微通道板的噪声评价方法研究.pdf

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1、硕士论文微通道板噪声因子评价方法研究 摘7 要 微通道板作为一种具有多种优点的电子倍增器件，在众多探测领域被广泛应用。噪 声特性是评价微通道板的重要指标，目前国内外对微通道板噪声的评价主要利用研究测 试微通道板噪声因子的方式。本文针对微通道板噪声因子测试过程中出现的瓶颈问题， 对微通道板噪声测试理论和实现方法进行了深入的研究。 本文首先介绍了微通道板的发展概况和前景，研究了有关微通道板结构、正作原理 以及微通道板噪声评价的理论知识。结合已有噪声因子测试系统平台，研制了带有噪声 激励的面源电子枪系统作为噪声因子测试实验的输入信号源，该面源电子枪由单片机控 制系统、高压电源组件、电子枪系统组成，采

2、用单片机系统产生含有噪声激励的电压信 号驱动高压电源，高压电源控制电子枪灯丝产生带有噪声激励的面电子束信号作为微通 道板噪声因子测试实验的输入信号，实现了通过单片机系统控制程序编程来改变和控制 输入电子束的信噪比数值，提高了测试结果的测试的合理性和精确度。利用带有噪声激 励的面电子源系统进行实验测量，对大量无离子阻挡膜和带有离子阻挡膜的微通道板进 行噪声因子测试实验，通过改变微通道板工作电压、灯丝与微通道板之间电压改变微通 道板工作状态，研究分析不同工作条件下通道板的噪声特性。论文最后，对本文工作进 行总结，提出需要进一步解决的问题。 关键词：微通道板，噪声因子，面电子源，噪声激励 A b s

3、 t r a c t 硕士论文 A b s t r a c t T h eM i c r o c h a n n e lP l a t ea saE l e c t r o nm u l t i p l i e rd e v i c ew h i c hh a sm a n ya d v a n t a g e sh a s b e e nw i d e l yu s e di nm a n yd e t e c t i o nf i e l d T h en o i s ef a c t o ri sa ni m p o r t a n ti n d e xo fM C E N o wt h

4、 ee v a l u a t i o no fM C Pi sm a i n l yd e p e n do nt h ed e t e c t i n gs y s t e mo fM C P Sn o i s ef a c t o r a th o m ea n da b r o a d F o c u s i n go nt h eb o t t l e n e c kp r o b l e mi nt h ep r o c e s so ft h ed e t e c t i n g s y s t e mo fM C P Sn o i s ef a c t o r , t h i

5、sp a p e rm a k e s at h o r o u g hr e s e a r c ho ft h et e s tt h e o r ya n di t s i m p l e m e n t a t i o nm e t h o do f t h ed e t e c t i n gs y s t e mo fM C P Sn o i s ef a c t o r T h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h eg e n e r a ls i t u a t i o na n dt h ep r o s p e c t s

6、o ft h eM i c r o c h a n n e l P l a t e ，s t u d i e st h es t r u c t u r eo fM C P , w o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h e o r yk n o w l e d g eo ft h en o i s e e v a l u a t i o no fM C RB a s e do nt h ee x i s t i n gp l a t f o r mo ft h ed e t e c t i o ns y s t e mo fn o i s e c h a r

7、 a c t e r i s t i c ，m a k ear e s e a r c ho ft h ei n p u ts i g n a ls o u r c ed e v e l o p e dw i t hn o i s ei n c e n t i v e s y s t e mn o i s ef a c t o r sa ss u r f a c ee l e c t r o ng u n t o t e s tt h ei n p u ts i g n a lS O u r C eo ft h es u r f a c e e l e c t r o ns o u r c e

8、 ，w h i c hh a st h en o i s ee x c i t a t i o n T h es u r f a c ee l e c t r o ns o u r c ei sm a d eu po ft h e e l e c t r o ng u n ，s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e ma n dt h eh i g hv o l t a g ep o w e rs u p p l y c o m p o n e n t s ，u s i n gt h ev o l

