超二代微光像增強器性能隨工作時間的變化規(guī)律研究

微光像增強器是微光夜視系統(tǒng)的核心器件，而超二代微光像增強器（以下簡稱像增強器）作為眾多像增強器種類之一，因其具有重量輕、體積小、電子倍增數(shù)量高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于海、陸、空等各軍兵種領(lǐng)域。像增強器的貯存、工作壽命等性能是其在軍備裝置上能否得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一，在實際使用和貯存過程中，伴隨著工作時間的增加，內(nèi)部腔體的真空度逐漸降低，使用性能逐漸失效，像增強器失效的判定依據(jù)為亮度增益、信噪比、分辨力等某一關(guān)鍵性能指標降低到規(guī)定的閥值。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，北方夜視技術(shù)股份有限公司和微光夜視技術(shù)重點實驗室的聯(lián)合科研團隊在《紅外技術(shù)》期刊上發(fā)表了以“超二代微光像增強器性能隨工作時間的影響研究”為主題的文章。該文章第一作者和通訊作者為曾進能工程師，主要從事真空光電器件的研究工作。

本文研究了超二代微光像增強器性能隨工作時間的變化規(guī)律，掌握性能變化特點。通過性能測試和曲線擬合，得出亮度增益、信噪比隨工作時間的變化逐漸下降，分辨力隨工作時間的變化幾乎保持不變。

像增強器及試驗方法

試驗用像增強器

試驗用像增強器由高壓電源、像增強管及填充硅橡膠的塑料外殼組合而成，是由北方夜視技術(shù)股份有限公司自主研制和生產(chǎn)的一型高性能像增強器。像增強器采用的高壓電源型號為GYH-053-4；像增強管的輸入窗為防光暈玻璃，光電陰極為S25+型，微通道板型號為Φ25/8，輸出窗為光纖倒像器，熒光屏采用P43熒光粉并蒸鍍鋁膜。針對本次試驗，采用編號為#306、#308、#309、#310的4具像增強器，其主要技術(shù)指標的初始值見表1。

表1 像增強器主要技術(shù)指標初始值

表1所列的靈敏度、微通道板（MCP）增益、熒光屏發(fā)光效率為灌封前所用的像增強管主要技術(shù)指標初始值，亮度增益、分辨力、信噪比、工作電流為試驗用像增強管與高壓電源裝配組合到塑料外殼并由硅橡膠灌封后得到的像增強器的主要技術(shù)指標初始值，以上試驗數(shù)據(jù)均按GJB 2000A-2020超二代像增強器通用規(guī)范中規(guī)定的測試方法獲得。

試驗方法

本文所用的像增強器工作壽命試驗包括光應(yīng)力試驗和電應(yīng)力試驗。光應(yīng)力試驗是在通電狀態(tài)下，對像增強器光電陰極施加輸入照度為5×10?? lx（色溫2856 K）的光，在每個周期（1 h）的通電時間內(nèi)，施加照度為1×10?2 lx的光持續(xù)照射5 s和施加50~200 lx的光持續(xù)照射3 s，兩次光脈沖的時間間隔不小于5 min。電應(yīng)力試驗是在像增強器加工作電壓后，在每個周期（1 h）的通電時間內(nèi)，按每通電55 min、斷電5 min的周期進行。試驗用像增強器共有4具，每具像增強器的累計工作時間為22698 h，每經(jīng)過200 h對亮度增益、信噪比和分辨力3項關(guān)鍵指標進行測試，試驗后與其指標的初始值比較分析，獲得像增強器關(guān)鍵性能指標隨工作時間的變化情況，并將工作22698 h后的像增強器解剖形成對應(yīng)的像增強管與高壓電源，分別對其關(guān)鍵性能進行測試，分析得到像增強器長時間工作后關(guān)鍵性能變化的原因。

關(guān)鍵性能變化情況與原因分析

亮度增益隨工作時間的變化規(guī)律

亮度增益是像增強器的關(guān)鍵指標之一，反映了像增強器對所接收微弱光輻射的增強能力，其高低主要影響夜視儀的視場亮度和探測能力，固定照度環(huán)境下亮度增益越高視場亮度越大，探測能力越強。對于像增強器而言，要使其能在星光或者月光的條件下使用，亮度增益需要達到3000 (cd/m2)/lx以上，才能滿足人眼視錐細胞視覺的光適應(yīng)狀態(tài)。為研究像增強器工作時間對亮度增益的影響，按照上述試驗方法，每隔200 h測試像增強器的亮度增益，累計工作時長為22698 h。4具試驗像增強器工作時間隨亮度增益的變化規(guī)律見圖1所示。

圖1 亮度增益隨工作時間的變化曲線(a)和擬合曲線(b)

信噪比隨工作時間的變化規(guī)律

信噪比是評定像增強器成像質(zhì)量的綜合指標，信噪比的高低直接與成像圖像內(nèi)的離子閃爍斑（雪花點）的數(shù)量直接相關(guān)，信噪比越高雪花點越少，反之則越多。因此，除對像增強器亮度增益與工作時間變化情況進行研究外，也對信噪比隨工作時間變化情況進行探討，試驗用像增強器為同一批，每隔200 h時通過信噪比測試儀測試試驗像增強器的信噪比，4具試驗像增強器信噪比與工作時間的變化情況如圖2所示。

