四講_微光像增強(qiáng)器

1、第四章第四章 微光像增強(qiáng)器微光像增強(qiáng)器 微光像增強(qiáng)器應(yīng)用舉例微光像增強(qiáng)器應(yīng)用舉例 1 微光夜視技術(shù)和像增強(qiáng)器的發(fā)展微光夜視技術(shù)和像增強(qiáng)器的發(fā)展 2 多堿陰極和多堿陰極和GaAs光電陰極的制備光電陰極的制備 3 微通道板與離子阻擋膜微通道板與離子阻擋膜 4 熒光屏熒光屏 5 像增強(qiáng)器的性能參數(shù)及測試原理像增強(qiáng)器的性能參數(shù)及測試原理 6 目前研究的內(nèi)容目前研究的內(nèi)容 1 微光夜視技術(shù)和像增強(qiáng)器的發(fā)展微光夜視技術(shù)和像增強(qiáng)器的發(fā)展 夜視技術(shù)是研究在夜間低照度條件下，用 開拓觀察者視力的方法以實(shí)現(xiàn)夜間隱蔽觀 察的一種技術(shù)。它采用光電子成像的方法 來緩和或克服人眼在低照度下以及有限光 譜響應(yīng)下的限制，以開

2、拓人眼的視覺。 夜視技術(shù)始于二十世紀(jì)三十年代。1934年 第一個(gè)紅外變像管在德國問世，開創(chuàng)了夜 視技術(shù)的新紀(jì)元 。 微光像增強(qiáng)器是一種光電器件，是微光夜 視技術(shù)的核心器件，它是微光夜視器材的 性能和價(jià)格的決定性因素。 微弱的 光學(xué)圖像 自然 景物 微弱的 電子圖像 增強(qiáng)的 電子圖像 增強(qiáng)的 光學(xué)圖像 物鏡光陰極 微通道板熒光屏 目鏡 像增強(qiáng)器 像增強(qiáng)器和夜視系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理 2 微光夜視技術(shù)和像增強(qiáng)器的發(fā)展微光夜視技術(shù)和像增強(qiáng)器的發(fā)展 微光夜視的發(fā)展始于1936年，它是 研究微弱圖像信號(hào)的增強(qiáng)、轉(zhuǎn)換、傳輸、 存儲(chǔ)、處理的一項(xiàng)專門技術(shù)。它分為直視 系統(tǒng)和間視系統(tǒng)兩種，直視系統(tǒng)稱為微光 夜視儀

3、，它是利用目標(biāo)反射的星光、月光 和大氣輝光通過像增強(qiáng)器增強(qiáng)達(dá)到人眼能 進(jìn)行觀察的一種夜視儀器。 a 第一代微光夜視 1962年美國制成第一代微光夜視儀， 以纖維光學(xué)面板作為輸入、輸出窗三級(jí)級(jí) 聯(lián)耦合的像增強(qiáng)器為核心器件。 l一代像增強(qiáng)器 結(jié)構(gòu)示意圖 b. 第二代微光夜視 1970年研制成第二代微光夜視儀，以利用 微通道板的像增強(qiáng)器為核心器件 l二代、超二代和三代像增強(qiáng)器 結(jié)構(gòu)示意圖 光陰極光陰極 光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換 微道板微道板 電子倍增電子倍增 熒光屏熒光屏 電光轉(zhuǎn)換電光轉(zhuǎn)換 微光夜視技術(shù)特點(diǎn)和作用微光夜視技術(shù)特點(diǎn)和作用 - - 微光核心器件工作原理微光核心器件工作原理 （m)n 倍增次數(shù)倍增

4、次數(shù) 二次電子二次電子 倍增系數(shù)倍增系數(shù) 微光夜視技術(shù)特點(diǎn)和作用微光夜視技術(shù)特點(diǎn)和作用 微光核心器件工作原理微光核心器件工作原理 l工作時(shí)加三個(gè)電壓，光電陰極通道板輸入端 l通道板兩端，通道板輸出端熒光屏 c. 第三代微光夜視 1979年美國ITT公司研制出第三代微光夜 視儀，是在二代薄片管的基礎(chǔ)上，將多堿光 電陰極置換為GaAs負(fù)電子親和勢光電陰極。 微光像增強(qiáng)器系列微光像增強(qiáng)器系列 d. 超二代微光夜視 1989年，Jacques Dupuy等人研制成了超二 代像增強(qiáng)器。超二代管是在二代管的基礎(chǔ)上， 通過提高光陰極的靈敏度（靈敏度由300- 400A/lm提高到600A/lm以上），減小微

5、通 道板噪聲因數(shù)，提高輸出信噪比（改進(jìn)微通 道板的性能）和改善整管的MTF，使鑒別率 和輸出信噪比提高到接近三代管的水平。 微光像增強(qiáng)器系列微光像增強(qiáng)器系列 E 第四代微光夜視 1998年美國Litton公司和ITT公司研制出無 離子阻擋膜或薄離子阻擋膜微通道板，具有 自動(dòng)門控電源的新一代像增強(qiáng)器，以它為核 心部件的夜間觀瞄器材稱為第四代微光夜視 儀。 微光夜視技術(shù)特點(diǎn)及作用微光夜視技術(shù)特點(diǎn)及作用 微光夜視技術(shù)核心器件微光夜視技術(shù)核心器件 1 Thin ion-barrier film/高性能，薄的離子阻擋膜 2 Low noise figure MCP/低噪聲因子微通道板 3 Gated p

6、ower supply /門控電源 典型應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 世界各國的發(fā)展概況 需求牽引，微光夜視發(fā)展規(guī)劃、計(jì)劃需求牽引，微光夜視發(fā)展規(guī)劃、計(jì)劃 （例例Omnibus三代微光計(jì)劃）三代微光計(jì)劃） 美國國防部美國國防部 美陸軍實(shí)驗(yàn)室美陸軍實(shí)驗(yàn)室斯坦福、亞里桑拉、佛吉尼亞等大學(xué)斯坦福、亞里桑拉、佛吉尼亞等大學(xué) ITT公司公司/EO Intervac 公司公司Litton 公司 公司EO 國家級(jí)實(shí)驗(yàn)室：微光新原理、新技術(shù)前瞻性、基礎(chǔ)性和演示驗(yàn)證國家級(jí)實(shí)驗(yàn)室：微光新原理、新技術(shù)前瞻性、基礎(chǔ)性和演示驗(yàn)證 微光器件和整機(jī)承包商，通過投標(biāo)競標(biāo)承攬合同，提供裝備微光器件和整機(jī)承包商，通過投標(biāo)競標(biāo)承攬合同，提供裝備

7、俄羅斯 歐洲 v法國：PHOTONICS(超二代） v荷蘭：DELFT v以色列 中國 v如如: 像管能在像管能在暗環(huán)境暗環(huán)境中，把人眼不能中，把人眼不能觀察觀察到的物體到的物體 轉(zhuǎn)換成可見光圖像，轉(zhuǎn)換成可見光圖像， v如如: 攝像管能把各種圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，記錄攝像管能把各種圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，記錄 、貯存?zhèn)鬏斀o、貯存?zhèn)鬏斀o很遠(yuǎn)的距離觀察，能隨時(shí)供人們觀賞很遠(yuǎn)的距離觀察，能隨時(shí)供人們觀賞 。 v光電成像器件極大地?cái)U(kuò)大了人的視野，擴(kuò)展了人眼光電成像器件極大地?cái)U(kuò)大了人的視野，擴(kuò)展了人眼 的視力范圍，豐富了人們的生活。光電成像器件在的視力范圍，豐富了人們的生活。光電成像器件在 光電技術(shù)中占有

