四讲微光像增强器课件.pptx

1、第四章第四章 微光像增强器微光像增强器微光像增强器应用举例1 微光夜视技术和像增强器的发展2 多碱阴极和GaAs光电阴极的制备3 微通道板与离子阻挡膜4 荧光屏5 像增强器的性能参数及测试原理6 目前研究的内容 1 微光夜视技术和像增强器的发展 夜视技术是研究在夜间低照度条件下，用开拓观察者视力的方法以实现夜间隐蔽观察的一种技术。它采用光电子成像的方法来缓和或克服人眼在低照度下以及有限光谱响应下的限制，以开拓人眼的视觉。夜视技术始于二十世纪三十年代。1934年第一个红外变像管在德国问世，开创了夜视技术的新纪元。微光像增强器是一种光电器件，是微光夜视技术的核心器件，它是微光夜视器材的性能和价格的

2、决定性因素。微弱的光学图像自然景物微弱的电子图像增强的电子图像增强的光学图像物镜光阴极微通道板荧光屏目镜像增强器 像增强器和夜视系统的结构和工作原理 2 微光夜视技术和像增强器的发展 微光夜视的发展始于1936年，它是研究微弱图像信号的增强、转换、传输、存储、处理的一项专门技术。它分为直视系统和间视系统两种，直视系统称为微光夜视仪，它是利用目标反射的星光、月光和大气辉光通过像增强器增强达到人眼能进行观察的一种夜视仪器。a 第一代微光夜视 1962年美国制成第一代微光夜视仪，以纤维光学面板作为输入、输出窗三级级联耦合的像增强器为核心器件。l一代像增强器 结构示意图b.第二代微光夜视 1970年研

3、制成第二代微光夜视仪，以利用微通道板的像增强器为核心器件l二代、超二代和三代像增强器 结构示意图光阴极光阴极 光电转换光电转换微道板微道板 电子倍增电子倍增荧光屏荧光屏 电光转换电光转换微光夜视技术特点和作用微光夜视技术特点和作用 -微光核心器件工作原理微光核心器件工作原理（m)n 倍增次数倍增次数二次电子二次电子倍增系数倍增系数微光夜视技术特点和作用微光夜视技术特点和作用 微光核心器件工作原理微光核心器件工作原理l工作时加三个电压，光电阴极通道板输入端l通道板两端，通道板输出端荧光屏c.第三代微光夜视 1979年美国ITT公司研制出第三代微光夜视仪，是在二代薄片管的基础上，将多碱光电阴极置换

4、为GaAs负电子亲和势光电阴极。微光像增强器系列d.超二代微光夜视 1989年，Jacques Dupuy等人研制成了超二代像增强器。超二代管是在二代管的基础上，通过提高光阴极的灵敏度（灵敏度由300-400A/lm提高到600A/lm以上），减小微通道板噪声因数，提高输出信噪比（改进微通道板的性能）和改善整管的MTF，使鉴别率和输出信噪比提高到接近三代管的水平。微光像增强器系列E 第四代微光夜视 1998年美国Litton公司和ITT公司研制出无离子阻挡膜或薄离子阻挡膜微通道板，具有自动门控电源的新一代像增强器，以它为核心部件的夜间观瞄器材称为第四代微光夜视仪。微光夜视技术特点及作用微光夜视

5、技术特点及作用 微光夜视技术核心器件微光夜视技术核心器件1 Thin ion-barrier film/高性能，薄的离子阻挡膜2 Low noise figure MCP/低噪声因子微通道板3 Gated power supply/门控电源典型应用系统结构世界各国的发展概况需求牵引，微光夜视发展规划、计划需求牵引，微光夜视发展规划、计划（例例Omnibus三代微光计划）三代微光计划）美国国防部美国国防部美陆军实验室美陆军实验室斯坦福、亚里桑拉、佛吉尼亚等大学斯坦福、亚里桑拉、佛吉尼亚等大学ITT公司公司/EOIntervac 公司公司Litton 公司公司EO国家级实验室：微光新原理、新技术前

6、瞻性、基础性和演示验证国家级实验室：微光新原理、新技术前瞻性、基础性和演示验证微光器件和整机承包商，通过投标竞标承揽合同，提供装备微光器件和整机承包商，通过投标竞标承揽合同，提供装备俄罗斯欧洲 法国：PHOTONICS(超二代）荷兰：DELFT 以色列中国 如:像管能在暗环境中，把人眼不能观察到的物体转换成可见光图像，如:摄像管能把各种图像信号转化成电信号，记录、贮存传输给很远的距离观察，能随时供人们观赏。光电成像器件极大地扩大了人的视野，扩展了人眼的视力范围，丰富了人们的生活。光电成像器件在光电技术中占有非常重要的地位。4.1 像管的基本原理和结构像管结构示意图 1物镜；2光电阴极；3电子透

