紫外光电管原理介绍

紫外光电管原理介绍一、基本慨念与工作原理：整个电磁波谱按波表排列包括了22个数量级。电磁波谱之所以被划分为许多不同名称的波段,主要是由于各波段的电磁波的产生机理、传输特性、检测技术、研究方法不相同的缘故。紫外线、可见光和红外辐射都是由炽热物体放电或其它的光源激发分子或其微观客体的电磁辐射产生的,它们既不同于在线路中由电磁振荡所激发的无线电波,也不同于由高速电子流轰击原子中的内层电子而产生的X射线。由于对紫外、可见光及红外线所用的研究方法大体相同,故这一波谱范围被称为光学波段,紫外辐射也被称为紫外光或叫紫外线。紫外线是指在电磁波谱中的400～10nm波长范围的一段,是在1802年由德国物理学家Ritte发现的。由于在这一波长范围内的射线依波长变化而表现出各自不同的效应,为了研究和应用的方便,所以国际照明委员会(CIE)把紫外辐射划分为UVA(400～315nm)、UVB(315～280nm)和UVC(280～200nm)三个波段。波长短于200nm的紫外辐射由于强烈的被大气(主要是其中的氧气)所吸收,所以只适于在真空环境中的应用研究,故常被称为真空紫外线或被称为超紫外线。图１紫外辐射波段图紫外光电管就是利用当紫外线照到阴极表面时，即有部分阴极中的自由电子吸收光子的能量，如果其能量足够克服阴极表面的逸出功，那么这个电子就能脱离阴极内部，形成光电子。光电子在阴阳极之间的电场作用下，形成电信号，这就是整个光电管工作的物理基础。（如下图所示）图2紫外光电管原理图图3冷阴极紫外光电管二、主要技术性能：1、冷阴极紫外光电管主要技术性能冷阴极紫外光电管主要技术性能指标有起始电压、灵敏度、本底、光谱响应范围、极限工作电压、最大工作电流等。1.1起始电压U始：在一定强度的紫外光照射下，紫外光电管开始导通所需要施加的最低电压。1.2灵敏度（计数率）：在规定的工作电压和一定强度的紫外光照射下，光电管每秒钟导通的次数。1.3本底（计数率）：在规定的工作电压和无紫外光照射下，光电管每秒钟导通的次数。1.4光谱响应范围：在规定的一般试验条件下，光电管经不同波段的紫外辐射光源照射，能使光电管每秒钟导通次数大于20次的紫外辐射光源波段范围，就是光电管的光谱响应范围。1.5极限工作电压：光电管无紫外光照射时，本底计数不超过规定值的前提下，光电管允许施加的最高阳极电压。1.6最大工作电流：在一定强度的紫外光照射下，紫外光电管在规定工作电压下（平均值），所允许的最大阳极平均电流。2、主要技术指标如下：序号123产品型号GD-2J、GD-28、GD-710对应国外产品型号（日本）R334、R1868、R2868主要功能与性能指标长度mm≤36、≤27.5、≤44直径mm≤φ15、≤φ29.5、≤φ10重量g≤3、≤15、≤3工作电压U350DC、750±50VAC、325VDC光谱响应范围nm190～260、190～260、190～260光谱响应峰值nm210±10、225±10、220±10起始电压（max）310VDC、700VDC、280VDC平均放电电流mA0.03、2、0.06最大使用电流mA0.05、3、0.1最大使用功率PW0．5、5、0.5寿命SM500小时、4800次、500小时灵敏度cps1000----2000100090本底cps≤10、≤10、≤10高温工作温度℃125、250、125环境适应性要求低温、高温、振动、冲击等符合GJB616A中相关规定封装形式玻璃封装适用通用规范SJ20483—1995光电管总规范3、紫外光电管典型特性如下：作为160—260nm紫外探测的充气紫外光电管的典型参数如下：工作区典型灵敏度1000—2000CPS本底10CPS典型工作电压350V反应时间50ms探测最小辐射量1pw/cm2反应波长范围160—260nm峰值波长210nm紫外光电管在无外界光源、外界光源较小、以及外界光饱和的情况下，光电管的输出波形如图3，入射光强度和光电管的灵敏度的关系如图4图3光电管的输出波形图4入射光强度和光电管的灵敏度的关系图5光谱响应曲线图（实测）图6紫外光电管探测角示意图三、产品运用范围及合理选用：3.1火焰的辐射的特点：火焰的辐射是具有离散光谱的气体辐射和伴有连续光谱的固体辐射，其波长在0.1-10μm或更宽的范围，为了避免其他信号的干扰，常利用波长300nm的紫外线，或者火焰中特有的波长在4.4μm附近的CO2辐射光谱作为探测信号。