李亞情，周盛濤，王光凡，褚祝軍，杜培德，朱文錦，李曉露，左加寧，朱世聰

普通高壓電源超二代微光像增強(qiáng)器亮度增益溫度特性研究

李亞情，周盛濤，王光凡，褚祝軍，杜培德，朱文錦，李曉露，左加寧，朱世聰

（北方夜視技術(shù)股份有限公司，云南 昆明 650217）

針對(duì)匹配普通高壓電源的超二代微光像增強(qiáng)器亮度增益在高溫條件下大幅下降的問(wèn)題，根據(jù)理論分析搭建了高低溫試驗(yàn)平臺(tái)，并分別對(duì)普通高壓電源超二代像增強(qiáng)器、像增強(qiáng)管和普通高壓電源的高低溫特性進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，匹配普通高壓電源的超二代像增強(qiáng)器高溫（55℃）亮度增益與低溫（－55℃）相比衰減約65%；在陰極電壓、MCP電壓和陽(yáng)極電壓恒定的條件下，像增強(qiáng)管高溫亮度增益僅衰減約20%，且主要是由于陰極靈敏度和熒光屏發(fā)光效率隨溫度升高而降低導(dǎo)致的；普通高壓電源高溫（55℃）與低溫（－55℃）相比陰極電壓降低約40V，MCP電壓降低約18V，陽(yáng)極電壓降低約100V，三者共同作用加劇了普通高壓電源超二代像增強(qiáng)器高溫亮度增益的衰減。因此，在高溫條件下通過(guò)軟、硬件的方式對(duì)電源陰極電壓、MCP電壓和陽(yáng)極電壓進(jìn)行補(bǔ)償是提高普通高壓電源超二代微光像增強(qiáng)器高低溫亮度增益一致性的有效手段。

像增強(qiáng)器；亮度增益；陰極靈敏度；發(fā)光效率

0 引言

微光像增強(qiáng)器是夜視儀的核心器件，主要由光電陰極、微通道板（microchannel plate, MCP）、熒光屏和高壓電源組成[1]。其工作原理是利用光電陰極將入射微弱光圖像轉(zhuǎn)換為電子圖像，再經(jīng)過(guò)MCP電子倍增和陽(yáng)極高壓加速后轟擊熒光屏發(fā)光[2]。像增強(qiáng)器能夠?qū)⑽⑷豕鈱W(xué)圖像增強(qiáng)104倍以上輸出，從而實(shí)現(xiàn)人眼在夜間對(duì)景物進(jìn)行觀察，亮度增益是衡量像增強(qiáng)器觀察效果的重要指標(biāo)之一，其值越高，夜視儀的低照探測(cè)能力越強(qiáng)，觀察距離也越遠(yuǎn)[3]。隨著夜視技術(shù)的發(fā)展，像增強(qiáng)器的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，使用環(huán)境也越來(lái)越復(fù)雜，為確保其在不同使用環(huán)境中的成像效果，通常需要像增強(qiáng)器在不同溫度環(huán)境條件下具備較強(qiáng)的亮度增益一致性。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)大批量裝備的還是匹配普通高壓電源的超二代微光像增強(qiáng)器，但該類像增強(qiáng)器的亮度增益會(huì)隨溫度升高而降低，導(dǎo)致高低溫亮度增益一致性差[4-5]。國(guó)內(nèi)外對(duì)像增強(qiáng)器亮度增益的研究主要集中在常溫下進(jìn)行，較少對(duì)像增強(qiáng)器高低溫亮度增益進(jìn)行深入研究。

本文經(jīng)過(guò)理論分析之后搭建了一套高低溫試驗(yàn)平臺(tái)（試驗(yàn)溫度范圍為－55℃～55℃），分別從普通高壓電源像增強(qiáng)器、像增強(qiáng)管（不包括電源的像增強(qiáng)器）和普通高壓電源3部分入手，通過(guò)試驗(yàn)深入分析了各個(gè)部分的溫度特性，指出造成普通高壓電源像增強(qiáng)器高溫亮度增益大幅下降的原因，并提出一種改進(jìn)超二代微光像增強(qiáng)器不同溫度下亮度增益一致性的方法，為后續(xù)像增強(qiáng)器高低溫亮度增益的補(bǔ)償提供方向。