7、镜；4荧光屏；5目镜 结构有三部分组成：光电阴极、电子光学系统、荧光屏 像管本身应能起到光谱变换、增强亮度和成像作用。1.光谱变换之一:光电阴极完成 光-电子图象;2.电子成像:电子光学系统类似于光学透镜，能使电子成像，将光电阴极发出的电子图像呈现在荧光屏上;3.增强亮度:由于电子光学系统上加有高电压，能使电子加速，电子能获得能量，以高速轰击荧光屏，使之发射出比入射光强得多的光能量。光谱变换之二:荧光屏 完成 电子-光.这样像管就完成了光谱变换、成像和增强亮度的功能。1物镜；2光电阴极；3电子透镜；4荧光屏；5目镜 4.1.1 光电阴极光电阴极光谱响应曲线 4.1.2 电子光学系统 像管中电子

8、光学系统的任务有两个：加速光电子；使光电子成像在像面上。它具有与光学透镜相似的性质，能运用几何光学中类似的方法进行物象处理。因此把能使电子流聚焦成像的电子光学系统称为电子透镜。电子透镜分为静电透镜和磁透镜两类。静电透镜按是否聚焦可分为:聚焦型和非聚焦型。静电电子光学系统，靠静电场来使光电子加速，聚焦成像。磁透镜即电磁复合系统，靠静电场的加速和磁场来完成聚焦成像。1非聚焦型电子光学系统 即近贴型 C阴极,A阳极；电子落点高度的计算 设从物点O发出的任意电子，其初发射角为 ，分别表示电子初能及其在r和z方面上的能量的分量(eV)。则该电子的轨迹就是抛物线：在该电子到达阳极时，其落点的径向高度为：在

9、近贴聚焦像管中一般U ,则得 因为zzrzVulzr)(2)(zzruulr2urlr220sinrsin20ulr z所以zr,0全色电子束的最大弥散圆半径的计算 考虑到电子的初角度分布，可得单能电子束的最大弥散圆斑的半径 因为光电子不仅有角度分布，还有初能量分布，若最大初电能为 ,则得全色电子束的最大弥散圆半径为 从此式可以看出，阴极与阳极之间的电位差U越大，弥散圆斑越小，最大初电位及极间距离l越小，弥散圆斑也越小。ulRm2msin20ulr ulRm2 通常，极间距离l总是很小，如小于1mm，而U却很大，如3-7KV，极间距离越小，电位差越高，图像越清晰，近贴型在像管中仍得到广泛应用。

10、2静电聚焦电子光学系统(1)等径双圆筒结构 等径双圆筒透镜成像原理:静电聚焦电子光学系统，即静电透镜，通常由轴对称静电场所形成，在几个具有轴对称几何形状的金属导体电极上加以不同的电位，就可以形成轴对称电场。会聚大于发散:形成凸透镜 由于会聚部分处在轴向速度相对较慢的低电位空间，电子受到径向电场会聚作用时间较长，因而会聚作用较强。而在发散空间的电子轴向速度较大，发散作用弱，故总的透镜作用仍然是会聚的。经过透镜区，到达等位区，以直线运动打在荧光屏上，由于电子透镜成像作用，使阴极面上的物在屏上成一倒像。在电位变化空间，透镜相当于一个凸透镜。（2）不等径的双圆筒由于有孔兰，可有效地控制系统的发散作用，

11、阻止电子射到屏上，也可以减小荧光屏发光对阴极的光反馈，从而降低背景干扰和噪声。在平面阴极象管中，几何象差比较严重，边缘象质较差。（3）双球面系统 特点：电场分布，尤其是阴极附近电场的分布，球面性很好，因此，每一条主轨迹都是轴对称，其邻近轨迹是旋转对称的，因而像散较小。所谓像散，指电子透镜随射线方向不同而产生的像差。采用曲面荧光屏后，场曲的影响大为减小，因而像质在整个像面上比较均匀。所谓场曲：由于轴外场折射率与近轴场折射率不同而引起的像差。采用曲面屏，也使畸变大大下降，但有可能出现桶形畸变，但是考虑到图像亮度的均匀性，宁肯采用较大的屏面曲率半径，保留较小的枕形畸变。阴极面上的电场强度，从轴上到轴

12、外基本上保持不变，且略有提高，这样使得色差的影响在像面上比较均匀。3复合聚焦电子光学系统 利用静电场和静磁场形成的复合磁场使电子聚焦 电子在复合场中的运动 电磁复合电子光学系统原理 电子在与磁场相垂直的平面上作园周运动，旋转周期为T=2m/Be，而与径向速度无关。电子将在管轴方向作加速运动。在与磁力线垂直的平面上，电子仍做周期旋转运动，所以综合运动，电子在空间的运动轨迹为一变节距螺旋线。磁聚焦的优缺点：磁聚焦的优点：聚焦作用强，并且容易调节聚焦能力，只需调节线圈电流即可；轴上点和轴外点有相同的成像质量，因而容易保证边缘像质；像差较小，鉴别率较高。磁聚焦的缺点:由于产生磁场的需要，要附设直流激磁

