紫外像增強器輻射增益測試系統(tǒng)設計

劉 濤，邱亞峰

引言

紫外光譜成像檢測技術是歐美發(fā)達國家為軍事目的而發(fā)展的新型檢測成像技術，其作用是觀察和檢測“日盲”（波長范圍240nm～280nm）紫外光信號，先將紫外圖像信號轉換為可見光圖像信號，然后進行觀察和測量。紫外像增強技術是紫外成像檢測技術的關鍵技術之一。在紫外成像檢測系統(tǒng)中，因為紫外輻射光都比較微弱，若直接用CCD探測較弱的紫外信號是基本探測不到的，因此需要先對紫外信號進行增強放大，然后再探測。為實現(xiàn)紫外信號的增強放大，使用紫外像增強器最為合適。像增強器的輻射增益會直接影響整機的探測距離，國內(nèi)在這方面的研究很少，因此對紫外像增強器輻射增益測試技術的研究十分重要。本文設計了紫外像增強器輻射增益測試系統(tǒng)，給出了測試原理、實現(xiàn)裝置并進行了實驗測試。

1 測試原理

輻射增益和等效背景輻射照度作為紫外像增強器的主要性能參數(shù)，決定了紫外像增強器的綜合性能，圖1為測試系統(tǒng)的原理框圖。測試過程：氘燈光源發(fā)出的光先經(jīng)過濾光片盒和光闌，然后通過積分球得到不同照度的、單波長的均勻光，均勻光照射在像增強器陰極面上，由光度計測量像增強器熒光屏亮度轉化為輻射出度。利用輻射計測量輸入輻射照度，將數(shù)據(jù)處理模塊采集的數(shù)據(jù)輸入計算機，測試軟件根據(jù)測試數(shù)據(jù)計算出輻射增益；無光照時，可以測得紫外像增強器的等效背景輻射照度。

圖1 測試原理框圖Fig.1 Block diagram of test principle

1.1 輻射增益的測試原理

紫外像增強器的輻射增益是評價紫外像增強器圖像轉換效率的參數(shù)，描述了紫外像增強器輸出物理量和輸入物理量之間的依從關系。氘燈光源發(fā)出的光經(jīng)光學系統(tǒng)后以一定的輻射照度照射在像增強器光電陰極面上，用光度計測量此時熒光屏的亮度L，根據(jù)視場角和P－20屏的光譜功率分布及光譜光視效能函數(shù)轉化為峰值發(fā)射波長（560nm）的輻射出度Eo后，測試像增強器陰極面上輻射照度Ei。此時輻射出度Eo與光陰極面上的輻射照度Ei之比，即是輻射增益G其計算公式：

式中：G為紫外像增強器輻射增益；Ei為光陰極面的輻射照度；Eo為輻射出度。

1.2 等效背景輻射照度的測試原理

紫外像增強器的光陰極在沒有外來輻射通量的作用下，施加工作電壓時熒光屏上仍然發(fā)射出一定亮度的光，這種無光照射時熒光屏的發(fā)光，稱為像增強器的暗背景。像增強器暗背景的存在，使熒光屏像面上疊加了一個背景照度，甚至使光陰極上微弱照明景物所產(chǎn)生的圖像可能完全被淹沒在此背景中而不能辨別。因此暗背景是影響紫外像增強器成像質量的重要因素之一，但是由于實際測定的暗背景亮度大小，不僅與熱發(fā)射有關，而且還與放大率和亮度增益特性有關，因而暗背景的大小不能真實反映紫外像增強器的質量，通常用等效背景輻射照度來反映其背景亮度的程度。

等效背景輻射照度測量原理：首先用光度計測量出無輻射入射時，紫外像增強器熒光屏的亮度La，此時的照度為E；有輻射光入射時，調(diào)節(jié)照度值為2E，光度計測得熒光屏的亮度為Lb。等效背景輻射照度為

式中Ebe為等效背景輻射照度。

2 測試裝置

圖2為測試系統(tǒng)的結構示意圖，圖3和圖4分別為系統(tǒng)的三維設計樣圖和實物照片。測試系統(tǒng)由光源、組合濾光片、可調(diào)光闌、積分球、測試暗箱、夾具（整管或者裸管）、PR－880型全自動化濾光片式光度計、工控機以及電源和調(diào)節(jié)支撐機構等部分組成，合理的設計保證了該測試系統(tǒng)可以方便、快捷地完成測試任務。

圖2 測試裝置結構示意圖Fig.2 Structural diagram of test device

下面對系統(tǒng)進行闡述：

1）光源系統(tǒng)包括氘燈、濾光器、可調(diào)光闌和積分球，圖5為光源系統(tǒng)的結構示意圖。測試系統(tǒng)的氘燈光源配有穩(wěn)流電源，提供穩(wěn)定的光照條件。濾光器可插入不同的中性濾光片和單波濾光片，用于調(diào)節(jié)光強和光譜成分。選擇所需的波長和光照，也可插入擋片，遮住光線，進行等效背景輻射照度測試過程中陰極面無照射的熒光屏亮度測試?？烧{(diào)光闌裝置通過調(diào)節(jié)光孔大小，控制光束通過的多少，達到調(diào)節(jié)通過光的強弱的目的，獲得不同照度的光。入射光進入積分球內(nèi)，經(jīng)過內(nèi)壁涂層（硫酸鋇和膠質粘合劑混合）多次反射，在內(nèi)壁上形成均勻照度，在出光孔處得到均勻的光。

