紫外像增強(qiáng)器輻射靈敏度測(cè)量系統(tǒng)

王生云，解 琪，史繼芳，孫宇楠，俞 兵，康登魁

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

引言

微光夜視技術(shù)是光電子高新技術(shù)的重要組成部分，加快進(jìn)行紫外像增強(qiáng)器的研制與應(yīng)用是其重要發(fā)展方向。紫外像增強(qiáng)器是一種電真空成像紫外器件，可將微弱的紫外光圖像轉(zhuǎn)換并增強(qiáng)為肉眼可見(jiàn)、亮度可見(jiàn)的光圖像，是整個(gè)紫外探測(cè)系統(tǒng)的核心器件，廣泛應(yīng)用于軍用和民用領(lǐng)域[1-5]。輻射靈敏度是評(píng)價(jià)紫外像增強(qiáng)器的重要參數(shù)，直接決定了紫外探測(cè)系統(tǒng)的性能。因此，紫外像增強(qiáng)器輻射靈敏度的測(cè)量十分必要[6-9]。

本文研究了紫外像增強(qiáng)器輻射靈敏度的測(cè)量原理，組建了相應(yīng)的測(cè)量系統(tǒng)。對(duì)3 只紫外像增強(qiáng)器在260 nm、280 nm 及320 nm 波長(zhǎng)下的輻射靈敏度進(jìn)行了測(cè)量，并對(duì)測(cè)量裝置進(jìn)行了溯源，分析了其測(cè)量結(jié)果不確定度，保證了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在國(guó)內(nèi)，北方夜視公司、中電集團(tuán)南京電子器件研究所等單位建立了光譜范圍在200 nm～300 nm之間的紫外像增強(qiáng)器輻射靈敏度測(cè)量系統(tǒng)。本測(cè)量系統(tǒng)的建立，將原有的光譜范圍拓展至200 nm～400 nm，彌補(bǔ)了現(xiàn)有系統(tǒng)的不足。

1 紫外像增強(qiáng)器輻射靈敏度測(cè)量原理

紫外像增強(qiáng)器的光譜響應(yīng)是指紫外光陰極發(fā)射光電子的能力隨波長(zhǎng)變化的關(guān)系，紫外光陰極發(fā)射光電子的能力通常用輻射靈敏度來(lái)表示。紫外像增強(qiáng)器的輻射靈敏度是指紫外像增強(qiáng)器的光陰極在具有一定輻射功率的單色光照射下,所產(chǎn)生的光電流被稱為光陰極在該波長(zhǎng)下的輻射靈敏度[10-12]。其測(cè)量公式如下：

式中：S（λ）為波長(zhǎng)λ 時(shí)的輻射靈敏度；I 為光電流；Φ 為入射輻射功率。

紫外像增強(qiáng)器輻射靈敏度的測(cè)量原理：由紫外輻射光源輸出的光經(jīng)光柵單色儀系統(tǒng)輸出質(zhì)量良好的單色光，并將其衰減為規(guī)定的輻照度，采用紫外輻射計(jì)測(cè)量其光陰極輸入端的輻射功率。單色光入射到被測(cè)紫外像增強(qiáng)器，在信號(hào)處理模塊中對(duì)紫外像增強(qiáng)器輸出的光電流信號(hào)進(jìn)行處理，從而測(cè)量出不同波長(zhǎng)下的輻射靈敏度[13-16]。

2 紫外像增強(qiáng)器輻射靈敏度測(cè)量系統(tǒng)

紫外像增強(qiáng)器輻射靈敏度測(cè)量裝置由紫外輻射光源、光柵單色儀系統(tǒng)、測(cè)試暗箱、微電流計(jì)、計(jì)算機(jī)及測(cè)量軟件等組成。該測(cè)量系統(tǒng)原理框圖如圖1 所示。

紫外光源發(fā)出的復(fù)合紫外光呈發(fā)散狀，利用石英透鏡進(jìn)行匯聚，并通過(guò)入射狹縫入射至光柵單色儀。在光柵單色儀內(nèi)光柵衍射的作用下，復(fù)合紫外光被分解為各個(gè)波長(zhǎng)的單色紫外光。其中指定波長(zhǎng)的單色紫外光將通過(guò)出射狹縫輸出，利用傳光光纖將光柵單色儀輸出的指定波長(zhǎng)的單色紫外光傳輸至被測(cè)紫外像增強(qiáng)器陰極面上，獲得指定波長(zhǎng)下被測(cè)紫外像增強(qiáng)器陰極光電流信號(hào)，從而計(jì)算出輻射靈敏度值。

圖 1 紫外像增強(qiáng)器輻射靈敏度測(cè)量原理圖Fig. 1 Schematic diagram of radiant sensitivity measurement for UV image intensifier