紫外线传感器只对185~260nm狭窄范围内的紫外线进行响应,而对其它频谱范围的光线不敏感,利用它可以对火焰中的紫外线进行检测。到达大气层下地面的太阳光和非透紫材料作为玻壳的电光源发出的光波长均大于300nm，故火焰探测的220m-280nm中紫外波段属太阳光谱盲区（日盲区）。紫外火焰探测技术，使系统避开了最强大的自然光源一太阳造成的复杂背景，使得在系统中信息处理的负担大为减轻。所以可靠性较高，加之它是光子检测手段，因而信噪比高，具有极微弱信号检测能力，除此之外，它还具有反应时间极快的特点。与红外探测器相比，紫外探测器更为可靠，且具有高灵敏度、高输出、高响应速度和应用线路简单等特点。因而充气紫外光电管正日益广泛地应用于燃烧监控、火灾自报警、放电检测、紫外线检测、及紫外线光电控制装置中。3、2紫外光电管的运用范围在50年代，人们就已经开始研究紫外线探测技术了。紫外探测技术是和红外和激光探测技术，几乎是齐头并进发展起来军用光电探测技术，但是当时红外探测技术走在了前面。仅仅在20年前,如果提到实用的紫外探测器件,那恐怕只能想到光电倍增管(PMT)。现在,已经出现了多种紫外光电器件可供选择,以满足不同领域的要求。紫外探测已从传统的紫外监测用于自动化控制、臭氧监测、火焰监控、污染监测等逐渐应用到最尖端军事科技的紫外告警、紫外通信以及宇宙飞船监测和识别宇宙射线监测、空间通讯、定位焊接以及工作于极其恶劣环境下的发动机监控等领域，其应用平台不断扩大，呈现方兴未艾之势。目前，国内用紫外光电管的主要应用有：1、坦克及其它装甲车辆的三防系统：2、飞机发动机及机舱的紫外监控：3、舰船火灾告警系统：4、消防火焰监测系统：主要应用于油库、危险爆炸品库、军火武器库、汽车生产维修厂、4S店、化工厂、高档楼寓等的火警探测，系统产品是防爆和非防爆型紫外火焰探测器.目前，国内只有少数几家生产该类产品，且核心器件均为紫外光电传感器。在国外应用较多的航空航天方面，高性能的军事飞行装备，喷气式飞机和民用飞机等需在高温下工作的紫外探测器，高温辐射环境（包括核反应堆、核废物存储装置等）以及下一代涡轮控制系统和紫外监测等领域，国内尚处于起步阶段。3、3紫外光电管的合理选用目前，用于光线检测的器件主要是半导体器件和光电管。半导体器件由于受材料的限制，其主要应用于可见光及红外波段,波长范围在380－1500nm之间。在紫外波段，由于半导体器件本底噪声的增加使其已无应用的可能；相反，在160－290nm之间，紫外光电管具有许多良好的特性，如：稳定性好、光特性的线性范围和频谱特性的线性范围宽、事实上无限长的寿命、电源电压对灵敏度的影响不大、机械强度高和抗外界干扰能力强等等。这些特性决定了光电管在许多领域中可以优先使用，由于这些特性，使真空光电管在探测紫外的各类光度计、比色计和分光光度计等计量仪器中，各种光控自动化设备、防火等领域以及量子电子学、核物理、非线性光学及脉冲光度计中获得广泛的应用。紫外光电管属于光子检测器件，它具有如下特点：①由于器件工作于中紫外区，位于太阳光谱盲区，使检测系统能避开自然光源，使系统信号检测难度下降，误报率大幅降低。②由于器件自身对紫外光极其敏感，使得系统能在极短时间内（＜50ms＝）对来自外部的变化作出极其可靠的反应。③被动探测，不发射电磁信号。④可覆盖所有可能的观测角。四、紫外光电管选用注意事项：对于传统的紫外光电管器件，由于结构设计和制备工艺的限制，其噪声和灵敏度是一个互相矛盾的参数。一般而言，需将灵敏度控制在一个合适的水平，过高的灵敏度对器件的低噪声指标是十分困难的，因为灵敏度和噪声信号都是由光敏管发出，传统的检测器会将两种信号同时放大。所以其灵敏度比较差,检测距离小,不能抗雷电的干扰,存在一定的误报率。因而需要基于现有或新发展的探测原理方法，与其它学科技术交叉，通过改进信号采集和处理等方法来改善系统性能。