13、和螺旋管等，使得设备尺寸、重量增大、结构复杂。常用在真空摄像管以及电子显微镜等设备上。4.1.3 荧光屏荧光屏将电子动能转换成光能。高能量电子打在荧光屏上，荧光屏发光。v像管对荧光屏的主要要求是：v荧光屏应该具有高的转换效率；v能产生足够的光亮度；v发射光谱要同眼睛，或与之相耦合的下一级光电阴极的光谱响应相一致；v合适的余辉时间；v当然还必须具有良好的机械强度、化学稳定性和热稳定性等基本要求。荧光屏发光材料主要特性有：光谱特性、发光效率。发光效率的定义 所谓发光效率，指轰击荧光屏的电子流能量引起的荧光屏的发光强度，单位为lm/W。这个数值是表征荧光粉发光的强度的一个重要参量，它与光谱特性对多级

14、像管亮度增益作用很大。荧光屏光谱发射特性 v荧光粉材料有：vZnS:Ag（P11）,ZnS:Cu(P31),(Zn,Cd)S:Ag(P20)等等，几种典型的荧光屏光谱效率如图.v像管中常用的荧光粉P20，发光颜色为黄绿光，峰值波长0.56m，余辉时间0.05-2ms，粉的粒度控制在3.5m，以保证屏的分辨率。荧光粉材料的电阻率很高，通常在10101014cm，介于绝缘体和半导体之间.当它受到光电子轰击时，会积累负电荷，电压下降，影响阳极及屏的电位。为此，在屏上蒸铝，能引走积累的负电荷；同时铝还有反射光作用，使光出射强度增加。不过蒸铝后，电子通过铝膜后能量有损失。铝膜越厚，电子能量损失越大；电子

15、能量越小，损失能量越大。因此，在满足引走电荷作用下，尽量减少膜厚度，4.1.4 光学纤维面板简称为光纤板，它是由许多单根纤维组合而成的，其传光原理是利用材料界面的全反射。cossin1210nn临界入射角 2211sinsinnn222121100cos1sinsinnnnnn2光学纤维面板及性能 对于像管中用的光纤板主要有以下性能要求:1)数值孔径要大如芯料n1=1.76，皮料n2=1.50，则N.A=0.8476，从空气中或真空入射，全反射临界角是57.9，而实测为53左右。2)光透过率要高;3)分辨率要高;4)气密性、化学稳定性、机械加工性能以及热稳定性要好。22210sinnnAN数值

16、孔径 像管不仅是辐射探测器件，而且还是成像器件。作为辐射探测器件，它必须具有高的量子效率和信息放大能力，以便给出足够的亮度，其特性通常采用光电阴极灵敏度和整管亮度增益来描述；作为成像器件，它必须具有小的图像几何失真，合适的几何放大率，尽可能小的亮度扩散能力，以提供足够的视角和对比，对这些特性通常用畸变、放大率、调制传递函数、分辨率、对比损失来描述。作为两者综合性能则用观察灵敏阈以及信噪比等参量来描述。4.2 像管主要特性分析4.2.1 像管的光谱响应特性 像管的光谱响应特性实际上就是第一光电阴极的光谱响应特性，研究像管的光谱响应特性有两大作用：决定光电阴极光电流:光电流影响着灵敏度，提高光电流

17、有利于减小背景噪声，提高像管的亮度，提高探测率，提高像管可探测的最小辐射能力。提供目标与背景之间的光电子图像的对比:初始对比决定了输出信噪比，是影响像管极限鉴别能力的关键。4.2.2 像管的增益特性 足够的亮度是观察图像的必要条件，要有足够的亮度，使输出的亮度足够亮，眼睛不会因亮度而影响探测能力。而输出亮度的大小，在入射照度一定时，由亮度增益所决定。1增益的定义 1)亮度增益定义为：像管输出亮度L与阴极入射照度Ev之比的 倍 vLELG2)辐射亮度增益 eLeELG由于Ev=EeK KGEKLGLvLevLEMG对朗伯光源增益式中M为光出射度lm/m23)光通量增益 inouG/inou,分别

18、为输出和输入光通量。又因为 2sLvcMAGG mEAm像管几何放大率 As,Ac分别为荧光屏和阴极有效面积。所以，光通量增益为亮度增益的m2倍 对于二级像管，第一级出射的光通量就是第二级的入射光通量，则第二级的输出光通量。221222222222uRuIP22212121211212212mmuuRRAEEMGsL22212112212mmAAAAAAmcscscs4.2.4 像管的背景特性 像管的背景指它的背景亮度，即指除信号以外的附加亮度，根据背景的来源又分为暗背景亮度和信号感生背景亮度。1暗背景 把象管置于完全黑暗的环境中，当加上工作电压后，荧光屏上仍然会发出一定亮度的光，这种无照射时

19、荧光屏的发光称为象管的暗背景。主要来源:光电阴极的热发射电流;局部场强产生的场致发射;电极上的二次电子发射等等.这些电子也在电场的加速下轰击荧光屏使之发光。暗背景影响:由于暗背景的存在，在荧光屏上的目标图象上都叠加了一个背景亮度，使图像的对比下降，甚至在微弱照明下产生的图像有可能淹没在背景中而不能辨别。2信号感生背景Lsb当管子受到辐照时还要引起一种与入射信号无关的附加背景亮度，主要来源有：光反馈和离子反馈。背景等效照度Eb定义为与暗背景亮度相当的阴极入射照度 LdBbeGLELdB暗背景亮度GL亮度增益。LdB一般为10-310-2(cd/m2)，通过增益可得Ebe，而通常变像管的Ebe为1