9、t a g es i g n a lp r o d u c e db yt h es i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e rs y s t e mt o d r i v eh i g hv o l t a g ep o w e rs u p p l y , t h e nh i g hv o l t a g ep o w e rs u p p l yp r o d u c e st h es i g n a lo ft h e s u r f a c ee l e c t r o na st h ei n p u ts i g n a lo f

10、t h ed e t e c t i n gs y s t e mo fM C P Sn o i s ef a c t o rg r e a t l y i n c r e a s i n gt h ec o m p a r a b i l i t yo f t h ei n p u ts u r f a c ee l e c t r o nb e a mn o i s ev a l u ea n ds i g n a lv a l u e a n di m p r o v i n gt h ea c c u r a c yo ft h et e s tr e s u l t s A n da

11、 l s om a k ea ne x p e r i m e n to ft h es u r f a c e e l e c t r o ns o u r c es y s t e mw h i c hh a st h en o i s ee x c i t a t i o na n dt e s te x p e r i m e n t a ln o i s ef a c t o r so f t h eM C P 、析mt h ei o nb a r r i e rf i l ma n dt h eM C Pw i t h o u ti o nb a r r i e rf i l m

12、B yc h a n g i n gt h e w o r k i n gv o l t a g eo ft h eM C P , t h ew o r k i n gs t a t eo ft h ec h a n g eo ft h ev o l t a g e ，s t u d yt h en o i s e c h a r a c t e r i s t i c su n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s F i n a l l y , t h i sp a p e rm a k e sas u m m a r

13、 ya n d r a i s e st h ep r o b l e m sw h i c hn e e df u r t h e rr e s e a r c h K e y w o r d s ：M i c r o c h a n n e lP l a t e ，N o i s ef a c t o LS u r f a c ee l e c t r o ns o u r c e ，N o i s ee x c i t a t i o n H 硕士论文微通道板的噪声评价方法研究 目录 摘要。I A b s t r a c t I I 目录I I I l 绪论1 1 1M C P 发展现状

14、1 1 2 本论文的研究背景3 1 3 本论文的主要工作3 2M C P 噪声评价的理论基础5 2 1M C P 工作原理5 2 1 1M C P 结构及原理。5 2 1 2M C P 材料及通道内壁结构6 2 1 3M C P 二次电子发射及电子倍增8 2 1 4 三代像增强器中M C P 的离子阻挡膜8 2 2M C P 评价参数9 2 2 1M C P 的分辨力、通道孔径与开口面积比9 2 2 2M C P 的电流增益1 1 2 2 3M C P 的电阻特性11 2 3M C P 的噪声评价方法1 2 2 3 1M C P 的噪声来源1 2 2 3 2M C P 噪声因子理论1 2 3

15、含有噪声激励的面输入电子源系统设计1 5 3 1M C P 噪声因子测试系统1 5 3 1 1 测试平台硬件机械系统1 6 3 1 2 真空系统19 3 1 3 测试平台高压电源系统2 0 3 2 面电子源系统2 0 3 3 噪声激励算法研究2 3 3 4 噪声激励控制系统研制2 4 3 4 1 噪声激励控制系统的原理。2 4 3 4 2 噪声激励控制系统核心单片机8 0 51 简介2 5 3 4 3 噪声激励控制系统数模转换芯片D A C 0 8 3 2 简介2 7 I I I 目录 硕士论文 3 4 4 电路设计2 8 3 4 5 程序设计3 2 4M C P 噪声因子测试实验和分析3 3

16、 究 显 点 作 用；同时在民用领域，夜视技术也有着蓬勃的发展前景，在航天航海等方面发挥着十分 重要的作用 2 1 。 目前夜视技术主要有两个不同的发展领域【3 】：一是在夜晚低照度条件下，物体对人 眼所不能感知的自然微弱光的反射和辐射区分目标和背景，使得在肉眼无法分辨和识别 的微弱照度下的目标成为可见，也称为微光夜视技术；二是利用3 - S u m 和8 1 4 u r n 两个 波段的大气窗口，通过接收红外辐射来区分目标和背景，使红外热目标成为可见目标， 也称为红外热成像技术。红外热成像技术和微光夜视技术相比较而言，互有优缺点，可 以相互补充发展。微光夜视器材造价相对低廉，器材外形尺寸较小

