郝子恒，孫 超，李 陽，楊凱莉，張 妮，朱宇峰，李朋博，殷萬鵬

（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）

引言

三代像增強(qiáng)器工作時(shí)，微通道板輸出端吸附的殘余氣體分子會(huì)被微通道板輸出的高能電子云電離成正離子，正離子受到反向電場作用向微通道板輸入面漂移加速運(yùn)動(dòng)，高能量的正離子反饋到光陰極，導(dǎo)致負(fù)電子親和勢光陰極Cs、O 激活形成NEA 層被破壞，造成光陰極靈敏度迅速衰減，大大降低光陰極的工作壽命。為滿足三代像增強(qiáng)器負(fù)電子親和勢光陰極的工作壽命要求，需要額外在微通道板的輸入端覆蓋一層連續(xù)的氧化鋁薄膜作為防離子反饋膜[1-5]。防離子反饋膜既可讓光陰極產(chǎn)生的電子透過，進(jìn)入微通道板進(jìn)行電子倍增；同時(shí)可阻擋正離子向光陰極反饋，進(jìn)而避免其破壞光陰極的NEA 層，有效地提高了像管的工作壽命[6-8]。

微弱圖像被光陰極轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)透過防離子反饋膜進(jìn)入微通道板進(jìn)行增強(qiáng)，增強(qiáng)電子信號(hào)在微通道板后端的熒光屏被轉(zhuǎn)換成可見的圖像[9]。如果防離子反饋膜存在缺陷，電子信號(hào)被微通道板增強(qiáng)前就被干擾，最終在熒光屏上顯示的便是被干擾的存在缺陷的圖像，嚴(yán)重影響三代像增強(qiáng)器的視場。因此三代像增強(qiáng)器需要無缺陷的防離子反饋膜，研究防離子反饋膜缺陷產(chǎn)生的原因顯得十分必要。本文根據(jù)防離子反饋微通道板視場檢驗(yàn)結(jié)果和防離子反饋制備過程，對(duì)防離子反饋微通道板在工作時(shí)的視場和防離子反饋膜存在的缺陷進(jìn)行分析，獲得了防離子反饋膜質(zhì)量與其在像管中工作時(shí)像管視場之間的關(guān)系，以及在防離子反饋膜制備過程中缺陷產(chǎn)生的原因。

1 測量原理

防離子反饋微通道板檢驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如圖1所示。系統(tǒng)工作時(shí)真空室需保持一定真空度。熒光屏施加能夠有效收集到電子的電壓（4 000 V），其作用是將微通道板輸出的倍增電子轉(zhuǎn)化為圖像信息。給微通道板施加正常的工作電壓（800 V），其作用是將光陰極轉(zhuǎn)換的電子信號(hào)進(jìn)行倍增[10]。

圖1 防離子反饋微通道板檢驗(yàn)系統(tǒng)原理圖Fig. 1 Schematic diagram of inspection system for ion barrier MCP

使用燈絲代替光陰極作為電子發(fā)射源，給燈絲施加電流便會(huì)產(chǎn)生電子，電子在陰極電壓的作用下，向防離子反饋微通道板的輸入端運(yùn)動(dòng)。檢驗(yàn)防離子反饋微通道板視場時(shí)，給燈絲施加大電流與低陰極電壓，這樣會(huì)產(chǎn)生大量的低能電子（14.4 nA/cm2，120 eV）。當(dāng)入射電子入射到膜層后，電子會(huì)與膜層材料的原子核發(fā)生碰撞而損失能量，部分電子因能量耗盡未能穿過薄膜。如果防離子反饋膜存在缺陷，低能電子透過缺陷膜層進(jìn)入微通道板的能力也會(huì)有所變化。經(jīng)過同樣的倍增，防離子反饋微通道板膜層缺陷處對(duì)應(yīng)的出射電子量也會(huì)與無缺陷處存在差異，在熒光屏上形成明暗圖像，通過觀察圖像便可判斷防離子反饋膜是否符合三代像增強(qiáng)器的性能要求。

2 防離子反饋膜制備

由于微通道板上微米級(jí)通孔的特殊結(jié)構(gòu)，目前制備防離子反饋膜技術(shù)是在微通道板的輸入面上貼附有機(jī)膜作為臨時(shí)載體[11]，然后在這層有機(jī)膜上制備納米厚度的氧化鋁薄膜，最終把有機(jī)膜烘烤去除掉，留下的氧化鋁薄膜即為防離子反饋膜[12]。

