影響超二代像增強(qiáng)器最高增益的因數(shù)分析

李曉峰，杜木林，徐傳平，黃麗書，陳俊宇，常樂(lè)

（北方夜視技術(shù)股份有限公司，昆明650214）

夜間景物亮度太低，為使人眼在夜間也能看到景物，需要借助一些輔助手段，如對(duì)景物進(jìn)行照明。然而在一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，如在夜間對(duì)野生動(dòng)物進(jìn)行觀察時(shí)，為了不驚擾野生動(dòng)物；及在夜間對(duì)罪犯進(jìn)行跟蹤或取證時(shí)，為了不暴露自身目標(biāo)，均不能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行照明。因此在不能對(duì)景物進(jìn)行照明時(shí)，為了在夜間或黑暗中觀察景物，必須借助微光夜視儀。微光夜視儀的核心是像增強(qiáng)器［1-4］。像增強(qiáng)器通過(guò)光電效應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)對(duì)景物亮度的增強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)人眼在夜間對(duì)景物進(jìn)行觀察的目的。隨著微光像增強(qiáng)器技術(shù)的發(fā)展，像增強(qiáng)器的等效背景照度已從過(guò)去的10-7lx 數(shù)量級(jí)降低到了10-8lx，甚至10-9lx 數(shù)量級(jí)。等效背景照度的降低，意味著像增強(qiáng)器可以探測(cè)到更低的亮度閾值。然而，要探測(cè)更低的亮度閾值，像增強(qiáng)器需要具有更高的亮度增益。對(duì)于采用超二代像增強(qiáng)器的頭盔式夜視儀，如果觀察10-3lx 數(shù)量級(jí)照度的景物，需要104cd·m-2·lx-1數(shù)量級(jí)的亮度增益；觀察10-4lx 數(shù)量級(jí)照度的景物，需要105cd·m-2·lx-1數(shù)量級(jí)的亮度增益；觀察更低照度的景物，則需要更高的像增強(qiáng)器亮度增益。目前超二代像增強(qiáng)器的亮度增益在104cd·m-2·lx-1數(shù)量級(jí)，還不能滿足對(duì)更低照度或更遠(yuǎn)距離目標(biāo)的觀察要求。但在提高超二代像增強(qiáng)器亮度增益方面，與提高超二代像增強(qiáng)器分辨力［5-8］、信噪比［9-12］相比較，研究進(jìn)展相對(duì)緩慢，影響了超二代像增強(qiáng)器觀察距離的進(jìn)一步提高。關(guān)于如何提高超二代像增強(qiáng)器的亮度增益，一般認(rèn)為只要提高微通道板（Microchannel Plate，MCP）工作電壓（簡(jiǎn)稱板壓）即可。提高M(jìn)CP 的板壓可以提高M(jìn)CP 的增益，同時(shí)也就提高了超二代像增強(qiáng)器的亮度增益。然而提高M(jìn)CP 板壓是否存在極限，以及提高M(jìn)CP 的板壓對(duì)超二代像增強(qiáng)器的其他性能是否會(huì)有影響，這方面的研究還未見(jiàn)報(bào)道，所以有必要對(duì)影響超二代像增強(qiáng)器最高亮度增益的因數(shù)進(jìn)行分析。

1 理論分析

根據(jù)像增強(qiáng)器的相關(guān)理論［13-14］，超二代像增強(qiáng)器的亮度增益與光電陰極靈敏度、微通道板電子增益（簡(jiǎn)稱增益）、熒光屏發(fā)光效率（簡(jiǎn)稱屏效）以及熒光屏電壓（簡(jiǎn)稱屏壓）有關(guān)，它們之間遵循

式中，G為像增強(qiáng)器的亮度增益，單位為cd·m-2·lx-1；S為陰極靈敏度，單位為μA·lm-1；GM為微通道板增益；η為熒光屏的屏效，單位：lm·W-1；Va為熒光屏的屏壓，單位：V；M為像增強(qiáng)器的幾何放大率。由于超二代像增強(qiáng)器為雙近貼聚焦的結(jié)構(gòu)，因此其幾何放大率M為1，所以式（1）可以簡(jiǎn)化為

通常情況下，MCP 的板壓每增加50 V，MCP 的增益就可以增加1 倍，即MCP 增益與其板壓之間遵循

式中，GM為MCP 增益，GM0為800 V 板壓時(shí)的MCP 增益，VM為MCP 板壓。以下將MCP 在800 V 板壓時(shí)的增益稱為MCP 固有增益。將式（3）代入式（2），可得

從式（4）可以看出，影響超二代像增強(qiáng)器亮度增益的因數(shù)包括光電陰極的陰極靈敏、屏效、屏壓、MCP 固有增益以及MCP 板壓。其中陰極靈敏度、屏效、屏壓以及MCP 固有增益對(duì)像增強(qiáng)器亮度增益的影響是線性的，即其中之一只要提高10%，那么像增強(qiáng)器的亮度增益也會(huì)提高10%。而MCP 板壓對(duì)像增強(qiáng)器亮度增益的影響卻是指數(shù)型的。所以從影響像增強(qiáng)器亮度增益的角度看，在式（4）中所涉及的5 個(gè)影響因數(shù)中，MCP 板壓對(duì)像增強(qiáng)器亮度增益的影響最大。

