曾進(jìn)能,李廷濤,常 樂(lè),龔燕妮,趙偉林,趙 恒,張 俊,褚祝軍,李順平,李曉峰

(1.北方夜視技術(shù)股份有限公司，云南 昆明 650217;2.微光夜視技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

0 引言

像增強(qiáng)器是微光夜視儀的核心器件，廣泛用于夜間成像觀察、弱光探測(cè)等裝備。像增強(qiáng)器的工作原理[1-3]是將目標(biāo)的光學(xué)圖像通過(guò)光電陰極[4-6]轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娮訄D案，光電子圖案經(jīng)過(guò)MCP倍增后，通過(guò)熒光屏顯示為光學(xué)圖像。MCP[7-8]具有電子倍增數(shù)量高、體積小、重量輕、使用電壓低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到像增強(qiáng)器和電子探測(cè)器中。MCP是由數(shù)以萬(wàn)計(jì)的微通道組成的二維陣列，微通道陣列是利用硅酸鉛玻璃拉制技術(shù)加工形成，經(jīng)過(guò)氫還原處理，使玻璃基體中的一部分PbO還原成游離態(tài)的Pb，還原結(jié)束后，微通道內(nèi)壁表面的PbO、K2O、Na2O為二次電子發(fā)射層[9]，其二次電子發(fā)射系數(shù)δ在2～3之間。

衡量MCP性能的主要技術(shù)指標(biāo)是對(duì)電子的探測(cè)效率和倍增能力，MCP 的開(kāi)口面積比是決定該指標(biāo)的關(guān)鍵因素，目前國(guó)內(nèi)常用的MCP開(kāi)口面積比為65%。普通像增強(qiáng)器工作時(shí)，光電陰極發(fā)出的光電子有很大一部分被MCP輸入端Ni-Cr 導(dǎo)電層吸收，成為無(wú)效光電子，因此降低了MCP對(duì)電子的探測(cè)效率。為提高M(jìn)CP對(duì)電子的探測(cè)效率，研究人員采取了一系列措施，常用的措施是在MCP輸入端導(dǎo)電層表面鍍制一層具有高二次電子發(fā)射系數(shù)、性能穩(wěn)定可靠的功能薄膜，俗稱"輸入增強(qiáng)膜"。電子轟擊輸入增強(qiáng)膜產(chǎn)生一定數(shù)量的二次電子，在均勻電場(chǎng)的作用下部分二次電子能夠進(jìn)入MCP的通道，此時(shí)輸入增強(qiáng)膜以間接的方式提高了MCP對(duì)電子的探測(cè)效率[10]。

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和理論分析相結(jié)合的方法，在MCP 輸入端表面制作一層材料為MgO 的輸入增強(qiáng)薄膜，封裝為像增強(qiáng)器后，測(cè)量和分析像增強(qiáng)器的分辨力、MCP增益以及信噪比的變化，為提高像增強(qiáng)器性能奠定了良好的基礎(chǔ)。

1 輸入增強(qiáng)膜工作原理

普通的MCP工作時(shí)，光電陰極發(fā)射出的光電子到達(dá)MCP輸入面時(shí)，其去向主要有3種情況:①直接進(jìn)入通道成為有效光電子;②進(jìn)入非開(kāi)口區(qū)導(dǎo)電層表面和通道前端導(dǎo)電層表面被吸收，成為無(wú)效光電子;③在非開(kāi)口區(qū)導(dǎo)電層表面和通道前端導(dǎo)電層表面發(fā)生彈性碰撞，形成散射光電子。

MCP鍍制輸入增強(qiáng)膜后，光電陰極發(fā)射出的光電子到達(dá)MCP輸入面時(shí)，會(huì)發(fā)生以下主要運(yùn)動(dòng)(如圖1所示):①直接進(jìn)入通道成為有效光電子;②進(jìn)入非開(kāi)口區(qū)和通道前端的輸入增強(qiáng)膜，激發(fā)其產(chǎn)生二次電子。大部分二次電子在均勻電場(chǎng)作用下能夠進(jìn)入通道，成為有效電子，提高了MCP對(duì)電子的探測(cè)效率。