20、0-3lx数量级，而微光管Ebe为10-7lx数量级 光反馈来源:入射光有一部分要透过半透明阴极，这部分透过光在管内电极和管壁的散射下又反馈到光电阴极上，另外荧光屏的光也有一部分经过阳极孔或管壁和电极的散射反馈到光电阴极上。所有这些反馈都将引起光电阴极产生不希望有的电子发射，并在荧光屏上激发一个附加的背景亮度，这就是光反馈。减少光反馈的办法：在像管中，黑化电极、荧光屏上蒸铝以及合理地减小阳极孔径尺寸，都是减少光反馈的措施。4.2.5 像管的传像特性 指像管传递图象时，对图像几何形状和亮度分布的影响 放大率：像管出射端图象的线性尺寸l 与入射端图像相应的线性尺寸l之比 llM变像管和像增强器是一

21、种宽束电子光学系统的电真空器件，它的边缘由于透镜对不同的离轴距离的物点单向放大率不同，而产生图象畸变.成像器件的畸变图形（a）没有畸变的原始图形(b)枕形畸变图形 (c)桶形畸变图如果离轴愈远的物点单向放大率比近轴放大率大，则产生“枕形”畸变，如果离轴愈远的物点单向放大率比近轴放大率小，则产生“桶形”畸变.4.2.6 像管的时间响应特性 像管的时间响应特性主要由荧光屏所决定，因为光电阴极的发射过程很短，约为10-12s量级;光电子在管中的渡越时间也很短，约为10-10s量级;荧光屏的惰性时间由荧光粉的类型和激发电子流密度所决定，通常为ms级。对于特殊需要的像管，应选择短余辉的粉型。4.2.7

22、空间分辨特性 定义:周期量在单位空间（单位长度、面积、体积）上变化的周期数 bf21(1)单位长度上的周期数，记为f，lp线对，每一线对包含一条亮线和一条暗线，单位为每毫米线对 lp/mm。(2)以整个目标上的周期数表示，记为ft，这样ft=f h=h目标总宽度2hb1.空间频率2.空间分辨率 定义为：成像系统能够将两个相隔极近的目标的像刚好能分辨清的能力，它反映了系统的成像和传像能力，单位是“线对/毫米”，例如说某像管的分辨率是30lp/mm，就是指空间频率数小于或等于30lp/mm，对比度为100%的测试图案经过像管后能看清，而大于30lp/mm的测试图案则模糊不清，就是再放大几倍也分辨不

23、出条纹。测试分辨率比较常用图案是栅格状的标准测试板。共有五块？，每一块由25个单元组成，每一单元又由互成45的四个方向的条纹组成，各单元的条纹宽度按一定的排列依次减小，空间频率逐渐增大。所谓分辨出的线对数是指四个方向的条纹能同时分辨出，如果不能同时看清，则认为该单元是不可分辨的。限制人眼分辨能力的因素有三个：物体的亮度;视角;亮度对比度 测试条件：为便于各器件间进行比较，测试图案的亮度对比取规定值，如，测试板的照度足够强，至少大于10-3cd/cm2，像管荧光屏的像应调到适合于人眼的亮度；取最大亮度对比C=1；测试分辨率时，测试者用520倍的放大镜观察屏上的图象。分辨率的局限用分辨率评定器件的

24、传像特性，其优点是方便、简单、直观，但是也有缺点，主要是：（1）受主观因素影响；（2）只给出极限结果，对其它频率的情况一概不知；（3）受人眼视场的限制，与实际情况不尽相同，尤其是对串联系统中中间环节的评价更不合适。（4）极限分辨率模糊不清，难以确认；（5）不能排除伪分辨现象。使用分辨率来表征像管的成像质量时往往出现：两个像管所测的极限分辨率一样，而其成像质量却有很大差异。分辨率这一参数并不能全面反映出影响成像质量的各种因素，这是由于以目测为手段和人眼的差异所致。虽然这种方法简便，但并不是评定像管的理想方法。鉴于用分辨率评价器件成像质量的种种缺点，需要寻求更客观的科学评价方法，传递函数就是其中一

25、种。3光学传递函数的定义与表达式 点扩散函数和线扩散函数：点光源物面上坐标为（x,y），象面上光能分布函数h(x,y)，由于系统的影响，像为扩散弥散斑，即称为点扩展函数；物面上一条线光源为函数，在像面上的光能分布h(y)，基本为高斯分布，即称为线扩展函数。图 点扩散函数（a）和线扩散函数（b）线性系统(1)线性，即系统满足亮度叠加原理：物面上光的强度为I1(x)、I2(x)，相应像面上光的强度为I1(x)、I2(x),简单表示为：物面I1(x)像面I1(x)物面I2(x)像面I2(x)满足线性条件，应有：物面 I1(x)+I2(x)像面 I1(x)+I2(x)反映物象间的线性，如果器件处于亮度

