MCP噪聲因子特性研究

李 丹，朱宇峰，趙慧民，張 妮，張?zhí)?，李相鑫，郝子恒，黃武軍，陳 暢

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MCP噪聲因子特性研究

李 丹1,2，朱宇峰1,2，趙慧民3，張 妮1,2，張?zhí)?,2，李相鑫1,2，郝子恒1,2，黃武軍1,2，陳 暢1,2

（1. 微光夜視技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；2. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223；3. 北方夜視技術(shù)股份有限公司南京分 公司，江蘇 南京 210006）

微通道板（簡(jiǎn)稱MCP）是決定像增強(qiáng)器信噪比的關(guān)重件，MCP的噪聲因子是對(duì)MCP噪聲特性進(jìn)行評(píng)價(jià)研究的主要參數(shù)。通過(guò)對(duì)不同材料、不同腐蝕工藝、不同燒氫工藝制備的MCP以及不同工作條件下MCP的噪聲因子進(jìn)行測(cè)試分析，研究不同制備工藝、不同工作條件下MCP的噪聲特性，最終得出了最優(yōu)噪聲性能的MCP制備工藝和工作條件，結(jié)果表明采用B材料，采用混合類腐蝕液腐蝕工藝，盡可能長(zhǎng)的燒氫時(shí)間，可獲得較低噪聲因子的MCP，同時(shí)適當(dāng)增加入射電子能量和微通道板工作電壓以改善通道板噪聲特性，提高像管成像質(zhì)量，這些研究成果為進(jìn)一步降低MCP噪聲因子提供了理論和工藝指導(dǎo)。

微通道板；噪聲因子；MCP；MCP工作條件

0 引言

像增強(qiáng)器的噪聲主要取決于MCP的引入而產(chǎn)生的噪聲，MCP噪聲的影響可以用信噪比來(lái)衡量，信噪比為信號(hào)與均方根噪聲之比[1-3]。在實(shí)際應(yīng)用中，輸入通道的電子數(shù)也是隨機(jī)量，它的漲落所產(chǎn)生的噪聲為輸入噪聲。輸入信號(hào)與輸入均方根噪聲之比稱為輸入信噪比。此外，MCP噪聲還來(lái)自于自身的不完善性和二次電子倍增過(guò)程的隨機(jī)性質(zhì)，從而形成MCP的輸出信噪比。

MCP的輸出信噪比可以評(píng)價(jià)MCP的噪聲特性，但該參數(shù)既受MCP本身噪聲特性的影響，同時(shí)又取決于MCP輸入信號(hào)的信噪比。而MCP的噪聲因子可以較科學(xué)地評(píng)價(jià)MCP的噪聲特性，MCP的噪聲因子為輸入信噪比和輸出信噪比之比：

式中：F為噪聲因子；為信號(hào)；為噪聲；(/)in為輸入信噪比；(/)out為輸出信噪比。由于去除了輸入信噪比的影響，噪聲因子反映了由MCP本身引起的信噪比的降低。

影響MCP噪聲因子的因素很多，MCP材料、拉絲、熔壓、化學(xué)腐蝕、氫還原等制造工藝，以及MCP的工作條件都會(huì)影響MCP噪聲因子，其中MCP材料、化學(xué)腐蝕、氫還原工藝、MCP工作條件是影響MCP噪聲因子的關(guān)鍵因素，也是本文著重研究的重點(diǎn)內(nèi)容。利用MCP噪聲因子測(cè)試系統(tǒng)對(duì)不同材料、不同制備工藝制備的MCP以及不同輸入電子能量、不同MCP工作電壓條件下MCP噪聲因子進(jìn)行測(cè)試與分析，以此分析MCP噪聲因子的影響因素，進(jìn)行微通道板的噪聲研究，為低噪聲因子、高信噪比的高性能MCP技術(shù)提供理論和工藝支撐。