1 高低溫試驗(yàn)原理分析

超二代微光像增強(qiáng)器亮度增益與光電陰極靈敏度、MCP電子增益、熒光屏發(fā)光效率和熒光屏與MCP輸出端之間的屏板電壓（簡(jiǎn)稱“陽(yáng)極電壓”）有關(guān)[6]，像增強(qiáng)器亮度增益可表示為：

式中：為像增強(qiáng)器亮度增益；為光電陰極靈敏度；M為MCP電子增益；為熒光屏發(fā)光效率；a為陽(yáng)極電壓。式(1)中，光電陰極靈敏度、MCP電子增益、熒光屏發(fā)光效率分別與陰極電壓、MCP電壓和陽(yáng)極電壓有關(guān)。

為分別測(cè)試像增強(qiáng)管和普通高壓電源性能受溫度的影響程度，對(duì)兩者分別進(jìn)行高低溫試驗(yàn)，其中，對(duì)像增強(qiáng)管進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)保持陰極電壓、MCP電壓和陽(yáng)極電壓恒定不變，此時(shí)式(1)可以簡(jiǎn)化為：

光電陰極靈敏度表示在標(biāo)準(zhǔn)光源照射下像增強(qiáng)管所產(chǎn)生的光電流與入射光通量的比值，而入射光通量與陰極有效直徑和入射光照度有關(guān)[7]，光電陰極靈敏度可表示為：

式中：c為光電陰極電流；為陰極有效直徑；v為陰極面輸入照度。同一具像增強(qiáng)管在陰極面輸入照度一定時(shí)，式(3)可以簡(jiǎn)化為：

＝c(4)

從式(4)可得，當(dāng)陰極電壓保持不變時(shí)，像增強(qiáng)管在不同溫度下的光電陰極靈敏度只與陰極電流有關(guān)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，MCP電子增益受溫度影響不大，故本文不對(duì)像增強(qiáng)器管MCP電子增益溫度特性進(jìn)行研究。

熒光屏發(fā)光效率主要與出射光通量、陽(yáng)極加速電壓和陽(yáng)極電流密度有關(guān)[8]，熒光屏發(fā)光效率表示為：

式中：out為出射光通量；a和a分別為陽(yáng)極電流和陽(yáng)極電壓，out可以表示為out＝pl，l為光電流；當(dāng)a為恒定值時(shí)，式(6)可以簡(jiǎn)化為：

從式(6)可得，在陽(yáng)極電壓保持不變時(shí)，像增強(qiáng)管在不同溫度下的熒光屏發(fā)光效率只與光電流和陽(yáng)極電流有關(guān)。

2 高低溫試驗(yàn)平臺(tái)搭建

根據(jù)上述理論分析，搭建圖1所示試驗(yàn)平臺(tái)，包括積分球、光源、濾光片組合、高低溫箱（樣品室）、高壓電源箱、光度計(jì)、皮安表、微安表、高壓電源測(cè)試儀、穩(wěn)壓源和絕緣電阻測(cè)試儀。積分球輸出光源經(jīng)濾光片組合衰減后投射到像增強(qiáng)器的光電陰極面上，像增強(qiáng)器光學(xué)圖像從熒光屏輸出；高低溫箱為試驗(yàn)提供不同的溫度環(huán)境；高壓電源箱為像增強(qiáng)管提供恒定的陰極電壓、MCP電壓和陽(yáng)極電壓；光度計(jì)實(shí)現(xiàn)熒光屏輸出光電流的測(cè)量；皮安表和微安表分別對(duì)陰極電流和陽(yáng)極電流進(jìn)行測(cè)試；高壓電源測(cè)試儀測(cè)試普通高壓電源在不同溫度下的陰極電壓、MCP電壓和陽(yáng)極電壓；穩(wěn)壓源為普通高壓電源和光源提供3V直流電壓；絕緣電阻測(cè)試儀測(cè)試不同溫度下的像增強(qiáng)管負(fù)載。測(cè)試用光源為2856K色溫的鎢絲燈；濾光片組合中有一組不同透過(guò)率的中性密度濾光片及擋板，通過(guò)濾光片和擋板的移動(dòng)可得到不同的輸入照度[9]；高壓電源箱通過(guò)同軸高壓電纜連接到高低溫箱內(nèi)測(cè)試樣品對(duì)應(yīng)電極上。