圖2 信噪比隨工作時間的變化曲線(a)和擬合曲線(b)

分辨力隨工作時間的變化規(guī)律

分辨力是像增強器使用性能的重要指標之一，直接反映了像增強器分辨物體細節(jié)的能力，即能不能看清的問題。分辨力越高，則微光像增強器分辨細節(jié)的能力越強。因此，對長時間工作過程中像增強器分辨力變化情況進行研究顯得尤為關(guān)鍵。本文在研究亮度增益、信噪比后，通過分辨力測試儀對像增強器在工作22698 h后的分辨力變化情況進行統(tǒng)計，如表2所示。

表2 分辨力隨工作時間的變化

像增強器性能變化的原因分析

由圖1~2以及表2分析可知，像增強器隨著工作時間的增加，分辨力幾乎保持不變，亮度增益和信噪比均以不同趨勢降低。為分析亮度增益和信噪比下降的原因，將經(jīng)過22698 h長時間工作試驗的4具像增強器解剖形成對應(yīng)的像增強管和高壓電源，分別對其試驗后的主要技術(shù)參數(shù)進行測試，并將其與試驗前的參數(shù)進行對比，找出像增強器的性能變化原因。

像增強管關(guān)鍵性能變化

按照GJB 2000A-2020超二代像增強器通用規(guī)范要求，檢測解剖后的像增強管靈敏度、分辨力、MCP增益（800 V）、屏效及MCP帶電流5項關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，并與裝配前的參數(shù)進行比較，如表3和表4所示。

表3 試驗前后像增強管主要性能參數(shù)對比

表4 像增強管主要性能變化率

由表3可知，4具試驗像增強管工作22698 h后，其靈敏度、MCP增益及屏效均出現(xiàn)不同程度地下降，而分辨力和MCP帶電流基本不變。通過表3中像增強管的靈敏度、分辨力、MCP增益、屏效及MCP帶電流值計算得到像增強管的主要性能變化率，如表4所示。像增強器試驗前與工作22698 h試驗后，分辨力和MCP帶電流變化率基本為零，而靈敏度下降6.96%，MCP增益下降39.81%，屏效下降11.33%，其中MCP增益下降幅度最大。靈敏度下降原因主要與像增強器長時間工作后，內(nèi)部腔體真空度逐漸降低及受光照時間過久而緩慢發(fā)生光電陰極衰退；MCP增益下降原因除與腔體真空度相關(guān)外，還與MCP本身材料及特性相關(guān)；屏效下降原因主要與熒光粉特性相關(guān)，熒光粉在實際使用過程中，存在亮度衰減效應(yīng)。結(jié)合亮度增益和信噪比的相關(guān)理論分析，像增強管的MCP增益、靈敏度和屏效下降是導(dǎo)致像增強器亮度增益下降的主要原因，同時光電陰極靈敏度下降是導(dǎo)致信噪比下降的主要原因。

高壓電源關(guān)鍵性能變化

在相同條件下，測試比較了高壓電源試驗前和試驗后的主要技術(shù)參數(shù)。對試驗后高壓電源的陰極電壓Vc、陽極電壓Va及工作電流I關(guān)鍵性能進行檢測，并對試驗前后的變化率進行了計算，如表5所示。

表5 試驗前后高壓電源主要性能參數(shù)對比

由表5可看出，像增強器工作22698 h后，解剖后的高壓電源Vc、Va及I發(fā)生輕微變化，其中，Vc平均變化率為-1.04%；Va平均變化率為-0.09%；I平均變化率為-1.97%，I出現(xiàn)變化的主要原因是高壓電源與像增強管匹配后需要調(diào)整亮度增益和最大輸出亮度至最佳值，由于每具像增強管的MCP、光電陰極、熒光屏等部件的電性能存在差異，高電源與像增強管匹配后工作電流會出現(xiàn)上升或下降，但是能保證輸出電壓值Vc在160~240V的范圍內(nèi)，Va在5.6~6.1 kV的范圍內(nèi)即可。因此，從試驗像增強器解剖的高壓電源工作22698 h后的輸出電壓值判斷，其關(guān)鍵性能仍可在正常工作范圍內(nèi)，不是導(dǎo)致像增強器亮度增益和信噪比下降的主要因素。

結(jié)論

像增強器經(jīng)過22698 h的長時間工作后，性能參數(shù)仍然滿足使用要求。亮度增益與工作時間呈指數(shù)函數(shù)變化，在初期工作階段時，亮度增益隨工作時間的變化速率較快，但隨著工作時間增加，亮度增益下降速率變慢，且最終趨于平穩(wěn)。信噪比與工作時間呈多項式函數(shù)變化，隨工作時間均勻下降。分辨力隨工作時間的變化幾乎保持不變。像增強器亮度增益、信噪比隨工作時間加長而以不同程度下降的主要原因是MCP增益、光電陰極靈敏度、屏效的穩(wěn)定性息息相關(guān)。其中，MCP增益穩(wěn)定性在長時間工作后變化較大，要保證像增強器的亮度增益穩(wěn)定性、信噪比及工作壽命等核心性能，需持續(xù)加強對長壽命MCP的研制，提升像增強器的使用壽命。

審核編輯：彭菁