1 不同制備工藝的MCP噪聲性能分析

要科學(xué)合理地評(píng)價(jià)MCP的噪聲特性，需要有準(zhǔn)確穩(wěn)定的測(cè)試條件。試驗(yàn)中MCP噪聲因子測(cè)試條件為：輸入電子束的電流密度為5×10－11A/cm2、電子束輸入直徑16cm、噪聲帶寬0～10Hz、電子能量400eV，MCP工作電壓800V。具體的測(cè)試測(cè)試原理和方法如圖1所示[4-6]，圖1(a)為MCP輸出信號(hào)測(cè)試示意圖，通過(guò)探測(cè)MCP與熒光屏之間的電子信號(hào)探測(cè)MCP輸出信號(hào)，圖1(b)為MCP輸入信號(hào)測(cè)試示意圖，通過(guò)探測(cè)陰極與MCP之間的電子信號(hào)探測(cè)MCP輸入信號(hào)。

圖1 MCP輸入、輸出信號(hào)測(cè)試示意圖

MCP輸入信噪比為：

輸出信噪比為：

1.1 不同材料MCP噪聲因子特性

目前MCP材料有A、B兩類，理論認(rèn)為，不同材料制備的MCP其電子發(fā)射層發(fā)射離子的擴(kuò)散程度不同，對(duì)MCP離子反饋誘導(dǎo)噪聲影響不同，因此需要對(duì)不同材料制備的MCP噪聲因子進(jìn)行測(cè)試并分析材料對(duì)MCP噪聲因子影響的具體原因。

本文對(duì)不同材料制備的MCP的噪聲因子進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試的通道板類型有BB（A材料，6mm絲徑）、BF（B材料，6mm絲徑）和BC（A材料，5mm絲徑），表1為測(cè)試的MCP樣品統(tǒng)計(jì)表。

表1 不同材料MCP噪聲因子測(cè)試

由表1測(cè)試結(jié)果可以看出，B材料制備的MCP其平均噪聲因子更小，這是因?yàn)锽相對(duì)A材料，將皮料中的鉀、鈉等堿金屬完全替換為更大離子半徑的銣銫堿金屬，從理論上講，更換更大離子半徑的銣銫堿金屬離子，其自由擴(kuò)散活化能增大，自由擴(kuò)散系數(shù)減小，尤其是在微通道板的熱加工過(guò)程中，芯皮料之間的擴(kuò)散程度減小，腐蝕后通道內(nèi)壁更平整。另外，更換擁有更大離子半徑的銣銫堿金屬后，在微通道板使用過(guò)程中，由于自由擴(kuò)散系數(shù)降低，堿金屬逸出表面的幾率變小，進(jìn)而進(jìn)一步減小了MCP噪聲因子，因此采用B材料代替A材料，可有效降低MCP噪聲因子。

1.2 不同腐蝕工藝MCP噪聲因子特性

MCP制作過(guò)程中，需要用腐蝕劑腐蝕掉芯玻璃，留下完整無(wú)缺的微通道板（皮玻璃）通道列陣。經(jīng)過(guò)不同腐蝕工藝后，通道內(nèi)壁表面形成以Si-O為骨架的多孔溝壑狀形貌，這將大大增加了微通道板的比表面積，導(dǎo)致MCP通道內(nèi)表面、亞表面和體內(nèi)以物理、化學(xué)甚至更為復(fù)雜的方式吸附大量的H2O、N2、H2、O2、CO2等氣體，在電子撞擊時(shí)極易分解而形成放氣和離子反饋，產(chǎn)生噪聲。不同腐蝕工藝對(duì)通道內(nèi)壁溝壑形貌有不同影響，對(duì)氣體吸附能力也會(huì)不同，對(duì)MCP噪聲產(chǎn)生不同的影響，因此需對(duì)不同腐蝕工藝制備的MCP噪聲因子進(jìn)行測(cè)試分析，以確定最佳的腐蝕工藝，降低MCP噪聲因子。我們對(duì)三種不同腐蝕工藝的MCP噪聲因子進(jìn)行了測(cè)試，具體結(jié)果如表2。