首先對(duì)匹配普通高壓電源的像增強(qiáng)器進(jìn)行高低溫試驗(yàn)，隨機(jī)選取4260#、5147#和1161#三具匹配普通高壓電源的18mm超二代微光像增強(qiáng)器樣品，分別測(cè)試其在－55℃、－45℃、－25℃、0℃、25℃、45℃、55℃共7個(gè)溫度下的暗電流0（濾光片及擋板全部推入）和光電流1（輸入照度為10－5lx），則像增強(qiáng)器亮度增益對(duì)應(yīng)的光電流值為＝1－0。

其次，為排除電源電壓變化對(duì)像增強(qiáng)管的影響，將上述3具像增強(qiáng)器的電源和像增強(qiáng)管分離，分別進(jìn)行高低溫試驗(yàn)，像增強(qiáng)管試驗(yàn)過(guò)程如下：

1）將像增強(qiáng)管樣品安裝于高低溫箱內(nèi)夾具上，設(shè)置高低溫箱目標(biāo)溫度為－55℃，等待箱體內(nèi)溫度降至－55℃并保溫1.5h后進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試；

2）將濾光片及擋板全部推入，通過(guò)高壓電源箱給陰極施加－200V電壓，MCP輸入端接地，其余電極不供電，此時(shí)測(cè)試陰極暗電流記為c0，調(diào)節(jié)輸入照度為1lx時(shí)測(cè)試陰極電流記為c1，則排除暗電流之后的陰極電流c＝c1－c0；

3）通過(guò)高壓電源箱給陰極施加－1000V，MCP輸入端施加－800V，MCP輸出端接地，陽(yáng)極施加6kV電壓，分別測(cè)試濾光片和擋板全部推入時(shí)和調(diào)節(jié)照度為10－3lx時(shí)的陽(yáng)極電流和光電流記為a0、a1、l0和l1，則排除噪聲之后的陽(yáng)極電流和光電流分別為a＝a1－a0和l＝l1－l0；

4）卸下高壓電源箱所有電極電壓，采用絕緣電阻測(cè)試儀在對(duì)應(yīng)電壓下測(cè)試陰極、MCP和陽(yáng)極負(fù)載并記為c、mcp和a；

5）將高低溫箱目標(biāo)溫度設(shè)置為下一個(gè)溫度點(diǎn)，待箱體內(nèi)溫度達(dá)到目標(biāo)溫度并保溫1.5h重復(fù)步驟2）～4），直至完成所有溫度（－55℃、－45℃、－25℃、0℃、25℃、45℃、55℃）下的試驗(yàn)。

最后進(jìn)行普通高壓電源高低溫試驗(yàn)，由于電源電壓變化相對(duì)線性，本文只對(duì)－55℃、25℃和55℃三個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，將普通高壓電源安裝于高低溫箱內(nèi)電源夾具上，分別設(shè)置高低溫箱目標(biāo)溫度為-55℃、25℃和55℃，等待箱體內(nèi)溫度達(dá)到目標(biāo)溫度并保溫1.5h，根據(jù)步驟4）所得的負(fù)載情況通過(guò)高壓電源測(cè)試儀施加對(duì)應(yīng)負(fù)載并分別測(cè)試陰極電壓c、MCP電壓mcp和陽(yáng)極電壓a。

圖1 高低溫試驗(yàn)平臺(tái)

3 高低溫試驗(yàn)結(jié)果

3.1 普通高壓電源像增強(qiáng)器亮度增益溫度特性

對(duì)4260#、5147#和1161#三具普通高壓電源像增強(qiáng)器樣品在不同溫度下測(cè)試亮度增益對(duì)應(yīng)的光電流，并計(jì)算平均值可得到圖2所示曲線。

