雙微通道板紫外像增強(qiáng)器工作特性研究
為了研究雙微通道板(MCP) 對紫外像增強(qiáng)器輻射增益的影響，本文利用南京理工大學(xué)制造的寬光譜像管增益測試儀，對單MCP 和雙MCP 紫外像增強(qiáng)器的輻射增益分別進(jìn)行了測試分析。通過改變陰極電壓、MCP 輸出端電壓這兩個(gè)參數(shù),研究了紫外像增強(qiáng)器輻射增益的變化情況。結(jié)果表明，相同工作狀態(tài)下，雙MCP 的輻射增益是單MCP 的100 倍，這一現(xiàn)象與日本Hamamatsu 公司報(bào)道的數(shù)據(jù)十分吻合。單MCP 紫外像增強(qiáng)器，陰極飽和電壓在300 V 附近，而雙MCP 紫外像增強(qiáng)器，陰極電壓在300 V 附近未見飽和現(xiàn)象出現(xiàn)。單MCP 和雙MCP 紫外像增強(qiáng)器中MCP 的工作電壓分別為800 和1100 V。此研究有助于探討雙MCP 紫外像增強(qiáng)器的合適工作參數(shù)，對提高紫外輻射探測成像技術(shù)具有十分重要的意義。
日盲型紫外像增強(qiáng)器具有良好的日盲特性、高紫外靈敏度、可大面積凝視成像和噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，已在軍民兩用市場上得到了廣泛的應(yīng)用。軍用上，紫外告警系統(tǒng)已被歐美等軍事強(qiáng)國大量裝備,如AN/AAR-57A 型已經(jīng)發(fā)展到AN/AAR-57A( V) 型,其具有虛警率低、被動(dòng)成像、可與紅外告警系統(tǒng)構(gòu)成雙色系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)。民用上，可在陽光下用于公安刑偵上指紋識別、照相和記錄等。根據(jù)所含微通道板( MCP) 的數(shù)量，紫外像增強(qiáng)器可分為單、雙和三MCP 紫外像增強(qiáng)器。這些紫外像增強(qiáng)器的性能因MCP 的數(shù)量不同而有所差異，特別體現(xiàn)在增益和分辨率性能上。單MCP日盲型紫外像增強(qiáng)器在國內(nèi)已經(jīng)研制成功，其技術(shù)指標(biāo)與國外相當(dāng)。但是，因?yàn)閱蜯CP 紫外像增強(qiáng)器輻射增益低，其在紫外告警和高壓電線絕緣柱電暈探測等領(lǐng)域中的使用受到極大的限制。因此，多MCP 探測器被廣泛研究，且其高增益特性已被國外眾多國家的研究結(jié)果所證實(shí)。Hamamatsu報(bào)道了三種增益的定義。PROXITRONIC報(bào)道了雙MCP 微光像增強(qiáng)器的光譜增益達(dá)到了108；John Martin 等報(bào)告了雙MCP 的GaAs 光陰極光電倍增管的性能。Ottmar Jagutzki等報(bào)道了三個(gè)MCP 構(gòu)成的時(shí)間-位置敏感交叉延遲線輸出光子計(jì)數(shù)器的性能。Hamamatsu 報(bào)道了V4170U-23雙MCP/ 日盲型0紫外像增強(qiáng)器的性能,輻射增益為G545nm/G254nm= 1×106。關(guān)于雙MCP 對電子增益的影響已開展了很多研究工作，雙MCP 能夠增加電子增益，這已成為公認(rèn)的事實(shí)。但是，由于先前國內(nèi)一直沒有研制出雙MCP 紫外像增強(qiáng)器，所以如何正確使用雙MCP 紫外像增強(qiáng)器，使其發(fā)揮其正常水平一直處于理論分析的層面，進(jìn)而關(guān)于兩塊MCP 對紫外像增強(qiáng)器輻射增益影響的報(bào)道甚少。
將單MCP 和雙MCP 紫外像增強(qiáng)器作為研究對象，利用南京理工大學(xué)制造的寬光譜像管增益測試儀，通過改變陰極電壓、MCP 兩端電壓這兩種不同工作條件下的紫外像增強(qiáng)器的輻射增益進(jìn)行了對比測試與分析。此研究有助于探索正確使用雙MCP 紫外像增強(qiáng)器的有效途徑，掌握其性能特點(diǎn),使其在微弱紫外探測成像領(lǐng)域發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢具有十分重要的意義。
1、紫外像增強(qiáng)器結(jié)構(gòu)