圖1 輸入增強(qiáng)膜工作原理圖Fig.1 Working principleof input enhancement film

輸入增強(qiáng)膜的二次電子發(fā)射系數(shù)越高，MCP的探測(cè)效率也就越高，因此輸入增強(qiáng)膜需要具有高二次電子發(fā)射系數(shù)。目前已知具有高二次電子發(fā)射系數(shù)的材料有很多，如氧化硅(SiO2)、氧化鎂(MgO)、氧化鋁(Al2O3)，甚至是氧化鈣(GaO)、氧化鋅(ZnO)、氟化鈣(CaF2)、氯化鈉(NaCl)等，以上7種材料的二次電子發(fā)射系數(shù)分別是3.90、4.50、3.10、5.10、6.65、4.82、6.50[11]。像增強(qiáng)器內(nèi)部為高真空狀態(tài)，輸入增強(qiáng)膜還需要具有在高溫下放氣量小、穩(wěn)定性高的基本要求。經(jīng)過(guò)分析，MgO[12]薄膜具有放氣量小、二次電子發(fā)射系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，所以選擇MgO作為輸入增強(qiáng)膜的材料。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)用MCP 來(lái)自于同一屏段，通道直徑為7 μm、開(kāi)口面積比為65%、斜切角為7°、輸入端導(dǎo)電層深度約為0.5d(d為通道直徑)。取12 片MCP 平分為A、B 兩組，其中A 組MCP 采用真空鍍膜法鍍制一定厚度的輸入增強(qiáng)膜，材料為MgO，深度為0.5d，即剛好覆蓋輸入端導(dǎo)電層，B 組MCP 不做鍍膜處理。從A組MCP 和B 組MCP 中各取4 片在相同環(huán)境下制作相同型號(hào)的像增強(qiáng)器(裝配A 組MCP 的像增強(qiáng)器稱為A 組像增強(qiáng)器，裝配B 組MCP 的像增強(qiáng)器稱為B組像增強(qiáng)器)，并且在相同條件下測(cè)試其分辨力、MCP增益、信噪比，比較MCP 鍍膜后像增強(qiáng)器性能的變化。每組剩余的2 片MCP 用于測(cè)試分析。

2.2 MgO 薄膜分析

1)面電阻

MCP 正常工作時(shí)，對(duì)輸入面電阻值有具體要求，因此MCP鍍制輸入增強(qiáng)膜后需要進(jìn)行面電阻的測(cè)試。在常溫常壓下，測(cè)量A 組和B 組中未使用的4 片MCP輸入端的面電阻。測(cè)量?jī)x器是美國(guó)福祿克公司生產(chǎn)的萬(wàn)用表，型號(hào)為179，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

MCP 制作輸入增強(qiáng)膜后，面電阻比普通MCP 略有增加，但面電阻在合格范圍內(nèi)(≤250 Ω)[13]，能滿足像增強(qiáng)器使用要求。

表1 MCP 輸入面鍍膜與不鍍膜的面電阻比較Table 1 Comparison of the surface resistance of MCP input surface with and without input enhancement film

2)XPS 能譜分析

MgO 薄膜是堿性氧化物，暴露在空氣中容易吸收水份和二氧化碳等物質(zhì)。按照制管工藝流程，輸入增強(qiáng)膜制作結(jié)束后不會(huì)馬上進(jìn)行使用，需要在超凈間內(nèi)流轉(zhuǎn)約4～24 h。這就要求MgO 薄膜吸收空氣中的水分、二氧化碳等物質(zhì)后其成分不會(huì)發(fā)生變化，所以采用XPS 對(duì)薄膜成分進(jìn)行測(cè)試分析。

利用美國(guó)賽墨飛世爾科技公司(Thermo fisher Scientific)生產(chǎn)的型號(hào)為K-Alpha+的XPS 儀器。X 光源為單色化的AlKα源。分析室工作狀態(tài)的真空度為2X10-7mbar，束斑大小為400 μm，掃描模式為固定分析器能量(CAE)，以表面吸附的C1s(結(jié)合能:284.8 eV)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)合能校正，圖2是輸入增強(qiáng)膜的XPS 能譜。

圖2 輸入增強(qiáng)膜的XPS 能譜Fig.2 XPS spectrum of input enhanced film

由圖3可以看出O1s 和Mg2p 的峰值分別為531.20 eV 和50.75 eV，與XPS 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)(National Institute of Standards and Technology, NIST)中MgO的Mg-O 鍵結(jié)合能基本一致。通過(guò)靈敏度因子法可以算出鎂原子和氧原子的濃度比值(Mg 的靈敏度因子為0.12，O 的靈敏度因子為0.66)為1.12，說(shuō)明薄膜在超凈環(huán)境中存放24 h，其成分與MgO 的標(biāo)準(zhǔn)成分基本一致。

3 輸入增強(qiáng)膜對(duì)像增強(qiáng)器性能的影響

3.1 分辨力

像增強(qiáng)器分辨力測(cè)試采用顯微鏡目視的方法。測(cè)試系統(tǒng)由光源、中性濾光片、積分球、分辨力靶(USAF1951)、準(zhǔn)直鏡、成像物鏡、暗箱、顯微鏡等組成(如圖4所示)。