由圖2可得，像增強(qiáng)器光電流隨溫度升高而降低，高溫（55℃）亮度增益與低溫（－55℃）相比衰減65%左右。

圖2 普通高壓電源像增強(qiáng)器光電流溫度特性曲線

3.2 像增強(qiáng)管亮度增益溫度特性

對(duì)像增強(qiáng)管單獨(dú)進(jìn)行高低溫試驗(yàn)時(shí)，采用外接高壓電源箱為其供電，且在不同溫度下供給恒定的陰極電壓（－1000V）、MCP電壓（－800V）和陽(yáng)極電壓（6kV），測(cè)試3具像增強(qiáng)管樣品不同溫度下亮度增益對(duì)應(yīng)的光電流，并計(jì)算平均值可得圖3所示曲線。

圖3 像增強(qiáng)管光電流溫度特性曲線

由圖3可知，像增強(qiáng)管亮度增益整體也隨著溫度的升高而降低，但其變化幅度比像增強(qiáng)器小很多，高溫（55℃）亮度增益與低溫（－55℃）相比衰減只有約20%。因此，像增強(qiáng)管自身的亮度增益溫度特性不是造成像增強(qiáng)器高溫增益大幅度下降的主要原因。

本文還對(duì)像增強(qiáng)管陰極靈敏度和熒光屏發(fā)光效率的溫度特性進(jìn)行研究。為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)，只對(duì)－55℃、25℃和55℃三個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果分別得到3具像增強(qiáng)管樣品的陰極靈敏度和熒光屏發(fā)光效率溫度特性曲線如圖4和圖5所示。

圖4 像增強(qiáng)管陰極靈敏度溫度特性曲線

由圖4可知，在陰極電壓恒定的條件下，像增強(qiáng)管陰極靈敏度隨溫度升高而降低，55℃與－55℃相比降低約8%，且溫度高于25℃之后下降幅度變大。

由圖5可知，在陽(yáng)極電壓恒定時(shí)，像增強(qiáng)管熒光屏發(fā)光效率隨溫度升高而降低，55℃與－55℃相比平均降低15%左右。

圖5 像增強(qiáng)管熒光屏發(fā)光效率溫度特性曲線

為確保普通高壓電源測(cè)試時(shí)施加模擬負(fù)載的準(zhǔn)確性，分別對(duì)3具像增強(qiáng)管不同溫度下的負(fù)載進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明陰極負(fù)載和陽(yáng)極負(fù)載幾乎不受溫度影響，MCP負(fù)載隨溫度升高而加重，其變化情況如表1所示。

表1 MCP負(fù)載溫度特性

從表1可以看出，-55℃時(shí)MCP負(fù)載大于700MW，25℃時(shí)為150～200MW，55℃時(shí)為90～120MW。

3.3 普通高壓電源溫度特性

高壓電源測(cè)試儀上能夠提供的與像增強(qiáng)管在-55℃、25℃、55℃時(shí)最接近的MCP負(fù)載值分別為680MW、200MW和150MW，在該3個(gè)負(fù)載條件下分別測(cè)試3具普通高壓電源的陰極電壓c，MCP電壓mcp和陽(yáng)極電壓a，其結(jié)果如表2所示。

由表2可得，普通高壓電源陰極電壓、MCP電壓和陽(yáng)極電壓均隨溫度升高而降低，其中陰極電壓從－55℃到55℃降低約40V，MCP電壓降低約18V，陽(yáng)極電壓降低約100V，該現(xiàn)象主要是由于普通高壓電源電子元器件的溫度特性和電源的負(fù)載特性導(dǎo)致的。