17、，但是探测范围也比 较小；而红外成像技术产品体积庞大，造价昂贵且系统复杂，但是性能稳定，探测范围 也较远，不容易受天气影响1 4 J 。目前的红外热成像器件和微光夜视器件都可以在被动状 态下识别目标，隐蔽性都比较高。 在当前的微光夜视技术领域中，微光像增强器是主流器件。微光像增强器首先收集 微弱的光辐射照射目标后所反射的微弱光线组成的图像信号，然后通过光电转换变换为 电子图像信号，经过对电子信号的倍增放大，通过荧光屏幕进行电光转换成为人眼可识 别的可见光目标信号【5 J 。微光像增强器在上世纪六十年代问世，进过了几十年的发展， 微光夜视技术取得了巨大的进步和发展。 最早在上世纪三十年代，第一个

18、S b C s 光电阴极问世，产生了主动式红外成像器件， 探测时需要利用主动的红外发光源照射目标，目标反射红外辐射，接收器接收信号探测 目标位置。由于该器件必须利用红外光源对目标主动照射，隐蔽性很差，很容易暴露自 身位置。到六十年代初，N a 2 K S b ( C S ) 多碱阴极和光学纤维面板被研制成功，为微光像增 强器的发明奠定了基础。1 9 6 2 年，美国研制开发出第一代微光像增强器，它利用多碱光 电阴极N a 2 K S b ( C S ) 进行光电转换，用电子光学聚焦系统聚焦输入电子进行信号增益放 大，由于单级像管探测时增益不够大，所以第一代微光像管一般要采用三级级联结构以 获得

19、足够的增益【6 J 。由于微光像增强器是被动式探测，相比于当时的主动式红外探测技 术有更大的军事应用价值。第一代像管外形尺寸较大，成像畸变也很大，增益小且抗强 光干扰能力较弱。 在微光夜视技术发展的过程中，铅玻璃的二次电子发射特性被发现和掌握【7 1 ，随后， 1 1 绪论 硕士论文 B e n d i x 实验室利用将数千根空心玻璃管粘合在一起，研制成功了具有电子放大作用的二 维通道阵列，这就是最早的微通道板，B e n d i x 实验室将其成功应用在微光像增强器中， 使得微光像增强器的增益性能得到了大幅度的提高瞒J 。微通道板的出现及应用标志着微 光夜视技术从第一代发展到第二代。 第二代

20、微光夜视仪在7 0 年代初正式出现，仍然用多碱光电阴极作为光电转换元器 件，采用微通道板作为图像增强元件，极大的提高了像管的探测效率和增益特性。相比 于一代微光像增强器，二代像管阴极灵敏度得到提高，利用了微通道板高增益、高灵敏 度、高精度的特点，使像增强器的探测精度、图像清晰度得到了大幅度的提高【9 】；由于 单级放大增益就能满足探测要求，二代微光夜视仪的尺寸相比于一代像管小很多，携带 和使用都更加方便。由于微通道板本身特有的抗强光自饱和特性，令二代微光像增强器 有自动防强光的性能，实用价值也大大提高。但是，由于使用了微通道板，二代微光夜 视仪在放大微光信号时引入和放大了噪声信号，造成了输出图

21、像的图像清晰程度在一定 范围内的减小，信噪比参数也有一定的下降。 伴随着微光夜视技术的发展，微通道板的制造工艺等技术也有了飞速发展，其技术 指标得到了很大程度的提高，微通道板在增益性能、使用寿命、图像分辨力和噪声性能 等方面都有了很大的进步【1 0 。新一代微通道板在八十年代初出现，该系列微通道板生产 过程中使用了扩口工艺，增大了微通道板的开口面积比，提高了微通道板的探测效率和 信噪比；在输入端加镀了一层三氧化二铝的薄层，以阻挡工作过程中反馈离子对光电阴 极轰击所带来的损伤，大大提高了光电阴极的工作寿命，进而延长了像增强器的使用寿 命，但是也在一定程度上改变了微通道板的噪声特性【l 。这种带有