目前對(duì)于采用普通玻璃窗的超二代像增強(qiáng)器，陰極靈敏度在800 μA·lm-1～1 100 μA·lm-1之間，短期內(nèi)再進(jìn)一步提高較困難。對(duì)于熒光屏而言，屏效（P22 型號(hào)熒光粉）一般在16 lm·W-1～20 lm·W-1之間。如果要進(jìn)一步提高熒光屏的屏效，就需要增大熒光粉粒度，而這又會(huì)影響熒光屏的分辨力，所以短期內(nèi)，熒光屏的屏效只能保持在目前的水平。對(duì)屏壓而言，因?yàn)槠翂旱倪M(jìn)一步提高會(huì)帶來(lái)熒光屏或MCP 高壓擊穿的問(wèn)題，由此會(huì)降低像增強(qiáng)器的制造良品率。所以超二代像增強(qiáng)器的屏壓一般只能保持在6 000V 的水平上。至于MCP（直徑為25 mm，孔徑為6 μm，節(jié)距為8 μm）的固有增益，一般在100～300 之間，短期內(nèi)進(jìn)一步提高也比較困難。綜上所述，由于陰極靈敏度、屏效、屏壓以及MCP 的固有增益在短期內(nèi)可以認(rèn)為是相對(duì)固定的，因此其對(duì)像增強(qiáng)器亮度增益的影響也是相對(duì)是固定的，所以在式（4）中它們可以被認(rèn)為是常量。也就是說(shuō)在超二代像增強(qiáng)器的陰極靈敏度、屏效、屏壓以及MCP 的固有增益一定的條件下，理論上講，提高M(jìn)CP 的板壓是提高超二代像增強(qiáng)器亮度增益的方法之一。

假設(shè)像增強(qiáng)器陰極靈敏度為900 μA·lm-1，屏效為18 lm·W-1，MCP 固有增益為250。那么根據(jù)式（4）可以計(jì)算出，MCP 的板壓只需要達(dá)到879 V，像增強(qiáng)器的亮度增益就可以達(dá)到20 000 cd·m-2·lx-1。同理可以計(jì)算出，MCP 的板壓只需要達(dá)1 046 V，像增強(qiáng)器的亮度增益即可達(dá)到194 400 cd·m-2·lx-1，接近2×105cd·m-2·lx-1數(shù)量級(jí)。但以上僅是理論分析，能否無(wú)條件地通過(guò)提高M(jìn)CP 板壓來(lái)提高超二代像增強(qiáng)器的增益，另外在提高M(jìn)CP 的板壓以后，是否會(huì)對(duì)超二代像增強(qiáng)器的其他性能參數(shù)產(chǎn)生影響，還需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

從實(shí)驗(yàn)上研究MCP 板壓對(duì)超二代像增強(qiáng)器亮度增益的影響，選取有效陰極直徑為18 mm 的超二代像增強(qiáng)器進(jìn)行試驗(yàn)。超二代像增強(qiáng)器采用多堿陰極［15-18］，即S25 光電陰極。首先對(duì)244#樣品進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)量其亮度增益隨MCP 板壓變化的關(guān)系。244#樣品的陰極靈敏度、等效背景照度（Equivalent Background Illumination，EBI）、分辨力（Resolution）、信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）以及屏效的具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)樣品的性能參數(shù)Table 1 Parameters of testing samples

測(cè)量?jī)x器采用符合像增強(qiáng)器測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的像增強(qiáng)器亮度增益測(cè)試儀。包括光源、濾光片盒、暗箱（樣品室）和光度計(jì)。輸入光經(jīng)過(guò)濾光片衰減后投射在像增強(qiáng)器的光電陰極面上，經(jīng)過(guò)像增強(qiáng)器增強(qiáng)，從熒光屏輸出。熒光屏的輸出光再被光度計(jì)接收，從而測(cè)量出像增強(qiáng)器熒光屏的亮度。熒光屏的亮度與光電陰極面上的輸入照度之比即為像增強(qiáng)器的亮度增益。測(cè)量?jī)x器的光源為2 856 K 色溫的鎢絲燈。濾光片盒中有一組不同透過(guò)率的中性密度濾光片，包括從ND0.5、ND1、ND2、ND3 的不同透過(guò)率的濾光片，另外還包括擋板。濾光片和擋板在濾光片盒中可以移動(dòng)。當(dāng)在測(cè)量過(guò)程中需要對(duì)輸入光進(jìn)行衰減時(shí)，可以將不同的濾光片或?yàn)V光片組合推入光路。同樣當(dāng)在測(cè)量過(guò)程中需要增加光電陰極面上的輸入照度時(shí)，可以將不同的濾光片或?yàn)V光片組合拉出光路。當(dāng)在測(cè)量過(guò)程中不需要輸入光照時(shí)，可以將擋板推入光路，反之則可以拉出光路。亮度計(jì)為美國(guó)Pritchard 公司生產(chǎn)。測(cè)量?jī)x器的結(jié)構(gòu)如圖1（a），像增強(qiáng)器測(cè)量所用高壓電源如圖1（b）。高壓電源的輸出電壓通過(guò)高壓電纜連接到樣品的測(cè)試夾具上，再通過(guò)測(cè)試夾具施加在測(cè)量樣品上。高壓電源包括三組電壓輸出，第一組為陰極電壓，第二組為MCP 板壓，第三組為屏壓。MCP 的輸出端為地，因此屏壓為正高壓，MCP 板壓和陰極電壓均為負(fù)高壓。即MCP 輸入端電位比輸出端電位低，而陰極電位又比MCP 輸入端電位低。