表2 普通高壓電源高低溫電壓變化情況

4 像增強(qiáng)器高低溫亮度增益影響因素分析

經(jīng)過(guò)以上試驗(yàn)結(jié)果和分析可知，匹配普通高壓電源的超二代微光像增強(qiáng)器高溫亮度增益大幅下降的原因可以分為兩部分。首先，在電壓恒定條件下，陰極靈敏度和熒光屏發(fā)光效率高溫下會(huì)發(fā)生一定程度的衰減，導(dǎo)致像增強(qiáng)管本身亮度增益的衰減；其次，普通高壓電源各電極輸出電壓隨溫度升高而降低，導(dǎo)致陰極靈敏度、MCP電子增益和熒光屏發(fā)光效率發(fā)生不同程度的衰減，進(jìn)一步加劇了像增強(qiáng)器高溫亮度增益的衰減。

陰極靈敏度方面，像增強(qiáng)管陰極靈敏度本身受溫度影響較小，但由于普通高壓電源在高溫條件下陰極電壓下降，導(dǎo)致陰極靈敏度進(jìn)一步降低。光電陰極量子效率可以間接表征陰極靈敏度，量子效率與陰極和MCP之間的電場(chǎng)強(qiáng)度滿足關(guān)系：

MCP電子增益方面，像增強(qiáng)管MCP電子增益本身幾乎不受溫度影響，但當(dāng)溫度升高時(shí)，普通高壓電源施加給像增強(qiáng)管的MCP電壓下降，導(dǎo)致像增強(qiáng)管MCP電子增益降低。MCP電子增益與電壓滿足關(guān)系：

式中：GM為MCP電子增益；GM0為800V電壓時(shí)的MCP電子增益，Vmcp為MCP電壓。由式(8)可知，當(dāng)MCP電壓由低溫時(shí)的839V變化到高溫時(shí)的821V，MCP電子增益會(huì)降低22%，進(jìn)而導(dǎo)致像增強(qiáng)管亮度增益的降低。圖7所示為常溫下實(shí)測(cè)的像增強(qiáng)管亮度增益隨MCP電壓的變化曲線，其結(jié)果與上述理論分析相符。

熒光屏發(fā)光效率方面，像增強(qiáng)管熒光屏發(fā)光效率本身在高溫下會(huì)發(fā)生一定程度的衰減，但由于普通高壓電源在高溫條件下陽(yáng)極電壓下降，導(dǎo)致發(fā)光效率進(jìn)一步降低。像增強(qiáng)管工作于增益狀態(tài)時(shí)熒光屏光電流可以用來(lái)表征發(fā)光效率，熒光屏光電流與溫度滿足關(guān)系：

式中：I0￠為常溫下的熒光屏光電流；Ea為激發(fā)能；K為玻爾茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。當(dāng)溫度T升高時(shí)，熒光屏光電流降低，即熒光屏發(fā)光效率下降。圖8所示為常溫下實(shí)測(cè)的P22、P43和P45粉熒光屏發(fā)光效率隨陽(yáng)極電壓的變化曲線，由圖8可知，陽(yáng)極電壓降低一定程度會(huì)導(dǎo)致熒光屏發(fā)光效率降低。從而進(jìn)一步導(dǎo)致像增強(qiáng)管亮度增益的降低。

圖8 像增強(qiáng)管熒光屏發(fā)光效率與陽(yáng)極電壓的關(guān)系

綜上可得，由于溫度升高導(dǎo)致普通高壓電源陰極電壓、MCP電壓和陽(yáng)極電壓降低是造成超二代微光像增強(qiáng)器高溫亮度增益降低的主要原因。如果在電源電路中增加溫度傳感器，通過(guò)該溫度傳感器采集當(dāng)前環(huán)境溫度，并對(duì)不同溫度下的陰極電壓、MCP電壓和陽(yáng)極電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)將能夠有效提高像增強(qiáng)器高低溫亮度增益一致性。基于當(dāng)前普通高壓電源采用純硬件對(duì)像增強(qiáng)管進(jìn)行控制的工作方式，陰極、MCP和陽(yáng)極電壓調(diào)節(jié)可以通過(guò)調(diào)節(jié)變壓器線圈交流輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)；自動(dòng)門控電源則具有更大的靈活性，由于其增加了一個(gè)微控制單元（Microcontroller Unit,），可將溫度采樣值與常溫值對(duì)比之后再通過(guò)MCU精確計(jì)算各輸出電極電壓的溫度補(bǔ)償量，然后通過(guò)軟件控制邏輯調(diào)整各電極控制輸出端來(lái)解決該問(wèn)題。

