曾进能,李廷涛,常 乐,龚燕妮,赵伟林,赵 恒,张 俊,褚祝军,李顺平,李晓峰

(1.北方夜视技术股份有限公司，云南 昆明 650217;2.微光夜视技术重点实验室，陕西 西安 710065)

0 引言

像增强器是微光夜视仪的核心器件，广泛用于夜间成像观察、弱光探测等装备。像增强器的工作原理[1-3]是将目标的光学图像通过光电阴极[4-6]转变为光电子图案，光电子图案经过MCP倍增后，通过荧光屏显示为光学图像。MCP[7-8]具有电子倍增数量高、体积小、重量轻、使用电压低等优点，被广泛应用到像增强器和电子探测器中。MCP是由数以万计的微通道组成的二维阵列，微通道阵列是利用硅酸铅玻璃拉制技术加工形成，经过氢还原处理，使玻璃基体中的一部分PbO还原成游离态的Pb，还原结束后，微通道内壁表面的PbO、K2O、Na2O为二次电子发射层[9]，其二次电子发射系数δ在2～3之间。

衡量MCP性能的主要技术指标是对电子的探测效率和倍增能力，MCP 的开口面积比是决定该指标的关键因素，目前国内常用的MCP开口面积比为65%。普通像增强器工作时，光电阴极发出的光电子有很大一部分被MCP输入端Ni-Cr 导电层吸收，成为无效光电子，因此降低了MCP对电子的探测效率。为提高MCP对电子的探测效率，研究人员采取了一系列措施，常用的措施是在MCP输入端导电层表面镀制一层具有高二次电子发射系数、性能稳定可靠的功能薄膜，俗称"输入增强膜"。电子轰击输入增强膜产生一定数量的二次电子，在均匀电场的作用下部分二次电子能够进入MCP的通道，此时输入增强膜以间接的方式提高了MCP对电子的探测效率[10]。

本文通过实验验证和理论分析相结合的方法，在MCP 输入端表面制作一层材料为MgO 的输入增强薄膜，封装为像增强器后，测量和分析像增强器的分辨力、MCP增益以及信噪比的变化，为提高像增强器性能奠定了良好的基础。

1 输入增强膜工作原理

普通的MCP工作时，光电阴极发射出的光电子到达MCP输入面时，其去向主要有3种情况:①直接进入通道成为有效光电子;②进入非开口区导电层表面和通道前端导电层表面被吸收，成为无效光电子;③在非开口区导电层表面和通道前端导电层表面发生弹性碰撞，形成散射光电子。

MCP镀制输入增强膜后，光电阴极发射出的光电子到达MCP输入面时，会发生以下主要运动(如图1所示):①直接进入通道成为有效光电子;②进入非开口区和通道前端的输入增强膜，激发其产生二次电子。大部分二次电子在均匀电场作用下能够进入通道，成为有效电子，提高了MCP对电子的探测效率。

图1 输入增强膜工作原理图Fig.1 Working principleof input enhancement film

输入增强膜的二次电子发射系数越高，MCP的探测效率也就越高，因此输入增强膜需要具有高二次电子发射系数。目前已知具有高二次电子发射系数的材料有很多，如氧化硅(SiO2)、氧化镁(MgO)、氧化铝(Al2O3)，甚至是氧化钙(GaO)、氧化锌(ZnO)、氟化钙(CaF2)、氯化钠(NaCl)等，以上7种材料的二次电子发射系数分别是3.90、4.50、3.10、5.10、6.65、4.82、6.50[11]。像增强器内部为高真空状态，输入增强膜还需要具有在高温下放气量小、稳定性高的基本要求。经过分析，MgO[12]薄膜具有放气量小、二次电子发射系数高等优点，所以选择MgO作为输入增强膜的材料。

2 实验与结果分析

2.1 实验方案

实验用MCP 来自于同一屏段，通道直径为7 μm、开口面积比为65%、斜切角为7°、输入端导电层深度约为0.5d(d为通道直径)。取12 片MCP 平分为A、B 两组，其中A 组MCP 采用真空镀膜法镀制一定厚度的输入增强膜，材料为MgO，深度为0.5d，即刚好覆盖输入端导电层，B 组MCP 不做镀膜处理。从A组MCP 和B 组MCP 中各取4 片在相同环境下制作相同型号的像增强器(装配A 组MCP 的像增强器称为A 组像增强器，装配B 组MCP 的像增强器称为B组像增强器)，并且在相同条件下测试其分辨力、MCP增益、信噪比，比较MCP 镀膜后像增强器性能的变化。每组剩余的2 片MCP 用于测试分析。