圖3 三維設計樣圖Fig.3 3D design drawings

圖4 測試系統(tǒng)實物圖Fig.4 Physical photo of test system

圖5 光源系統(tǒng)Fig.5 System of light source

2）暗箱和夾具。暗箱提供封閉黑暗的測試環(huán)境，測試系統(tǒng)兼顧整管和裸管的測試，有可更換的整管和裸管專用夾具。

3）為了測試精確，需要對入射紫外單色光強度進行標定，由于紫外增益測試時，紫外單色光的輻射功率極其微弱，一般的光功率計和Si探頭不能滿足需要，本裝置采用紫外光電倍增管，專門研制配備能測試極微弱紫外輻射的紫外探測儀（輻射計），探測靈敏度可達10－11W／cm2。

4）光度計在本系統(tǒng)中主要是用來測量紫外像增強器熒光屏亮度，是一種用來測光度量的計量儀器。本系統(tǒng)使用光度計為PR－880型全自動化濾光片式光度計，可與計算機相連，由數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，然后輸入計算機。

5）工控機及測試軟件控制整個測試過程的進行，可實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)試、自動化測試、數(shù)據(jù)采集與存儲和數(shù)據(jù)分析等功能。

6）其他調(diào)節(jié)和支撐的機械機構，如導軌、光度計和暗箱二維調(diào)節(jié)機構等，為測試系統(tǒng)提供方便，靈活的調(diào)節(jié)方式，保證光路在一條直線上，為測量結果的準確性提供保障。

3 測試與討論

紫外像增強器輻射增益測試軟件由輻射增益與等效背景輻射照度測試模塊和數(shù)據(jù)庫模塊2部分組成，本軟件可以方便地實現(xiàn)紫外像增強器熒光屏亮度的測量、陰極面入射輻射照度的測量、光度計的控制等功能，并且可以將測試信息保存到數(shù)據(jù)庫中。圖6為系統(tǒng)軟件的工作界面。

圖6 工作界面Fig.6 Working interface

紫外像增強器輻射增益的影響因素有：微通道板增益疲勞、光電陰極的穩(wěn)定性、熒光屏發(fā)光效率等，可分別通過改變微通道板電壓、陰極電壓和熒光屏電壓，完成對一只紫外像增強器的輻射增益測試并進行結果分析。測試條件：測試溫度20℃，波長254nm，輻射照度調(diào)節(jié)為9.7×10－8W／cm2。

下面通過3個測試實驗進行相應的分析：

1）改變微通道板電壓，調(diào)節(jié)范圍600V～1 100V，陰極電壓400V和熒光屏電壓4 500V固定不變。紫外像增強器輻射增益變化曲線如圖7所示。隨著微通道板電壓的增加，紫外像增強器的輻射增益也不斷增加。微通道板電壓較小時輻射增益變化較小，當電壓值增加到一定值后，輻射增益增加速度變快。

圖7 輻射增益隨微通道板電壓變化曲線圖Fig.7 Radiation gain versus micro channel plate voltage

2）改變陰極電壓，調(diào)節(jié)范圍150V～500V，微通道板電壓900V和熒光屏電壓4 500V固定不變。紫外像增強器輻射增益變化曲線如圖8所示。當陰極電壓增大時，紫外像增強器輻射增益也不斷增大，紫外像增強器的陰極電壓與輻射增益存在線性關系。

圖8 輻射增益隨陰極電壓變化曲線圖Fig.8 Radiation gain versus cathode voltage

3）改變熒光屏電壓，調(diào)節(jié)范圍4 000V～6 000V，微通道板電壓1 000V和陰極電壓400V固定不變。紫外像增強器輻射增益變化曲線如圖9所示。當熒光屏電壓增加時，紫外像增強器輻射增益也不斷增加，呈現(xiàn)線性增長趨勢。

4 結論

圖9 輻射增益隨熒光屏電壓變化曲線圖Fig.9 Radiation gain versus screen voltage

從實驗結果得出：測試曲線變化趨勢和紫外像增強器的工作特性相吻合，該測試系統(tǒng)可以實現(xiàn)紫外像增強器輻射增益和等效背景照度的測試。此測試系統(tǒng)的波長范圍為200nm～400nm，測試波長可選多種單點波長可選，入射紫外輻射強度為10－11W／cm2～10－7W／cm2，微弱紫外輻射探測器（輻射計）最低探測強度為10－11W／cm2；亮度測量視場角可選（1／8）°、（1／4）°、（1／2）°、1°、2°、3°（一次同時配4個視場），最低亮度探測閾值為3×10－4cd／m2，輻射增益測試重復性優(yōu)于±8%。

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