鋁鎵氮光電陰極日盲紫外像增強器輻射增益研究

程宏昌,石 峰,姚 澤,閆 磊,楊書寧

(1.微光夜視技術重點實驗室，陜西 西安 710065;2.昆明物理研究所，云南 昆明 651505)

0 引言

日盲型紫外像增強器由于具有良好的日盲特性、高紫外靈敏度、高紫外輻射增益、可大面積凝視成像、暗背景噪聲小等優點，已經在軍民兩用市場上得到了廣泛的應用。與微光像增強器類似，紫外像增強器是一種光譜轉換和能量增強器件，據此，其增益特性就顯得十分重要，輻射增益被國外列為評價紫外像增強器增益特性的指標，在表征其性能時被廣泛引用，如Hamamatsu 公司的雙近貼聚焦型V4170U-23 的輻射增益典型值為1X106(W?m-2)/(W?m-2)。

紫外像增強器是微光像增強器的同一類光電器件，有關微光像增強器的亮度增益、等效背景照度、信噪比、輸出信噪比等方面開展了大量研究[1-5]。然而，國內紫外像增強器研制成功的時間相對較短，雖然程宏昌等[6]人在光譜響應測試方面開展了相關研究，但仍存在著研究單位很少、其性能測試標準還未統一、輻射增益測試方法及指標還沒有明確、輻射增益對紫外像增強器應用效果的影響程度還不清楚等問題。鑒于此，為了更加準確評價紫外像增強器，開展輻射增益研究顯得十分迫切及重要。

基于此，本文借鑒微光像增強器亮度增益的定義，結合紫外像增強器工作原理，推導出了紫外像增強器的輻射增益的數學模型，在數學模型指導下建立了輻射增益測試系統，采用該系統對10 支自研的樣品進行了測試，最后對測試結果和數學計算理論值進行了比較。

1 工作原理

1.1 紫外像增強器工作原理

紫外像增強器能夠將外界目標中的紫外圖像轉換成人眼可見或其他可見光傳感器可接收的可見圖像的光電器件。由紫外光電陰極、微通道板(micro-channel-plate, MCP)、熒光屏等部件構成。其中，光電陰極與MCP 之間、MCP 與熒光屏之間都是真空密封區域。雙近貼聚焦型紫外像增強器結構如圖1所示，其工作原理為:光電陰極將入射的紫外光子轉換為電子后，電子的密度分布與目標圖像的紫外輻射強度成正比，電子進入有一定傾角的MCP，通過MCP 放大后形成大量次級電子，然后在高壓加速作用下轟擊熒光粉將電信號轉換為可見光信號，在熒光屏上形成二位圖像，圖像的亮度與光電陰極上對應的紫外輻射強度成正比，最后可見光信號通過熒光屏的輸出光窗直接輸出或者與CCD 等其他可見光傳感器耦合成ICCD 后進行后續信息處理，在紫外像增強器工作時，各功能部件都要加上高壓電源。

圖1 紫外像增強器原理圖Fig.1 The principles of ultraviolet image intensifier

1.2 日盲紫外工作原理

太陽是自然界中最強烈的紫外輻射源，紫外波段的輻射能量占據了太陽輻射總量的70%。在電磁波譜中，紫外波段的范圍是10～400 nm，雖然紫外波段的波長范圍比較窄，但是不同波段的紫外光在地球大氣中的傳輸特性卻相差很大。波長小于200 nm 的紫外光會被大氣中的氧氣吸收，所以該波段的光只存在于真空中，被稱為真空紫外或超紫外(vacuum ultraviolet，VUV);波長200～280 nm 的紫外光被大氣層中的臭氧層吸收，無法達到地球表面，該波段的紫外光稱為短波紫外或日盲紫外(ultraviolet C，UVC);雖然波長280～315 nm 的紫外光能夠被臭氧層吸收，但是該波段內仍有約10%的紫外光可以到達地球表面，該波段的紫外光被稱為中紫外(ultraviolet B，UVB);波長315～400 nm 之間的紫外光可以透過云層，照射到地球表面，這部分波段的紫外光被稱為近紫外(ultraviolet A, UVA)。由此可知，由于臭氧層對日盲波段紫外輻射具有強烈的吸收作用，使波長小于280 nm 的太陽輻射光無法到達地球表面，這種自然條件為響應波段小于280 nm 的紫外探測器提供了良好的探測背景條件。因此，日盲紫外探測器可忽略太陽輻射對目標信號的影響，具有全方位探測能力，從探測目標選擇與識別等方面優于可見光和紅外探測，同時，在大氣層內部也存在較多的日盲波段的紫外輻射源，如超音速飛行物體、閃電、高壓電暈放電、火災和紫外通信設備等，同時這些輻射源與人們日常生活有著密切的聯系，也需要通過日盲紫外探測技術進行研究。