5 結(jié)論

本文通過(guò)理論分析和試驗(yàn)總結(jié)，認(rèn)為影響普通高壓電源超二代像增強(qiáng)器高低溫亮度增益的因素主要在于像增強(qiáng)管和普通高壓電源輸出電壓，分別對(duì)普通高壓電源像增強(qiáng)器、像增強(qiáng)管和普通高壓電源進(jìn)行高低溫試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：

1）普通高壓電源像增強(qiáng)器高溫（55℃）亮度增益與低溫（－55℃）相比降低了約65%，而像增強(qiáng)管亮度增益只降低了20%，且像增強(qiáng)管亮度增益降低主要是由于光電陰極和熒光屏材料特性決定的。

2）普通高壓電源在高溫時(shí)陰極電壓、MCP電壓和陽(yáng)極電壓的降低是導(dǎo)致該類型像增強(qiáng)器亮度增益降低的主要原因，高溫（55℃）與低溫（－55℃）相比陰極電壓降低約40V，MCP電壓降低約18V，陽(yáng)極電壓降低約100V。

3）陰極電壓降低加劇了高溫陰極靈敏度衰減，MCP電壓降低導(dǎo)致像增強(qiáng)器MCP電子增益降低，陽(yáng)極電壓降低也進(jìn)一步導(dǎo)致熒光屏發(fā)光效率降低，三者共同作用加劇了像增強(qiáng)器高溫亮度增益的衰減。

基于此，可采用溫度傳感器采集環(huán)境溫度，在溫度升高時(shí)通過(guò)軟硬件補(bǔ)償各電極電壓，從而提高像增強(qiáng)器高低溫亮度增益一致性。本文研究結(jié)果可為超二代微光像增強(qiáng)器亮度增益溫度補(bǔ)償技術(shù)的研究提供參考方向。

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Research on Brightness Gain Temperature Characteristics of Super Gen. II Low-Light-Level Image Intensifier Using High-voltage DC Power Supply

LI Yaqing，ZHOU Shengtao，WANG Guangfan，CHU Zhujun，DU Peide，ZHU Wenjin，LI Xiaolu，ZUO Jianing，ZHU Shicong

(North Night Vision Technology Co. Ltd., Kunming 650217, China)

Aiming at the problem that the brightness gains of super Gen. Ⅱ image intensifiers, equipped with high-voltage DC power supplies, substantially decrease at high temperatures, according to the theoretical analysis, this study developed high and low temperature test platforms to study the temperature characteristics of an image intensifierwith a high-voltage DCpower supply, an image intensifier tube, and a single high-voltage DC power supply. The experimental results show that the brightness gain of this type of image intensifier at a high temperature (55℃) decreased by approximately 65% than that at a low temperature (-55℃). However, on supplying constant cathode, MCP, and anode voltages to the image intensifier tube, the brightness gain decreased by 20%, which was mainly due to the decrease in the cathode sensitivity and luminous efficiency of the fluorescent screen with the increase in temperature. Compared with low temperature (-55℃), the cathode voltage of the high-voltage DC power supply was reduced by approximately 40V at high temperature(55℃),whereas the MCP and anode voltages were reduced by approximately 18and 100V, respectively. These three factors accelerated the attenuation of the brightness gain of the image intensifier at high temperatures. Therefore, compensating the cathode, MCP, and anode voltages using software and/or hardware to the power supply can be an effective method to improve the brightness gain consistency of super Gen.Ⅱ image intensifierswith a high-voltage DC power supply at various temperatures.

image intensifier, brightness gain, cathode sensitivity, luminous efficiency

TN22

A

1001-8891(2022)08-0804-07

2022-05-11；

2022-06-07.

李亞情（1993-），女，云南人，碩士，工程師，主要從事像增強(qiáng)器電源技術(shù)研究。E-mail：liyaqing1742@dingtalk.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金（11535014）。