日盲紫外像增強(qiáng)器產(chǎn)品及標(biāo)準(zhǔn)情況分析

陳大紀(jì) 張朋 張珊 徐鵬霄 趙文錦

關(guān)鍵詞：日盲紫外，像增強(qiáng)器，標(biāo)準(zhǔn)

1 日盲紫外像增強(qiáng)器工作原理

“光”是人類認(rèn)識(shí)客觀世界的重要信息源，但人眼所能感知的只是整個(gè)波譜中極窄的一段，且在空間、時(shí)間和能量方面的分辨能力也十分有限。日盲紫外像增強(qiáng)器是一種基于外光電效應(yīng)、電子倍增和電光轉(zhuǎn)換等原理的電真空器件，它的基本功能是將人眼不可見(jiàn)的極微弱日盲紫外波段（200～280nm）光圖像轉(zhuǎn)化為增強(qiáng)的人眼可見(jiàn)的光圖像。

日盲紫外像增強(qiáng)器由日盲紫外像增強(qiáng)管和給像增強(qiáng)管各電極供電的專用高壓電源組成，兩者可封裝在一起形成一個(gè)整體，亦可分別封裝使用。像增強(qiáng)管由輸入光窗、微通道板（MCP）、熒光屏和金屬-陶瓷管殼等部件構(gòu)成，輸入光窗內(nèi)表面蒸鍍紫外光電陰極，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換；熒光屏內(nèi)表面涂覆熒光粉，實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換；光電陰極與MCP、MCP與熒光屏之間采用近貼聚焦結(jié)構(gòu)，器件內(nèi)部為超高真空環(huán)境。

像增強(qiáng)器的工作原理如下：紫外光信號(hào)穿透輸入光窗到達(dá)光電陰極，光電陰極將入射光信號(hào)轉(zhuǎn)化為與紫外輻射強(qiáng)度成正比的光電子，光生電子克服表面逸出功后進(jìn)入真空，在電源提供的外加電場(chǎng)作用下進(jìn)入有一定傾斜角的MCP并不斷轟擊MCP通道內(nèi)壁，產(chǎn)生大量的次級(jí)電子，在MCP輸出端形成放大的電子云，電子云轟擊熒光粉將電信號(hào)再次轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光信號(hào)，熒光屏上圖像的亮度與輸入光電陰極上的紫外輻射強(qiáng)度信號(hào)對(duì)應(yīng)。最終的可見(jiàn)光信號(hào)通過(guò)熒光屏的輸出光窗輸出或者與CCD等其他可見(jiàn)光傳感器耦合進(jìn)行后續(xù)處理。

選擇不同的光電陰極材料可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波段光信號(hào)的探測(cè)，日盲紫外信號(hào)波段對(duì)應(yīng)的光電陰極材料有Rb2Te[1]、Cs2Te[2]、AlGaN[3]等，這些材料具備較寬的禁帶寬度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)于280nm波長(zhǎng)光線的抑制，有效避免太陽(yáng)光對(duì)探測(cè)器的干擾。選擇單塊或多塊MCP組合，可實(shí)現(xiàn)從103～105甚至更高的電子增益，滿足對(duì)極微弱紫外光信號(hào)的探測(cè)需求。選擇不同牌號(hào)的熒光粉，可對(duì)發(fā)光光譜、余輝時(shí)間、發(fā)光強(qiáng)度等進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2 日盲紫外像增強(qiáng)器國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

國(guó)際上研制和生產(chǎn)日盲紫外像增強(qiáng)管的國(guó)家主要有德國(guó)、日本和法國(guó)等，形成了光電陰極以Cs2Te或Rb2Te為主、有效探測(cè)直徑Ф18mm/Ф25mm/Ф40mm的系列化產(chǎn)品，并通過(guò)內(nèi)置微通道板級(jí)數(shù)進(jìn)行增益調(diào)增以滿足不同的實(shí)用需求，陰極靈敏度典型值已經(jīng)普遍突破50mA/W。國(guó)內(nèi)自20世紀(jì)90年代開(kāi)始紫外像增強(qiáng)管的研究工作，經(jīng)過(guò)30年的發(fā)展，產(chǎn)品性能不斷提升，陰極靈敏度已接近國(guó)際水平[1]。

