光电探测器的发展现状及分析
摘要
概括介绍了光电探测器中几个具有代表性的探测器，对其结构和原理进行总结、概述，并对其目前发展及应用进行分析、解释。
关键词：光子探测器 ； 热探测器
Current Development and Analysis of photoelectric
detector
Abstract
Described
several
representativedetectorsphotoelectric
detector.itsstructure
and
principlessummarize, outline, andits currentdevelopment and application ofanalysis, interpretation.
Keywords:Photon detector ; Heat detectors
1. 引言
光电探测器是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。它的门类众多，一般按照探测器上产生的物理效应，分成光子探测器和热探测器两大类。其中光子探测器又包括外光电效应器件和内光电效应器件。在众多光电子效应中，光电子发射效应，光电导效应，光生伏特效应和光电磁效应等得到广泛应用。而热探测器主要应用热释电效应，温差电效应和测辐射热效应等效应制作相应的热探测器。随着科技的发展，已经有越来越多的光电探测器出现。
因此，进一步研究光电探测器是一项重要的课题，本文从原理、结构、发展方向及应用探索光电探测器。
2. 正文
光子探测器
光子探测器是利用各种光子效应制成的探测器。探测器中的电子直接吸收光子的能量，使运动状态发生变化而产生电信号。常用于探测红外辐射和可见光。光子探测器可分为外光电效应器件和内光电效应器件。
2.1外光电效应
外光电效应是指在光电子发射效应中，材料吸收了大于红外波长的光子能量以后，材料中的电子逸出材料表面的现象。在外光电效应中，光电子发射效应与光电子倍增效应被应用于制作光电探测器。
2.1.1光电子发射效应——光电管
金属或半导体受光照射时，如果入射光子能量足够大，它和物质中的电子相互作用，致使电子逸出物质表面，这就是光电子发射效应。光电管是基于光电子发射效应的基本光电转换元件，可分为真空光电管和充气光电管。 （1）结构
真空光电管由玻壳、光电阴极和阳极三部分组成，光电阴极即半导体光电发射材料，涂于玻壳内壁，受光照时，可向外发射光。阳极是金属环或金属网，置于光电阴极的对面，加正的高电压，用来收集从阴极发射出来的电子。充气光电管（又称离子光电管）由封装于充气管内的光阴极和阳极构成。它不同于真空光电管的是，光电子在电场作用下向阳极运动时与管中气体原子碰撞而发生电离现象。由电离产生的电子和光电子一起都被阳极接收，正离子却反向运动被阴极接收。因此在阳极电路内形成数倍于真空光电管的光电流。充气光电管的电极结构也不同于真空光电管。
（2）原理
当入射光线穿过光窗照到光阴极上时，由于外光 电效应（ 光电式传感器），光电子就从极层内发射至真空。在电场的作用下，光电子在极间作加速运动,最后被高电位的阳极接收在阳极电路内就可测出光电流，其大小取决于光照强度和光阴极的灵敏度等因素。 （3）性能与参数 ①光电管的伏安特性
在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流 之间的关系称为光电管的伏安特性。 ②光电管的光照特性
当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时，光通量与光电流之间的关系。 ③光电管的光谱特性
一般光电阴极材料不同的光电管有不同的红限频率，因此它们可用于不同的光谱范围。另外，同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。 (4)发展现状及应用
根据光电阴极发射材料不同，可以分为银氧铯阴极，单碱锑化物光电阴极，多碱锑化物光电阴极，紫外光电阴极等，其中紫外光电管在工业燃油燃气，火灾监测等方面具有
极其重要的作用。美国的霍尼韦尔公司（HONEYWELL）生产的紫外光电管如129464M，113228等型号产品被广泛应用于各种火灾探测器中。
美国麻省理工学院最近研发了一种新型透明光电管，可以作为太阳能电池板放置在双层玻璃中，而且不影响光线通透。目前需要解决的最大问题就是光电管的寿命问题。假以时日，正如研究人员兰特表示：“虽不能为整座大楼供电，但这些电池板的发电量也相当可观，足以保证大楼的照明设备和日常电器的使用。 光电倍增效应
主要包括光电倍增管和像增强管。
2.1.2光电倍增管
光电倍增管(PMT)是一种建立在光电子发射效应、二次电子发射和电子光学理论基础上的，把微弱入射光转换成光电子并获倍增的重要的真空光电发射器件。 （1）结构