8、非常重要的地位。光電技術(shù)中占有非常重要的地位。 4.1 像管的基本原理和結(jié)構(gòu)像管的基本原理和結(jié)構(gòu) 像管結(jié)構(gòu)示意圖像管結(jié)構(gòu)示意圖 1物鏡；2光電陰極；3電子透鏡；4熒光屏；5目鏡 結(jié)構(gòu)有三部分組成：光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、熒光屏 v像管本身應(yīng)能起到像管本身應(yīng)能起到光譜變換、增強(qiáng)亮度和成像作用。光譜變換、增強(qiáng)亮度和成像作用。 v1. 光譜變換之一光譜變換之一: 光電陰極完成光電陰極完成 光光-電子圖象電子圖象; v2. 電子成像電子成像:電子光學(xué)系統(tǒng)類似于光學(xué)透鏡，能使電子成像電子光學(xué)系統(tǒng)類似于光學(xué)透鏡，能使電子成像 ，將光電陰極發(fā)出的電子圖像呈現(xiàn)在熒光屏上，將光電陰極發(fā)出的電子圖像呈現(xiàn)在熒光屏上

9、; v3. 增強(qiáng)亮度增強(qiáng)亮度: 由于電子光學(xué)系統(tǒng)上加有高電壓，能使電子加由于電子光學(xué)系統(tǒng)上加有高電壓，能使電子加 速，電子能獲得能量，以高速轟擊熒光屏，使之發(fā)射出比入速，電子能獲得能量，以高速轟擊熒光屏，使之發(fā)射出比入 射光強(qiáng)得多的光能量。射光強(qiáng)得多的光能量。 v光譜變換之二光譜變換之二:熒光屏熒光屏 完成完成 電子電子-光光. v這樣像管就完成了光譜變換、成像和增強(qiáng)亮度的功能。這樣像管就完成了光譜變換、成像和增強(qiáng)亮度的功能。 1物鏡；2光電陰 極；3電子透鏡； 4熒光屏；5目鏡 4.1.1 光電陰極 光電陰極光譜響應(yīng)曲線 4.1.2 電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng) v像管中電子光學(xué)系統(tǒng)的任務(wù)有兩個(gè)

10、：加速光電子；使像管中電子光學(xué)系統(tǒng)的任務(wù)有兩個(gè)：加速光電子；使 光電子成像在像面上。光電子成像在像面上。 v它具有與光學(xué)透鏡相似的性質(zhì)，能運(yùn)用幾何光學(xué)中類它具有與光學(xué)透鏡相似的性質(zhì)，能運(yùn)用幾何光學(xué)中類 似的方法進(jìn)行物象處理。因此把能使電子流聚焦成像似的方法進(jìn)行物象處理。因此把能使電子流聚焦成像 的電子光學(xué)系統(tǒng)稱為的電子光學(xué)系統(tǒng)稱為電子透鏡電子透鏡。 v電子透鏡電子透鏡分為分為靜電透鏡靜電透鏡和和磁透鏡磁透鏡兩類。兩類。 v靜電透鏡靜電透鏡按是否聚焦可分為按是否聚焦可分為:聚焦型和非聚焦型聚焦型和非聚焦型。靜。靜 電電子光學(xué)系統(tǒng)，靠靜電場來使光電子加速，聚焦成電電子光學(xué)系統(tǒng)，靠靜電場來使光電子加

11、速，聚焦成 像。像。 v磁透鏡磁透鏡即電磁復(fù)合系統(tǒng)，靠靜電場的加速和磁場來完即電磁復(fù)合系統(tǒng)，靠靜電場的加速和磁場來完 成聚焦成像。成聚焦成像。 1非聚焦型電子光學(xué)系統(tǒng) 即近貼型 C陰極 ,A陽極； 電子落點(diǎn)高度的計(jì)算電子落點(diǎn)高度的計(jì)算 v設(shè)從物點(diǎn)設(shè)從物點(diǎn)O發(fā)出的任意電子，其初發(fā)射發(fā)出的任意電子，其初發(fā)射 角為角為 ， 分別表示電子初能分別表示電子初能 及其在及其在r和和z方面上的能量的分量方面上的能量的分量(eV)。 v則該電子的軌跡就是拋物線：則該電子的軌跡就是拋物線： v v在該電子到達(dá)陽極時(shí)，其落點(diǎn)的徑向高在該電子到達(dá)陽極時(shí)，其落點(diǎn)的徑向高 度為：度為： v v 在近貼聚焦像管中一般在近

12、貼聚焦像管中一般U ,則得則得 v v因?yàn)橐驗(yàn)?zz r zV u l zr )( 2 )( zz r u u l r 2 u r lr 2 2 0 sin r sin2 0 u lr z 所以 zr , 0 全色電子束的最大彌散圓半全色電子束的最大彌散圓半 徑的計(jì)算徑的計(jì)算 v考慮到電子的初角度分布，可考慮到電子的初角度分布，可 得單能電子束的最大得單能電子束的最大彌散圓斑彌散圓斑 的半徑的半徑 v v因?yàn)楣怆娮硬粌H有角度分布，因?yàn)楣怆娮硬粌H有角度分布， 還有初能量分布，若最大初電還有初能量分布，若最大初電 能為能為 ,則得全色電子束的最則得全色電子束的最 大彌散圓半徑為大彌散圓半徑為 v從

13、此式可以看出，陰極與陽極從此式可以看出，陰極與陽極 之間的電位差之間的電位差U越大，彌散圓越大，彌散圓 斑越小，最大初電位及極間距斑越小，最大初電位及極間距 離離l越小，彌散圓斑也越小。越小，彌散圓斑也越小。 u lR m 2 m sin2 0 u lr u lR m 2 通常，極間距離l總是很小，如小于1mm，而U卻很大， 如3-7KV，極間距離越小，電位差越高，圖像越清晰，近貼 型在像管中仍得到廣泛應(yīng)用。 2靜電聚焦 電子光學(xué)系統(tǒng) (1) 等徑雙圓筒結(jié)構(gòu) 等徑雙圓筒透鏡 成像原理: 靜電聚焦電子光學(xué)系統(tǒng)，即 靜電透鏡，通常由軸對(duì)稱靜 電場所形成，在幾個(gè)具有軸 對(duì)稱幾何形狀的金屬導(dǎo)體電 極上

14、加以不同的電位，就可 以形成軸對(duì)稱電場。 會(huì)聚大于發(fā)散會(huì)聚大于發(fā)散:形成凸透鏡形成凸透鏡 v由于會(huì)聚部分處在軸向速度相對(duì)較慢的低電位空由于會(huì)聚部分處在軸向速度相對(duì)較慢的低電位空 間，電子受到徑向電場會(huì)聚作用時(shí)間較長，因而間，電子受到徑向電場會(huì)聚作用時(shí)間較長，因而 會(huì)聚作用較強(qiáng)。而在發(fā)散空間的電子軸向速度較會(huì)聚作用較強(qiáng)。而在發(fā)散空間的電子軸向速度較 大，發(fā)散作用弱，故總的透鏡作用仍然是會(huì)聚的大，發(fā)散作用弱，故總的透鏡作用仍然是會(huì)聚的 。 v經(jīng)過透鏡區(qū)，到達(dá)等位區(qū)，以直線運(yùn)動(dòng)打在熒光經(jīng)過透鏡區(qū)，到達(dá)等位區(qū)，以直線運(yùn)動(dòng)打在熒光 屏上，由于電子透鏡成像作用，使陰極面上的物屏上，由于電子透鏡成像作用，使