圖1 增益測(cè)量?jī)x器Fig.1 Test set for gain of image intensifier

像增強(qiáng)器的亮度增益測(cè)量在暗室中進(jìn)行。環(huán)境溫度為常溫，相對(duì)濕度低于45%。另外測(cè)量暗箱中通有干燥氮?dú)?，以保證測(cè)量過(guò)程中不產(chǎn)生高壓放電。光電陰極面上的輸入照度為4.7×10-5lx，樣品的陰極電壓為200 V，屏壓為6 000 V。在測(cè)量過(guò)程中，陰極電壓和屏壓保持不變，僅變化MCP 板壓。每變化一次MCP 板壓，測(cè)量一次像增強(qiáng)器的亮度增益。在測(cè)量得到樣品的亮度增益后，根據(jù)式（2）及樣品的陰極靈敏度、屏效及屏壓計(jì)算出該樣品的MCP 增益。

244#樣品MCP 增益的計(jì)算結(jié)果如圖2。從圖2 中曲線244#可以看出，隨著MCP 板壓的增加，樣品的MCP 增益隨之增加，并且符合式（3）的規(guī)律。但隨著MCP 板壓的不斷增加，當(dāng)MCP板壓增加到1 020 V 時(shí)，樣品的MCP 增益變化速率突然增大，見(jiàn)圖2 中曲線244#上的點(diǎn)A。所以隨著MCP 板壓的不斷提高，244#樣品MCP 增益的變化可分為兩個(gè)區(qū)域，低于點(diǎn)A的區(qū)域?yàn)榉Q為量變區(qū)，高于點(diǎn)A的區(qū)域稱為突變區(qū)。在突變區(qū)，像增強(qiáng)器圖像的對(duì)比度、分辨力消失，其他參數(shù)如EBI、信噪比也不能正常測(cè)量。可以認(rèn)為點(diǎn)A所對(duì)應(yīng)的板壓即為MCP 所能施加的最高板壓，對(duì)應(yīng)的MCP 增益即為MCP 的最高增益。

圖2 MCP 增益隨板壓VM的變化Fig.2 Gain of MCP with the variation of VM

為分析244#樣品MCP 增益發(fā)生突變的原因，在樣品無(wú)輸入照度條件下，通過(guò)光度計(jì)的目鏡觀察其熒光屏的暗背景，即在測(cè)量光路中推入擋板的條件下對(duì)其熒光屏暗背景隨MCP 板壓變化情況進(jìn)行觀察。在244#樣品暗背景的觀察過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)熒光屏上會(huì)有一些閃爍點(diǎn)。例如，在MCP 板壓為800 V 條件下，熒光屏圖像如圖3（a）。熒光屏上的閃爍點(diǎn)是光電陰極暗發(fā)射所造成的。因?yàn)榘蛋l(fā)射在位置上和時(shí)間上是隨機(jī)的，因此其在熒光屏上的圖像，即閃爍點(diǎn)在位置上和時(shí)間上也是隨機(jī)的。為了進(jìn)一步觀察暗背景的變化，在800 V板壓基礎(chǔ)上，不斷增加MCP 板壓。在此過(guò)程中，熒光屏上仍為一些閃爍點(diǎn)，不同的是這些閃爍點(diǎn)的亮度更亮，同時(shí)數(shù)量也更多，并且板壓越高，閃爍點(diǎn)的亮度越亮，數(shù)量越多。圖3（b）為MCP 板壓為950 V 時(shí)在熒光屏上所觀察到的圖像。熒光屏上閃爍點(diǎn)亮度更亮的原因是MCP 增益的增加，數(shù)量更多的原因是原來(lái)被MCP 輸入面電極俘獲的暗發(fā)射電子也參與倍增。

圖3 不同MCP 板壓下的熒光屏圖像Fig.3 The images of phosphor screen on different voltages of MCP

在950 V 電壓的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高M(jìn)CP 板壓，熒光屏上的圖像仍然由閃爍點(diǎn)組成。當(dāng)MCP 的板壓提高到1 020 V 時(shí)，熒光屏的發(fā)光狀態(tài)發(fā)生突變，從只有閃爍點(diǎn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎麄€(gè)熒光屏呈現(xiàn)一個(gè)自激發(fā)光狀態(tài)，并且亮度可達(dá)到10 cd·mm-2以上，如圖3（c）。從理論上講，如果像增強(qiáng)器沒(méi)有輸入光，熒光屏上除光電陰極的暗發(fā)射所產(chǎn)生的不連續(xù)、隨機(jī)的閃爍點(diǎn)外，不應(yīng)該有連續(xù)而穩(wěn)定的輸出光。但實(shí)際情況是，當(dāng)MCP 的板壓達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，熒光屏?xí)l(fā)生自激發(fā)光，輸出連續(xù)而穩(wěn)定的光。由于當(dāng)MCP 板壓達(dá)到最高板壓時(shí)，像增強(qiáng)器會(huì)產(chǎn)生自激發(fā)光，受這一因數(shù)的影響，像增強(qiáng)器的亮度增益變化速率會(huì)隨之發(fā)生突變，而根據(jù)式（2），可得出MCP 增益變化速率會(huì)發(fā)生突變的結(jié)論。對(duì)于MCP 而言，實(shí)際上其增益變化的速率并未發(fā)生突變，之所以MCP 的增益變化發(fā)生突變，是根據(jù)式（2）計(jì)算的結(jié)果。