以GaN[4]和AlGaN為主的負(fù)電子親和勢(shì)半導(dǎo)體材料與Cs2Te或Rb2Te相比，具有更高的量子效率，近年來(lái)，AlGaN光電陰極紫外像增強(qiáng)管研制工作取得了較大的進(jìn)展，AlGaN光電陰極量子效率超過(guò)了20%。同時(shí)，AlGaN光電陰極在240～280nm波段范圍內(nèi)的響應(yīng)都很高，且在280nm以后響應(yīng)下降非常迅速，在300nm時(shí)已經(jīng)下降到峰值的10%左右，非常有利于實(shí)際應(yīng)用[5]。AlGaN光電陰極與Cs2Te光電陰極光譜響應(yīng)曲線比較如圖1示。

3 日盲紫外像增強(qiáng)器應(yīng)用需求

日盲紫外像增強(qiáng)器是電暈檢測(cè)儀的核心器件，它具有的高探測(cè)靈敏度和優(yōu)異的日盲特性是電暈檢測(cè)儀的性能保證[6-7]。

日盲電暈檢測(cè)儀的應(yīng)用主要集中在如下領(lǐng)域。

（1）高壓輸電線路檢測(cè)

紫外電暈檢測(cè)儀可有效探測(cè)高壓輸電線路的早期故障，對(duì)電路起到防患于未然的維護(hù)作用。可用于人工巡線，亦可搭載無(wú)人機(jī)對(duì)人跡難至之地進(jìn)行巡視。和其他波段電暈檢測(cè)設(shè)備相比，紫外電暈檢測(cè)儀能有效去除太陽(yáng)輻射的干擾，對(duì)高壓電線及其接線的位置進(jìn)行檢查，能夠給電力部門(mén)在電力檢修時(shí)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，節(jié)省檢查時(shí)間，保證檢修的準(zhǔn)確性，防止突然斷電對(duì)工業(yè)及人民群眾的生活造成損失。

（2）高鐵線路維護(hù)

高鐵電路和高壓輸變電路相比電壓較低，線路破損等形成的電暈放電現(xiàn)象更加微弱，日盲紫外電暈檢測(cè)儀能在日光下捕捉到微弱的放電現(xiàn)象，對(duì)高鐵的正常運(yùn)行起到非常重要的保護(hù)作用。

（3）變電站內(nèi)固定設(shè)施檢測(cè)

針對(duì)變電站內(nèi)的固定設(shè)施，紫外電暈檢測(cè)儀可進(jìn)行全程定點(diǎn)檢測(cè)，識(shí)別絕緣子短路和破裂、識(shí)別假冒陶瓷絕緣子、判斷電線破裂、判斷絕緣子的鹽污染以及導(dǎo)線的隔離圈和接頭的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)變電站的無(wú)人值守，有效降低人力成本，保護(hù)人身安全。

4 日盲紫外像增強(qiáng)器標(biāo)準(zhǔn)情況分析

4.1 標(biāo)準(zhǔn)的作用及意義

基于紫外電暈檢測(cè)儀的重要性，國(guó)家重大儀器專項(xiàng)開(kāi)展了“高靈敏度紫外成像儀研制及應(yīng)用開(kāi)發(fā)”，重點(diǎn)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化方面的工作，日盲紫外像增強(qiáng)器的研制是其中重要工作之一。

目前像增強(qiáng)器領(lǐng)域的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)只有G B / T14182-1992《變像管和像增強(qiáng)管總規(guī)范》，主要是針對(duì)可見(jiàn)光波段的像增強(qiáng)管，其探測(cè)光譜范圍集中在400～900nm，針對(duì)日盲紫外像增強(qiáng)器（光譜范圍200～280nm）的內(nèi)容基本未涉及。

國(guó)產(chǎn)日盲紫外像增強(qiáng)器作為紫外電暈檢測(cè)儀的核心器件正在逐步替代進(jìn)口產(chǎn)品，對(duì)電暈檢測(cè)儀的全面國(guó)產(chǎn)化提供了強(qiáng)有力支撐，日盲紫外像增強(qiáng)器標(biāo)準(zhǔn)需求迫切。2020年，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所和中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院聯(lián)合行業(yè)相關(guān)單位開(kāi)展了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《日盲紫外像增強(qiáng)器技術(shù)要求》研制工作，已完成標(biāo)準(zhǔn)報(bào)批。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)主要技術(shù)內(nèi)容

《日盲紫外像增強(qiáng)器技術(shù)要求》規(guī)定了日盲紫外像增強(qiáng)器的通用技術(shù)要求，包括設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)、外形尺寸、外觀質(zhì)量、光電性能、壽命、環(huán)境適應(yīng)性、檢驗(yàn)要求、標(biāo)準(zhǔn)、包裝、運(yùn)輸和儲(chǔ)存等，適用于日盲紫外像增強(qiáng)器的設(shè)計(jì)、制造和驗(yàn)收。