15、陰極面上的物 在屏上成一倒像。在電位變化空間，透鏡相當(dāng)于在屏上成一倒像。在電位變化空間，透鏡相當(dāng)于 一個(gè)凸透鏡。一個(gè)凸透鏡。 （2）不等徑的雙圓筒 由于有孔蘭，可有效地控制系統(tǒng)的發(fā)散作用，阻止電子射 到屏上，也可以減小熒光屏發(fā)光對(duì)陰極的光反饋，從而降 低背景干擾和噪聲。在平面陰極象管中，幾何象差比較嚴(yán) 重，邊緣象質(zhì)較差。 （3）雙球面系統(tǒng) v特點(diǎn)：特點(diǎn)： v電場分布，尤其是陰極附近電場的分布，球面性很好，因電場分布，尤其是陰極附近電場的分布，球面性很好，因 此，每一條主軌跡都是軸對(duì)稱，其鄰近軌跡是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的此，每一條主軌跡都是軸對(duì)稱，其鄰近軌跡是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的 ，因而像散較小。所謂像散，指電子透鏡

16、隨射線方向不同，因而像散較小。所謂像散，指電子透鏡隨射線方向不同 而產(chǎn)生的像差。而產(chǎn)生的像差。 v采用曲面熒光屏后，場曲的影響大為減小，因而像質(zhì)在整采用曲面熒光屏后，場曲的影響大為減小，因而像質(zhì)在整 個(gè)像面上比較均勻。所謂場曲：由于軸外場折射率與近軸個(gè)像面上比較均勻。所謂場曲：由于軸外場折射率與近軸 場折射率不同而引起的像差。場折射率不同而引起的像差。 v采用曲面屏，也使畸變大大下降，但有可能出現(xiàn)桶形畸變采用曲面屏，也使畸變大大下降，但有可能出現(xiàn)桶形畸變 ，但是考慮到圖像亮度的均勻性，寧肯采用較大的屏面曲，但是考慮到圖像亮度的均勻性，寧肯采用較大的屏面曲 率半徑，保留較小的枕形畸變。率半徑，保

17、留較小的枕形畸變。 v陰極面上的電場強(qiáng)度，從軸上到軸外基本上保持不變，且陰極面上的電場強(qiáng)度，從軸上到軸外基本上保持不變，且 略有提高，這樣使得色差的影響在像面上比較均勻。略有提高，這樣使得色差的影響在像面上比較均勻。 3復(fù)合聚焦電子光學(xué)系統(tǒng) 利用靜電場和靜磁場形成的復(fù)合磁場使電子聚焦 電子在復(fù)合場中的運(yùn)動(dòng) 電磁復(fù)合電子光學(xué)系統(tǒng)原理電磁復(fù)合電子光學(xué)系統(tǒng)原理 v電子在與磁場相垂直的平面上作園周運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)電子在與磁場相垂直的平面上作園周運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn) 周期為周期為T=2m/Be，而與徑向速度無關(guān)。而與徑向速度無關(guān)。 v電子將在管軸方向作加速運(yùn)動(dòng)。在與磁力線垂直電子將在管軸方向作加速運(yùn)動(dòng)。在與磁力線垂直

18、的平面上，電子仍做周期旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以綜合運(yùn)的平面上，電子仍做周期旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以綜合運(yùn) 動(dòng)，電子在空間的運(yùn)動(dòng)軌跡為一變節(jié)距螺旋線。動(dòng)，電子在空間的運(yùn)動(dòng)軌跡為一變節(jié)距螺旋線。 磁聚焦的優(yōu)缺點(diǎn)：磁聚焦的優(yōu)缺點(diǎn)： v磁聚焦的優(yōu)點(diǎn)：聚焦作用強(qiáng)，并且容易調(diào)節(jié)聚焦能磁聚焦的優(yōu)點(diǎn)：聚焦作用強(qiáng)，并且容易調(diào)節(jié)聚焦能 力，只需調(diào)節(jié)線圈電流即可；力，只需調(diào)節(jié)線圈電流即可； v軸上點(diǎn)和軸外點(diǎn)有相同的成像質(zhì)量，因而容易保證軸上點(diǎn)和軸外點(diǎn)有相同的成像質(zhì)量，因而容易保證 邊緣像質(zhì)；像差較小，鑒別率較高。邊緣像質(zhì)；像差較小，鑒別率較高。 v磁聚焦的缺點(diǎn)磁聚焦的缺點(diǎn):由于產(chǎn)生磁場的需要，要附設(shè)直流激由于產(chǎn)生磁場的需要，要附設(shè)直流

19、激 磁和螺旋管等，使得設(shè)備尺寸、重量增大、結(jié)構(gòu)復(fù)磁和螺旋管等，使得設(shè)備尺寸、重量增大、結(jié)構(gòu)復(fù) 雜。常用在真空攝像管以及電子顯微鏡等設(shè)備上。雜。常用在真空攝像管以及電子顯微鏡等設(shè)備上。 4.1.3 熒光屏 熒光屏將電子動(dòng)能轉(zhuǎn)換成光能。高能量電子打在熒光屏上，熒光 屏發(fā)光。 v像管對(duì)熒光屏的主要要求是： v熒光屏應(yīng)該具有高的轉(zhuǎn)換效率； v能產(chǎn)生足夠的光亮度； v發(fā)射光譜要同眼睛，或與之相耦合的下一級(jí)光電陰極的光譜 響應(yīng)相一致； v合適的余輝時(shí)間； v當(dāng)然還必須具有良好的機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性等 基本要求。 熒光屏發(fā)光材料主要特性有：光譜特性、發(fā)光效率。 發(fā)光效率發(fā)光效率的定義的定義 v所謂

20、所謂發(fā)光效率發(fā)光效率，指轟擊熒光屏的電子流能量引起的，指轟擊熒光屏的電子流能量引起的 熒光屏的發(fā)光強(qiáng)度，單位為熒光屏的發(fā)光強(qiáng)度，單位為lm/W。這個(gè)數(shù)值是表征。這個(gè)數(shù)值是表征 熒光粉發(fā)光的強(qiáng)度的一個(gè)重要參量，它與光譜特性熒光粉發(fā)光的強(qiáng)度的一個(gè)重要參量，它與光譜特性 對(duì)多級(jí)像管亮度增益作用很大。對(duì)多級(jí)像管亮度增益作用很大。 熒光屏光譜發(fā)射特性 v熒光粉材料有： vZnS:Ag（P11）, ZnS:Cu(P31), (Zn, Cd) S:Ag(P20)等等，幾 種典型的熒光屏光譜效率如圖. v像管中常用的熒光粉P20，發(fā)光顏色為黃綠光，峰值波長 0.56m，余輝時(shí)間0.05-2ms，粉的粒度控制在

21、3.5m，以保 證屏的分辨率。 v熒光粉材料的電阻率很高，通常在熒光粉材料的電阻率很高，通常在10101014cm ，介于絕緣體和半導(dǎo)體之間，介于絕緣體和半導(dǎo)體之間. v當(dāng)它受到光電子轟擊時(shí)，會(huì)積累負(fù)電荷，電壓下降當(dāng)它受到光電子轟擊時(shí)，會(huì)積累負(fù)電荷，電壓下降 ，影響陽極及屏的電位。，影響陽極及屏的電位。 v為此，在屏上蒸鋁，能引走積累的負(fù)電荷；同時(shí)鋁為此，在屏上蒸鋁，能引走積累的負(fù)電荷；同時(shí)鋁 還有反射光作用，使光出射強(qiáng)度增加。還有反射光作用，使光出射強(qiáng)度增加。 v不過蒸鋁后，電子通過鋁膜后能量有損失。鋁膜越不過蒸鋁后，電子通過鋁膜后能量有損失。鋁膜越 厚，電子能量損失越大；電子能量越小，損失