22、离子阻挡薄膜的M C P 一般应用在三代微光夜视仪器中。 1 9 7 9 年，美国的I T T 公司利用带有负电子亲和势特性的砷化镓材料制作的光电阴 极和带有离子阻挡膜的微通道板设计成近贴管式的第三代微光像增强器2 1 。这种高灵敏 度的砷化镓光电阴极相比与以前的N a 2 K S b ( C S ) 多碱光电阴极有很多优势，具有更高的 量子效率同时暗发射小，角分布集中，发射电子能量集中等特点，应用在三代微光像增 强器中大幅度的提高了光电阴极的光电转换效率，从而提高了像管的探测效率。但是负 电子亲和势的砷化镓光电阴极制造工艺复杂，造价相对比较高，工作过程中受到反馈离 子的轰击极易受到损害，影响

23、工作寿命，因而三代像管中的微通道板要在输入面沉积一 层多孑L 状的氧化铝薄膜来阻挡反馈离子轰击砷化镓光电阴极，这层离子阻挡膜极大的延 长了三代像管和光电阴极的使用寿命，也降低了离子闪烁噪声，但是也不可避免的降低 了入射光电子的能量【1 3 】，降低了高灵敏度光电阴极带来的高探测效率、高分辨率的优势。 超二代微光夜视仪在三代像管之后出现，其利用提高了量子效率的多碱光电阴极， 在二代微光像增强器发展比较成熟的理论和制造工艺水平的基础上，通过提高阴极灵敏 度及转换效率和减小微通道板噪声因子的途径，使超二代微光像增强器在信噪比和探测 2 硕士论文微通道板的噪声评价方法研究 率等参数上提高至接近三代像增

24、强器的水平。在实际应用中，超二代像管尽管在性能上 与三代像增强器还有一定差距，但以其造价低，工艺相对简单的优势，也令超二代像管 有较大的应用空间和发展前景I l 引。 三代微光夜视仪中离子阻挡膜极大地延长了三代像管的使用寿命，但是也降低了探 测效率，为了提高三代微光像增强器性能参数，都要采取在不影响阻挡膜对阴极的保护 效果的前提下，尽可能减薄离子阻挡膜的厚度的方法以提高探测效率，离子阻挡膜已经 成为阻碍三代像管性能提高的桎梏 I s l 。新一代像增强器( 有文献称为四代像增强器) 要 求在保护阴极寿命的基础上，将离子阻挡膜所带来的负面影响降到最低，采用改进的微 通道板材料，利用门控电路来控制

25、微通道板与光电阴极之间的电压1 1 6 ，使用体导电型微 通道板或者是减薄离子阻挡膜厚度的微通道板。其中体导电材料的微通道板采用体导电 新材料制成，无需烧氢处理【l7 1 ，大幅度减少了离子反馈，对离子阻挡膜厚度的要求也相 应降低，改善了信噪比同时提高了探测效率。 1 2 本论文的研究背景 微通道板是二代、三代、超二代、四代微光像增强器的关键部件，M C P 技术的发 展推动着像增强器性能的提高，提高微通道板的性能对微光像增强技术的发展起到关键 性的作用。目前国内对于M C P 相关性能参数的测量主要包括M C P 的电流增益、M C P 板 阻以及M C P 的均匀性等参数测试，对M C P

26、 噪声性能的测量评价研究很少。M C P 的噪声 是像增强器噪声的主要来源之一，因此研究M C P 的噪声特性很有必要。目前北方夜视 公司、微光国家重点实验室及南京理工大学多家单位正在合作开展高性能三代微光像增 强器的研制，降低通道板的噪声是其中的重要研究内容，南京理工大学承担了微通道板 噪声的测试方法研究任务。本文的研究内容是其中一个重要组成部分，针对微通道板的 噪声因子测试过程中出现的瓶颈问题，开展在系统平台的输入面电子信号中加入噪声激 励以提高测量精度的研究。 1 3 本论文的主要工作 本文结合需要完成的任务，在查阅和学习了大量中外科学技术文献资料的基础上， 围绕像管测试开展了如下工作：