紫外像增強(qiáng)器輻射靈敏度測(cè)量裝置立體圖如圖2 所示。

圖 2 紫外像增強(qiáng)器輻射靈敏度測(cè)量裝置立體圖Fig. 2 Stereogram of radiant sensitivity measuring device for UV image intensifier

2.1 紫外光纖輸出單色光源

紫外光纖輸出單色光源用于為紫外像增強(qiáng)器輻射靈敏度測(cè)試提供所需指定波長(zhǎng)的單色紫外光，要求輸出單色波長(zhǎng)可調(diào)、輸出光功率穩(wěn)定。紫外光纖輸出單色光源系統(tǒng)輸出光譜的范圍為200 nm～400 nm，最小波長(zhǎng)間隔為0.1 nm，輸出單色紫外光斑直徑為5 mm。

紫外光纖輸出單色光源的基本結(jié)構(gòu)包括紫外光源、光源電源、光柵單色儀和傳光光纖。紫外光纖輸出單色光源構(gòu)成示意圖如圖3 所示。

紫外光源采用氘燈，波長(zhǎng)范圍為200 nm～400 nm，管內(nèi)充有高純度的氘氣，外殼是由透紫外率高、光潔度好的氣煉石英管制成。氘燈紫外輻射較強(qiáng)，發(fā)射特性穩(wěn)定，光源電源采用穩(wěn)流電源，具有輸出電流漂移小、電流穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足紫外像增強(qiáng)器輻射靈敏度參數(shù)的測(cè)量需求。氘燈光源及其供電電源的主要指標(biāo)為：光譜范圍200 nm～400 nm 高強(qiáng)度紫外光譜輻射；輸出功率30 W；輸出光強(qiáng)穩(wěn)定性≤0.5%；電流穩(wěn)定度≤0.5%/h。

圖 3 單色紫外光源構(gòu)成示意圖Fig. 3 Schematic diagram of monochromatic UV source

光柵單色儀由2 個(gè)焦距相同的色散分光結(jié)構(gòu)經(jīng)特殊調(diào)校組合而成，采用色散相減模式，能有效降低單色儀雜散光，進(jìn)行極微弱信號(hào)探測(cè)。其技術(shù)指標(biāo)為：焦距150 nm、300 nm、500 nm 等多種規(guī)格可選；光譜范圍180 nm～400 nm、350 nm～1 100 nm、800 nm～2 200 nm，具體根據(jù)所選光柵確定，可實(shí)現(xiàn)180 nm～2 200 nm 全波段光譜輸出；分辨率0.1 nm；波長(zhǎng)準(zhǔn)確度±0.2 nm；狹縫寬度0.01 mm～3 mm，連續(xù)可調(diào)。

傳光光纖用于將單色儀輸出的單色紫外光傳輸至被測(cè)紫外像增強(qiáng)器陰極面。采用傳光光纖替代傳統(tǒng)準(zhǔn)直光路，可有效降低單色紫外光在空氣傳播中所產(chǎn)生的損耗以及雜散光的影響。傳光光纖為圓柱型結(jié)構(gòu)，外表為黃銅鎧裝結(jié)構(gòu)，纖芯為石英傳光束。纖芯一端呈長(zhǎng)方形，與光柵單色儀出射狹縫相連，可提高單色紫外光源輸出單色紫外光利用率；另一端為圓形，使單色紫外光源輸出單色紫外光呈圓形光斑入射到被測(cè)紫外像增強(qiáng)器陰極面上。

紫外光源發(fā)出的復(fù)合紫外光呈發(fā)散狀，利用石英透鏡進(jìn)行匯聚，并通過(guò)入射狹縫入射至光柵單色儀。在光柵單色儀內(nèi)光柵衍射的作用下，復(fù)合紫外光被分解為各個(gè)波長(zhǎng)的單色紫外光。其中指定波長(zhǎng)的單色紫外光將通過(guò)出射狹縫輸出，利用傳光光纖將光柵單色儀輸出的指定波長(zhǎng)的單色紫外光傳輸至被測(cè)紫外像增強(qiáng)器陰極面上，獲得指定波長(zhǎng)下被測(cè)紫外像增強(qiáng)器陰極光電流信號(hào)。

2.2 測(cè)試暗箱及夾具

測(cè)試暗箱為紫外像增強(qiáng)器輻射靈敏度測(cè)試提供了所必須的暗室環(huán)境，可降低對(duì)測(cè)量裝置所處實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的照度要求。測(cè)試暗箱與三維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)作用，確保在測(cè)量過(guò)程中測(cè)量裝置光軸一致。測(cè)試夾具用于固定被測(cè)器件，以確保在測(cè)量過(guò)程中被測(cè)器件位置不發(fā)生移動(dòng)，同時(shí)具備接電裝置，以方便測(cè)量過(guò)程中器件供電連接及信號(hào)輸出。