2.2 MgO 薄膜分析

1)面电阻

MCP 正常工作时，对输入面电阻值有具体要求，因此MCP镀制输入增强膜后需要进行面电阻的测试。在常温常压下，测量A 组和B 组中未使用的4 片MCP输入端的面电阻。测量仪器是美国福禄克公司生产的万用表，型号为179，测试结果见表1。

MCP 制作输入增强膜后，面电阻比普通MCP 略有增加，但面电阻在合格范围内(≤250 Ω)[13]，能满足像增强器使用要求。

表1 MCP 输入面镀膜与不镀膜的面电阻比较Table 1 Comparison of the surface resistance of MCP input surface with and without input enhancement film

2)XPS 能谱分析

MgO 薄膜是碱性氧化物，暴露在空气中容易吸收水份和二氧化碳等物质。按照制管工艺流程，输入增强膜制作结束后不会马上进行使用，需要在超净间内流转约4～24 h。这就要求MgO 薄膜吸收空气中的水分、二氧化碳等物质后其成分不会发生变化，所以采用XPS 对薄膜成分进行测试分析。

利用美国赛墨飞世尔科技公司(Thermo fisher Scientific)生产的型号为K-Alpha+的XPS 仪器。X 光源为单色化的AlKα源。分析室工作状态的真空度为2X10-7mbar，束斑大小为400 μm，扫描模式为固定分析器能量(CAE)，以表面吸附的C1s(结合能:284.8 eV)为标准进行结合能校正，图2是输入增强膜的XPS 能谱。

图2 输入增强膜的XPS 能谱Fig.2 XPS spectrum of input enhanced film

由图3可以看出O1s 和Mg2p 的峰值分别为531.20 eV 和50.75 eV，与XPS 标准数据库(National Institute of Standards and Technology, NIST)中MgO的Mg-O 键结合能基本一致。通过灵敏度因子法可以算出镁原子和氧原子的浓度比值(Mg 的灵敏度因子为0.12，O 的灵敏度因子为0.66)为1.12，说明薄膜在超净环境中存放24 h，其成分与MgO 的标准成分基本一致。

3 输入增强膜对像增强器性能的影响

3.1 分辨力

像增强器分辨力测试采用显微镜目视的方法。测试系统由光源、中性滤光片、积分球、分辨力靶(USAF1951)、准直镜、成像物镜、暗箱、显微镜等组成(如图4所示)。

USAF1951 分辨力靶是由美国空军于1951年创建，符合MIL-STD-150A 的标准要求。分辨力靶是由几组等宽的黑白相间的线条图案组成，各组线条的宽度由宽逐渐变窄，图案经成像物镜投射到像增强器的光电阴极面上，经像增强器倍增在荧光屏上显示出明亮的分辨力靶板图像。由于像增强器的分辨力所限，分辨力靶图像线条越窄越难分辨。把刚好能分辨出最细线条细节的图案线对定义为分辨力，单位为lp/mm。

像增强器的亮度增益调整为15000 cd.m-2.lx-1，测试两组像增强器的分辨力，结果见表2。

表2 两组像增强器的分辨力比较Table 2 Contrast of resolution between tworindsof imageintensifiers

从表2可以看出，无输入增膜的分辨力平均值为61lp/mm，最大值为64lp/mm，最小值为60lp/mm。MCP制作输入增强膜后，分辨力平均值为54.75 lp/mm，最小值为51lp/mm，最大值为57lp/mm。两组像增强器的分辨力相比较，A 组像增强器的分辨力下降约4lp/mm～10lp/mm，下降幅度达到10%。

输入增强膜造成像增强器分辨力降低的原因是MCP输入端非开口区被激发出的二次电子数量增加，使散射电子激增，导致散射电子在荧光屏上生成的光晕强度增强。2009年顾燕针对散射电子对像增强器分辨力影响展开了相应研究[14]。研究结果表明MCP输入端的散射电子会形成电子散射斑，在像增强器的成像图像上产生光晕效应，导致分辨力下降影响像增强器的成像质量。2016年郭冰涛等人对到达MCP输入面散射电子的偏移距离、运动轨迹进行了建模和仿真计算[15]。覆盖MCP输入端导电层制作输入增强膜后，光电子激发输入增强膜产生的二次电子，运动轨迹与普通MCP输入端的散射电子相近。

Ni-Cr 导电层的二次电子发射系数约为0.97，而MgO输入增强膜的二次电子发射系数为4.5，所以光电子激发MgO输入增强膜发出的二次电子数量是光电子激发Ni-Cr 导电层发出的二次电子数量的约4.5倍。MCP制作输入增强膜后，输入端的二次电子形成在荧光屏上的发光强度大于Ni-Cr 导电层发出的二次电子和弹性光电子形成的散射电子在荧光屏上的发光强度，所以MCP制作输入增强膜后像增强器的分辨力会有明显的下降。