27、 ( 1 ) 学习了微光像增强器的结构、工作原理和参数条件，对M C P 的信噪比、噪声 因子等参数的科学内涵和测试方法进行了深入的研究和分析，并且在此基础上，针对目 前M C P 噪声因子测试瓶颈问题，在课题组多年研究开发出的已有M C P 噪声因子测试系 统平台的基础上，提出了利用带有噪声激励的输入面电子源系统实现噪声因子测试的具 体解决方案。 ( 2 ) 设计含有噪声激励的面电子源系统，利用单片机系统控制电子枪电压，从而 3 l 绪论硕士论文 控制电子枪输出电子束信号。在电子枪电压加入实验需要的0 “ - - - 1 0 1 - I z 噪声信号，得到含 有噪声激励的面电子源输出电子束。

28、用所得带有噪声激励的电子柬入射信号作为噪声因 子测试实验中M C P 输入端的入射信号，以克服现有M C P 噪声因子测试实验中由于输入 信噪比过高、噪声信号电流太小而难以精确测量所带来的困难和问题。 ( 3 ) 利用改进后的实验系统进行大量的M C P 噪声因子测量，整合分析数据，检验 在输入信号中添加噪声激励后的实际测试效果。分别对有离子阻挡膜和无膜的M C P 进 行噪声因子测试，分析数据；选定一批微通道板，分别测量不同工作状态下M C P 的噪 声情况，在其它条件不变的情况下，分别改变微通道板工作电压和入射信号电流，进行 实验测量并分析所得结果。 4 微通道板的噪声评价方法研究 2 1

29、 1I I I C P 结构及原理 微通道板是由多达数百万个尺寸极小的空心玻璃通道规则而紧密排列组成的玻璃 薄片。图2 1 所示是M C P 的基本形状和结构。其每个单独的通道孔都可以当作一个独立 的光电倍增管的连续打拿极，薄片两侧面都镀有镍铬金属薄层作为电极，外缘是没有通 道的实体边玻璃，起着M C P 的支撑作用，实体边表面同样镀有金属薄层，良好的实体 边能够使微通道板端面良好接触以便施加工作电压。 电极 面均有 图2 1 微通道板基本形状结构图 微通道板必须工作在真空环境下，在两端面旆加工作电压后，每一个通道作为单独 的通道打拿极可以对进入其中的电子或者带荷粒子进行连续打拿放大【l 引。

30、其工作机理就 是利用M C P 通道材料的电子倍增特性，通道内表面在一定能量电子的撞击下可以产生 二次电子。通道内壁具有均匀的电阻特性，这样加在微通道板两端的电压在通道内壁就 实现了均匀分压，形成了一个连续而均匀的电场，二次电子在这个电场的作用下加速移 动继续碰撞通道内壁，这样连续发生二次电子碰撞，进过多次放大和碰撞之后，电子数 量猛增，信号得以迅速放大，放大后的大量电子从通道输出端出射，有文献称此过程是 “电子雪崩”【19 1 。 像管工作时，由光电阴极对由光强度分布的微弱光图像信号进行光电转换变为电子 密度分布图像，在电压的作用下入射到微通道板输入面，微通道板数以百万计的通道把 二维电子图

31、像信号分成同等数量的像素点，然后分别进行电子倍增放大后输出，此时在 输出面上就组合出了经过放大的电子图像，在电场的作用下打到荧光屏上转换为光信号 图像，微光夜视仪就是这样通过M C P 进行光图像信号的增强的。 为了使光电子以足够的能量进入通道并且撞击内壁产生二次电子，微通道与输入输 出表面之间有一定的夹角，一般来说，微通道板表面与通道垂直线之间的夹角( 斜切角) 为5 3 0 0 ( 如图2 2 ) ，这样光电子入射就会以一个角度进入通道，直接撞击通道内壁产 生电子雪崩，减少电子在通道内直接穿行的概率，这样能够最大限度的发生电子打拿放 5 2i I C P 噪声评价的理论基础硕士论文 大作用