完好無缺陷的防離子反饋微通道板的視場圖如圖2 所示，視場亮度均勻、無缺陷點(diǎn)。

圖2 均勻、無缺陷點(diǎn)的防離子反饋微通道板的視場圖Fig. 2 View diagram of ion barrier MCP with uniformity and no defects

本文選取7 種具有典型缺陷的防離子反饋微通道板樣品進(jìn)行視場檢驗(yàn)，如表1 所示。

表1 典型缺陷防離子反饋微通道板樣品Table 1 Samples of ion barrier MCP with typical defects

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 鼓泡

鼓泡在防離子反饋微通道板檢驗(yàn)系統(tǒng)顯示的視場圖如圖3 所示，視場為形狀不規(guī)則的亮點(diǎn)。

圖3 鼓泡缺陷視場圖Fig. 3 View diagram of bubbling defect

其產(chǎn)生原因是在微通道板的輸入面上貼附有機(jī)膜過程中，有灰塵等異物夾在微通道板和有機(jī)膜之間，一小片有機(jī)膜被撐起無法與微通道板完全貼附。在制備氧化鋁薄膜和烘烤去除有機(jī)膜后，形成一小片被撐起的防離子反饋膜，這部分防離子反饋膜無法獨(dú)立支撐而破損[13-14]。圖4 所示是使用Leica DM 8000 M 金相顯微鏡觀察的目視圖，中間黑色部分即為夾在微通道板和有機(jī)膜之間的異物，異物周圍淺色部分即破損的有機(jī)膜。更多的入射電子透過破損部分進(jìn)入微通道板進(jìn)行倍增，最終在防離子反饋微通道板檢驗(yàn)系統(tǒng)顯示的是一個(gè)與鼓泡形狀一致的亮點(diǎn)。

圖4 鼓泡缺陷目視圖Fig. 4 Visual diagram of bubbling defect

3.2 黑暈

黑暈在檢驗(yàn)系統(tǒng)顯示的視場圖像如圖5 所示，視場為周圍存在黑印的亮點(diǎn)。

圖5 黑暈缺陷視場圖Fig. 5 View diagram of black halo defect

其產(chǎn)生原因是微通道板貼附有機(jī)膜后，異物落在有機(jī)膜上。后續(xù)制備氧化鋁薄膜時(shí)，貼附有機(jī)膜的微通道板是傾斜放置并自轉(zhuǎn)鍍膜。有機(jī)膜和異物之間形成夾角，導(dǎo)致異物周圍氧化鋁薄膜較其他位置更厚，使這部分對(duì)入射電子阻擋能力更強(qiáng)，更少的電子入射進(jìn)微通道板進(jìn)行倍增，最終在視場形成一個(gè)周圍存在黑印的亮點(diǎn)。存在黑暈的微通道板顯微鏡圖像如圖6 示，中心部分的亮點(diǎn)是被灰塵覆蓋而未完全分解的有機(jī)膜，周圍的黑印是較厚的氧化鋁薄膜。

圖6 黑暈缺陷目視圖Fig. 6 Visual diagram of black halo defect

3.3 黑點(diǎn)

黑點(diǎn)在檢驗(yàn)系統(tǒng)顯示的視場圖像如圖7 所示，視場為形狀不規(guī)則的黑點(diǎn)。其產(chǎn)生原因是在防離子反饋膜制備完成后，外界異物沾在防離子反饋膜上面，異物阻擋入射電子透過防離子反饋膜進(jìn)入微通道板進(jìn)行倍增，最終在檢驗(yàn)系統(tǒng)顯示的是一個(gè)與異物形狀一致的黑點(diǎn)。

圖7 黑點(diǎn)缺陷視場圖Fig. 7 View diagram of black spot defect

沾在防離子反饋微通道板上的異物還有可能引起放電現(xiàn)象，如圖8 所示。這是由于異物在防離子反饋微通道板表面上相當(dāng)于一個(gè)尖端凸起[15]，微通道板工作過程中電荷在凸起處聚集，最終產(chǎn)生放電。放電后微通道板徹底損毀，無法繼續(xù)使用。由于異物是落在防離子反饋微通道板上面的，可采用敲擊震動(dòng)的方法去除黑點(diǎn)。

圖8 放電缺陷視場圖與目視圖Fig. 8 View and visual diagram of electric discharge defect

3.4 線狀通孔

線狀通孔在檢驗(yàn)系統(tǒng)顯示的視場圖像如圖9所示。其產(chǎn)生原因是防離子反饋膜制備過程中氧化鋁薄膜生長速率過快，產(chǎn)生的應(yīng)力快速釋放將有機(jī)膜撕裂[16]。微通道板表面無有機(jī)膜的部分無法生長氧化鋁薄膜，更多的入射電子透過撕裂部分進(jìn)入微通道板進(jìn)行倍增，最終在防離子反饋微通道板檢驗(yàn)系統(tǒng)顯示的是撕裂狀的線狀亮點(diǎn)。

