,此時(shí)輸出端應(yīng)接人隔離電容,同時(shí)各倍增極的并聯(lián)電容亦應(yīng)接人,以穩(wěn)定脈沖工作時(shí)的各級工作電壓,穩(wěn)定增益并防止飽和.
日本SUNX神視光電傳感器與測量有關(guān)的兩個(gè)參數(shù)
（1） 暗電流
光電倍增管接上工作電壓后,在沒有光照的情況下陽極仍會有一個(gè)很小的電流輸出,此電流即稱為暗電流.光電倍增管在工作時(shí),其陽極輸出電流由暗電流和信號電流兩部分組成.當(dāng)信號電流比較大時(shí),暗電流的影響可以忽略,但是當(dāng)光信號非常弱,以至于陽極信號電流很小甚至和暗電流在同一數(shù)量級時(shí),暗電流將嚴(yán)重影響對光信號測量的準(zhǔn)確性.所以暗電流的存在決定了光電倍增管可測量光信號的zui小值.一只好的光電倍增管,要求其暗電流小并且穩(wěn)定.
（2） 光譜響應(yīng)特征
光電倍增管對不同波長的光入射的響應(yīng)能力是不相同的,這一特性可用光譜響應(yīng)率表示.在給定波長的單位輻射功率照射下所產(chǎn)生的陽極電流大小稱為光電倍增管的光譜響應(yīng)率,表示為
（7.4）
式中,P（λ）為入射到光陰極上的單色輻射功率;I（λ）是在該輻射功率照射下所產(chǎn)生的陽極電流;S（λ）是波長的函數(shù),它與波長的關(guān)系曲線稱為光電倍增管的光譜響應(yīng)曲線.
測量S（λ）十分復(fù)雜,因此在一般測量中都是測量它的相對值.為此,可以把S（λ）中的zui大值當(dāng)作一個(gè)單位對所有S（λ）值進(jìn)行歸一化,這時(shí)就得到
（7.5）
s（λ）稱為光電倍增管的相對光譜響應(yīng)率,它與波長的關(guān)系曲線稱為光電倍增管的相對光譜響應(yīng)曲線.s（λ）≤1,是一個(gè)無量綱的量,只表示光電倍增管的光譜響應(yīng)特征.