1.3 鋁鎵氮紫外像增強器基本概念

紫外像增強器與其他可見類型的微光像增強器比較，兩者區別在于采用不同輸入窗口和光電陰極類型。紫外輸入窗口主要包含以下兩種:①石英玻璃窗口，短波透過率極限波長在190 nm 以下，滿足日盲波段透過的要求，易于從市場采購，加工較普通光學玻璃稍難，成本與普通光學玻璃相當，硬度、強度、氣密性等方面也滿足作為日盲型紫外像增強器的光電陰極輸入窗口的要求。但是選用鋁鎵氮作為紫外光電陰極需要在單晶襯底上生長，石英玻璃是多晶不滿足要求。②藍寶石窗口，具有一定的機械性能，在紫外波段有良好的透射率(T=80%)，易于從市場采購，加工較石英玻璃難，成本有所增加，同時藍寶石玻璃是單晶結構。因此，選用它作為日盲型(200～280 nm)紫外鋁鎵氮光電陰極像增強器的輸入窗口。

紫外光電陰極類型主要有以下幾種:①碲化銫(石英輸入窗口)光電陰極，光譜響應為200～350 nm，長波閾值隨光電陰極制備時Cs 量的不同，在320～350 nm 之間變化，在波長254 nm 處量子效率為7%，由于其長波閾值隨Cs 量的不同而不同，導致Cs 量控制方法是制備該光電陰極的技術難點，正是由于此原因，也限制了該光電陰極在日盲紫外像增強器中的應用。②氮化鎵(藍寶石襯底)光電陰極，氮化鎵材料為Ⅲ～Ⅴ族寬帶隙化合物半導體材料，具有內、外量子效率高、高發光效率、高熱導率、耐高溫、抗輻射、耐酸堿、高強度和高硬度等特性，是目前世界上公認的第三代半導體材料;由該材料制備的紫外光電陰極，光譜響應可達到200～365 nm，在波長254 nm 處量子效率最高達到30%左右;在日盲區紫外探測成像中需要附加低紫外透過率的窄帶濾光片，限制其280～365 nm 之間的響應，同時也降低了200～280 nm的高量子效率優勢，也限制了其在日盲紫外像增強器中的應用。碲化銫光電陰極和氮化鎵光譜響應曲線如圖2和圖3所示。③負電子親和勢鋁鎵氮光電陰極，其禁帶寬度為3.4～6.2 eV 可調，該材料制成的像增強器可根據實際需要而調整截止波長范圍(200～365 nm)，實現對近紫外光的屏蔽作用，體現高的紫外可見光抑制比。通過超高真空技術，實現外延層原子級表面的潔凈、銫氧處理，形成負電子親和勢，大大提高鋁鎵氮光電陰極的量子效率，顯示出了良好的光電發射性能，是日盲紫外像增強器的最佳選擇。鋁鎵氮光電陰極日盲紫外像增強器光譜響應曲線如圖4所示。

2 輻射增益理論推導

2.1 紫外像增強器輻射增益理論推導

根據紫外像增強器工作原理可知，輻射增益等于輻射出射度除以入射輻射照度，但是微弱的輻射出射度和入射照度直接準確測量都是十分困難，需要進行量值轉換。

圖2 Cs2Te 光電陰極光譜響應曲線Fig.2 Spectral response of Cs2Te photocathode

圖3 GaN 光電陰極光譜響應曲線Fig.3 Spectral response of GaN photocathode

圖4 鋁鎵氮光電陰極光譜響應曲線Fig.4 Spectral response of AlGaN photocathode

本文用現有實驗室條件，測量得到的紫外光電陰極量子效率、熒光屏發光效率ηs、MCP 電流增益GM、MCP 輸出面到熒光屏的加速電壓U等參數作自變量，推導出了光電陰極輸入波長為254 nm、熒光屏輸出主波長為555 nm 的輻射增益表達式。推導過程如下:

設入射到紫外像增強器光電陰極面上的輻射照度為Eλ1，光電陰極在波長λ1處的輻射靈敏度為Rλ1，此時可求出光電陰極有效面積Ac上產生的光電流為Ic[7-8]:

式中:Eλ1的單位為W/m2;Ac單位為m2;Rλ1單位為A/W。

根據陰極量子效率和輻射靈敏度的關系式[7-8]:

式中:λ1單位為m;

由式(2)可得:

將式(3)代入式(1)中有:

MCP 的電流增益GM為:

式中:Iin和Iout分別為MCP 輸入和輸出端電流，單位均為A。

由式(5)可得MCP 輸出面電流:Iout=GMXIc。

MCP 輸出面到達熒光屏的加速電壓為U，像管中電子光學的透射比為τ，則到達熒光屏的功率為P:

熒光屏轉換效率為ηs，定義為:ηs=Φs/P，單位為lm/w。可根據式(6)計算出熒光屏發出的光通量為:

對應于波長λ2，引入視見函數，可得到熒光屏的輻射通量為Wλ1:

式中:Wλ2單位為W;

設熒光屏面積為As，熒光屏的輻射出射度Mλ2:

式中:Mλ2單位為W/m2。

這樣，輻射增益定義為:在紫外像增強器工作時，用波長為λ的輻射源照射光電陰極，并使輻射源的輻射功率能使光電陰極達到飽和工作狀態，此時得到的紫外像增強器輻射增益G為熒光屏的輻射出射度與光電陰極輻射照度的比，表示為式(10)所示[7-8]:

式(10)中:G單位為(W?m-2)/(W?m-2)。

式(10)為輻射增益的數學表達式，對于雙近貼聚焦鋁鎵氮光電陰極紫外管輻射增益數學表達式可根據式(10)進行參數的具體化推導。

2.2 雙近貼聚焦紫外像增強器輻射增益推導

雙近貼聚焦鋁鎵氮光電陰極紫外像增強器光電陰極有效直徑為φ18 mm，MCP 開口面積比為65%，熒光屏采用P20 粉，因此式(10)中，λ1=254 nm，λ2=555 nm，V(λ2)=1，Ac=As=2.54X10-2m2;于是有:

從式(11)可見，對這種紫外像增強器來講，其輻射增益與熒光屏發光效率ηs、MCP 電流增益GM、MCP輸出面到熒光屏的加速電壓U、紫外光電陰極在波長λ1=254 nm 處的量子效率成正比。

3 理論計算與測試值比對

3.1 輻射增益理論計算值

采用實驗室標準的有效的"熒光屏發光效率測試儀"、"紫外光電陰極量子效率測試系統、MCP 電子增益測試裝置和高壓電源"對自研的10 支鋁鎵氮日盲型紫外像增強器的熒光屏發光效率、光電陰極量子效率和MCP 電子增益參數分別進行了測量，使用高壓電源給MCP 輸出面與熒光屏端提供加速電壓U=5000 V，并利用式(11)對10 支鋁鎵氮日盲型紫外像管輻射增益進行了理論計算，理論值見表1。

3.2 輻射增益測試

根據輻射增益定義為:輻射出射度除以入射輻射照度。采用高精度亮度計和輻射功率計，分別直接測量紫外像增強器正常工作時熒光屏輸出亮度和紫外光電陰極輸入輻射照度，然后將亮度值換算成光通量，引入視見函數，計算出熒光屏輻射出射度。然后用輻射出射度除以輻射照度，10 支鋁鎵氮日盲型紫外像管輻射增益測量值見表2。

表1 輻射增益理論計算值(U=4000 V)Table 1 The theoretical value of radiation gain(U=4000 V)

表2 輻射增益實際測量值及與理論值比對Table 2 Comparison of theoretical and test value

3.3 測試結果分析

通過對數學理論值與實際測量值進行比較，兩者偏差最小為2.57%，最大為5.27%，在10%之內，驗證了數學理論推導是正確的，測試系統的設計是合理的，測試結果是可信的。針對實際測試值均高于理論值，經梳理分析，紫外光電陰極量子效率測試系統是通過光柵單色儀獲取254 nm 單色光，而改造的紫外輻射增益測試系統是通過濾光片獲取254 nm 單色光，相比較兩種方法，濾光片獲取的254 nm 單色光半峰寬略高于光柵單色儀，導致實際測試過程中光電陰極轉化的光電子量子效率高于理論計算值，使得輻射增益實際測試值稍高于理論計算值。

4 結論

本文推導出了以光電陰極量子效率、MCP 電流增益、熒光屏發光效率等參數為自變量的光電陰極輸入波長為254 nm，熒光屏輸出主波長為555 nm 的輻射增益表達式，并用實驗室標準設備對數學模型中這幾個參數進行了有效測量，將諸參數的測量值帶入了輻射增益的數學表達式中，計算出了10 支樣品的輻射增益理論值;同時改造成了一套紫外管輻射增益測試系統，利用該系統測試了上述10 支樣品輻射增益，并對數學理論值與實際測量值進行比較，兩者誤差在10%之內，驗證了數學模型和測試系統的正確性。本文研究的輻射增益數學模型可指導高輻射增益紫外管技術相關研究。