圖9 線狀通孔缺陷視場圖Fig. 9 View diagram of striped hole defect

3.5 擦傷與劃痕

防離子反饋膜要讓光陰極產(chǎn)生的電子透過，其厚度需保持在納米級(jí)別，而且部分防離子反饋膜是懸浮在微通道板通孔上方，因此外界磕碰很容易造成其破損。最常見的破損為擦傷和劃痕撕破，如圖10 所示。擦傷和劃痕多為防離子反饋膜制備過程中手指、衣物或工具等觸碰到微通道板有效工作區(qū)域的有機(jī)膜或氧化鋁薄膜，造成的薄膜破損而形成的。兩者的區(qū)別僅為薄膜破損的形狀和大小不一。

圖10 擦傷與劃痕缺陷視場圖Fig. 10 View diagram of graze defect and scratch defect

3.6 印跡

由于微通道板通道超高表面積的特殊結(jié)構(gòu)以及特有的氫還原處理過程，成為像增強(qiáng)器中殘余氣體的主要來源。像增強(qiáng)器制作過程中會(huì)模擬像增強(qiáng)器的工作狀態(tài)，通過電子源發(fā)射電子，并激發(fā)到微通道板輸入端，使吸附在通道內(nèi)表面、亞表面和體內(nèi)以物理、化學(xué)甚至更為復(fù)雜的方式吸附的殘余氣體逐步被排除的過程，稱為電子清刷除氣。

若電子清刷過程中電子源發(fā)射電子不均勻，會(huì)使得微通道板各通道的電子清刷強(qiáng)度不一致，導(dǎo)致各通道的電子增益有所差別，反映在視場中的現(xiàn)象為亮度不均勻，即印跡，如圖11 所示。

圖11 電子清刷不均勻印跡視場圖Fig. 11 View diagram of imprint with uneven electronic cleaning

若電子清刷過程中電子源發(fā)射電子能量過大，則會(huì)損壞防離子反饋膜。無防離子反饋膜的阻擋，更多的電子會(huì)進(jìn)入微通道板進(jìn)行電子倍增，視場會(huì)更亮，而防離子反饋膜未破損的位置視場會(huì)稍暗，形成印跡，如圖12 所示。此種印跡視場亮的部分無防離子反饋膜對(duì)入射電子進(jìn)行散射，可以看到微通道板本身六邊形復(fù)絲的形狀。

圖12 電子清刷能量過大的印跡視場圖Fig. 12 View diagram of imprint with excessive-energy electronic cleaning

4 結(jié)論

本文主要針對(duì)7 種典型缺陷的防離子反饋膜在像管中的視場影響進(jìn)行了研究，并分析了缺陷產(chǎn)生的原因，得出以下結(jié)論：

1） 多數(shù)典型防離子反饋膜缺陷（鼓泡、黑點(diǎn)和黑暈）是在防離子反饋膜制備過程中，灰塵等異物沾附造成的。這些缺陷在像管視場中多以亮點(diǎn)和黑點(diǎn)的形式呈現(xiàn)，對(duì)視場質(zhì)量影響較大。為減少此類缺陷的產(chǎn)生，防離子反饋膜制備過程中需保持極高的潔凈度，從根源上減少異物沾附的可能。黑點(diǎn)是異物落在防離子反饋微通道板上面的，可采用敲擊震動(dòng)的方法去除黑點(diǎn)。

2） 線狀通孔是氧化鋁薄膜制備過程中，膜層應(yīng)力過大，將有機(jī)膜撕破造成的。此缺陷經(jīng)常成片出現(xiàn)，對(duì)視場質(zhì)量影響極大。對(duì)此應(yīng)降低鍍膜速率，減少膜層應(yīng)力釋放。并且可通過調(diào)節(jié)有機(jī)膜中增塑劑的類型與含量，提高有機(jī)膜的韌性，以減少線狀通孔出現(xiàn)的可能性。

3） 擦傷與劃痕均為防離子反饋膜制備過程中操作操作不當(dāng)致使膜層受損造成的，防離子反饋膜制備應(yīng)多加小心，嚴(yán)格按照工藝規(guī)范進(jìn)行。

4） 印跡為像增強(qiáng)器制作過程中電子清刷不均勻或能量過大造成的。在防離子反饋微通道板制成像增強(qiáng)器前，應(yīng)調(diào)試好電子清刷除氣工藝，既要保證清刷均勻，也要保證清刷量適度，不過量。