26、饱和状态，则不满足这一关系，线性条件可理解为增益不变性。v光学系统的物和像具备下列几个特点，则称为线性系统。（2）空间不变性，即在所考虑的范围内，器件处处有相同的像扩散能力，即无论物面上哪一点，它在像面上都产生同样的弥散斑，各处有相同的统一的点及线扩展函数，这就是“等晕”条件。（3）几何相似性 这一条件指物与像之间不发生几何变形，为简便计，设系统的几何倍率为1，即像的空间频率等于物的空间频率。（4）亮度增益为1，如亮度增益不为1，也得到同样的结果，但推导比较麻烦。线光强的物及其像的线扩散函数 2 多碱阴极和GaAs光电阴极的制备 多碱阴极的制备 1955年，Sommer首先发表了关于多碱阴极的

27、报道，这种阴极是由Na2KSb构成基底层，然后对它进行表面处理，在其表面覆盖铯以降低其表面势垒。多碱阴极具有很高的灵敏度，刚问世初期就达到180A/lm以上，多碱阴极的光谱响应也很宽，它的长波阈值可延伸至900nm以外，它的热发射电流却很小，约1016A/cm2，所以在微光夜视、光辐射探测、高速摄影等领域得到广泛应用，它最重要的应用是在微光夜视方面。多碱阴极光电阴极薄膜采用真空蒸镀法Na，K，Sb，Cs碱 源真空系统、烘烤系统阴极组件 目前国外超二代像增强器中的阴极灵敏度已超过800A/lm；一代、二代及超二代像增强器被广泛应用在武器瞄准镜、坦克上的微光观察仪、夜视眼镜等微光系统中。多碱光电阴

28、极由Na2KSb构成基底层，然后对它进行表面处理，在其表面覆盖铯以降低其表面势垒，制备时通过Sb、K、Na和Cs源的蒸发在基片上形成光电发射层。GaAs光电阴极 根据Spicer光电发射的三阶段模型，50年代末光电阴极理论已建立在半导体概念的基础之上。60年代中期，这一逐步成熟的领域又取得了突破性进展，对半导体光电发射的进一步研究导致了负电子亲和势（NEA）光电阴极的诞生。制备NEA光电阴极是用铯（Cs）、氧（O）对P型-族单晶化合物进行表面激活，使表面具有负的电子亲和势。GaAs光电阴极 1965年Scheer和VanLaar首次报道了CaAs:Cs零电子亲和势光电阴极69，其反射式积分灵敏

29、度达550A/lm。三年后A.A.Turnbull和G.B.Evans用Cs、O交替覆盖CaAs表面获得了NEA光电阴极。此后，NEA光电阴极的理论研究及制备技术迅速发展。GaAs光电阴极 在微光夜视领域，应用NEA光电阴极的第三代像增强器大大扩展了夜视仪器的视距，改善了观察效果，开拓了微光夜视仪在夜视眼镜、远距离侦察、夜航和卫星定位等方面的应用。现在，使用NEA光电阴极的三代微光器件已经广泛用于头盔驾驶仪，车载、机载及单兵侦察的微光夜视眼镜中，它们在现代战争，特别是夜战中，发挥了重要的作用。2 GaAs光电阴极 目前，国外生产的反射式NEA光电阴极的灵敏度已达到2400A/lm，最高可达到3

30、200A/lm，透射式阴极的灵敏度也可以超过2000A/lm以上，应用NEA光电阴极的光电管、光电倍增管和三代像增强器等器件也已商品化。国内的三代器件正在处于实用化。GaAs光电阴极的结构GaAs单晶+铯氧激活GaAs光电阴极的制备 对NEA光电阴极要求阴极材料晶体的位错密度要小，掺杂要适度，电子扩散长度要长，表面要均匀且厚度可控制。用外延法生长晶体可满足这些要求。早期生长NEA光电阴极的外延层，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）。GaAs光电阴极的制备 当前研制和生产NEA光电阴极最成功的是用金属有机化合物汽相淀

31、积法（MOCVD或MOVPE），因为它可以用来进行大面积、均匀、超薄、多层的半导体生长，它开辟了NEA阴极的工业化生产途径。MOCVD技术是1968年由H.M.Munasevit等人提出，MOCVD法最早用于NEA光电阴极外延层的生长是在1976年，目前，MOCVD法已成为制备NEA光电阴极最常用的方法。GaAs光电阴极的制备 激活过程实际就是将NEA光电阴极表面的电子亲和势降到负电子亲和势状态的过程。通常将外延生长的单晶片进行腐蚀，露出光电发射层，经化学清洗后送进超高真空室进行激活。激活过程一般包括超高真空的获得，表面清洗与分析，最后用铯氧处理。GaAs光电阴极的制备 NEA光电阴极的激活是