實(shí)驗(yàn)用單MCP 和雙MCP 紫外像增強(qiáng)器均由陶瓷-金屬制成的雙近貼聚焦結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。工作原理為入射紫外光照射紫外像增強(qiáng)器的光電陰極時(shí)激發(fā)出光電子，在前近貼聚焦系統(tǒng)的作用下，加速輸運(yùn)到MCP 輸入面，經(jīng)過MCP 的電子倍增系統(tǒng)后，大量電子轟擊熒光屏成像。圖1 中紫外像增強(qiáng)器中的光電陰極均為Cs2Te,熒光屏為P20 熒光屏，其工作電壓為+ 4.2 kV。
圖1 紫外像增強(qiáng)器的結(jié)構(gòu)示意圖
2、輻射增益定義
輻射增益GK 的定義為熒光屏發(fā)射峰值波長處輻射出射密度與光陰極響應(yīng)峰值波長處入射度照度之比。本文所研究的紫外像增強(qiáng)器的光電陰極窗口和熒光屏窗口的尺寸相同，均為直徑18 mm。因此,GK 可定義為熒光屏發(fā)射峰值波長處的輻射功率與光陰極響應(yīng)峰值波長處入射功率之比。利用輻射功率計(jì)，分別測量熒光屏波長555 nm 處的輻射功率P1 和紫外光源波長254 nm 處的入射到陰極面的輻射功率P2，從而得到
3、實(shí)驗(yàn)測試
分別以單MCP 和雙MCP 紫外像增強(qiáng)器為研究對象，通過改變陰極電壓、MCP 兩端電壓利用寬光譜像管增益測試儀，對不同工作條件下的紫外像增強(qiáng)器的輻射增益進(jìn)行了對比測試與分析。在紫外光源波長為254 nm 處，單MCP 紫外像增強(qiáng)器的光電陰極靈敏度為28.7 mA/W，雙MCP 是30 mA/W。測試過程中，兩種紫外像增強(qiáng)器的陰極面輻射照度均為7.38 × 10-10 W。
3.1、陰極電壓對紫外像增強(qiáng)器輻射增益的影響
在其它電壓不變的條件下，通過改變陰極所加電壓，測試兩種紫外像增強(qiáng)器的輻射增益值，并繪制成曲線。測試時(shí)，對于單MCP 和雙MCP 紫外像增強(qiáng)器而言，MCP 輸入端均接地，MCP 輸出端電壓分別為+ 800 和+ 1600 V，熒光屏電壓均為+ 4200 V。對于單MCP 紫外像增強(qiáng)器，陰極所加電壓從- 100V 變化到- 300 V；對于雙MCP 紫外像增強(qiáng)器，陰極所加電壓從0 V 變化到- 300 V，兩者的調(diào)節(jié)步長均為50 V。圖2 為輻射增益隨陰極電壓的變化曲線。橫坐標(biāo)為陰極電壓的絕對值，變化范圍為100~ 300V。左側(cè)縱坐標(biāo)為單MCP 紫外像增強(qiáng)器的輻射增益值，最大值為900，右側(cè)縱坐標(biāo)為雙MCP 紫外像增強(qiáng)器的輻射增益值，最大值為1.2 × 105，兩者相差近130 倍。
由單MCP 紫外像增強(qiáng)器的輻射增益隨陰極電壓的變化曲線可以看出，當(dāng)陰極電壓較低時(shí)，輻射增益的增加速度較快。隨著電壓的升高，輻射增益的增加速度逐漸變慢。當(dāng)陰極電壓在300 V 附近時(shí),輻射增益幾乎不再增長，成為一條與橫坐標(biāo)軸平行的直線，說明此時(shí)光電陰極的光電發(fā)射已經(jīng)達(dá)到了最佳工作狀態(tài)。從雙MCP 紫外像增強(qiáng)器的曲線可見，在陰極電壓變化過程中，輻射增益始終以相同的增加速度直線上升，陰極電壓在300 V 附近時(shí)未見飽和現(xiàn)象發(fā)生。
圖2 輻射增益隨陰極電壓的變化曲線
3.2、MCP 工作電壓對紫外像增強(qiáng)器輻射增益的影響
通過改變MCP 輸出端電壓，在其他電壓不變的條件下，測試紫外像增強(qiáng)器在不同MCP 電壓條件下的輻射增益值，并繪制成變化曲線。測試時(shí)，對于單MCP 和雙MCP 紫外像增強(qiáng)器而言，陰極電壓均為-300 V，MCP 輸入端均接地，熒光屏電壓均為+ 4200V。對于單MCP 紫外像增強(qiáng)器，MCP 輸出端電壓的變化范圍為+ 500~ + 800 V；對于雙MCP 紫外像增強(qiáng)器,MCP 輸出端電壓的變化范圍為+ 700~ + 1200V，兩種紫外像增強(qiáng)器的調(diào)節(jié)步長均為50 V。圖3為紫外像增強(qiáng)器輻射增益隨MCP 工作電壓的變化曲線。橫坐標(biāo)為MCP 工作電壓，左側(cè)縱坐標(biāo)為單MCP 紫外像管輻射增益值，最大值為900 W/W；右側(cè)縱坐標(biāo)為雙MCP 紫外像管輻射增益的值，最大值為1.2 × 105 W/W，兩者相差近130 倍。
