湖南工业大学本科毕业论文
第3章 光电效应的应用
3.1外光电效应的应用
效应的发现，最终总是导致技术的应用。1930年利用外光电效应做的光电转换器件——光电管开始实用化, 其不断改进的目标是提高灵敏度和扩展使用的光频域, 从而出现了继真空光电管之后的充气光电管。充气光电管尽管提高了灵敏度, 但对弱光的探测, 光电流仍然太微, 于是出现了光电倍增管[5]。
利用外光电效应制做的真空光电管和充气光电管曾在自动控制和检测中显露辉煌，现代多为小巧的半导体光电二极管和三极管所取代，但由真空二极管衍生出来的光电倍增管（PMT）却始终是将弱光信号转变成电信号不可或缺的传感器，广泛使用在众多高新探测技术中，如各种光谱仪，光子相关仪，光子计数器，红外探测仪，表面分析仪等场合，通道式电子倍增管由于增益高，功耗低，结构简单小巧，响应快、多功能等优点更受科技工作者欢迎，它可直接探测光、电子、离子、中性粒子、软X射线及α、β、γ等带能粒子。
光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极五个主要部分组成。
Φ D1 D3 D5 A K D2 D4 图 3.1 光电倍增管结构示意图
D6 U0 RL IΦ
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图 3.2 各种光电倍增管实物图
3.2内光电效应的应用
内光电效应可分光电导效应和光伏特效应，因此分析内光电效应的应用又可从两个不同的方面来分析。 3.2.1 光电导效应的应用
1）基于光电导效应的电子器件有光敏电阻器，光敏电阻器是一种电导率随吸收的光量子多少而变化的电子元件。当某种物质受到光的照射时,载流子浓度增加,从而增加了电导率,这就是光电导效应。这种附加的电导叫光电导。
根据光敏电阻器的光谱特性,光敏电阻器可分为以下几类[6]: (1)紫外光敏电阻器,用于探测紫外线;
(2)可见光敏电阻器,主要用于自动控制、光电跟踪以及照相机的自动曝光等场合; (3)红外光敏电阻器,主要用于导弹制导、光报警装置、人体病变探测、红外通信等工作中。
2）利用光电导效应原理工作的探测器称为光电导探测器。光电导探测器可与光纤技术相结合而构成光纤探测器,与传统的探测器相比,具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、灵敏度高、重量轻、体积小、探头外形可变、测量对象广泛、便于复用、便于成网等优点,适用于大型机电、石油化工、冶金、高压输电等有强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀、狭小和特殊的环境中。
3）光电导材料也是目前摄像管中应用最为广泛的光电变换材料之一。它的光电变换或电荷存贮原理如下图 所示。
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图 3.3 光电导靶光电变换或电荷存贮原理
在光电导层上施以固定直流电压,形成跨层电压。当受光照时, 光电导材料的电导率升高,由此使正电荷从电位较高的一边流向较低的一边, 如图,从左到右。光电导材料右边由于电荷积累而使电位上升。电位升高量或电荷积累量与光照相对应,这样就把入射在光电导材料左边的光学像,转换成了右边的电位图像或电荷积累图像。与利用外光电效应的摄像管相比, 光电导摄像管突出的优点是:体积小、重量轻、结构简单、灵敏度高等。目前,它已广泛地应用于工业监控系统、电视节目制作系统和军事领域之中[7]。
3.2.2光伏特效应的应用
基于光伏特效应的应用光电池和光敏二极管、三极管。
光电池是一种自发电式的光电元件，它受到光照时自身能产生一定方向的电动势，在不加电源的情况下，只要接通外电路，便有电流通过。
图 3.4 PN结因光照产生电动势
光电池的种类很多，有硒、氧化亚铜、硫化铊、硫化镉、锗、硅、砷化镓光电池等，其中应用最广泛的是硅光电池，因为它有一系列优点，例如性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高，能耐高温辐射等。另外，很多分析仪器、测量仪表也常用到它。
光敏二极管、三极管与光敏电阻的差别仅在于光线照射在半导体PN结上，PN