22、能量厚，電子能量損失越大；電子能量越小，損失能量 越大。因此，在滿足引走電荷作用下，盡量減少膜越大。因此，在滿足引走電荷作用下，盡量減少膜 厚度，厚度， 4.1.4 光學(xué)纖維面板 簡稱為光纖板，它是由許多單根纖維組合而成的，其傳光原理 是利用材料界面的全反射。 cossin 1 2 10 n n 臨界入射角 2211 sinsinnn 2 2 2 1 2 1100 cos1sinsinnnnnn 2光學(xué)纖維面板及性能 對(duì)于像管中用的光纖板主要有以下性能要求: 數(shù)值孔徑要大如芯料n1=1.76，皮料n2=1.50，則 N.A=0.8476，從空氣中或真空入射，全反射臨界角是57.9， 而實(shí)測為5

23、3左右。 光透過率要高; 分辨率要高; 氣密性、化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械加工性能以及熱穩(wěn)定性要好。 2 2 2 10 sinnnAN 數(shù)值孔徑 v像管不僅是輻射探測器件，而且還是成像器件。像管不僅是輻射探測器件，而且還是成像器件。 v作為作為輻射探測器件輻射探測器件，它必須具有高的量子效率和信，它必須具有高的量子效率和信 息放大能力，以便給出足夠的亮度，其特性通常采息放大能力，以便給出足夠的亮度，其特性通常采 用光電陰極靈敏度和整管亮度增益來描述；用光電陰極靈敏度和整管亮度增益來描述； v作為作為成像器件成像器件，它必須具有小的圖像幾何失真，合，它必須具有小的圖像幾何失真，合 適的幾何放大率，盡可能小

24、的亮度擴(kuò)散能力，以提適的幾何放大率，盡可能小的亮度擴(kuò)散能力，以提 供足夠的視角和對(duì)比，對(duì)這些特性通常用畸變、放供足夠的視角和對(duì)比，對(duì)這些特性通常用畸變、放 大率、調(diào)制傳遞函數(shù)、分辨率、對(duì)比損失來描述。大率、調(diào)制傳遞函數(shù)、分辨率、對(duì)比損失來描述。 v作為兩者綜合性能則用觀察靈敏閾以及信噪比等參作為兩者綜合性能則用觀察靈敏閾以及信噪比等參 量來描述。量來描述。 4.2 像管主要特性分析像管主要特性分析 4.2.1 像管的光譜響應(yīng)特性像管的光譜響應(yīng)特性 v像管的光譜響應(yīng)特性實(shí)際上就是第一光電陰極的光像管的光譜響應(yīng)特性實(shí)際上就是第一光電陰極的光 譜響應(yīng)特性，研究像管的光譜響應(yīng)特性有兩大作用譜響應(yīng)特性，

25、研究像管的光譜響應(yīng)特性有兩大作用 ： v決定光電陰極光電流決定光電陰極光電流: 光電流影響著靈敏度，提高光電流影響著靈敏度，提高 光電流有利于減小背景噪聲，提高像管的亮度，提光電流有利于減小背景噪聲，提高像管的亮度，提 高探測率，提高像管可探測的最小輻射能力。高探測率，提高像管可探測的最小輻射能力。 v提供目標(biāo)與背景之間的光電子圖像的對(duì)比提供目標(biāo)與背景之間的光電子圖像的對(duì)比: 初始對(duì)初始對(duì) 比決定了輸出信噪比，是影響像管極限鑒別能力的比決定了輸出信噪比，是影響像管極限鑒別能力的 關(guān)鍵。關(guān)鍵。 4.2.2 像管的像管的增益特性增益特性 v足夠的亮度是觀察圖像的必要條件，要有足足夠的亮度是觀察圖像

26、的必要條件，要有足 夠的亮度，使輸出的亮度足夠亮，眼睛不會(huì)夠的亮度，使輸出的亮度足夠亮，眼睛不會(huì) 因亮度而影響探測能力。而輸出亮度的大小因亮度而影響探測能力。而輸出亮度的大小 ，在入射照度一定時(shí)，由亮度增益所決定。，在入射照度一定時(shí)，由亮度增益所決定。 1增益的定義 1) 亮度增益定義為：像管輸出亮度L與陰極入射照度Ev之比的 倍 v L E L G 2 ) 輻射亮度增益 e Le E L G 由于Ev=EeK KG E KL G L v Le v L E M G 對(duì)朗伯光源增益 式中M為光出射度lm/m2 3) 光通量增益 inou G / inou , 分別為輸出和輸入光通量。 又因?yàn)?2

27、 s L vc MA GG m EA m像管幾何放大率 As, Ac分別為熒光屏和陰極有效面積。 所以，光通量增益為亮度增益的m2倍 v對(duì)于二級(jí)像管，第一級(jí)出射的光通量就是第二級(jí)的對(duì)于二級(jí)像管，第一級(jí)出射的光通量就是第二級(jí)的 入射光通量，則第二級(jí)的輸出光通量。入射光通量，則第二級(jí)的輸出光通量。 22122222222 2 uRuIP 2 2 2 1 212121 1 2 1 221 2 mm uuRR AEE M G s L 2 2 2 1 2 1 1 2 2 1 2 mm A A A A A A m c s c s c s 4.2.4 像管的背景特性像管的背景特性 v像管的背景指它的背景亮度

28、，即指除信號(hào)以外的附加亮度，像管的背景指它的背景亮度，即指除信號(hào)以外的附加亮度， 根據(jù)背景的來源又分為暗背景亮度和信號(hào)感生背景亮度。根據(jù)背景的來源又分為暗背景亮度和信號(hào)感生背景亮度。 v1暗背景暗背景 v把象管置于完全黑暗的環(huán)境中，當(dāng)加上工作電壓后，熒光屏把象管置于完全黑暗的環(huán)境中，當(dāng)加上工作電壓后，熒光屏 上仍然會(huì)發(fā)出一定亮度的光，這種無照射時(shí)熒光屏的發(fā)光稱上仍然會(huì)發(fā)出一定亮度的光，這種無照射時(shí)熒光屏的發(fā)光稱 為象管的暗背景。為象管的暗背景。 v 主要來源主要來源: v 光電陰極的熱發(fā)射電流光電陰極的熱發(fā)射電流; v 局部場強(qiáng)產(chǎn)生的場致發(fā)射局部場強(qiáng)產(chǎn)生的場致發(fā)射; v 電極上的二次電子發(fā)射等

29、等電極上的二次電子發(fā)射等等. v 這些電子也在電場的加速下轟擊熒光屏使之發(fā)光。這些電子也在電場的加速下轟擊熒光屏使之發(fā)光。 v 暗背景影響暗背景影響: v由于暗背景的存在，在熒光屏上的目標(biāo)圖象上都疊加了一個(gè)由于暗背景的存在，在熒光屏上的目標(biāo)圖象上都疊加了一個(gè) 背景亮度，使圖像的對(duì)比下降，甚至在微弱照明下產(chǎn)生的圖背景亮度，使圖像的對(duì)比下降，甚至在微弱照明下產(chǎn)生的圖 像有可能淹沒在背景中而不能辨別。像有可能淹沒在背景中而不能辨別。 2信號(hào)感生背景Lsb 當(dāng)管子受到輻照時(shí)還要引起一種與入射信號(hào)無關(guān)的附加背 景亮度， 主要來源有：光反饋和離子反饋。 背景等效照度Eb定義為與暗背景亮度相當(dāng)?shù)?陰極入射照

30、度 L dB be G L E LdB暗背景亮度 GL亮度增益。 LdB一般為10-310-2(cd/m2)，通過增益可得Ebe，而通常變像管的Ebe為10- 3lx數(shù)量級(jí)，而微光管Ebe為10-7lx數(shù)量級(jí) v光反饋來源光反饋來源: v入射光有一部分要透過半透明陰極，這部分透過光入射光有一部分要透過半透明陰極，這部分透過光 在管內(nèi)電極和管壁的散射下又反饋到光電陰極上，在管內(nèi)電極和管壁的散射下又反饋到光電陰極上， v另外熒光屏的光也有一部分經(jīng)過陽極孔或管壁和電另外熒光屏的光也有一部分經(jīng)過陽極孔或管壁和電 極的散射反饋到光電陰極上。極的散射反饋到光電陰極上。 v所有這些反饋都將引起光電陰極產(chǎn)生不

