双微通道板紫外像增强器工作特性研究
为了研究双微通道板(MCP) 对紫外像增强器辐射增益的影响，本文利用南京理工大学制造的宽光谱像管增益测试仪，对单MCP 和双MCP 紫外像增强器的辐射增益分别进行了测试分析。通过改变阴极电压、MCP 输出端电压这两个参数,研究了紫外像增强器辐射增益的变化情况。结果表明，相同工作状态下，双MCP 的辐射增益是单MCP 的100 倍，这一现象与日本Hamamatsu 公司报道的数据十分吻合。单MCP 紫外像增强器，阴极饱和电压在300 V 附近，而双MCP 紫外像增强器，阴极电压在300 V 附近未见饱和现象出现。单MCP 和双MCP 紫外像增强器中MCP 的工作电压分别为800 和1100 V。此研究有助于探讨双MCP 紫外像增强器的合适工作参数，对提高紫外辐射探测成像技术具有十分重要的意义。
日盲型紫外像增强器具有良好的日盲特性、高紫外灵敏度、可大面积凝视成像和噪声小等优点，已在军民两用市场上得到了广泛的应用。军用上，紫外告警系统已被欧美等军事强国大量装备,如AN/AAR-57A 型已经发展到AN/AAR-57A( V) 型,其具有虚警率低、被动成像、可与红外告警系统构成双色系统等优点。民用上，可在阳光下用于公安刑侦上指纹识别、照相和记录等。根据所含微通道板( MCP) 的数量，紫外像增强器可分为单、双和三MCP 紫外像增强器。这些紫外像增强器的性能因MCP 的数量不同而有所差异，特别体现在增益和分辨率性能上。单MCP日盲型紫外像增强器在国内已经研制成功，其技术指标与国外相当。但是，因为单MCP 紫外像增强器辐射增益低，其在紫外告警和高压电线绝缘柱电晕探测等领域中的使用受到极大的限制。因此，多MCP 探测器被广泛研究，且其高增益特性已被国外众多国家的研究结果所证实。Hamamatsu报道了三种增益的定义。PROXITRONIC报道了双MCP 微光像增强器的光谱增益达到了108；John Martin 等报告了双MCP 的GaAs 光阴极光电倍增管的性能。Ottmar Jagutzki等报道了三个MCP 构成的时间-位置敏感交叉延迟线输出光子计数器的性能。Hamamatsu 报道了V4170U-23双MCP/ 日盲型0紫外像增强器的性能,辐射增益为G545nm/G254nm= 1×106。关于双MCP 对电子增益的影响已开展了很多研究工作，双MCP 能够增加电子增益，这已成为公认的事实。但是，由于先前国内一直没有研制出双MCP 紫外像增强器，所以如何正确使用双MCP 紫外像增强器，使其发挥其正常水平一直处于理论分析的层面，进而关于两块MCP 对紫外像增强器辐射增益影响的报道甚少。
将单MCP 和双MCP 紫外像增强器作为研究对象，利用南京理工大学制造的宽光谱像管增益测试仪，通过改变阴极电压、MCP 两端电压这两种不同工作条件下的紫外像增强器的辐射增益进行了对比测试与分析。此研究有助于探索正确使用双MCP 紫外像增强器的有效途径，掌握其性能特点,使其在微弱紫外探测成像领域发挥其技术优势具有十分重要的意义。
1、紫外像增强器结构
实验用单MCP 和双MCP 紫外像增强器均由陶瓷-金属制成的双近贴聚焦结构，如图1 所示。工作原理为入射紫外光照射紫外像增强器的光电阴极时激发出光电子，在前近贴聚焦系统的作用下，加速输运到MCP 输入面，经过MCP 的电子倍增系统后，大量电子轰击荧光屏成像。图1 中紫外像增强器中的光电阴极均为Cs2Te,荧光屏为P20 荧光屏，其工作电压为+ 4.2 kV。
图1 紫外像增强器的结构示意图
2、辐射增益定义
辐射增益GK 的定义为荧光屏发射峰值波长处辐射出射密度与光阴极响应峰值波长处入射度照度之比。本文所研究的紫外像增强器的光电阴极窗口和荧光屏窗口的尺寸相同，均为直径18 mm。因此,GK 可定义为荧光屏发射峰值波长处的辐射功率与光阴极响应峰值波长处入射功率之比。利用辐射功率计，分别测量荧光屏波长555 nm 处的辐射功率P1 和紫外光源波长254 nm 处的入射到阴极面的辐射功率P2，从而得到
3、实验测试
分别以单MCP 和双MCP 紫外像增强器为研究对象，通过改变阴极电压、MCP 两端电压利用宽光谱像管增益测试仪，对不同工作条件下的紫外像增强器的辐射增益进行了对比测试与分析。在紫外光源波长为254 nm 处，单MCP 紫外像增强器的光电阴极灵敏度为28.7 mA/W，双MCP 是30 mA/W。测试过程中，两种紫外像增强器的阴极面辐射照度均为7.38 × 10-10 W。
3.1、阴极电压对紫外像增强器辐射增益的影响
在其它电压不变的条件下，通过改变阴极所加电压，测试两种紫外像增强器的辐射增益值，并绘制成曲线。测试时，对于单MCP 和双MCP 紫外像增强器而言，MCP 输入端均接地，MCP 输出端电压分别为+ 800 和+ 1600 V，荧光屏电压均为+ 4200 V。对于单MCP 紫外像增强器，阴极所加电压从- 100V 变化到- 300 V；对于双MCP 紫外像增强器，阴极所加电压从0 V 变化到- 300 V，两者的调节步长均为50 V。图2 为辐射增益随阴极电压的变化曲线。横坐标为阴极电压的绝对值，变化范围为100~ 300V。左侧纵坐标为单MCP 紫外像增强器的辐射增益值，最大值为900，右侧纵坐标为双MCP 紫外像增强器的辐射增益值，最大值为1.2 × 105，两者相差近130 倍。