32、，增强探测效率。 为了增大M C P 的探测效率，生产过程中，微通道板通道都采用扩口工艺处理，使 M C P 入射面的微通道端口呈漏斗型开口，这样会有更多的光电子进入通道，也减少了 光电子撞击通道空隙产生反弹后进入相邻或者更远的通道的几率，提高了探测效率。 微通道板的增益取决于M C P 两端的工作电压值、通道长度与通道直径的比值和首 次电子碰撞能量及M C P 内表面材料的二次电子发射系数。首先可以通过调节M C P 两端 面所加的电压来调节M C P 的增益。因为增益的大小与通道长径比有关而不是取决于通 道长度，因此M C P 的实际尺寸和通道的孔径可以做到非常小，这样可以使电子图像的 放

33、大像素点缩小，从而提高像管图像二维分辨力【2 0 J 。研究表明，微通道板工作电压与通 道长径比的比值的最佳值为2 2 左右，而微通道板工作电压一般要小于1 0 0 0 V ，因此通 道长径比数值一般在4 0 到5 5 之间。 图2 2M C P 截面结构示意图 2 1 2M C P 材料及通道内壁结构 构成M C P 所需的材料包括实体边材料，主体皮玻璃材料和工艺过程中腐蚀掉的芯 料玻璃。 一 因为M C P 通道尺寸小，厚度很薄，还会应用在近贴型微光夜视仪中，所以微通道 板需要有强度比较高的实体边来保证M C P 的机械强度，以保证在对M C P 进行各种操作 时不会出现损伤。其材料要保证

34、在各个工艺阶段中不变形、腐蚀，就需要耐高温，耐腐 蚀。 主体玻璃材料的成分、熔炼工艺以及制成玻璃通道之后的质量和尺寸精度将会直接 影响到M C P 的各项性能比如：M C P 的增益、噪声特性、二维空间灵敏度、烘烤温度和 电子清刷剂量。此外玻璃材料还要保证以后的实际应用及批量生产等等因素，因此实体 皮玻璃材料需考虑以上的种种因素的要求。皮玻璃材料一般要掺入适量的碱金属或者碱 金属氧化物，这样使通道内壁的二次电子发射峰值大而稳定，使得微通道板的增益提高。 据研究表明，铅铋氧化物在烧氢工艺中会在表层被还原出金属单质，在微通道板工作时 提供电子，而原子半径小的碱金属氧化物如氧化钾、氧化钠等在经过电子

35、清刷或者高温 除气处理时会发生挥发或者碱金属离子移动的情况，这样会使电子倍增效率降低从而减 6 硕士论文微通道板的噪声评价方法研究 小M C P 增益。 在制作微通道板的工艺过程中，芯料玻璃主要在拉丝和熔压工艺中起支撑作用，以 确保通道排列方式的精确性和完整度以及微通道板通道形状。芯料在腐蚀工艺中芯料玻 璃需要被腐蚀掉，还要保证在之前的各项工艺中不变形，这就使得芯料玻璃材料需要有 相应的化学腐蚀性能和热物理性能。在实际工艺中，芯料玻璃材料的腐蚀速率要比主体 材料至少快三个数量级。 微通道板的通道内壁是微通道板的主要工作面，是二次电子发射过程发生的位置。 内壁的主要材质是经过烧氢工艺处理后的铅(

36、 铋) 硅酸盐玻璃，烧氢工艺将玻璃表层铅 或铋金属氧化物还原，这些还原出来的铅或铋金属单质和其中间的处在亚稳态的离子可 以为硅酸盐玻璃提供电子雪崩反应所需要的电子，并且使其具有表面导电性能。 M C P 通道内壁材料如图2 3 所示，通道内表面的表层是不均匀的层状结构。最表层 是1 1 5 n m 的碱金属离子的单分子层，下面就是厚度约为l O - 2 0 n m 的富二氧化硅层，二 次电子发射反应就在富硅层发生，发生位置在距离表层3 n m 左右的表层。通道内壁距离 表层2 0 0 r t m 的范围内吸附着一定量的气体分子，主要是氮气、水、氢气、二氧化碳和氮 氧化物，这些气体有一部分来源于