從表2可以看出混合類腐蝕液腐蝕工藝后，MCP噪聲因子更小些，分析認(rèn)為相對(duì)酸類腐蝕液和堿類腐蝕液腐蝕工藝處理，混合類腐蝕液腐蝕工藝能夠與二氧化硅作用，能夠腐蝕內(nèi)壁二氧化硅，降低MCP通道內(nèi)壁粗糙度，最終降低了MCP噪聲因子。

1.3 不同燒氫工藝MCP噪聲因子特性

為了使通道壁上形成具有合適面電阻率的二次電子發(fā)射表面，須將腐蝕掉芯的MCP裝在還原爐中，通入氫氣進(jìn)行還原。經(jīng)過(guò)在氫氣中還原處理，能得到合適的電阻。通道內(nèi)壁形貌會(huì)隨著還原狀態(tài)和還原后的處理不同而不同。通道內(nèi)壁的形貌，對(duì)MCP的離子反饋誘導(dǎo)噪聲特性的影響至關(guān)重要。離子反饋誘導(dǎo)噪聲主要是通道內(nèi)壁納米級(jí)粗糙起伏的溝壑形貌，它對(duì)氣體構(gòu)成強(qiáng)烈的吸附能力，在電子撞擊時(shí)極易分解而形成放氣和離子反饋，為了降低MCP的噪聲因子，必須改善粗糙起伏的溝壑形貌。氫還原工藝不同，MCP內(nèi)壁表面層和還原層形成的各種成分也各異。因此，可通過(guò)改變氫還原工藝，既要得到合適的電阻，同時(shí)也要使通道壁光滑，降低MCP噪聲因子。在燒氫溫度一定的情況下，我們通過(guò)測(cè)試分析不同燒氫時(shí)間MCP噪聲因子的變化，找到既可以滿足電阻的要求又可以得到光滑的通道內(nèi)壁的氫還原工藝，達(dá)到降低MCP噪聲因子的目的。

表2 不同腐蝕工藝BF-MCP（B材料）噪聲因子測(cè)試

表3燒氫試驗(yàn)中1＜2＜3＜4，可以看出燒氫時(shí)間越長(zhǎng)，噪聲因子越小。分析認(rèn)為造成這種現(xiàn)象的原因主要是，腐蝕后的MCP通道表面有凹凸不平的溝壑形貌，氫還原是在此形貌上進(jìn)行的，此過(guò)程中，還原出的鉛原子填充溝壑，燒氫時(shí)間越長(zhǎng)，鉛的濃度深度剖面的最大值接近于表面，就會(huì)有更多的鉛原子填充溝壑，表面粗糙度降低，噪聲因子相應(yīng)變小。但燒氫時(shí)間不能無(wú)限延長(zhǎng)，為獲得低噪聲的微通道板，應(yīng)使通道壁盡量光滑，即要求燒氫時(shí)間應(yīng)盡可能長(zhǎng)，同時(shí)要兼顧實(shí)際情況，控制MCP電阻值在有效范圍內(nèi)，因此MCP制備工藝中燒氫時(shí)間需嚴(yán)格控制。

2 不同工作條件下MCP的噪聲性能分析

MCP制備工藝對(duì)MCP本身的噪聲性能有重要影響，但MCP工作狀態(tài)，工作條件對(duì)MCP實(shí)際應(yīng)用中的噪聲性能亦有極其重要的影響，其中MCP輸入電子能量和MCP工作電壓是主要的工作參數(shù)，因此接下來(lái)實(shí)驗(yàn)從這兩方面研究不同工作條件下MCP的噪聲性能。本實(shí)驗(yàn)選定BC微通道板作為本實(shí)驗(yàn)待測(cè)微通道板，通過(guò)改變電子槍燈絲電壓改變輸入電子能量，通道板工作電壓則可以通過(guò)高壓電源直接改變。