USAF1951 分辨力靶是由美國(guó)空軍于1951年創(chuàng)建，符合MIL-STD-150A 的標(biāo)準(zhǔn)要求。分辨力靶是由幾組等寬的黑白相間的線條圖案組成，各組線條的寬度由寬逐漸變窄，圖案經(jīng)成像物鏡投射到像增強(qiáng)器的光電陰極面上，經(jīng)像增強(qiáng)器倍增在熒光屏上顯示出明亮的分辨力靶板圖像。由于像增強(qiáng)器的分辨力所限，分辨力靶圖像線條越窄越難分辨。把剛好能分辨出最細(xì)線條細(xì)節(jié)的圖案線對(duì)定義為分辨力，單位為lp/mm。

像增強(qiáng)器的亮度增益調(diào)整為15000 cd.m-2.lx-1，測(cè)試兩組像增強(qiáng)器的分辨力，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 兩組像增強(qiáng)器的分辨力比較Table 2 Contrast of resolution between tworindsof imageintensifiers

從表2可以看出，無(wú)輸入增膜的分辨力平均值為61lp/mm，最大值為64lp/mm，最小值為60lp/mm。MCP制作輸入增強(qiáng)膜后，分辨力平均值為54.75 lp/mm，最小值為51lp/mm，最大值為57lp/mm。兩組像增強(qiáng)器的分辨力相比較，A 組像增強(qiáng)器的分辨力下降約4lp/mm～10lp/mm，下降幅度達(dá)到10%。

輸入增強(qiáng)膜造成像增強(qiáng)器分辨力降低的原因是MCP輸入端非開(kāi)口區(qū)被激發(fā)出的二次電子數(shù)量增加，使散射電子激增，導(dǎo)致散射電子在熒光屏上生成的光暈強(qiáng)度增強(qiáng)。2009年顧燕針對(duì)散射電子對(duì)像增強(qiáng)器分辨力影響展開(kāi)了相應(yīng)研究[14]。研究結(jié)果表明MCP輸入端的散射電子會(huì)形成電子散射斑，在像增強(qiáng)器的成像圖像上產(chǎn)生光暈效應(yīng)，導(dǎo)致分辨力下降影響像增強(qiáng)器的成像質(zhì)量。2016年郭冰濤等人對(duì)到達(dá)MCP輸入面散射電子的偏移距離、運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了建模和仿真計(jì)算[15]。覆蓋MCP輸入端導(dǎo)電層制作輸入增強(qiáng)膜后，光電子激發(fā)輸入增強(qiáng)膜產(chǎn)生的二次電子，運(yùn)動(dòng)軌跡與普通MCP輸入端的散射電子相近。

Ni-Cr 導(dǎo)電層的二次電子發(fā)射系數(shù)約為0.97，而MgO輸入增強(qiáng)膜的二次電子發(fā)射系數(shù)為4.5，所以光電子激發(fā)MgO輸入增強(qiáng)膜發(fā)出的二次電子數(shù)量是光電子激發(fā)Ni-Cr 導(dǎo)電層發(fā)出的二次電子數(shù)量的約4.5倍。MCP制作輸入增強(qiáng)膜后，輸入端的二次電子形成在熒光屏上的發(fā)光強(qiáng)度大于Ni-Cr 導(dǎo)電層發(fā)出的二次電子和彈性光電子形成的散射電子在熒光屏上的發(fā)光強(qiáng)度，所以MCP制作輸入增強(qiáng)膜后像增強(qiáng)器的分辨力會(huì)有明顯的下降。

3.2 MCP 增益

因?yàn)殡娮拥碾姾闪肯嗤试谶B續(xù)穩(wěn)定工作狀態(tài)下MCP增益與電流增益相當(dāng)，所以可將MCP增益定義為輸出電子流與輸入電子流之比[16-17]，計(jì)算式如下:

式中:GMCP為MCP的電子流增益;Ia和Ia1分別表示熒光屏電流(輸出電子流)和熒光屏漏電流，Ic和Ic1分別表示光電陰極的電流(輸入電子流)和漏電流。MCP增益測(cè)試原理如圖5所示，測(cè)試過(guò)程中，光電陰極的電壓為-200V，MCP電壓為800V，陽(yáng)極電壓為6kV。

圖5 MCP 電流增益測(cè)試原理圖Fig.5 Diagramof MCP gain test set

按照該方法對(duì)MCP增益進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果見(jiàn)表3。比較兩組像增強(qiáng)器的MCP增益平均值，A 組像增強(qiáng)器的MCP增益平均值是450.5，B組像增強(qiáng)器的MCP增益平均值是209.5，MCP鍍膜后增益平均值比沒(méi)有鍍膜的高1.15倍。實(shí)驗(yàn)用的MCP來(lái)源于同一屏段，每片MCP的增益基本相同，所以A 組像增強(qiáng)器MCP增益高出的部分主要是來(lái)自輸入增強(qiáng)膜的貢獻(xiàn)。