由单MCP 紫外像增强器的辐射增益随阴极电压的变化曲线可以看出，当阴极电压较低时，辐射增益的增加速度较快。随着电压的升高，辐射增益的增加速度逐渐变慢。当阴极电压在300 V 附近时,辐射增益几乎不再增长，成为一条与横坐标轴平行的直线，说明此时光电阴极的光电发射已经达到了最佳工作状态。从双MCP 紫外像增强器的曲线可见，在阴极电压变化过程中，辐射增益始终以相同的增加速度直线上升，阴极电压在300 V 附近时未见饱和现象发生。
图2 辐射增益随阴极电压的变化曲线
3.2、MCP 工作电压对紫外像增强器辐射增益的影响
通过改变MCP 输出端电压，在其他电压不变的条件下，测试紫外像增强器在不同MCP 电压条件下的辐射增益值，并绘制成变化曲线。测试时，对于单MCP 和双MCP 紫外像增强器而言，阴极电压均为-300 V，MCP 输入端均接地，荧光屏电压均为+ 4200V。对于单MCP 紫外像增强器，MCP 输出端电压的变化范围为+ 500~ + 800 V；对于双MCP 紫外像增强器,MCP 输出端电压的变化范围为+ 700~ + 1200V，两种紫外像增强器的调节步长均为50 V。图3为紫外像增强器辐射增益随MCP 工作电压的变化曲线。横坐标为MCP 工作电压，左侧纵坐标为单MCP 紫外像管辐射增益值，最大值为900 W/W；右侧纵坐标为双MCP 紫外像管辐射增益的值，最大值为1.2 × 105 W/W，两者相差近130 倍。
图3 紫外像增强器辐射增益随MCP 工作电压的变化曲线
从图3 可以看出，对于紫外像增强器而言，随着MCP 电压的升高，辐射增益增加。当MCP 电压大于700 V 时，单MCP 紫外像增强器辐射增益与MCP 电压几乎为线性关系，此状态下的MCP 达到了临界工作状态；当MCP 电压为800 V 时，单MCP 紫外像增强器辐射增益出现变缓的趋势，几乎达到了峰值，这一现象说明单MCP 紫外像增强器中MCP 电压对辐射增益影响的线性区域在700~ 800 V。从双MCP紫外像增强器辐射增益与MCP 电压的变化曲线可以看出，当MCP 电压在700~ 1100 V 之间时，辐射增益随着MCP 电压的变化情况成线性增长趋势；当MCP 电压大于1100 V 时，辐射增益随着MCP 电压的增长速度逐渐变缓，可能是双MCP 像增强器的第2 块MCP 的电流自饱和作用所致。
4、讨论与分析
从图2 和图3 可见，上述实验的工作条件下，单MCP 紫外像增强器的辐射增益的最大值为1.5 ×103，双MCP 紫外像增强器的辐射增益的最大值为2.1 × 105。双MCP 紫外像增强器的辐射增益约为单MCP 的100 倍，这与日本Hamamatsu 报告的倍数关系十分吻合。
从图2 可见，当单MCP 紫外像增强器的光电阴极达到饱和光电流时，阴极电压在300 V 附近；双MCP 紫外像增强器阴极电压在300 V 附近时未出现饱和。分析原因可知。像增强器在正常工作时，维持光电发射要依赖于光阴极的真空界面有向内的电场强度。这一电场是由电子光学系统提供的。光阴极的光电发射将产生空间电荷。此空间电荷所形成的附件电场与电子光学系统的电场相反。直到两者电场强度相互抵消时，光阴极产生的光电流成为饱和光电流。双MCP 紫外像增强器和单MCP 紫外像增强器的光阴极都是Cs2Te，但是由于双MCP 紫外像增强器安装有2 块MCP，第二块MCP 与光阴极间距比单MCP 紫外像增强器中MCP 与光阴极之间的间距大，因此要使此空间内保持相同的电场强度，就要求双MCP 紫外像增强器的光阴极与MCP 之间的电压要高于单MCP 紫外像增强器这两极间电压。
从图3 可以看出，单MCP 和双MCP 紫外像增强器的MCP 最佳工作电压范围分别为700~ 800 V 和700~ 1100 V。对于双MCP 紫外像增强器而言，虽然第二级的MCP 和第一级的MCP 质量完全相同，但是像管制作过程中的工艺因素差异，第二级MCP 的增益值将大于第一级MCP。在第一级MCP 内的电子倍增作用下，到达第二级MCP 的入射电子密度将超过第一级MCP 的入射电子密度。如果MCP 两端的电压过高，那么第二级MCP 内将会出现电流饱和效应，使得增益不再上升。鉴于以上原因，双MCP紫外像增强器的正常工作电压不会是单MCP 紫外像增强器的两倍。
5、结论
利用南京理工大学制造的宽光谱像管增益测试仪，通过改变阴极电压、MCP 输出端电压对单MCP和双MCP 紫外微光像增强器的辐射增益分别进行了测试分析。双MCP 紫外像增强器的辐射增益比单MCP 紫外像管的辐射增益高100 倍，这与国外报道的数据相吻合。单MCP 紫外像增强器的阴极电压为300 V 左右时，光电阴极达到饱和光电流，而双MCP 的电压值在300 V 附近时未见光电阴极饱和光电流出现。双MCP 紫外像增强器的MCP 正常工作电压为700~ 1100 V，而不是单MCP 的两倍。因此采用双MCP 紫外像增强器探测更微弱的紫外辐射。本文开展的研究对于更微弱的紫外辐射探测成像技术具有重要意义。