32、将原子清洁的GaAs表面与Cs、O作用形成很低的表面逸出功。非常少量的其它物质污染都会妨碍NEA的建立，因此10-8Pa以上的超高真空度就成了NEA光电阴极激活的首要条件。腐蚀过的GaAs单晶片首先进行化学清洗，然后通过阴极传递装置将基片送入真空系统进行高温热清洗，热清洗的温度一般在500650，热清洗的作用是将表面的自然氧化物、残余气体、有机物及来自真空系统各构件表面的气体分子等污染去除。GaAs光电阴极的制备 晶片经热清洗后，便可进行铯氧处理。最初人们采用A.A.Turnbull和G.B.Evans在1968年提出的标准激活法，又称“yo-yo”法。D.G.Fisher与G.O.Fowle

33、r证明，在标准的加热清洁、“yo-yo”激活之后，再来一次温度较低的加热和“yo-yo”激活，可将阴极的光电发射提高30左右，这种激活方法通常称为“高低温两步激活”法。光电阴极的评价积分灵敏度 积分灵敏度是指像增强器中的光电阴极在辐射源的连续辐射的作用下，单位光通量所产生的饱和光电流。单位为A/lm，流明（lm）这个单位是基于人眼视见函数的。测试积分灵敏度时，常采用国际上公认的色温为2856K的钨丝白炽灯作为标准光源。积分灵敏度是像增强器的一个非常重要的指标，它简洁、直观地反映了像增强器中光电阴极的总的光电发射能力。光电阴极的评价 在入射光的某一波长，辐射功率为1W的单色光照射下，光电阴极所产

34、生的光电流称为光电阴极在该波长下的光电灵敏度。式中I为光电流，单位为安培（A）或毫安（mA），W为入射辐射功率，单位为瓦（W），因此S（）的单位为安培/瓦（A/W）或毫安/瓦（mA/W），通常采用后者。3 微通道板与离子阻挡膜 通道式连续打拿极电子倍增器的概念最早出现于1930年，到60年代，随着人们对铅玻璃烧氢工艺及二次电子发射能力的探知和掌握，以及发现连续打拿极的增益决定于通道长径比而非通道的绝对长度或直径，前苏联的科研机构、美国的Bendix实验室和英国的Mullard实验室，对微通道板的实验研究工作取得实质性的进展。真正的突破是在借助熔合纤维光学加工方法的基础上，得以实现较小通道孔径的

35、微通道板（早期的微通道板通道孔径约为25m-12m），并转化成为一种可以工业实用的微通道板制造技术，成功的应用于微光像增强器。微通道板像增强器技术的出现，标志着微光像增强技术从第一代发展到第二代；而负电子亲和式的砷化镓光阴极像增强器技术的出现，又使微光像增强技术又从第二代发展到第三代。微通道板是由可多达数百万个规则紧密排列的细微玻璃通道组成的通道式电子倍增器，每个通道即构成了一个单独的连续打拿极倍增单元，两个端面镀有镍铬金属膜层，其外环是同样镀有镍铬金属膜层的由实体玻璃构成的实体边，平整的实体边可以提供很好的端面接触以便施加电压。微通道板必须工作于真空环境中，微通道板的工作机理，就是利用通道内

36、表层在一定能量的电子碰撞下可产生二次电子的特性，二次电子在电场的作用下沿通道加速前进，经过重复多次的碰撞和电子倍增过程，最后在高电势输出端面有大量的电子输出产生，这个过程被形象的比喻为“电子雪崩”。微通道板通道内壁结构呈非均匀的分层结构，各成份浓度分布不同。表层是厚度约10-20nm的富SiO2层，之下是约为0.15m-0.30m厚度的还原层，而最外表面则是厚度仅1.01.5nm的表面偏析的碱金属离子单分子层。在距表层200nm左右范围内吸附有气体，主要是H2，H2O、N2，碳氧化物。这些气体一部份源于玻璃基体本身的制造过程，另一部份源于氢还原过程，如H2、H2O和N2。二次电子的逸出深度通常

37、为3.3nm左右，因此二次电子发射产生于富硅层。增益是微通道板的重要特性，微通道板的增益决定于外加电压、长径比、首次撞击的二次电子产额和通道内壁二次电子发射特性。但微通道板增益特性的评价标准与其应用的工作条件和工作状态密切相关。必须满足其工作电压与通道长径比的最佳比值22左右。因此对于不同工作电压要求下的微通道板，其长径比有所不同，如某些微通道板探测器，工作电压为1200V，其长径比设计在601；而在像增强器中，微通道板的工作电压一般不超过1000V，因此微通道板的长径比通常设计在(401)(551)范围内。微通道板通道内壁都不同程度的吸附着一定的气体，在工作状态下，通道内接近输出面端口处吸附

38、的残余气体分子，在受到大电流密度的电子流撞击时，电离成正离子，并受到电场的吸引而向输入面方向漂移和加速，形成离子反馈，其中某些获得足够能量的正离子，在撞击通道内壁时还会产生二次电子。离子反馈到光阴极，也将在光阴极上产生额外的二次电子。微通道板工作状态下产生的正离子反馈，在三代像增强器中造成的严重后果，就是造成砷化镓光阴极灵敏度迅速衰减。这是由于砷化镓光阴极，是通过在表面沉积铯氧层敏化激活而获得的负电子亲合势，而铯氧层的化学完整性决定砷化镓光阴极的工作寿命，但微通道板工作状态下产生的离子反馈，将严重损害敏化层的化学完整性。对于微通道板离子反馈的评价标准是反馈离子电荷总量与输出电子电荷总量之比（N