37、微通道板材料的制造过程，其余来自于微通道板烧氢 工艺过程。距离表层1 5 0 3 0 0 n t o 范围内，是碱金属氧化物还原成金属单质后的金属颗粒 集聚层，表层碱金属层就是由这里的金属离子蒸发过去的。这一层碱金属浓度相对较高， 可以使禁带宽度大于电子亲和势的玻璃材料表面发生能带弯曲，降低势垒能量，提高了 二次电子发射的效果，从而使M C P 增益性能提高。 首次电子富硅发射层还原层厚度0 15 I J 雕0 3 p m 3 n m 发射层与导电层之问盼过泼层气体吸附层厚度0 2 l j m 图2 3 微通道板通道壁材料示意图 通道内壁在原子显微镜分析下结构如图2 4 所示，为复杂的起伏结构

38、，这些起伏尺 寸在纳米级别。这样的结构极易吸附气体分子，而所吸附气体在高压下被高能量电子轰 击会产生电离反应，严重影响M C P 工作性能和像管的工作寿命。通过对微通道板进行 高温烘烤和电子清刷可以大幅度清除内壁吸附的气体分子，有效减少离子反馈反应，从 而减小像增强器对M C P 离子阻挡膜的厚度要求，进而提高M C P 的信噪比和探测效率 J 。如何改进M C P 制造工艺，使通道内壁更加光滑以减少气体吸附，目前是M C P 发展 7 2M C P 噪声评价的理论基础 硕士论文 进步的一个重要课题。 图2 4 电子显微镜一F 通道内壁 2 1 3M C P 二次电子发射及电子倍增 微通道板就

39、是利用数以百万计的微通道对电子图像进行分割和连续打拿放大进行 信号增益的，主要机理就是利用微通道板通道内壁的玻璃材料具有的二次电子发射特性 2 2 】。二次电子发射是指具有一定能量的带荷粒子撞击到材料表面时，会在表面激发放射 出更多电子。经过烧氢工艺的铅玻璃材料被具有一定能量的带荷粒子撞击后，会在表面 发射出更多的电子。 在微通道板工作时，微光图像照射到光电阴极上，使光电阴极发生光电转换，发射 出相应的电子形成电子图像在电场的作用下照射到M C P 上，图像各个部分的电子信号 就进入相应通道，其中绝大部分的电子都具有足够的能量撞击到通道内壁并且发生二次 电子发射反应，产生的二次电子在M C P

40、 电场作用下继续移动加速撞击内壁，经过一系 列的二次发射，最终在通道输出端将有大量电子信号输出，这就是电子雪崩反应，如图 2 5 所示。所有通道的放大信号输出后照射在荧光屏上，电子图像信号就转换成光图像 信号，人眼此时看到的就是被放大的微光信号【2 3 J 。 输入 图2 5 通道电子放大过程示意图 2 1 4 三代像增强器中M C P 的离子阻挡膜 电子在通道内壁由于电场加速作用，能量会原来越大，如果通道内壁吸附有气体分 子，在大能量的电子撞击下，就可能发生电离。气体电离产生的正负离子在电场的作用 8 硕士论文微通道板的噪声评价方法研究 下加速移动，正离子向着反方向移动加速，当被电场加速带有

41、很大能量的正离子从通道 输入口撞击出去，轰击到光电阴极上，这会严重损伤光电阴极，极大的减少其工作寿命。 三代像增强器相比于二代，应用了砷化镓光电阴极，这是一种负电子亲和势的材料， 使得光电阴极的探测灵敏度大大提高，但是光电阴极的成本提高，也更加的脆弱，很容 易被离子反馈损伤阴极活性而减少使用寿命，于是在三代像增强器光电阴极和微通道板 输入面之间在微通道板上沉积了一层三氧化二铝或者二氧化硅的薄层，以阻挡反馈离子 撞击光电阴极或者减小反馈离子的轰击能量，j 这层薄膜称为离子阻挡膜。 这层离子阻挡膜能够保护砷化镓光电阴极安全，但是也不可避免的降低了入射电子 的能量，使得部分电子信号进入通道时没有足够