A 組和B組MCP的通道內(nèi)壁的二次電子發(fā)射系數(shù)相同，所以MCP增益的高低直接受限于MCP對(duì)電子的探測(cè)效率。2019年楊露萍等人建立了MCP對(duì)電子探測(cè)率的物理模型，模擬分析了MCP開(kāi)口區(qū)和非開(kāi)口區(qū)對(duì)電子探測(cè)率的貢獻(xiàn)[18]。借用他們的模型可以計(jì)算出MCP非開(kāi)口區(qū)制作輸入增強(qiáng)膜后對(duì)電子的探測(cè)率QS，見(jiàn)式(2):

式中:P1為打到MCP輸入面非開(kāi)口區(qū)產(chǎn)生的二次電子再次進(jìn)入通道的平均幾率(P1的最大值與MCP的開(kāi)口面積比相同);δ0為輸入面的二次電子發(fā)射系數(shù);Aopen為MCP的開(kāi)口面積比(65%);Ee為電子能量，此處為0.8 keV;θ為電子與MCP輸入面法線的夾角。

MCP制作輸入增強(qiáng)膜后，δ0由0.97提高至4.5，非開(kāi)口區(qū)對(duì)電子的探測(cè)貢獻(xiàn)也相應(yīng)增大，并且MCP通道壁前端的二次電子發(fā)射系數(shù)同時(shí)提高至4.5，所以輸入增強(qiáng)膜可大幅提高M(jìn)CP增益。

3.3 信噪比

在相同的條件下，采用同一測(cè)試方法對(duì)像增強(qiáng)器的信噪比展開(kāi)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4所示。從表4中可以得出，A 組像增強(qiáng)器信噪比的平均值為29.53，B組像增強(qiáng)器信噪比的平均值為25.27，MCP鍍膜比不鍍膜的信噪比平均值高4.26，增幅達(dá)到16.8%。

當(dāng)像增強(qiáng)器的靈敏度相同時(shí)(如:2#和7#、4#和8#)，仍然是MCP鍍膜的信噪比比MCP無(wú)膜的信噪比高，此時(shí)像增強(qiáng)器的信噪比提高主要是MCP噪聲因子FM減小了。從MCP噪聲因子的計(jì)算表達(dá)式(3)[19-20]可以看出，MCP噪聲因子主要受限于開(kāi)口面積比、首次碰撞的二次電子發(fā)射系數(shù)。MCP噪聲因子與像增強(qiáng)器信噪比的關(guān)系是MCP噪聲因子越接近1像增強(qiáng)器的信噪比就越大，反之則越小。

式中:R為MCP開(kāi)口面積比;δ0為首次碰撞的二次電子發(fā)射系數(shù);G為MCP增益。

實(shí)驗(yàn)中A組和B組MCP的開(kāi)口面積比相同，則首次碰撞的二次電子發(fā)射系數(shù)越高、增益越大的MCP噪聲因子就越小(實(shí)驗(yàn)用MCP 增益均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，所以噪聲因子主要與輸入面材料的二次電子發(fā)射系數(shù)有關(guān))。MCP 制作輸入增強(qiáng)膜后，輸入面的二次電子發(fā)射系數(shù)由0.97 提高至4.5，帶入(3)式計(jì)算，該部分的噪聲因子由約3.248 下降至1.880。加之MCP 非開(kāi)口區(qū)的導(dǎo)電層表面制作了輸入增強(qiáng)膜，部分光電子激發(fā)出的二次電子也進(jìn)入到了通道內(nèi)，同樣提高了MCP的輸入信號(hào)，所以輸入增強(qiáng)膜可以顯著提高像增強(qiáng)器的信噪比。

表3 兩組像增強(qiáng)器的MCP 增益比較Table 3 MCP gain comparison between tworindsof ima ge intensifiers

表4 兩組像增強(qiáng)器的信噪比比較Table 4 Comparison of signal to noise ratio between two rinds of image intensifiers

4 結(jié)論

為了研究提高M(jìn)CP 對(duì)電子的探測(cè)效率和倍增能力，采用真空鍍膜的技術(shù)，在MCP 輸入端導(dǎo)電層表面鍍制一定厚度、材料為MgO 的輸入增強(qiáng)膜。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，輸入增強(qiáng)膜可以提高像增強(qiáng)器的信噪比和MCP 增益。但由于輸入增強(qiáng)膜導(dǎo)致MCP 輸入端的散射電子數(shù)量增加，電子散射斑在熒光屏上的發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)，導(dǎo)致分辨力降低。

因此，MgO 輸入增強(qiáng)膜對(duì)于電子的倍增能力和探測(cè)效率的提升具有良好的應(yīng)用前景。如果將其應(yīng)用于成像觀察中，需考慮采取其他辦法彌補(bǔ)所損失的分辨力。