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结参与了光电转换过程。
3.3光电效应的应用领域
3. 3 .1在工业生产中的应用
光电效应在工业生产中的应用主要通过光电传感器体现在自动化控制中，利用光电效应原理设计出各种工业所需控制环节，节约了大量的人力物力。如包装充填物高度检测。
图3.5所表示的是借助光电检测技术控制充填高度的原理图，当充填高度ｈ偏差太大时，光电接头没有电信号，即由执行机构将包装物品推出进行处理。利用光电开关还可以进行产品流水线上的产量统计、对装配件是否到位及装配质量进行检测，例如灌装时瓶盖是否压上、商标是否漏贴，以及送料机构是否断料等
光电开光 h
光电信号放大整形 放大执行机构图 3.5 包装充填物高度检测装置框架图
3. 3. 2在农业中的应用
为害昆虫趋光性行为的分析表明，昆虫对敏感光源具有个体差异性和群体一贯性的趋光性行为特征，昆虫的这种趋光行为特征表现出生物光电效应的作用本质。利用昆虫的这种趋性行为诱导特性，一些光电诱导杀虫灯技术以及害虫诱导捕集技术广泛地应用于农业虫害的防治，展现出良好的应用前景[8]。
一般认为，昆虫趋光行为是由其复眼的视觉生理反应而引起的，因此在不同光波或光强作用下，昆虫复眼发生明显的生理变异，产生对光波和光强作用的适应性反应。明适应下，昆虫复眼的主色素细胞颗粒离开晶锥而分布，感杆束膨大并且其远端部分向晶锥方向延伸；暗适应下则产生与此相反的结果。昆虫复眼中这种屏蔽色素的移动
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可以控制复眼的进光量，实现明暗的适应过程。复眼眼底的气管组织具有着对光的反射能力，在暗适应时，由于屏蔽色素的移动，反射光斑会逐渐变大，反射能力大大加强，这样有效增加了微光被感光色素吸收的机会，从而提高了夜行昆虫复眼对光的敏 感度。
昆虫复眼的这种视觉生理反应无不与光波光强引起的昆虫复眼内的生物光电效应有关。在趋光行为过程中，光作用于昆虫复眼的光感受器或者光感受器受到光波光强的作用，将会引起光感细胞对光子能量的接受或反应，从而引起光感细胞信息信号传导的产生和变化，与凝聚态物质的光电效应过程一样，生物体内的这种信息信号的产生和传导变化也将以生理电信号的形式反映出来，进而控制复眼的生理结构调节和对光的适应及趋向。在昆虫趋光行为中，不同暗适应会导致复眼的电感灵敏度的差异，这种功能差异产生了昆虫趋光行为上的不同。
昆虫趋光行为过程中的生物光电效应作用本质，导致了光波光强对昆虫的趋性导向控制和刺激致晕扑灯，实现了趋光昆虫的捕集和灭杀。利用这一原理，人们已经提出并且实践了许多种农业害虫的趋光诱杀方法。
其中最佳代表性的就是河南汤阴佳多科工贸公司物理治虫研究所研发的佳多频振式杀虫灯。它采用320—400nm波段范围内的多个光波复合的高效荧光灯管引诱害虫，不但提高了诱虫效果达到最佳状态，而且减少了对天敌的诱杀危害，并配合有安全保护装置的频振电网杀虫技术以及网下的集中收集装置，将诱虫、杀虫和集虫有机地结合在一起。同时，佳多频振式杀虫灯外壳设计为黄色，充分利用了昼光下或灯管发光后反射的黄光成份对喜黄光昆虫的诱导捕杀作用，提高了捕虫效果；进一步，佳多频振式杀虫灯诱集到集虫袋内的昆虫，不断散发着性信息气味素，并与光诱导作用一起引诱和促使着异性昆虫扑向灯源，实现捕杀效果的进一步提高。
佳多频振式杀虫灯自1991年研制开发和推广应用以来，已经进行了几代的产品技术更新，不但应用于棉田虫害的灭杀治理，还广泛应用于蔬菜园艺、公园果园、风景林区、茶园桑田等害虫的治理，在全国获得了数百万公顷的控害应用，甚至还应用于烟草、酒曲等生产原料的储备期间的虫害灭杀。
3. 3. 3在放射医学中的应用
光电效应在检查骨折、胃肠道等疾病的诊断放射学中占有重要的地位[9]。射入人体的X射线与器官各组织相互作用时, 除一部分直接穿透外, 大部分光子在生物体中被不同程度的吸收, 否则, X射线对诊断和治疗就不会是很有用的。X射线的能量差别很大,光子与生物体的相互作用主要形式为光电效应、康普顿散射。在光子能量较低时,
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