31、希望有的電所有這些反饋都將引起光電陰極產(chǎn)生不希望有的電 子發(fā)射，并在熒光屏上激發(fā)一個(gè)附加的背景亮度，子發(fā)射，并在熒光屏上激發(fā)一個(gè)附加的背景亮度， 這就是這就是光反饋光反饋。 v減少光反饋的辦法：減少光反饋的辦法： v在像管中，黑化電極、熒光屏上蒸鋁以及合理地減在像管中，黑化電極、熒光屏上蒸鋁以及合理地減 小陽極孔徑尺寸，都是小陽極孔徑尺寸，都是減少光反饋減少光反饋的措施。的措施。 4.2.5 像管的傳像特性 指像管傳遞圖象時(shí)，對(duì)圖像幾何形狀和亮度分布的影響 放大率：像管出射端圖象的線性尺寸l 與入射端圖像相應(yīng)的線 性尺寸l之比 l l M 變像管和像增強(qiáng)器是一種寬束電子光學(xué)系統(tǒng)的電真空器件，它

32、 的邊緣由于透鏡對(duì)不同的離軸距離的物點(diǎn)單向放大率不同，而 產(chǎn)生圖象畸變. 成像器件的畸變圖形 （a）沒有畸變的原始圖形 (b) 枕形畸變圖形 (c) 桶形畸變圖 如果離軸愈遠(yuǎn)的物點(diǎn)單向放大率比近軸放大率大，則產(chǎn)生“枕形”畸變， 如果離軸愈遠(yuǎn)的物點(diǎn)單向放大率比近軸放大率小，則產(chǎn)生“桶形”畸變. 4.2.6 像管的時(shí)間響應(yīng)特性 像管的時(shí)間響應(yīng)特性主要由熒光屏所決定， 因?yàn)楣怆婈帢O的發(fā)射過程很短，約為10-12s量級(jí); 光電子在管中的渡越時(shí)間也很短，約為10-10s 量級(jí); 熒光屏的惰性時(shí)間由熒光粉的類型和激發(fā)電 子流密度所決定，通常為ms級(jí)。對(duì)于特殊需要 的像管，應(yīng)選擇短余輝的粉型。 4.2.7

33、空間分辨特性 定義:周期量在單位空間（單位長度、面積、體積）上 變化的周期數(shù) b f 2 1 (1) 單位長度上的周期數(shù)，記為f， lp線對(duì)，每一線 對(duì)包含一條亮線和一條暗線，單位為每毫米線對(duì) lp/mm。 (2) 以整個(gè)目標(biāo)上的周期數(shù)表示，記為ft，這樣ft=f h= h目標(biāo)總寬度 2 h b 1. 空間頻率 2 . 空間分辨率 定義為：成像系統(tǒng)能夠?qū)蓚€(gè)相隔極近的目標(biāo)的像剛好能分 辨清的能力，它反映了系統(tǒng)的成像和傳像能力，單位是“線 對(duì)/毫米”， 例如說某像管的分辨率是30lp/mm，就是指空間頻率數(shù)小于 或等于30lp/mm，對(duì)比度為100%的測試圖案經(jīng)過像管后能看 清，而大于30lp/

34、mm的測試圖案則模糊不清，就是再放大幾 倍也分辨不出條紋。 v測試分辨率比較測試分辨率比較 常用圖案是柵格常用圖案是柵格 狀的標(biāo)準(zhǔn)測試板狀的標(biāo)準(zhǔn)測試板 。 v 共有五塊？，共有五塊？， v每一塊由每一塊由25個(gè)單個(gè)單 元組成，元組成， v每一單元又由互每一單元又由互 成成45的四個(gè)方向的四個(gè)方向 的條紋組成，的條紋組成， v各單元的條紋寬各單元的條紋寬 度按一定的排列度按一定的排列 依次減小，依次減小， v空間頻率逐漸增空間頻率逐漸增 大。大。 所謂分辨出的線對(duì)數(shù)是指四個(gè)方向的條紋能同時(shí)分辨出， 如果不能同時(shí)看清，則認(rèn)為該單元是不可分辨的。 限制人眼分辨能力的因素有三個(gè)：限制人眼分辨能力的因素

35、有三個(gè)： 物體的物體的亮度亮度;視角視角;亮度對(duì)比度亮度對(duì)比度 v測試條件：測試條件： v為便于各器件間進(jìn)行比較，測試圖案的亮度對(duì)為便于各器件間進(jìn)行比較，測試圖案的亮度對(duì) 比取規(guī)定值，如，比取規(guī)定值，如， v測試板的照度足夠強(qiáng)，至少大于測試板的照度足夠強(qiáng)，至少大于10-3cd/cm2， 像管熒光屏的像應(yīng)調(diào)到適合于人眼的亮度；像管熒光屏的像應(yīng)調(diào)到適合于人眼的亮度； v取最大亮度對(duì)比取最大亮度對(duì)比C=1； v測試分辨率時(shí)，測試者用測試分辨率時(shí)，測試者用520倍的放大鏡觀察倍的放大鏡觀察 屏上的圖象。屏上的圖象。 分辨率的局限分辨率的局限 用分辨率評(píng)定器件的傳像特性，其優(yōu)點(diǎn)是方便、簡單用分辨率評(píng)定器

36、件的傳像特性，其優(yōu)點(diǎn)是方便、簡單 、直觀，、直觀， 但是也有但是也有缺點(diǎn)缺點(diǎn)，主要是：，主要是： （1）受主觀因素影響；）受主觀因素影響； （2）只給出極限結(jié)果，對(duì)其它頻率的情況一概不知）只給出極限結(jié)果，對(duì)其它頻率的情況一概不知 ； （3）受人眼視場的限制，與實(shí)際情況不盡相同，尤）受人眼視場的限制，與實(shí)際情況不盡相同，尤 其是對(duì)串聯(lián)系統(tǒng)中中間環(huán)節(jié)的評(píng)價(jià)更不合適。其是對(duì)串聯(lián)系統(tǒng)中中間環(huán)節(jié)的評(píng)價(jià)更不合適。 （4）極限分辨率模糊不清，難以確認(rèn)；）極限分辨率模糊不清，難以確認(rèn)； （5）不能排除偽分辨現(xiàn)象。）不能排除偽分辨現(xiàn)象。 v使用分辨率來表征像管的成像質(zhì)量時(shí)往往出現(xiàn)：兩使用分辨率來表征像管的成像質(zhì)

37、量時(shí)往往出現(xiàn)：兩 個(gè)像管所測的極限分辨率一樣，而其成像質(zhì)量卻有個(gè)像管所測的極限分辨率一樣，而其成像質(zhì)量卻有 很大差異。很大差異。 v分辨率這一參數(shù)并不能全面反映出影響成像質(zhì)量的分辨率這一參數(shù)并不能全面反映出影響成像質(zhì)量的 各種因素，這是由于以目測為手段和人眼的差異所各種因素，這是由于以目測為手段和人眼的差異所 致。雖然這種方法簡便，但并不是評(píng)定像管的理想致。雖然這種方法簡便，但并不是評(píng)定像管的理想 方法。方法。 v鑒于用分辨率評(píng)價(jià)器件成像質(zhì)量的種種缺點(diǎn)，需要鑒于用分辨率評(píng)價(jià)器件成像質(zhì)量的種種缺點(diǎn)，需要 尋求更客觀的科學(xué)評(píng)價(jià)方法，傳遞函數(shù)就是其中一尋求更客觀的科學(xué)評(píng)價(jià)方法，傳遞函數(shù)就是其中一 種