表3 采用不同燒氫時(shí)間的BF-MCP（B材料）噪聲因子測(cè)試結(jié)果

2.1 輸入電子能量對(duì)MCP噪聲特性的影響

微通道板電壓800V，熒光屏電壓1000V，調(diào)整改變燈絲電壓，在輸入電子能量分別100eV、200eV、300eV、400eV、500eV、600eV、700eV時(shí)，對(duì)MCP的輸出噪聲特性進(jìn)行了測(cè)試，所得結(jié)果如下：圖2為不同輸入電子能量下的輸出信噪比變化曲線，圖3為不同輸入電子能量下的輸出信號(hào)、噪聲和信噪比變化率曲線。

圖2 不同輸入電子能量下的輸出信噪比變化曲線

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，隨著入射電子能量增加，輸出信噪比逐漸增大，但是從變化的速率上看，隨著入射電子能量增加，信號(hào)增加速率要大于噪聲信號(hào)增加速率，因此使得信噪比穩(wěn)步上升。這是由于電子槍與微通道板之間電壓增加，使得信號(hào)輸入電子能量增加，進(jìn)入微通道板輸入端后，會(huì)有更多的電子有足夠的能量產(chǎn)生二次電子發(fā)射效應(yīng)，使得信號(hào)倍增速率大幅度提高；同時(shí)微通道板引入的噪聲信號(hào)中，只有電子散射噪聲隨著該電壓增大而增加，使撞擊通道間隙而散射的電子也同樣加速獲得更大的能量和倍增效應(yīng)，因此噪聲信號(hào)也有一定幅度的提高。當(dāng)電子槍電壓增加到一定程度后，信號(hào)和噪聲的增加速度都趨近于飽和，多數(shù)的電子都會(huì)具有足夠的能量在第一次撞擊通道壁時(shí)就能夠激發(fā)二次電子[7]。

圖3 不同輸入電子能量下的信號(hào)、噪聲和信噪比變化率曲線

2.2 MCP工作電壓對(duì)MCP噪聲特性的影響

選取電子槍燈絲電壓為400V，改變MCP工作電壓，MCP輸出端與熒光屏之間保持固定電壓差值，所得數(shù)據(jù)如下：圖4為不同微通道板工作電壓下的輸出信噪比變化曲線，圖5為不同微通道板工作電壓下的輸出噪聲、信號(hào)及信噪比的變化率曲線。

圖4 不同微通道板工作電壓下的信噪比變化曲線

隨著微通道板工作電壓增大，輸出信噪比也有相對(duì)較小幅度的提高，分析可知，由于微通道板電壓增大，電子進(jìn)入通道后能量增加較快，產(chǎn)生的二次電子在電場(chǎng)作用下加速也更快，信號(hào)倍增效率提高，但同時(shí)引入的電子散射噪聲和光子散射噪聲，暗背景噪聲等噪聲信號(hào)在通道內(nèi)也同樣倍增。離子反饋噪聲在板壓增加的情況下會(huì)增大，由于微通道板經(jīng)過(guò)了電子清刷處理和烘烤除氣，管壁內(nèi)殘余氣體產(chǎn)生的離子反饋對(duì)信號(hào)影響相對(duì)較小，提高通道板電壓可使信號(hào)的探測(cè)效率提高，從而小幅度地提高微通道板的輸出信噪比。

3 結(jié)論

1）不同材料、不同腐蝕工藝和不同燒氫工藝對(duì)MCP噪聲因子有很大影響，B相對(duì)A材料噪聲因子降低；腐蝕工藝中相對(duì)II類腐蝕液和III類腐蝕液腐蝕工藝，經(jīng)過(guò)能夠與二氧化硅作用的的I類腐蝕后，MCP通道內(nèi)壁粗糙度有效降低，同時(shí)MCP噪聲因子降低；在保證MCP體電阻合適的前提下，增加燒氫時(shí)間可降低MCP噪聲因子。

