微光像增強(qiáng)器是微光夜視系統(tǒng)的核心器件，而超二代微光像增強(qiáng)器（以下簡稱像增強(qiáng)器）作為眾多像增強(qiáng)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(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于海、陸、空等各軍兵種領(lǐng)域。像增強(qiáng)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(shí)際使用和貯存過程中，伴隨著工作時(shí)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(qiáng)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(biāo)降低到規(guī)定的閥值。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在《紅外技術(shù)》期刊上發(fā)表了以“超二代微光像增強(qiáng)器性能隨工作時(shí)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(jìn)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(qiáng)器性能隨工作時(shí)間的變化規(guī)律，掌握性能變化特點(diǎn)。通過性能測試和曲線擬合，得出亮度增益、信噪比隨工作時(shí)間的變化逐漸下降，分辨力隨工作時(shí)間的變化幾乎保持不變。

像增強(qiáng)器及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用像增強(qiáng)器

試驗(yàn)用像增強(qiáng)器由高壓電源、像增強(qiáng)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(qiáng)器。像增強(qiáng)器采用的高壓電源型號(hào)為GYH-053-4；像增強(qiáng)管的輸入窗為防光暈玻璃，光電陰極為S25+型，微通道板型號(hào)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(duì)本次試驗(yàn)，采用編號(hào)為#306、#308、#309、#310的4具像增強(qiáng)器，其主要技術(shù)指標(biāo)的初始值見表1。

表1 像增強(qiáng)器主要技術(shù)指標(biāo)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(qiáng)管主要技術(shù)指標(biāo)初始值，亮度增益、分辨力、信噪比、工作電流為試驗(yàn)用像增強(qiáng)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(qiáng)器的主要技術(shù)指標(biāo)初始值，以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)均按GJB 2000A-2020超二代像增強(qiáng)器通用規(guī)范中規(guī)定的測試方法獲得。

試驗(yàn)方法

本文所用的像增強(qiáng)器工作壽命試驗(yàn)包括光應(yīng)力試驗(yàn)和電應(yīng)力試驗(yàn)。光應(yīng)力試驗(yàn)是在通電狀態(tài)下，對(duì)像增強(qiáng)器光電陰極施加輸入照度為5×10?? lx（色溫2856 K）的光，在每個(gè)周期（1 h）的通電時(shí)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(shí)間間隔不小于5 min。電應(yīng)力試驗(yàn)是在像增強(qiáng)器加工作電壓后，在每個(gè)周期（1 h）的通電時(shí)間內(nèi)，按每通電55 min、斷電5 min的周期進(jìn)行。試驗(yàn)用像增強(qiáng)器共有4具，每具像增強(qiáng)器的累計(jì)工作時(shí)間為22698 h，每經(jīng)過200 h對(duì)亮度增益、信噪比和分辨力3項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行測試，試驗(yàn)后與其指標(biāo)的初始值比較分析，獲得像增強(qiáng)器關(guān)鍵性能指標(biāo)隨工作時(shí)間的變化情況，并將工作22698 h后的像增強(qiáng)器解剖形成對(duì)應(yīng)的像增強(qiáng)管與高壓電源，分別對(duì)其關(guān)鍵性能進(jìn)行測試，分析得到像增強(qiáng)器長時(shí)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(shí)間的變化規(guī)律

亮度增益是像增強(qiáng)器的關(guān)鍵指標(biāo)之一，反映了像增強(qiáng)器對(duì)所接收微弱光輻射的增強(qiáng)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(qiáng)。對(duì)于像增強(qiáng)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(dá)到3000 (cd/m2)/lx以上，才能滿足人眼視錐細(xì)胞視覺的光適應(yīng)狀態(tài)。為研究像增強(qiáng)器工作時(shí)間對(duì)亮度增益的影響，按照上述試驗(yàn)方法，每隔200 h測試像增強(qiáng)器的亮度增益，累計(jì)工作時(shí)長為22698 h。4具試驗(yàn)像增強(qiáng)器工作時(shí)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(shí)間的變化曲線(a)和擬合曲線(b)

信噪比隨工作時(shí)間的變化規(guī)律

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

圖2 信噪比隨工作時(shí)間的變化曲線(a)和擬合曲線(b)

分辨力隨工作時(shí)間的變化規(guī)律

分辨力是像增強(qiáng)器使用性能的重要指標(biāo)之一，直接反映了像增強(qiáng)器分辨物體細(xì)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(qiáng)器分辨細(xì)節(jié)的能力越強(qiáng)。因此，對(duì)長時(shí)間工作過程中像增強(qiáng)器分辨力變化情況進(jìn)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(duì)像增強(qiáng)器在工作22698 h后的分辨力變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表2所示。

表2 分辨力隨工作時(shí)間的變化

像增強(qiáng)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(qiáng)器隨著工作時(shí)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(shí)間工作試驗(yàn)的4具像增強(qiáng)器解剖形成對(duì)應(yīng)的像增強(qiáng)管和高壓電源，分別對(duì)其試驗(yàn)后的主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行測試，并將其與試驗(yàn)前的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，找出像增強(qiáng)器的性能變化原因。

像增強(qiáng)管關(guān)鍵性能變化

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

表3 試驗(yàn)前后像增強(qiáng)管主要性能參數(shù)對(duì)比

表4 像增強(qiáng)管主要性能變化率

由表3可知，4具試驗(yàn)像增強(qiáng)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(qiáng)管的靈敏度、分辨力、MCP增益、屏效及MCP帶電流值計(jì)算得到像增強(qiáng)管的主要性能變化率，如表4所示。像增強(qiáng)器試驗(yàn)前與工作22698 h試驗(yàn)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(qiáng)器長時(shí)間工作后，內(nèi)部腔體真空度逐漸降低及受光照時(shí)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(shí)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(qiáng)管的MCP增益、靈敏度和屏效下降是導(dǎo)致像增強(qiáng)器亮度增益下降的主要原因，同時(shí)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(yàn)前和試驗(yàn)后的主要技術(shù)參數(shù)。對(duì)試驗(yàn)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(jìn)行檢測，并對(duì)試驗(yàn)前后的變化率進(jìn)行了計(jì)算，如表5所示。

表5 試驗(yàn)前后高壓電源主要性能參數(shù)對(duì)比

由表5可看出，像增強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)管匹配后工作電流會(huì)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(yàn)像增強(qiáng)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(qiáng)器亮度增益和信噪比下降的主要因素。

結(jié)論

像增強(qiáng)器經(jīng)過22698 h的長時(shí)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(shí)間呈指數(shù)函數(shù)變化，在初期工作階段時(shí)，亮度增益隨工作時(shí)間的變化速率較快，但隨著工作時(shí)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(shí)間呈多項(xiàng)式函數(shù)變化，隨工作時(shí)間均勻下降。分辨力隨工作時(shí)間的變化幾乎保持不變。像增強(qiáng)器亮度增益、信噪比隨工作時(shí)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(shí)間工作后變化較大，要保證像增強(qiáng)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(qiáng)對(duì)長壽命MCP的研制，提升像增強(qiáng)器的使用壽命。

審核編輯：彭菁