圖4 是244#樣品在無(wú)輸入照度條件下，陽(yáng)極電流Ia隨MCP 板壓的變化曲線。從該曲線可以看出，隨著MCP 板壓的增加，陽(yáng)極電流隨之增加，但增加的速率較低。但當(dāng)MCP 板壓達(dá)到1 020 V 時(shí)，陽(yáng)極電流突然增大到0.5 μA。因此從陽(yáng)極電流隨MCP 板壓變化的角度也可以看出，當(dāng)MCP 增益或板壓達(dá)到某一最高值時(shí)，像增強(qiáng)器會(huì)產(chǎn)生自激發(fā)光。

圖4 陽(yáng)極電流隨MCP 板壓的變化Fig.4 Anode current of screen with the variation of VM

像增強(qiáng)器發(fā)光的原因可以從其倍增機(jī)理上來(lái)分析。超二代像增強(qiáng)器主要由光電陰極、MCP、熒光屏等組成，是一種近貼聚焦結(jié)構(gòu)的像增強(qiáng)器，如圖5。光電陰極發(fā)射的光電子經(jīng)過(guò)MCP 倍增，從MCP 輸出端輸出，之后在電場(chǎng)作用下加速，獲得動(dòng)能，穿透熒光屏的鋁膜并轟擊熒光屏發(fā)光。熒光屏所發(fā)射的光透過(guò)輸出窗而向外發(fā)射。因?yàn)闊晒馄涟l(fā)光的光通量超過(guò)光電陰極輸入的光通量，因此像增強(qiáng)器可以實(shí)現(xiàn)光的增強(qiáng)作用。

圖5 近貼聚焦像增強(qiáng)器示意Fig.5 Diagram of proximity-focused image intensifier

像增強(qiáng)器熒光屏由熒光粉層（Phosphor layer）和鋁膜（Aluminum film）所組成，如圖6。當(dāng)電子e 轟擊熒光屏?xí)r，電子e 首先穿透鋁膜，然后再撞擊熒光粉顆粒，將電子動(dòng)能轉(zhuǎn)換為光能。熒光粉顆粒發(fā)光時(shí)，發(fā)光是360°全方位的，即不僅有向輸出窗方向的，而且還有向鋁膜方向的。由于鋁膜的存在，向鋁膜方向傳輸?shù)墓饩€會(huì)被鋁膜反射，即將向鋁膜方向傳輸?shù)墓夥瓷浠剌敵龃胺较颉楸硎龇奖?，將向鋁膜方向傳輸?shù)墓夥Q為反向光。盡管熒光屏的鋁膜會(huì)反射反向光，但熒光屏中的鋁膜對(duì)反向光的反射率并不是100%，另外鋁膜并不是無(wú)限厚，因此反向光中仍會(huì)有極少一部分反向光p 透過(guò)鋁層，之后再穿透MCP，最終入射在光電陰極上。這些入射在光電陰極上的反向光p 會(huì)使光電陰極發(fā)射光電子e。光電子e 經(jīng)過(guò)MCP 倍增，會(huì)再次激發(fā)熒光屏發(fā)光，由此完成一個(gè)光的循環(huán)，如圖5。隨著光循環(huán)的不斷進(jìn)行，當(dāng)光電陰極的光電流和MCP 的增益達(dá)到某一值時(shí)，像增強(qiáng)器內(nèi)部將形成正反饋，最終促使熒光屏產(chǎn)生自激發(fā)光。這一過(guò)程類似電子電路中的正反饋。

圖6 熒光屏結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Sketch of phosphor screen in image intensifier

為進(jìn)一步分析影響MCP 最高增益的因數(shù)，再另外選擇119#和176#超二代像增強(qiáng)器進(jìn)行試驗(yàn)。119#和176#樣品的參數(shù)如表1。119#、176#樣品與244#樣品的制作工藝相同，因此具有可比性。119#和176#樣品的試驗(yàn)結(jié)果分別如圖2 中的曲線119#和曲線176#。從圖2 中可以看出，119#樣品的試驗(yàn)結(jié)果與244#樣品的試驗(yàn)結(jié)果相類似，當(dāng)119#樣品的MCP 增益達(dá)到一定的最高值時(shí)，像增強(qiáng)器也發(fā)生自激發(fā)光，并且MCP 最高增益與244#樣品的MCP 最高增益基本相同，如圖2 中曲線119#上的點(diǎn)B和曲線244#上的點(diǎn)A，點(diǎn)B和點(diǎn)A的高度基本相同。119#樣品的陰極靈敏度為802 μA·lm-1，EBI 為0.3×10-7lx。244#樣品的陰極靈敏度為797 μA·lm-1，EBI 為1.2×10-7lx。兩個(gè)樣品相比較，最大區(qū)別在于EBI，兩者相差1 個(gè)數(shù)量級(jí)。由于兩個(gè)樣品發(fā)生自激發(fā)光的MCP 最高增益基本相同，因此可以認(rèn)為EBI 不是影響樣品MCP 最高增益的主要因數(shù)。