標(biāo)準(zhǔn)主要技術(shù)內(nèi)容及其確定依據(jù)如下。

（1）主要參數(shù)的確定

根據(jù)日盲紫外像增強(qiáng)器特點(diǎn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)用戶需求和產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)，參考國(guó)外同類產(chǎn)品的性能參數(shù)體系，研究確定了表征日盲紫外像增強(qiáng)器的常用光電參數(shù)及其要求：

·光電陰極輻射靈敏度

·光譜響應(yīng)范圍

·峰值波長(zhǎng)

·光電陰極有效直徑

·極限分辨率

·輸出亮度均勻性

·輻射增益

·等效背景輻照度

·工作電壓

·輸入電流

·電氣穩(wěn)定性

依據(jù)GB/T 5295-2012《光陰極光譜響應(yīng)特性系列》中的截止波長(zhǎng)和閾值波長(zhǎng)指標(biāo)定義，同時(shí)依據(jù)SJ 20792-2000《微通道板光電倍增管測(cè)試方法》中對(duì)光譜響應(yīng)范圍的要求和各類紫外光電陰極的物理特性，確定了光譜響應(yīng)范圍中截止波長(zhǎng)和閾值波長(zhǎng)的選取標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)日盲紫外探測(cè)應(yīng)用的特殊需求、結(jié)合多年來(lái)國(guó)內(nèi)外用戶使用日盲紫外像增強(qiáng)器的實(shí)際情況，增加了“日盲特性”要求，用于評(píng)價(jià)像增強(qiáng)器對(duì)太陽(yáng)光譜中日盲紫外以外波段光信號(hào)的干擾屏蔽能力，定義為像增強(qiáng)器對(duì)可見(jiàn)光波段典型波長(zhǎng)（520nm）響應(yīng)值與日盲紫外波段典型波長(zhǎng)（280nm）的響應(yīng)值之比，當(dāng)日盲特性大于該數(shù)值時(shí)，太陽(yáng)光的干擾可能造成虛假的探測(cè)信息；日盲特性數(shù)值越小，則日盲探測(cè)性能越佳。

工作電壓是指像增強(qiáng)器專用高壓電源輸入端直流低壓，目前常用的日盲紫外像增強(qiáng)器其工作電壓典型值為3.3V。在電暈檢測(cè)中，像增強(qiáng)器通常與CCD或CMOS器件組合使用，像增強(qiáng)器工作電壓由CCD或CMOS電路提供，考慮到各類CCD或CMOS電路所能提供的電壓典型值有3V、5V、12V和20V等，同時(shí)結(jié)合不同廠家的實(shí)際應(yīng)用需求，器件工作電壓的具體數(shù)值也可由產(chǎn)品具體要求進(jìn)行規(guī)定。

（2）可靠性和環(huán)境適應(yīng)性要求的確定

依據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，明確了日盲紫外像增強(qiáng)器的壽命指標(biāo)和環(huán)境適應(yīng)性要求，給出了振動(dòng)、沖擊和高低溫試驗(yàn)的典型條件，溫度沖擊、溫?zé)帷⒌蜌鈮汉望}霧等試驗(yàn)可根據(jù)不同應(yīng)用的需求進(jìn)行選擇。

（3）檢驗(yàn)和試驗(yàn)方法的確定

光電參數(shù)的檢驗(yàn)方法主要參考GB/T 14184-1993《變像管和像增強(qiáng)管測(cè)試方法》并結(jié)合日盲特性進(jìn)行編制。環(huán)境試驗(yàn)方法引用GB/T 2421-2020《環(huán)境試驗(yàn) 概述和指南》和GB/T 2423《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)》的相應(yīng)規(guī)定。

（4）名詞和術(shù)語(yǔ)的確定

日盲紫外像增強(qiáng)器是一種電真空器件，GB/T4597-2012《電子管詞匯》的相關(guān)名詞術(shù)語(yǔ)適用于本標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)日盲紫外和日盲特性等相關(guān)術(shù)語(yǔ)在標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行了定義。

5 結(jié)語(yǔ)

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《日盲紫外像增強(qiáng)器技術(shù)要求》完全自主制定，不涉及相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。這一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和統(tǒng)一了日盲紫外像增強(qiáng)器主要性能指標(biāo)和測(cè)試試驗(yàn)方法，填補(bǔ)了日盲紫外波段真空光電探測(cè)器件標(biāo)準(zhǔn)的空白，為日盲紫外像增強(qiáng)器的研制、生產(chǎn)、檢驗(yàn)和使用提供了依據(jù)，也將進(jìn)一步促進(jìn)日盲紫外像增強(qiáng)器的推廣應(yīng)用和質(zhì)量提升。