39、i/Ne，），正常工作状态下的超二代像增强器，其后组件（包括微通道板和荧光屏）的Ni/Ne约为210-4离子/电子，这种程度的离子反馈，对于砷化镓光阴极，在无离子阻挡膜的情况下，工作寿命仅能维持不足100小时。三代像增强器为此在微通道板的输入面上增加一层一定厚度的多孔状氧化铝或氧化硅的离子阻挡膜以彻底阻绝电离气体分子的离子反馈，来保证砷化镓光阴极足够的工作寿命并使成像质量得到改善。离子反馈膜终究也是一种形式的屏障，对来自光阴极的电子起到散射和阻挡的作用，特别是使得撞击在通道间壁上的反弹电子，在离子阻挡膜上产生散射形成多次反弹，并使得部份电子最终其能量不足以无法穿越离子阻挡膜，因而不仅大大降低了

40、微通道板的探测效率，增加了微通道板和三代像增强器的噪声因子，还增加了晕轮。离子阻挡膜的质量和厚度是影响三代像增强器的信噪比和调调制传递函数及工作寿命的关键因素。当离子阻挡膜厚度为80时，减少了约2/3的来自于光阴极的电子通过，即对于1800A/lm的光阴极，那么其光阴极灵敏度实际有效利用率为1/3，因此信噪比相当于光阴极灵敏度只有600A/lm的超二代像增强器。离子阻挡膜厚度通常一般在25到100，可以在降低微通道板离子反馈的基础上，减薄离子阻挡膜的厚度，使来自光阴极的电子在离子阻挡膜上发生的反弹式散射更多的转化为穿透式散射以提高穿透率，改善三代像增强器的信噪比和对比度传递特性。由于MCP 材

41、料特性的限制，部件处理温度不得大于450，故在MCP 上制备的A l2O 3 膜是非晶态膜。考虑到MCP 性能和以后器件的批量生产，选用直流溅射设备制备A l2O 3 膜。通过大量试验摸索，制备A l2O 3 膜的最佳工艺条件是：直流电压900 V，电流55 A，靶材选用5 个9 高纯铝，连续溅射20 min，可得到(3.0 40)nm 膜厚的A l2O 3。实验证明，这种方法制备的A l2O 3 膜，针孔小，致密度好，20电子显微镜下检测膜层无亮点。离子阻挡膜的成膜技术M25/6-1微通道板的主要性能指标及参数板直径(Plate Diameter)：24.800.04）mm有效直径(Acti

42、ve Diameter)：18.8mm20.4mm通道直径(Channel Diameter)：6m厚度(Plate Thickness)：0.28mm0.32mm开口面积比(Open Area Ratio)：60%斜切角(Bias Angle)：61 电阻(Resistance)：(80300)M 增益(Gain)(20Ah电子冲刷,20Ah scrub)：500 增益均匀性(Gain Uniform)：4级以内 芯皮玻璃组合拉单丝单丝六角紧密排列捆扎成棒拉复丝将复丝按有效区尺寸的要求排列在热压模具中实体边玻璃拉单丝单丝六角紧密排列捆扎成棒拉复丝真空机械热熔压斜切成片滚圆倒角研磨抛光酸蚀除芯

43、氢还原蒸镀电极检 验包 装包 装 微通道板的皮玻璃是构成并决定微通道板性能的功能玻璃，因此被称为微通道板玻璃。微通道板玻璃为铅硅酸盐玻璃，其成份通常由碱金属氧化物，碱土金属氧化物和可还原金属氧化物如PbO和（或）Bi2O3、和SiO2和少量的Al2O3所组成。SiO2是玻璃形成体，而碱金属氧化物碱土金属氧化物和可还原金属氧化物是网络外体。81613502C87-2MCP10NV30PSiO26773636662B2O34Na2O0.2511K2O6.47Rb2O1.220.2Cs2O0.211.8CaO3MgO3BaO114312PbO241117.82812Bi2O31.80.20.2Al2

44、O313Sb2O30.10.1As2O30.10.10.10.10.1 由于最后的通道是通过酸溶除芯而形成的，因此要求芯玻璃尽可能的容易被酸溶蚀，同时皮玻璃尽可能的能够耐受酸的侵蚀。通常以二者在相同条件下的酸溶速率差作为衡量标准，基本要求是芯皮玻璃的酸溶速率相差应达到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盐玻璃系统，B2O3的三面体网络结构要比SiO2形成的四面体网络结构强度小得多，硼氧网络易于被酸溶蚀。OxideX-5X-7B2O32424SiO23142BaO+SrO+CaO3228La2O3+Y2O3137 对实体边玻璃的要求是应与微通道板玻璃具有相适应的热匹