38、。種。 3光學(xué)傳遞函數(shù)的定義與表達(dá)式光學(xué)傳遞函數(shù)的定義與表達(dá)式 v點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)和線擴(kuò)散函數(shù)：點(diǎn)光源物面上坐標(biāo)為（點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)和線擴(kuò)散函數(shù)：點(diǎn)光源物面上坐標(biāo)為（x, y），）， 象面上光能分布函數(shù)象面上光能分布函數(shù)h(x, y)，由于系統(tǒng)的影響，像為擴(kuò)散，由于系統(tǒng)的影響，像為擴(kuò)散 彌散斑，即稱為彌散斑，即稱為點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)； v物面上一條線光源為物面上一條線光源為函數(shù)，在像面上的光能分布函數(shù)，在像面上的光能分布h( y)，基，基 本為高斯分布，即稱為本為高斯分布，即稱為線擴(kuò)展函數(shù)。線擴(kuò)展函數(shù)。 圖 點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（a）和線擴(kuò)散函數(shù) （b） 線性系統(tǒng)線性系統(tǒng) v(1) 線性，即系統(tǒng)滿足亮度疊加原理：

39、物面上光的強(qiáng)線性，即系統(tǒng)滿足亮度疊加原理：物面上光的強(qiáng) 度為度為I1(x)、I2(x)， 相應(yīng)像面上光的強(qiáng)度為相應(yīng)像面上光的強(qiáng)度為I1(x)、 I2(x) , 簡單表示為簡單表示為 ： v 物面物面I1(x)像面像面I1(x) 物面物面I2(x)像面像面I2(x) v滿足線性條件，應(yīng)有：滿足線性條件，應(yīng)有： v物面物面 I1(x)+I2(x) 像面像面 I1(x)+I2(x) v反映物象間的線性，如果器件處于亮度飽和狀態(tài)，則反映物象間的線性，如果器件處于亮度飽和狀態(tài)，則 不滿足這一關(guān)系，線性條件可理解為增益不變性。不滿足這一關(guān)系，線性條件可理解為增益不變性。 v光學(xué)系統(tǒng)的物和像具備下列幾個(gè)特點(diǎn)

40、，則稱為線性系統(tǒng)。 v（2）空間不變性空間不變性，即在所考慮的范圍內(nèi)，器件處，即在所考慮的范圍內(nèi)，器件處 處有相同的像擴(kuò)散能力，即無論物面上哪一點(diǎn)，它處有相同的像擴(kuò)散能力，即無論物面上哪一點(diǎn)，它 在像面上都產(chǎn)生同樣的彌散斑，各處有相同的統(tǒng)一在像面上都產(chǎn)生同樣的彌散斑，各處有相同的統(tǒng)一 的點(diǎn)及線擴(kuò)展函數(shù)，這就是的點(diǎn)及線擴(kuò)展函數(shù)，這就是“等暈等暈”條件。條件。 v v（3）幾何相似性幾何相似性 這一條件指物與像之間不發(fā)生幾這一條件指物與像之間不發(fā)生幾 何變形，為簡便計(jì)，設(shè)系統(tǒng)的幾何倍率為何變形，為簡便計(jì)，設(shè)系統(tǒng)的幾何倍率為1，即像，即像 的空間頻率等于物的空間頻率。的空間頻率等于物的空間頻率。 v

41、（4）亮度增益為亮度增益為1，如亮度增益不為，如亮度增益不為1，也得到同，也得到同 樣的結(jié)果，但推導(dǎo)比較麻煩。樣的結(jié)果，但推導(dǎo)比較麻煩。 線光強(qiáng)的物及其像的線擴(kuò)散函數(shù) v2 多堿陰極和多堿陰極和GaAs光電陰極的制備光電陰極的制備 v多堿陰極的制備多堿陰極的制備 v 1955年，Sommer首先發(fā)表了關(guān)于多堿陰極的報(bào) 道，這種陰極是由Na2KSb構(gòu)成基底層，然后對(duì) 它進(jìn)行表面處理，在其表面覆蓋銫以降低其表面 勢壘。多堿陰極具有很高的靈敏度，剛問世初期 就達(dá)到180A/lm以上，多堿陰極的光譜響應(yīng)也很 寬，它的長波閾值可延伸至900nm以外，它的熱 發(fā)射電流卻很小，約1016A/cm2，所以在微

42、光 夜視、光輻射探測、高速攝影等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng) 用，它最重要的應(yīng)用是在微光夜視方面。 v多堿陰極光電陰極薄膜多堿陰極光電陰極薄膜 v采用真空蒸鍍法采用真空蒸鍍法 Na，K，Sb，Cs 堿 源 真空系統(tǒng)、烘烤系統(tǒng) 陰極組件 v目前國外超二代像增強(qiáng)器中的陰極靈敏 度已超過800A/lm； v一代、二代及超二代像增強(qiáng)器被廣泛應(yīng) 用在武器瞄準(zhǔn)鏡、坦克上的微光觀察儀、 夜視眼鏡等微光系統(tǒng)中。 v多堿光電陰極由Na2KSb構(gòu)成基底層，然 后對(duì)它進(jìn)行表面處理，在其表面覆蓋銫 以降低其表面勢壘，制備時(shí)通過Sb 、K、 Na和Cs源的蒸發(fā)在基片上形成光電發(fā)射 層。 vGaAs光電陰極光電陰極 v根據(jù)Spicer

43、光電發(fā)射的三階段模型，50 年代末光電陰極理論已建立在半導(dǎo)體概 念的基礎(chǔ)之上。60年代中期，這一逐步 成熟的領(lǐng)域又取得了突破性進(jìn)展，對(duì)半 導(dǎo)體光電發(fā)射的進(jìn)一步研究導(dǎo)致了負(fù)電 子親和勢（NEA）光電陰極的誕生。制 備NEA光電陰極是用銫（Cs）、氧（O） 對(duì)P型-族單晶化合物進(jìn)行表面激活， 使表面具有負(fù)的電子親和勢。 vGaAs光電陰極光電陰極 v1965年Scheer和VanLaar首次報(bào)道了 CaAs:Cs零電子親和勢光電陰極69，其 反射式積分靈敏度達(dá)550A/lm。三年后 A.A.Turnbull和G.B.Evans用Cs、O交替 覆蓋CaAs表面獲得了NEA光電陰極。此 后，NEA光電

44、陰極的理論研究及制備技 術(shù)迅速發(fā)展。 vGaAs光電陰極光電陰極 v在微光夜視領(lǐng)域，應(yīng)用NEA光電陰極的 第三代像增強(qiáng)器大大擴(kuò)展了夜視儀器的 視距，改善了觀察效果，開拓了微光夜 視儀在夜視眼鏡、遠(yuǎn)距離偵察、夜航和 衛(wèi)星定位等方面的應(yīng)用?，F(xiàn)在，使用 NEA光電陰極的三代微光器件已經(jīng)廣泛 用于頭盔駕駛儀，車載、機(jī)載及單兵偵 察的微光夜視眼鏡中，它們在現(xiàn)代戰(zhàn)爭， 特別是夜戰(zhàn)中，發(fā)揮了重要的作用。 v2 GaAs光電陰極光電陰極 v目前，國外生產(chǎn)的反射式NEA光電陰極 的靈敏度已達(dá)到2400A/lm，最高可達(dá)到 3200A/lm，透射式陰極的靈敏度也可以 超過2000A/lm以上，應(yīng)用NEA光電陰 極