光电倍增管由光电阴极，电子光学输入系统（光电阴极到第一倍增极D1之间的系统）、二次发射倍增系统及阳极等构成。 （2）原理
在高速初电子的激发下，第一倍增极被激发出若干二次电子，这些电子在电场作用下，又打到第二倍增极处，又引起更多的二次电子发射??，此过程一直继续到D10。最后，经倍增的光电子被阳极a收集而输出光电流，在负载RL上产生信号电压。
（3）性能与参数 ① 阴极光照灵敏度
光电阴极的光电流IK除以入射光通量φ所得的商。 ② 阳极光照灵敏度
阳极输出电流IA除以入射光通量φ所得的商。 ③ 电流增益
电流增益定义为在一定的入射光通量和阳极电压下，阳极电流与阴极电流的比值，也可以用阳极光照灵敏度与阴极光照灵敏度的比值来确定。 ④ 暗电流
当光电倍增管在完全黑暗的情况下工作时，阳极电路里仍然会出现输出电流。 （4）光电倍增管较光电管光的优势
电倍增管是进一步提高光电管灵敏度的光电转换器件。管内除光电阴极和阳极外，两极间还放置多个瓦形倍增电极。使用时相邻两倍增电极间均加有电压用来加速电子。光电阴极受光照后释放出光电子，在电场作用下射向第一倍增电极，引起电子的二次发射，激发出更多的电子，然后在电场作用下飞向下一个倍增电极，又激发出更多的电子。如此电子数不断倍增，阳极最后收集到的电子可增加 104～108倍，这使光电倍增管的灵敏度比普通光电管要高得多，可用来检测微弱光信号。光电倍增管高灵敏度和低噪声的特点使它在光测量方面获得广泛应用。 （5）发展现状及应用
光电倍增管可分成4个主要部分，分别是：光电阴极、电子光学输入系统、电子倍增系统、阳极。由于光电倍增管增益高和响应时间短，又由于它的输出电流和入射光子数成正比，所以它被广泛使用在天体光度测量和天体分光光度测量中。其优点是：
测量精度高，可以测量比较暗弱的天体，还可以测量天体光度的快速变化。天文测光中，应用较多的是锑铯光阴极的倍增管,如RCA1P21。这种光电倍增管的极大量子效率在4200埃附近，为20％左右。还有一种双硷光阴极的光电倍增管,如GDB-53。它的信噪比的数值较RCA1P21大一个数量级，暗流很低。为了观测近红外区，常用多硷光阴极和砷化镓阴极的光电倍增管，后者量子效率最大可达50％。
2.1.3像增强管
像增强管是将微弱的可见光图像增强，使之成为明亮的可见图像的真空电子器件。 （1）原理与结构
像增强管是将微弱的可见光图像增强，使之成为明亮的可见图像的真空电子器件。当外来辐射图像成像于光电阴极时，光电阴极发射电子，电子经加速或经电子透镜聚焦并加速后，轰击荧光屏使之产生较亮的可见图像。
（2）像增强管的发明和应用领域
1934年，G.霍尔斯特等人制出第一只红外变像管。工作时，在平面阴极与平面荧光屏之间加高电压，阴极与荧光屏距离很近。这是一种近贴聚焦系统。此后又出现静电聚焦和电磁聚焦的成像系统。
单级像增强管的亮度增益通常在 50到100倍之间。采用纤维光学面板作为输入和输出窗口，可以把像增强管级联起来。三级级联的像增强管可获得104到105倍的亮度增益。级联像增强管配上物镜、目镜和电源后即成为夜间观察仪器，可用于军事、天文、医学、特殊照相、动物夜间习性观察、夜间监视等。这种可级联的像增强管称为第一代微光管,体积较大,且防强光能力差。在静电聚焦或近贴聚焦系统中加入一块微通道板，使单管达到104倍的亮度增益,就成为第二代像增强管(图1, 图2)。微通道板实际上是一个次级发射电流放大器。它是由几十万至几百万根空心玻璃丝组成的阵列，每根空心玻璃丝都具有一定的电导率和大于 1的次级发射系数。微通道板两端面涂有电极,可加600～1000伏的电压。光电子进入微通道板后,通过倍增作用,使电流放大1000～3000倍。其输出电子经加速后轰击荧光屏，显示出可见光图像。
在平面阴极和平面荧光屏之间加微通道板的双近贴式微光管没有倒像作用。通常采用 180°扭转的纤维光学面板，把由物镜形成的倒立像再颠倒过来，从而得到正立的图像。这类微光管一般采用厚多碱光电阴极，以提高红光和近红外区域的灵敏度。采用灵敏度更高的Ⅲ-Ⅴ族负电子亲和势光电阴极，即为第三代像增强管。 人眼只能感受范围很窄的电磁辐射（即可见光）。一些物质可将紫外线、X射线、γ射线等转换成可见光，可称为转换物质。应用变像管原理，在阴极基底上制作转换物质层和光电阴极，就能制成对某种射线敏感的变像管。例如转换材料是X射线荧光屏或CsI(Na)层，可制成X射线增强管。如果转换材料是闪烁晶体,可制成γ射线变像管。这种方法还可以推广应用于 α射线、β射线和中子辐射。例如利用中子源和中子变像管可以检查大型金属铸件中的缺陷。
（3）发展现状及应用
级联像增强管配上物镜、目镜和电源后即成为夜间观察仪器，可用于军事、天文、医学、特殊照相、动物夜间习性观察、夜间监视等。