將176#樣品的試驗(yàn)結(jié)果分別與119#和244#樣品的相比較，可以看出176#樣品MCP 的最高增益更高，如圖2 中曲線176#上的點(diǎn)C，即點(diǎn)C的增益高于點(diǎn)A和點(diǎn)B。176#樣品的陰極靈敏度為507 μA·lm-1，244#和119#樣品的陰極靈敏度分別為709 μA·lm-1和802 μA·lm-1。176#樣品的陰極靈敏度最低，而其MCP 的最高增益最高，由此可以認(rèn)為在熒光屏相同的條件下，陰極靈敏度是影響MCP 的最高增益的主要因數(shù)，同時(shí)MCP 的最高增益與光電陰極的靈敏度成反比，陰極靈敏度越高，MCP 的最高增益越低。

為進(jìn)一步驗(yàn)證陰極靈敏度與MCP 最高增益的相關(guān)性，在以上3 個(gè)超二代像增強(qiáng)器樣品試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再另外選擇347#樣品進(jìn)行試驗(yàn)。347#樣品為單MCP 的日盲紫外像增強(qiáng)器，采用Cs2Te日盲紫外光電陰極［19-21］，其陰極靈敏度為32 mA·W-1（254 nm），其他參數(shù)見(jiàn)表1。347#日盲紫外像增強(qiáng)器，除光電陰極外，其結(jié)構(gòu)、MCP、熒光屏等與244#、119#以及176#樣品完全相同。347#樣品的試驗(yàn)結(jié)果如圖2 中的曲線347#。從圖2 中的曲線347#可以看出，347#樣品在MCP 板壓為1 250 V 時(shí)，仍未出現(xiàn)自激發(fā)光的現(xiàn)象。由此可以判斷，347#樣品的MCP 最高增益遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于176#、119#和244#樣品。需要說(shuō)明的是，由于目前MCP 耐壓的限制，在347#樣品的試驗(yàn)過(guò)程中，MCP 的板壓僅僅增加到1 250 V，未在1 250 V 的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加，因此未能測(cè)量到MCP 的最高增益。因?yàn)槿绻龠M(jìn)一步增加MCP 板壓，那么MCP 容易發(fā)生擊穿。347#樣品的熒光屏與176#、119#和244#樣品一樣，即其熒光粉和鋁膜厚度均相同。熒光粉為P22 型號(hào)的熒光粉，而其發(fā)光的光譜峰值波長(zhǎng)約在515 nm，如圖7，176#、119#和244#樣品使用S25 多堿陰極，其光譜響應(yīng)范圍在350～960 nm 之間。由于S25 光電陰極的光譜響應(yīng)范圍與熒光屏的發(fā)射光譜范圍存在交疊，因此S25 光電陰極可以對(duì)熒光屏所發(fā)射的反向光響應(yīng)，即光電陰極會(huì)因反向光的作用而發(fā)射光電子。而347#樣品使用Cs2Te日盲紫外陰極，其光譜響應(yīng)范圍（石英窗）在180～320 nm 之間。盡管兩者之間的光譜范圍從圖7 中看不存在重疊，但實(shí)際上兩者的光譜范圍是存在重疊的。因?yàn)镃s2Te日盲紫外陰極存在帶外光譜響應(yīng)，即在320 nm波長(zhǎng)之后，仍然有一定的響應(yīng)，只不過(guò)響應(yīng)非常低而已。因此其對(duì)熒光屏所發(fā)射的反向光響應(yīng)極低，所以對(duì)反向光作用而發(fā)射光電子的數(shù)量極低，即比176#、119#和244#樣品光電陰極發(fā)射光電子的數(shù)量低得多，因此要形成正反饋的MCP 最高增益較176#、119#和244#樣品都高。347#日盲紫外像增強(qiáng)器的試驗(yàn)結(jié)果再次證明，陰極靈敏度越低，發(fā)生自激發(fā)光的MCP 最高增益越高；陰極靈敏度越高，發(fā)生自激發(fā)光的MCP 最高增益越低。目前雙MCP 的日盲紫外像增強(qiáng)器的MCP 增益可達(dá)106以上，這也從另外一方面印證了在熒光屏相同的條件下，光電陰極靈敏度是影響MCP 最高增益主要因數(shù)的結(jié)論。

圖7 光電陰極光譜響應(yīng)與熒光屏發(fā)射光譜Fig.7 Spectral response of photocathode and emission spectral of phosphor screen