45、的光電管、光電倍增管和三代像增強(qiáng) 器等器件也已商品化。 v國內(nèi)的三代器件正在處于實(shí)用化。 GaAs光電陰極的結(jié)構(gòu) GaAs單晶+銫氧激活 vGaAs光電陰極的制備光電陰極的制備 v對(duì)NEA光電陰極要求陰極材料晶體的位 錯(cuò)密度要小，摻雜要適度，電子擴(kuò)散長 度要長，表面要均勻且厚度可控制。用 外延法生長晶體可滿足這些要求。 v早期生長NEA光電陰極的外延層，多采 用汽相外延（VPE）和液相外延 （LPE），或汽相和液相的混合外延法 （hybrid），也有用分子束外延 （MBE）。 vGaAs光電陰極的制備光電陰極的制備 v當(dāng)前研制和生產(chǎn)NEA光電陰極最成功的是 用金屬有機(jī)化合物汽相淀積法（MOCV

46、D 或MOVPE），因?yàn)樗梢杂脕磉M(jìn)行大面 積、均勻、超薄、多層的半導(dǎo)體生長，它 開辟了NEA陰極的工業(yè)化生產(chǎn)途徑。 vMOCVD技術(shù)是1968年由H.M.Munasevit等 人提出，MOCVD法最早用于NEA光電陰 極外延層的生長是在1976年，目前， MOCVD法已成為制備NEA光電陰極最常 用的方法。 vGaAs光電陰極的制備光電陰極的制備 v激活過程實(shí)際就是將NEA光電陰極表面 的電子親和勢降到負(fù)電子親和勢狀態(tài)的 過程。 v通常將外延生長的單晶片進(jìn)行腐蝕，露 出光電發(fā)射層，經(jīng)化學(xué)清洗后送進(jìn)超高 真空室進(jìn)行激活。 v激活過程一般包括超高真空的獲得，表 面清洗與分析，最后用銫氧處理。 v

47、GaAs光電陰極的制備光電陰極的制備 v NEA光電陰極的激活是將原子清潔的GaAs表 面與Cs、O作用形成很低的表面逸出功。非常 少量的其它物質(zhì)污染都會(huì)妨礙NEA的建立，因 此10-8Pa以上的超高真空度就成了NEA光電陰 極激活的首要條件。 v腐蝕過的GaAs單晶片首先進(jìn)行化學(xué)清洗，然 后通過陰極傳遞裝置將基片送入真空系統(tǒng)進(jìn)行 高溫?zé)崆逑矗瑹崆逑吹臏囟纫话阍?00650， 熱清洗的作用是將表面的自然氧化物、殘余氣 體、有機(jī)物及來自真空系統(tǒng)各構(gòu)件表面的氣體 分子等污染去除。 vGaAs光電陰極的制備光電陰極的制備 v晶片經(jīng)熱清洗后，便可進(jìn)行銫氧處理。 v最初人們采用A.A.Turnbull和

48、G.B.Evans 在1968年提出的標(biāo)準(zhǔn)激活法，又稱“yo- yo”法。 vD.G.Fisher與G.O.Fowler證明，在標(biāo)準(zhǔn) 的加熱清潔、“yo-yo”激活之后，再來一 次溫度較低的加熱和“yo-yo”激活，可將 陰極的光電發(fā)射提高30左右，這種激 活方法通常稱為“高低溫兩步激活” 法。 光電陰極的評(píng)價(jià)光電陰極的評(píng)價(jià) 積分靈敏度 v積分靈敏度是指像增強(qiáng)器中的光電陰極在輻 射源的連續(xù)輻射的作用下，單位光通量所產(chǎn) 生的飽和光電流。單位為A/lm，流明（lm） 這個(gè)單位是基于人眼視見函數(shù)的。測試積分 靈敏度時(shí)，常采用國際上公認(rèn)的色溫為 2856K的鎢絲白熾燈作為標(biāo)準(zhǔn)光源。 v積分靈敏度是像增

49、強(qiáng)器的一個(gè)非常重要的指 標(biāo)，它簡潔、直觀地反映了像增強(qiáng)器中光電 陰極的總的光電發(fā)射能力。 光電陰極的評(píng)價(jià)光電陰極的評(píng)價(jià) v在入射光的某一波長，輻射功率為1W的單色光照射 下，光電陰極所產(chǎn)生的光電流稱為光電陰極在該波 長下的光電靈敏度 。 v式中I為光電流，單位為安培（A）或毫安（mA）， W為入射輻射功率，單位為瓦（W），因此S（） 的單位為安培/瓦（A/W）或毫安/瓦（mA/W），通 常采用后者。 3 微通道板與離子阻擋膜 通道式連續(xù)打拿極電子倍增器的概念最早出 現(xiàn)于1930年，到60年代，隨著人們對(duì)鉛玻璃 燒氫工藝及二次電子發(fā)射能力的探知和掌握， 以及發(fā)現(xiàn)連續(xù)打拿極的增益決定于通道長徑 比

50、而非通道的絕對(duì)長度或直徑，前蘇聯(lián)的科 研機(jī)構(gòu)、美國的Bendix實(shí)驗(yàn)室和英國的 Mullard實(shí)驗(yàn)室，對(duì)微通道板的實(shí)驗(yàn)研究工作 取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。 真正的突破是在借助熔合纖維光學(xué)加工方法 的基礎(chǔ)上，得以實(shí)現(xiàn)較小通道孔徑的微通道 板（早期的微通道板通道孔徑約為25m - 12m），并轉(zhuǎn)化成為一種可以工業(yè)實(shí)用的微 通道板制造技術(shù)，成功的應(yīng)用于微光像增強(qiáng) 器。 微通道板像增強(qiáng)器技術(shù)的出現(xiàn)，標(biāo)志著微光 像增強(qiáng)技術(shù)從第一代發(fā)展到第二代；而負(fù)電 子親和式的砷化鎵光陰極像增強(qiáng)器技術(shù)的出 現(xiàn)，又使微光像增強(qiáng)技術(shù)又從第二代發(fā)展到 第三代。 微通道板是由可多達(dá)數(shù)百萬個(gè)規(guī)則緊密排列 的細(xì)微玻璃通道組成的通道式電子倍

51、增器， 每個(gè)通道即構(gòu)成了一個(gè)單獨(dú)的連續(xù)打拿極倍 增單元，兩個(gè)端面鍍有鎳鉻金屬膜層，其外 環(huán)是同樣鍍有鎳鉻金屬膜層的由實(shí)體玻璃構(gòu) 成的實(shí)體邊，平整的實(shí)體邊可以提供很好的 端面接觸以便施加電壓。 v微通道板必須工作于真空環(huán)境中，微通道板 的工作機(jī)理，就是利用通道內(nèi)表層在一定能 量的電子碰撞下可產(chǎn)生二次電子的特性，二 次電子在電場的作用下沿通道加速前進(jìn)，經(jīng) 過重復(fù)多次的碰撞和電子倍增過程，最后在 高電勢輸出端面有大量的電子輸出產(chǎn)生，這 個(gè)過程被形象的比喻為“電子雪崩”。 v微通道板通道內(nèi)壁結(jié)構(gòu)呈非均勻的分層結(jié)構(gòu)，各成份濃度分 布不同。表層是厚度約10-20nm的富SiO2層，之下是約為 0.15m-

52、0.30m厚度的還原層，而最外表面則是厚度僅1.0 1.5nm的表面偏析的堿金屬離子單分子層。在距表層200nm左 右范圍內(nèi)吸附有氣體，主要是H2，H2O、N2，碳氧化物。這 些氣體一部份源于玻璃基體本身的制造過程，另一部份源于 氫還原過程，如H2、H2O和N2。二次電子的逸出深度通常為 3.3nm左右，因此二次電子發(fā)射產(chǎn)生于富硅層。 增益是微通道板的重要特性，微通道板的增益決定 于外加電壓、長徑比、首次撞擊的二次電子產(chǎn)額和 通道內(nèi)壁二次電子發(fā)射特性。但微通道板增益特性 的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與其應(yīng)用的工作條件和工作狀態(tài)密切相 關(guān)。 必須滿足其工作電壓與通道長徑比的最佳比值22左 右。因此對(duì)于不同工作電壓