圖3 紫外像增強(qiáng)器輻射增益隨MCP 工作電壓的變化曲線
從圖3 可以看出，對于紫外像增強(qiáng)器而言，隨著MCP 電壓的升高，輻射增益增加。當(dāng)MCP 電壓大于700 V 時(shí)，單MCP 紫外像增強(qiáng)器輻射增益與MCP 電壓幾乎為線性關(guān)系，此狀態(tài)下的MCP 達(dá)到了臨界工作狀態(tài)；當(dāng)MCP 電壓為800 V 時(shí)，單MCP 紫外像增強(qiáng)器輻射增益出現(xiàn)變緩的趨勢，幾乎達(dá)到了峰值，這一現(xiàn)象說明單MCP 紫外像增強(qiáng)器中MCP 電壓對輻射增益影響的線性區(qū)域在700~ 800 V。從雙MCP紫外像增強(qiáng)器輻射增益與MCP 電壓的變化曲線可以看出，當(dāng)MCP 電壓在700~ 1100 V 之間時(shí)，輻射增益隨著MCP 電壓的變化情況成線性增長趨勢；當(dāng)MCP 電壓大于1100 V 時(shí)，輻射增益隨著MCP 電壓的增長速度逐漸變緩，可能是雙MCP 像增強(qiáng)器的第2 塊MCP 的電流自飽和作用所致。
4、討論與分析
從圖2 和圖3 可見，上述實(shí)驗(yàn)的工作條件下，單MCP 紫外像增強(qiáng)器的輻射增益的最大值為1.5 ×103，雙MCP 紫外像增強(qiáng)器的輻射增益的最大值為2.1 × 105。雙MCP 紫外像增強(qiáng)器的輻射增益約為單MCP 的100 倍，這與日本Hamamatsu 報(bào)告的倍數(shù)關(guān)系十分吻合。
從圖2 可見，當(dāng)單MCP 紫外像增強(qiáng)器的光電陰極達(dá)到飽和光電流時(shí)，陰極電壓在300 V 附近；雙MCP 紫外像增強(qiáng)器陰極電壓在300 V 附近時(shí)未出現(xiàn)飽和。分析原因可知。像增強(qiáng)器在正常工作時(shí)，維持光電發(fā)射要依賴于光陰極的真空界面有向內(nèi)的電場強(qiáng)度。這一電場是由電子光學(xué)系統(tǒng)提供的。光陰極的光電發(fā)射將產(chǎn)生空間電荷。此空間電荷所形成的附件電場與電子光學(xué)系統(tǒng)的電場相反。直到兩者電場強(qiáng)度相互抵消時(shí)，光陰極產(chǎn)生的光電流成為飽和光電流。雙MCP 紫外像增強(qiáng)器和單MCP 紫外像增強(qiáng)器的光陰極都是Cs2Te，但是由于雙MCP 紫外像增強(qiáng)器安裝有2 塊MCP，第二塊MCP 與光陰極間距比單MCP 紫外像增強(qiáng)器中MCP 與光陰極之間的間距大，因此要使此空間內(nèi)保持相同的電場強(qiáng)度，就要求雙MCP 紫外像增強(qiáng)器的光陰極與MCP 之間的電壓要高于單MCP 紫外像增強(qiáng)器這兩極間電壓。
從圖3 可以看出，單MCP 和雙MCP 紫外像增強(qiáng)器的MCP 最佳工作電壓范圍分別為700~ 800 V 和700~ 1100 V。對于雙MCP 紫外像增強(qiáng)器而言，雖然第二級的MCP 和第一級的MCP 質(zhì)量完全相同，但是像管制作過程中的工藝因素差異，第二級MCP 的增益值將大于第一級MCP。在第一級MCP 內(nèi)的電子倍增作用下，到達(dá)第二級MCP 的入射電子密度將超過第一級MCP 的入射電子密度。如果MCP 兩端的電壓過高，那么第二級MCP 內(nèi)將會出現(xiàn)電流飽和效應(yīng)，使得增益不再上升。鑒于以上原因，雙MCP紫外像增強(qiáng)器的正常工作電壓不會是單MCP 紫外像增強(qiáng)器的兩倍。
5、結(jié)論
利用南京理工大學(xué)制造的寬光譜像管增益測試儀，通過改變陰極電壓、MCP 輸出端電壓對單MCP和雙MCP 紫外微光像增強(qiáng)器的輻射增益分別進(jìn)行了測試分析。雙MCP 紫外像增強(qiáng)器的輻射增益比單MCP 紫外像管的輻射增益高100 倍，這與國外報(bào)道的數(shù)據(jù)相吻合。單MCP 紫外像增強(qiáng)器的陰極電壓為300 V 左右時(shí)，光電陰極達(dá)到飽和光電流，而雙MCP 的電壓值在300 V 附近時(shí)未見光電陰極飽和光電流出現(xiàn)。雙MCP 紫外像增強(qiáng)器的MCP 正常工作電壓為700~ 1100 V，而不是單MCP 的兩倍。因此采用雙MCP 紫外像增強(qiáng)器探測更微弱的紫外輻射。本文開展的研究對于更微弱的紫外輻射探測成像技術(shù)具有重要意義。