45、配性、热工作温度和耐酸性。实体边玻璃可以以皮玻璃或其它相似玻璃作为替代来构筑。要求其与微通道板玻璃良好的热物理匹配，良好的机械性能和化学性能。拉丝、排屏工艺 从拉单丝开始，首先将符合公差范围管棒组合清洁烘干，在专用拉丝机上拉单丝。将准备好的管棒组合体固定在拉丝机送料支架上，送入加热炉，然后升温，当温度达到拉丝温度时（800850，因玻璃不同有所不同），进行拉丝。扎复丝棒：将拉制好的单丝按尺寸范围分成几组，清洗之后，挑选在尺寸范围内的丝分别排列在六角形模具中，捆扎成六方形复丝棒。拉复丝：将捆扎好的复丝棒在拉丝机上拉制六角形复丝，复丝拉制温度为805左右，并自动切割成压板所需要的长度，收集在复丝收

46、集器中。拉制复丝，决定通道的最后尺寸，板结构质量的好坏，基本上取决于复丝的质量。拉制的复丝径测量、复丝挑选热切。将挑选好的60mm 长的复丝，包括排列在有效区以外的实体边玻璃复丝，按有效区的尺寸要求，排列在模具中。压屏工艺 压屏工艺采用的是机械真空熔压法。压屏的工艺过程就是将排在模具中的每根复丝，在一定的温度和压力下熔合成复丝阵列的过程。排屏过程中六角形复丝整齐排列于由六个滑块组成的六楞形熔压模具中，送入熔压炉。熔压时的温度在640左右（在芯玻璃的转变温度和软化温度之间，略高于皮料的软化温度），并抽到真空达10-8托10-10托，保持一段时间，使整个板温度均匀。然后加压，使六个滑块以同样的压力

47、同时向中心挤压，依靠皮玻璃的软化，使复丝紧密地粘合成一个整体，即形成微通道板毛坯屏段。冷加工工艺 把熔压好的微通道板毛坯屏段，用502胶固定在多线切割机支架上，按一定的长径比，留有余量，切割成具有一定倾角的薄片。长径比一般为4060之间，倾角615。多线切割机的切割机理完全不同于内圆切片机，首先它是用0.080.18mm的金属线为切割材料，将金属线缠绕在导线轮上，驱动导线轮和MCP屏段作相对运动，砂浆磨削、冷却达到磨切晶片的目的。采用多线切割可以提高微通道板的表面质量，提高厚度平行差的一致性，为双面精磨、抛光做好准备。切片后是胶条，随后在滚圆机上滚成一圆柱体。拆条清洗后得到微通道板毛坯板子，最

48、后将毛坯板子进行倒角、清洗、送检。将倒角后的微通道板毛坯板子上双面精磨机，用W10的金刚砂研磨，然后留一定的尺寸上双面抛光机。用氧化铈抛光成设计要求的尺寸、面形和光洁度。抛光之后，用若干种化学清洗剂清洗和超声清洗，保存在氮气柜中或干燥器中，这种板坯的加工，与光学镜片的加工工艺相同。但因为微通道板是两种玻璃的复合材料，而芯料又易腐蚀，所以它比加工一般的光学玻璃镜片更为困难。腐蚀工艺 首先将微通道板抛光片超声清洗干净，用多槽清洗机进行自动清洗。先用酒精（或酒精和乙醚的混合液）擦洗之后，再依次置入双氧水溶液、去离子水、蒸馏酒精等。清洗之后，置入动态稀酸溶液中，同时伴以超声振动或磁力搅拌，进行腐蚀。待

49、所有通道中的可溶玻璃芯溶解干净并全通之后，再腐蚀一段时间，以便在通道的内表面形成一层富SiO2层。之后，再进行上述清洗，最后真空烘干 氢还原工艺 为使通道壁上形成具有合适面电阻率的二次电子发射表面，须将腐蚀掉芯的MCP装在能使气流强迫通过MCP通道的氢还原炉的板架上。先在氮气中加热到还原温度，然后再通入氢气进行还原。氢气应先经净化器以及其他氢纯化措施，使之氢的纯度优于ppm。将含有Pb、Bi等重离子的微通道板放在氢气中还原处理，在高温下氢气从微通道板表面扩散进入玻璃内部，将内部中的Pb、Bi离子还原出来。镀电极膜工艺 用沉积镍铬合金法，在微通道板的两个端面蒸镀上NiCr合金（其他合金或金属），

50、作为接触电极。目前沉积镍铬合金的主要方法是电子束蒸发镍铬合金，这主要是由于电子束蒸发操作简单，沉积速率快，膜的纯度高，可同时蒸镀多块基片。但是电子束沉积速率过快，粒子直径较大，制备出的薄膜结构疏松，膜层附着力差，影响薄膜的质量。离子束辅助沉积(Ion beam assisted thin film deposition，简称IBAD)是在气相沉积镀膜的同时，利用荷能离子轰击薄膜沉积表面，对薄膜表面环境产生影响，从而改变沉积薄膜成分、结构的过程。由于荷能离子与沉积原子的级联碰撞效应，增加了沉积原子的迁移能力，减轻或消除成膜过程中的阴影效应。荷能离子的轰击还会使沉积原子与基体原子间相互扩散，提高膜