需要說(shuō)明的是，在像增強(qiáng)器中，光電陰極靈敏度通常指透射式陰極的靈敏度。所謂透射式陰極是指輸入光與發(fā)射電子的方向相同。例如在像增強(qiáng)器中，如圖4所示，輸入光從左向右，而光電子發(fā)射方向也是從左向右，與輸入光的方向相同。而在上述光電陰極對(duì)反向光的響應(yīng)中，光電陰極的光電發(fā)射是一種反射式陰極的光電發(fā)射過(guò)程。所謂反射式陰極，是指入射光的方向與光電子的發(fā)射方向相反。例如在圖5 中，反向光是從右向左，而光電子的發(fā)射方向卻是從左向右，與入射光的方向相反。通常情況下，在像增強(qiáng)器中，對(duì)于光電陰極而言，透射式的陰極靈敏度越高，其反射式的陰極靈敏度也越高。根據(jù)前面的分析，MCP 的最高增益與光電陰極的靈敏度成反比，而這里的靈敏度是指透射式光電陰極的靈敏度。但像增強(qiáng)器的自激發(fā)射，實(shí)質(zhì)上是與反射式陰極的靈敏度直接相關(guān)。因?yàn)樵谙裨鰪?qiáng)器中，反射式的陰極靈敏度與透射式的陰極靈敏度成正比，因此像增強(qiáng)器的自激發(fā)射間接與透射式陰極靈敏度成反比，所以也可以認(rèn)為MCP 的最高增益與光電陰極透射式的靈敏度成反比。

理論上講，過(guò)高的板壓會(huì)產(chǎn)生一定的場(chǎng)致發(fā)射，而這一場(chǎng)致發(fā)射對(duì)超二代像增強(qiáng)器的自激發(fā)光會(huì)有一定的影響。為了驗(yàn)證MCP 場(chǎng)致發(fā)射對(duì)超二代像增強(qiáng)器自激發(fā)光的影響，在像增強(qiáng)器發(fā)生自激發(fā)光時(shí)關(guān)閉陰極電壓，僅僅保持MCP 板壓以及屏壓，此時(shí)自激發(fā)光現(xiàn)象消失。在關(guān)閉陰極電壓時(shí)進(jìn)一步在提高M(jìn)CP板壓（提高200 V），自激發(fā)光現(xiàn)象仍并未出現(xiàn)，因此可以說(shuō)明MCP 的場(chǎng)致發(fā)射不是產(chǎn)生自激發(fā)光的主要原因，即MCP 的場(chǎng)致發(fā)射在產(chǎn)生自激發(fā)光的過(guò)程中，貢獻(xiàn)較小。

MCP 的斜切角和離子阻擋膜均會(huì)降低MCP 對(duì)透光率。目前在超二代像增強(qiáng)器中，斜切角過(guò)低會(huì)影響MCP 的固有增益，而過(guò)高則會(huì)影響MCP 的分辨力和均勻性。所以目前對(duì)于超二代像增強(qiáng)器所使用的MCP，其斜切角為6°。由于超二代像增強(qiáng)器中MCP 斜切角固定為6 °，所以本研究未涉及MCP 斜切角對(duì)自激發(fā)光的影響。理論上講，增大MCP 的斜切角也可以提高M(jìn)CP 的最高增益。離子阻擋膜主要在三代像增強(qiáng)器中使用，超二代像增強(qiáng)器中不使用離子阻擋膜，所以本研究中也未涉及離子阻擋膜對(duì)自激發(fā)光的影響。然而，對(duì)三代像增強(qiáng)器而言，也存在自激發(fā)光的現(xiàn)象，這說(shuō)明盡管離子阻擋膜具有一定的隔光作用，但并不能消除自激發(fā)光的現(xiàn)象，只能在某種程度上提高M(jìn)CP 的最高增益。

3 討論

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果和分析可知，MCP 的最高增益與光電陰極的靈敏度以及熒光屏鋁膜透過(guò)率成反比。因此要提高M(jìn)CP 的最高增益，在陰極靈敏度一定的條件下，就需要降低熒光屏鋁膜透過(guò)率。降低熒光屏鋁膜的透過(guò)率，可以采用在現(xiàn)有鋁膜基礎(chǔ)上再鍍制一層黑化的鋁膜、鎳膜或其他的黑色吸光膜的方法。在這方面，已經(jīng)有一些嘗試［22］，但實(shí)用化技術(shù)還須進(jìn)一步研究。降低熒光屏鋁膜的透過(guò)率，核心是要阻斷來(lái)自熒光屏的光。目前的超二代像增強(qiáng)器技術(shù)，均是在雙近貼聚焦的結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)的。所謂雙近貼聚焦，是指光電陰極與MCP 之間，MCP 與熒光屏之間是通過(guò)在空間上近貼的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電子聚焦的，如圖5。這種聚焦方式的特點(diǎn)是光電陰極與MCP 之間相互面對(duì)，因此透過(guò)MCP 的光不可避免地會(huì)直接照射在光電陰極上。對(duì)于靜電聚焦的像增強(qiáng)器，由于聚焦電極可以隔光，因此透過(guò)MCP 的光大部分均不能直接照射在光電陰極上，在某種程度上可以提高M(jìn)CP 的最高增益。