3.2 MCP 增益

因为电子的电荷量相同，故在连续稳定工作状态下MCP增益与电流增益相当，所以可将MCP增益定义为输出电子流与输入电子流之比[16-17]，计算式如下:

式中:GMCP为MCP的电子流增益;Ia和Ia1分别表示荧光屏电流(输出电子流)和荧光屏漏电流，Ic和Ic1分别表示光电阴极的电流(输入电子流)和漏电流。MCP增益测试原理如图5所示，测试过程中，光电阴极的电压为-200V，MCP电压为800V，阳极电压为6kV。

图5 MCP 电流增益测试原理图Fig.5 Diagramof MCP gain test set

按照该方法对MCP增益进行测试，其结果见表3。比较两组像增强器的MCP增益平均值，A 组像增强器的MCP增益平均值是450.5，B组像增强器的MCP增益平均值是209.5，MCP镀膜后增益平均值比没有镀膜的高1.15倍。实验用的MCP来源于同一屏段，每片MCP的增益基本相同，所以A 组像增强器MCP增益高出的部分主要是来自输入增强膜的贡献。

A 组和B组MCP的通道内壁的二次电子发射系数相同，所以MCP增益的高低直接受限于MCP对电子的探测效率。2019年杨露萍等人建立了MCP对电子探测率的物理模型，模拟分析了MCP开口区和非开口区对电子探测率的贡献[18]。借用他们的模型可以计算出MCP非开口区制作输入增强膜后对电子的探测率QS，见式(2):

式中:P1为打到MCP输入面非开口区产生的二次电子再次进入通道的平均几率(P1的最大值与MCP的开口面积比相同);δ0为输入面的二次电子发射系数;Aopen为MCP的开口面积比(65%);Ee为电子能量，此处为0.8 keV;θ为电子与MCP输入面法线的夹角。

MCP制作输入增强膜后，δ0由0.97提高至4.5，非开口区对电子的探测贡献也相应增大，并且MCP通道壁前端的二次电子发射系数同时提高至4.5，所以输入增强膜可大幅提高MCP增益。

3.3 信噪比

在相同的条件下，采用同一测试方法对像增强器的信噪比展开测试，测试结果见表4所示。从表4中可以得出，A 组像增强器信噪比的平均值为29.53，B组像增强器信噪比的平均值为25.27，MCP镀膜比不镀膜的信噪比平均值高4.26，增幅达到16.8%。

当像增强器的灵敏度相同时(如:2#和7#、4#和8#)，仍然是MCP镀膜的信噪比比MCP无膜的信噪比高，此时像增强器的信噪比提高主要是MCP噪声因子FM减小了。从MCP噪声因子的计算表达式(3)[19-20]可以看出，MCP噪声因子主要受限于开口面积比、首次碰撞的二次电子发射系数。MCP噪声因子与像增强器信噪比的关系是MCP噪声因子越接近1像增强器的信噪比就越大，反之则越小。

式中:R为MCP开口面积比;δ0为首次碰撞的二次电子发射系数;G为MCP增益。

实验中A组和B组MCP的开口面积比相同，则首次碰撞的二次电子发射系数越高、增益越大的MCP噪声因子就越小(实验用MCP 增益均远远大于1，所以噪声因子主要与输入面材料的二次电子发射系数有关)。MCP 制作输入增强膜后，输入面的二次电子发射系数由0.97 提高至4.5，带入(3)式计算，该部分的噪声因子由约3.248 下降至1.880。加之MCP 非开口区的导电层表面制作了输入增强膜，部分光电子激发出的二次电子也进入到了通道内，同样提高了MCP的输入信号，所以输入增强膜可以显著提高像增强器的信噪比。

表3 两组像增强器的MCP 增益比较Table 3 MCP gain comparison between tworindsof ima ge intensifiers

表4 两组像增强器的信噪比比较Table 4 Comparison of signal to noise ratio between two rinds of image intensifiers

4 结论

为了研究提高MCP 对电子的探测效率和倍增能力，采用真空镀膜的技术，在MCP 输入端导电层表面镀制一定厚度、材料为MgO 的输入增强膜。经过实验对比，输入增强膜可以提高像增强器的信噪比和MCP 增益。但由于输入增强膜导致MCP 输入端的散射电子数量增加，电子散射斑在荧光屏上的发光强度增强，导致分辨力降低。

因此，MgO 输入增强膜对于电子的倍增能力和探测效率的提升具有良好的应用前景。如果将其应用于成像观察中，需考虑采取其他办法弥补所损失的分辨力。