42、的能量在第一次撞击就产生二次电子发 射，从而降低了微通道板的增益1 2 4 。同时，因为微通道板通道之间有间隙，不可避免的 有一部分电子没有进入通道而撞击在通道间隙反弹回去，没有离子阻挡膜时，这部分电 子会在电场的作用下重新输入进入相邻通道，离子阻挡膜则阻碍了这部分电子，更进一 步削弱了像增强器的探测能力。在电子信号入射到离子阻挡膜时，阻挡膜还会对信号在 一定程度上进行散射，这样在强光信号状态下会在输出图像产生光晕，影响图像质量和 清晰度。第三代微光像增强器由于受到离子阻挡膜的影响，砷化镓光电阴极所带来的高 量子效率在像管性能提高的效果中大打折扣。 实际制造工艺中，在不影响离子阻挡效率的基础上

43、，膜的厚度越小越好，离子阻挡 膜在一定程度上已经成了三代像增强器性能提高的障碍。 2 2M C P 评价参数 2 2 1M C P 的分辨力、通道孔径与开口面积比 微光夜视仪的图像分辨性能是其参数指标中的一个重要指标，像管中各部分性能都 对这个参数产生影响，如阴极、微通道板、通道板与荧光屏之间的信号传递，其中微通 道板的图像分辨性能对微光夜视仪的图像分辨力性能有非常大的影响。 M C P 的图像分辨力主要取决于其通道间距，理论上微通道板的极限分辨能力为： R ：墨坠( 2 1 ) 4 3 x d c R 是M C P 图像分辨力理论极限值，d c 为M C P 的实际通道中心间距。 如图2 6

44、 所示，在实际工作中，电子从微通道板孔径中弹射输出，都会以一个比较 大的角度输出，而微通道板与荧光屏之间也不可避免的有一定的距离，所以对于实际应 用中的M C P 的图像分辨力相比其理论极限值要小很多。 9 2M C P 噪声评价的理论基础硕士论文 臣田二次电子 8 0 0 V 电压 图2 6 放大后信号电子出射不恿图 理论上，微通道板的增益与其实际尺寸大小无关而是取决于其长径比，所以通过缩 小M C P 尺寸，减小通道间距，缩小通道孔径，可以在一定程度上提高其图像分辨力， 但是也带来了工艺难度增大，机械强度减小等问题，而且在缩小M C P 尺寸的情况下， 微通道板的开1 2 面积比也势必将受

45、到影响而减小，使实际增益和探测效率进一步降低。 微通道板的开口面积比是指M C P 的通道孔径面积与整个微通道板工作区域总面积 的比值，此比值越大，能够直接进入通道的电子就越多，微通道板的探测效率就越高。 电子入射至M C P 输入面时，总有一部分电子没有顺利进入通道而是撞击在通道间 隙上造成反弹，此部分电子在电场的作用下会重新返回进入通道，但是由于电子运动带 有横向分量，使得这部分电子往往要进入相邻通道或者更远的通道。在强电光源存在的 情况下，这些电子会产生光晕，降低图像质量和输出信噪比。因此提高M C P 开口面积 比能够使M C P 噪声性能得到优化1 2 引。 为保留足够的主体玻璃架构来保证微通道板结构完整，M C P 的开口面积比在普通 情况下不会超过6 0 。在生产制造过程中，可以对微通道板进行特殊的处理，即微通道 板的扩I ：1 - 1 - 艺，可以显著的提高M C P 的开1 2 1 面积比，使开1 2 1 面积比值能够到7 5 以上【2 6 J 图2 7 ( a ) 和图2 7 ( b ) 即为M C P 通道扩口结构图。 入瓣毙 毙瞧予 Ak - ， 您咆戮锻 P 意电乎 图2 7M C P 通道扩1 2 1 结构示意图( a ) 图2 7M C P 通道扩V I 结构示意图( b ) 因为