圖5 不同微通道板工作電壓下的輸出噪聲、信號(hào)及信噪比的變化率曲線

2）隨著入射電子能量增加，微通道板輸出信噪比逐漸增加；隨著微通道板工作電壓增加，微通道板輸出信噪比也略有增大。輸出信噪比增大可以改善通道板噪聲特性，提高像管成像質(zhì)量，但是過(guò)高的提高通道板工作電壓會(huì)降低通道板使用壽命，隨著入射電子能量增加，反饋離子的能量會(huì)增強(qiáng)，對(duì)陰極銫氧層的破壞會(huì)更加嚴(yán)重，直接影響陰極工作壽命。因此在提高像增強(qiáng)器的整體性能過(guò)程中，需要綜合考慮各方面因素，選擇MCP合適的工作條件以保證像管性能最佳。

[1] 向世明, 倪國(guó)強(qiáng). 光電子成像器件原理[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2006.

XIANG Shiming, NI Guoqiang.[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2006.

[2] 楊露萍, 劉術(shù)林, 黃明舉, 等. 提高微通道板對(duì)低能電子探測(cè)效率的技術(shù)途徑[J]. 紅外技術(shù), 2016, 38(8): 714-718.

YANG Luping, LIU Shulin, HUANG Mingju, et al. Technical Approach to Improve the Detective Efficiency of Microchannel Plate for Low Energy Electron[J]., 2016, 38(8): 714-718.

[3] 潘京生. 微通道板及其主要特征性能[J]. 應(yīng)用光學(xué), 2004, 25(5): 25-29.

PAN Jingsheng. Microchannel Plates And Its Main Charateristics[J]., 2004, 25(5): 25-29.

[4] 潘京生, 蘇德坦. 一種顯著提高三代像增強(qiáng)器信噪比的微通道板[J]. 應(yīng)用光學(xué), 2007, 28(3): 301-305.

PAN Jingsheng, SU detan. High signal-to-noise ratio MCP for Gen.Ⅲ image intensifier[J]., 2007, 28(3): 301-305.

[5] 朱宇峰, 石峰. 防離子反饋MCP噪聲因子測(cè)試與分析[J]. 紅外與激光工程, 2013, 42(2): 499-502.

ZHU Yufeng, SHI Feng. Analysis and test on noise factor of Micro-channelplate with ion barrier film[J]., 2013, 42(2): 499-502.

[6] 韋亞一, 陶兆民. MCP噪聲因子的理論分析[J]. 電子科學(xué)學(xué)刊, 1993, 15(6): 656-658.

WEI Yayi, TAO Zhaomin. Theoretical analysis of MCP noise factor[J]., 1993, 15(6): 656-658.

[7] 劉術(shù)林, 鄧光緒. MCP增益與首次碰撞時(shí)電子能量關(guān)系的試驗(yàn)研究[J]. 紅外技術(shù), 2011, 33(6): 354-356.

LIU Shulin, DENG Guangxu. Experiment Research on Relation Between MCP Gain and Electron Energy While First Collision[J]., 2011, 33(6): 354-356.

Research on Noise Factor Characteristic of Micro-channel Plate

LI Dan1,2，ZHU Yufeng1,2，ZHAO Huimin3，ZHANG Ni1,2，ZHANG Taimin1,2，LI Xiangxin1,2，HAO Ziheng1,2，HUANG Wujun1,2，CHEN Chang1,2

(1.2.650223,3.210006,

Micro-channel plate (MCP) is one of the key components of low light level image intensifier, for which the noise mainly includes ion-feedback induced noise, fixed figure noise, background noise, electron scattering noise and random noise. The main parameter which evaluates the noise characteristic of MCP is the noise factor. This study measured the noise factor of MCP for different materials, preparation processes, incident electrons and MCP voltages. The results provided a comprehensive know ledge of MCP noise under different preparation processes and working conditions, which can provide theoretical and technical guidance for noise factor reduction and noise characteristic improvement.

micro-channel plate (MCP)，noise factor，preparation process of MCP，working conditions of MCP

TN223

A

1001-8891(2017)11-1066-05

2016-09-13；

2017-07-17.

李丹（1986-），女，工程師，現(xiàn)主要從事電子真空成像器件方面的研究，E-mail：woshihaolidan@163.com。