53、要求下的微通道板，其 長徑比有所不同，如某些微通道板探測器，工作電 壓為1200V，其長徑比設(shè)計(jì)在60 1；而在像增強(qiáng) 器中，微通道板的工作電壓一般不超過1000V，因 此微通道板的長徑比通常設(shè)計(jì)在(40 1)(55 1) 范圍內(nèi)。 微通道板通道內(nèi)壁都不同程度的吸附著一定 的氣體，在工作狀態(tài)下，通道內(nèi)接近輸出面 端口處吸附的殘余氣體分子，在受到大電流 密度的電子流撞擊時(shí)，電離成正離子，并受 到電場的吸引而向輸入面方向漂移和加速， 形成離子反饋，其中某些獲得足夠能量的正 離子，在撞擊通道內(nèi)壁時(shí)還會(huì)產(chǎn)生二次電子。 離子反饋到光陰極，也將在光陰極上產(chǎn)生額 外的二次電子。 微通道板工作狀態(tài)下產(chǎn)生的正離

54、子反饋，在 三代像增強(qiáng)器中造成的嚴(yán)重后果，就是造成 砷化鎵光陰極靈敏度迅速衰減。這是由于砷 化鎵光陰極，是通過在表面沉積銫氧層敏化 激活而獲得的負(fù)電子親合勢，而銫氧層的化 學(xué)完整性決定砷化鎵光陰極的工作壽命，但 微通道板工作狀態(tài)下產(chǎn)生的離子反饋，將嚴(yán) 重?fù)p害敏化層的化學(xué)完整性。 v對(duì)于微通道板離子反饋的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是反饋離 子電荷總量與輸出電子電荷總量之比 （Ni/Ne，），正常工作狀態(tài)下的超二代像增 強(qiáng)器，其后組件（包括微通道板和熒光屏） 的Ni/Ne約為210-4離子/電子，這種程度的 離子反饋，對(duì)于砷化鎵光陰極，在無離子阻 擋膜的情況下，工作壽命僅能維持不足100小 時(shí)。 三代像增強(qiáng)器為此在

55、微通道板的輸入面上增加一層 一定厚度的多孔狀氧化鋁或氧化硅的離子阻擋膜以 徹底阻絕電離氣體分子的離子反饋，來保證砷化鎵 光陰極足夠的工作壽命并使成像質(zhì)量得到改善。 離子反饋膜終究也是一種形式的屏障，對(duì)來自光陰 極的電子起到散射和阻擋的作用，特別是使得撞擊 在通道間壁上的反彈電子，在離子阻擋膜上產(chǎn)生散 射形成多次反彈，并使得部份電子最終其能量不足 以無法穿越離子阻擋膜，因而不僅大大降低了微通 道板的探測效率，增加了微通道板和三代像增強(qiáng)器 的噪聲因子，還增加了暈輪。 離子阻擋膜的質(zhì)量和厚度是影響三代像增強(qiáng)器的信 噪比和調(diào)調(diào)制傳遞函數(shù)及工作壽命的關(guān)鍵因素。當(dāng) 離子阻擋膜厚度為80時(shí)，減少了約2/3的

56、來自于光 陰極的電子通過，即對(duì)于1800A/lm的光陰極，那 么其光陰極靈敏度實(shí)際有效利用率為1/3，因此信噪 比相當(dāng)于光陰極靈敏度只有600A/lm的超二代像增 強(qiáng)器。 離子阻擋膜厚度通常一般在25到100，可以在降 低微通道板離子反饋的基礎(chǔ)上，減薄離子阻擋膜的 厚度，使來自光陰極的電子在離子阻擋膜上發(fā)生的 反彈式散射更多的轉(zhuǎn)化為穿透式散射以提高穿透率， 改善三代像增強(qiáng)器的信噪比和對(duì)比度傳遞特性。 由于MCP 材料特性的限制， 部件處理溫度不得大 于450 ，故在MCP 上制備的A l2O 3 膜是非晶態(tài) 膜。 考慮到MCP 性能和以后器件的批量生產(chǎn)，選用直 流濺射設(shè)備制備A l2O 3 膜

57、。 通過大量試驗(yàn)摸索，制備A l2O 3 膜的最佳工藝條件 是：直流電壓900 V，電流55 A ，靶材選用5 個(gè)9 高純鋁，連續(xù)濺射20 min，可得到(3.0 40) nm 膜厚的A l2O 3。實(shí)驗(yàn)證明， 這種方法制備的A l2O 3 膜，針孔小，致密度好，20電子顯微鏡下檢測膜 層無亮點(diǎn)。 離子阻擋膜的成膜技術(shù) M25/6-1微通道板的主要性能指標(biāo)及參數(shù) 板直徑(Plate Diameter)：24.800.04）mm 有效直徑(Active Diameter)： 18.8mm20.4mm 通道直徑(Channel Diameter)： 6m 厚度(Plate Thickness)：

58、0.28mm0.32mm 開口面積比(Open Area Ratio)： 60% 斜切角(Bias Angle)： 61 電阻(Resistance)： (80300)M 增益(Gain)(20Ah電子沖刷,20Ah scrub)： 500 增益均勻性(Gain Uniform)： 4級(jí)以內(nèi) 芯皮玻璃組合 拉單絲 單絲六角緊 密排列捆扎 成棒 拉復(fù)絲 將復(fù)絲按有效區(qū)尺寸的 要求排列在熱壓模具中 實(shí)體邊玻璃 拉單絲 單絲六角緊 密排列捆扎 成棒 拉復(fù)絲 真空機(jī)械熱熔壓 斜切成片 滾圓倒角 研磨拋光 酸蝕除芯 氫還原 蒸鍍電極 檢 驗(yàn) 包 裝 包 裝 微通道板的皮玻璃是構(gòu)成并決定微通道板性 能的功

59、能玻璃，因此被稱為微通道板玻璃。 微通道板玻璃為鉛硅酸鹽玻璃，其成份通常 由堿金屬氧化物，堿土金屬氧化物和可還原 金屬氧化物如PbO和（或）Bi2O3、和SiO2和 少量的Al2O3所組成。SiO2是玻璃形成體，而 堿金屬氧化物堿土金屬氧化物和可還原金屬 氧化物是網(wǎng)絡(luò)外體。 81613502C87-2MCP10NV30P SiO26773636662 B2O34 Na2O0.2511 K2O6.47 Rb2O1.220.2 Cs2O0.211.8 CaO3 MgO3 BaO114312 PbO241117.82812 Bi2O31.80.20.2 Al2O313 Sb2O30.10.1 As2

60、O30.10.10.10.10.1 由于最后的通道是通過酸溶除芯而形成的，因 此要求芯玻璃盡可能的容易被酸溶蝕，同時(shí)皮 玻璃盡可能的能夠耐受酸的侵蝕。通常以二者 在相同條件下的酸溶速率差作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，基 本要求是芯皮玻璃的酸溶速率相差應(yīng)達(dá)到 2103倍，最低也不得低于1103倍。 微通道板的芯玻璃多采用以硼酸鹽玻璃系統(tǒng)， B2O3的三面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要比SiO2形成的四面體 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度小得多，硼氧網(wǎng)絡(luò)易于被酸溶蝕。 OxideX-5X-7 B2O32424 SiO23142 BaO +SrO+ CaO3228 La2O3+Y2O3137 v對(duì)實(shí)體邊玻璃的要求是應(yīng)與微通道板玻璃具 有相適應(yīng)的熱匹配