靜電聚焦的像增強(qiáng)器結(jié)構(gòu)如圖8。它與雙近貼聚焦結(jié)構(gòu)的區(qū)別是在光電陰極與MCP 之間存在一個(gè)錐電極（Cone）。該錐電極為漏斗狀，在其頂端有一個(gè)小孔。錐電極頂端的小孔，對(duì)于電子透鏡而言，其焦點(diǎn)就在小孔的附近，也相當(dāng)于一個(gè)電子光欄。對(duì)于來(lái)自熒光屏的反向光而言，該小孔相當(dāng)于一個(gè)光欄，可以阻斷大部分來(lái)自熒光屏的反向光，從而可以大大提高M(jìn)CP 的最高增益。雙近貼聚焦結(jié)構(gòu)像增強(qiáng)器光電陰極采用轉(zhuǎn)移陰極的技術(shù)制作，而目前靜電聚焦結(jié)構(gòu)像增強(qiáng)器的光電陰極卻采用原位的技術(shù)制作。隨著技術(shù)的發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的Φ25 mm 有效輸入直徑、靜電聚焦結(jié)構(gòu)、光纖面板輸入窗的二代像增強(qiáng)器（型號(hào)：XX1470），其陰極靈敏度較過(guò)去有了較大提高，陰極靈敏度大于500 μA·lm-1的像增強(qiáng)器的比例達(dá)到30%以上，并且性能參數(shù)全面合格的像增強(qiáng)器的最高陰極靈敏度達(dá)到了672 μA·lm-1。如在此基礎(chǔ)上，借鑒現(xiàn)有的有關(guān)多堿陰極的理論研究成果［15］，進(jìn)一步優(yōu)化制作工藝，其陰極靈敏度還有進(jìn)一步提高的可能。只要靜電聚焦結(jié)構(gòu)像增強(qiáng)器的陰極靈敏度、分辨力、信噪比等有提升，再加上其更高亮度增益的優(yōu)點(diǎn)，在某些應(yīng)用環(huán)境中，可以替代超二代像增強(qiáng)器。

圖8 靜電聚焦像增強(qiáng)器Fig.8 Electro-statically focused image intensifier

另外，在提高M(jìn)CP 最高增益的同時(shí)，像增強(qiáng)器的其他參數(shù)，如分辨力、EBI 以及信噪比仍須滿足要求，否則像增強(qiáng)器亮度增益的提高將失去意義。為了從實(shí)驗(yàn)上了解MCP 板壓變化對(duì)像增強(qiáng)器其他性能的影響，在不同板壓下測(cè)量了244#、119#和176#樣品的分辨力、EBI 以及信噪比。分辨力、EBI 以及信噪比的測(cè)量采用傳統(tǒng)的測(cè)量方法［23-24］。測(cè)量結(jié)果表明，在低于MCP 最高板壓時(shí)，隨著MCP 板壓的增加，三支像增強(qiáng)器的分辨力均保持不變，如圖9。像增強(qiáng)器的分辨力不隨MCP 板壓的變化而變化，這是因?yàn)榉直媪χ饕上裨鰪?qiáng)器的近貼聚焦距離、MCP 的孔徑所決定的，而MCP 的板壓變化并不會(huì)改變像增強(qiáng)器的近貼聚焦距離以及MCP 孔徑，因此像增強(qiáng)器的分辨力不隨MCP 的板壓變化而變化。

圖9 分辨力與MCP 板壓的關(guān)系Fig.9 Resolution on different operation voltages of MCP

像增強(qiáng)器EBI 隨MCP 板壓變化的測(cè)量結(jié)果如圖10。理論上講，一方面，像增強(qiáng)器的EBI 主要由光電陰極的暗發(fā)射所決定，而MCP 的板壓不會(huì)改變光電陰極的暗發(fā)射，因此MCP 的板壓不會(huì)改變像增強(qiáng)器的EBI，所以EBI 不會(huì)隨MCP 板壓的變化而變化。另一方面，隨著MCP 板壓的增加，暗背景亮度也隨之增加，會(huì)出現(xiàn)信號(hào)感生背景，所以EBI 會(huì)隨著MCP 板壓的增加而增加。但測(cè)試結(jié)果表明，在小于MCP 最高增益的條件下，EBI 并未隨MCP 板壓的增加而有較明顯和單調(diào)的增加，僅僅是出現(xiàn)了小幅的波動(dòng)。超二代像增強(qiáng)器的EBI 測(cè)量長(zhǎng)期存在的一個(gè)問(wèn)題是，對(duì)同一支像增強(qiáng)器，在相同測(cè)試條件下，不同時(shí)刻所測(cè)量得到的數(shù)值會(huì)有一定的波動(dòng)?？紤]到這一因數(shù)，可以認(rèn)為隨著MCP 板壓的增加，EBI 的波動(dòng)也跟不同時(shí)刻測(cè)量時(shí)出現(xiàn)的波動(dòng)問(wèn)題屬于同一類。

圖10 EBI 與MCP 板壓的關(guān)系Fig.10 EBI on different operation voltages of MCP

盡管像增強(qiáng)器的分辨力和EBI 不隨MCP 的板壓變化而變化，但信噪比卻隨著板壓的變化而變化，如圖11。圖11 為244#樣品信噪比隨MCP 板壓變化的曲線。從圖11 中可以看出，在MCP 板壓從700 V 開(kāi)始增加時(shí)，MCP 的增益隨板壓增加而單調(diào)增加，但像增強(qiáng)器的信噪比卻并非隨板壓的增加而單調(diào)增加。像增強(qiáng)器的信噪比起初隨MCP 板壓的增加而增加，并且在860 V 達(dá)到最高值。但當(dāng)在像增強(qiáng)器的信噪比達(dá)到最高值以后，又隨著MCP 板壓的增加而降低。由此可以看出，當(dāng)通過(guò)提高M(jìn)CP 板壓來(lái)提高M(jìn)CP 增益，當(dāng)MCP板壓超過(guò)最高信噪比電壓以后，需要以犧牲信噪比為代價(jià)。信噪比降低以后，隨著帶來(lái)的問(wèn)題是圖像的閃爍噪聲增大。例如對(duì)于靜電聚焦的二代像增強(qiáng)器（增益的典型值為16 000 cd·m-2·lx-1），由于其增益高于近貼聚焦的像增強(qiáng)器（增益的典型值為10 000 cd·m-2·lx-1），因此其觀察距離較近貼聚焦的像增強(qiáng)器更遠(yuǎn)，但其閃爍噪聲更大，對(duì)人眼的刺激也更大，更加容易疲勞。正因?yàn)槭芟抻谔岣進(jìn)CP 板壓，像增強(qiáng)器信噪比會(huì)降低的問(wèn)題，目前超二代像增強(qiáng)器的亮度增益遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其所能達(dá)到的最高增益。所以提高像增強(qiáng)器的亮度增益，不能僅僅依靠采取提高M(jìn)CP 板壓的辦法，而是需要提高M(jìn)CP 的固有增益，即800 V 板壓下的MCP 增益。只有MCP 的固有增益提高了，相同MCP 增益下的板壓才能降低，對(duì)像增強(qiáng)器信噪比的影響也才能降低。

圖11 信噪比與MCP 板壓的關(guān)系Fig.11 SNR on different operation voltages of MCP

隨著原子層沉積技術(shù)MCP 的出現(xiàn)［25-26］，MCP 的固有增益有了較大的提高，降低了MCP 的板壓，有望解決提高M(jìn)CP 板壓會(huì)降低像增強(qiáng)器信噪比的問(wèn)題。例如對(duì)于采用傳統(tǒng)燒氫技術(shù)MCP 超二代像增強(qiáng)器，當(dāng)平均陰極靈敏度為850 μA·lm-1，平均屏效為16 lm·W-1，平均亮度增益為14 000 cd·m-2·lx-1時(shí)，其平均信噪比為26.7。但對(duì)于采用ALD 技術(shù)MCP 超二代像增強(qiáng)器，當(dāng)平均陰極靈敏度為850 μA·lm-1，平均屏效為16 lm·W-1，平均亮度增益為14 000 cd·m-2·lx-1時(shí)，其平均信噪比卻為28.3。采用ALD 技術(shù)的MCP 可以獲得更高的信噪比，原因是ALD 技術(shù)的MCP 具有更高的增益，因此在相同的14 000 cd·m-2·lx-1亮度增益條件下，MCP 的板壓更低，可以獲得更高的信噪比。目前ALD 技術(shù)的MCP 的缺點(diǎn)是，盡管可以獲得更高的增益，通常情況下，增益可以達(dá)2 000 以上，較傳統(tǒng)燒氫技術(shù)MCP 的增益高一個(gè)數(shù)量級(jí)，但其增益和板阻的離散性較大，成本較高，因此目前ALD 技術(shù)的MCP 還不具備大批量應(yīng)用的條件。

4 結(jié)論

超二代像增強(qiáng)器的陰極靈敏度、MCP 固有增益、屏效以及屏壓均會(huì)影響超二代像增強(qiáng)器的最高亮度增益。在陰極靈敏度、屏效和屏壓一定的條件下，提高M(jìn)CP 的增益可以提高超二代像增強(qiáng)器的最高亮度增益。但MCP 存在一個(gè)的最高增益，超過(guò)MCP 的最高增益，超二代像增強(qiáng)器的亮度增益的將失去意義。在陰極靈敏度、MCP 固有增益、屏效和屏壓一定的條件下，影響MCP 最高增益的主要原因是熒光屏對(duì)反向光的透過(guò)率。

通過(guò)提高M(jìn)CP 板壓來(lái)提高超二代像增強(qiáng)器增益的方法對(duì)分辨力、EBI 均不會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)面影響，但對(duì)信噪比會(huì)產(chǎn)生負(fù)面的影響。因此如果考慮到超二代像增強(qiáng)器的信噪比，那么超二代像增強(qiáng)器的最高增益需要在信噪比達(dá)到要求的條件下考慮，因此信噪比又是在MCP 最高增益因數(shù)下限制像增強(qiáng)器亮度增益提高的又一個(gè)因數(shù)。

要降低熒光屏鋁膜的透過(guò)率，可以采用在現(xiàn)有熒光屏鋁膜的表面再制作一層黑化層的方法，如黑鋁、黑鎳等。但采取這些技術(shù)以后，會(huì)阻擋來(lái)自MCP 輸出端的一部分輸出電子，降低熒光屏的屏效，因此需要分析兩者之間的利弊，進(jìn)行折中。

像增強(qiáng)器技術(shù)在光電陰極靈敏度、分辨力以及信噪比方面，潛力不斷地被挖掘，但在熒光屏方面，挖掘還不充分，因此有必要進(jìn)一步對(duì)熒光屏的發(fā)光材料、制作技術(shù)等進(jìn)行研究。