2.3 微電流計(jì)

微電流計(jì)為紫外像增強(qiáng)陰極和MCP 輸入端間施加一個(gè)正向電場(chǎng)，以收集紫外像增強(qiáng)器陰極因光電效應(yīng)所產(chǎn)生的光電子，同時(shí)需對(duì)紫外像增強(qiáng)器因單色紫外光入射所產(chǎn)生的極微弱光電流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。紫外像增強(qiáng)器陰極所加電壓范圍通常為?600 V～?100 V，陰極所產(chǎn)生電流信號(hào)可能低至10 A～11 A。

在測(cè)量系統(tǒng)中，微電流計(jì)的電源輸出范圍為?1 000 V～0 V，電流檢測(cè)精度為0.01 nA，電流測(cè)試重復(fù)性優(yōu)于3%。微電流計(jì)包括放大濾波模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、電壓輸出模塊、控制單元模塊和顯示輸出模塊五部分，其示意圖如圖4 所示。

圖 4 微電流計(jì)示意圖Fig. 4 Schematic diagram of micro galvanometer

通過(guò)微電流計(jì)控制單元控制電壓輸出模塊為被測(cè)紫外像增強(qiáng)器提供陰極工作所需電壓；在單色紫外光照及正向電場(chǎng)作用下，陰極發(fā)射光電子形成微弱電流信號(hào)；微弱電流信號(hào)經(jīng)過(guò)放大濾波電路放大、濾波后為模擬電壓信號(hào)；放大后的模擬電壓信號(hào)經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換模塊后產(chǎn)生數(shù)字電壓信號(hào)，并輸入控制單元；控制單元計(jì)算所探測(cè)微弱電流信號(hào)值，并通過(guò)顯示輸出模塊將其顯示在儀器顯示屏上，最后輸入計(jì)算機(jī)。

2.4 測(cè)量軟件

測(cè)量軟件將實(shí)現(xiàn)紫外像增強(qiáng)器陰極輸入光功率標(biāo)定、陰極光電流采集、單色紫外光源輸出波長(zhǎng)控制、紫外像增強(qiáng)器光譜響應(yīng)曲線繪制和存儲(chǔ)等功能。

利用光譜響應(yīng)測(cè)試模塊，可以對(duì)紫外像增強(qiáng)器的輻射靈敏度進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)控制紫外光纖輸出單色光源系統(tǒng)的輸出波長(zhǎng)，檢測(cè)對(duì)應(yīng)輸出波長(zhǎng)下紫外像增強(qiáng)器的光電流數(shù)據(jù)及輸入光功率，獲得紫外像增強(qiáng)器陰極在單一波長(zhǎng)下的輻射靈敏度。將所設(shè)定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射靈敏度數(shù)據(jù)繪制成曲線，即為被測(cè)紫外像增強(qiáng)器的光譜響應(yīng)曲線。數(shù)據(jù)庫(kù)模塊用于完成對(duì)測(cè)試信息的保存和查詢，主要包括指定波長(zhǎng)下的輻射靈敏度、量子效率、測(cè)試人員、測(cè)試時(shí)間等相關(guān)信息。通過(guò)連接Access 數(shù)據(jù)庫(kù)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、修改、添加和刪除等功能。

3 紫外像增強(qiáng)器輻射靈敏度測(cè)量結(jié)果

3.1 紫外像增強(qiáng)器輻射靈敏度測(cè)量結(jié)果

在輻射靈敏度的測(cè)量過(guò)程中，被測(cè)紫外像增強(qiáng)器被放置于測(cè)試暗箱內(nèi)，由紫外光源經(jīng)光柵單色儀進(jìn)行分光；光柵單色儀在計(jì)算機(jī)測(cè)量軟件的控制下，轉(zhuǎn)動(dòng)光柵，利用光柵衍射輸出指定波長(zhǎng)的紫外單色光；微電流計(jì)對(duì)紫外像增強(qiáng)器陰極產(chǎn)生的光電流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并將光電流數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)利用光電流數(shù)據(jù)及存儲(chǔ)的對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)下的光功率數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，獲得被測(cè)紫外像增強(qiáng)器的輻射靈敏度。

在光源波長(zhǎng)為260 nm、280 nm 及320 nm 的情況下，對(duì)編號(hào)為517323220、517333211 和515503259的紫外像增強(qiáng)器輻射靈敏度參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果如表1 所示。

表 1 紫外像增強(qiáng)器輻射靈敏度測(cè)量結(jié)果Table 1 Measurement results of radiant sensitivity for UV image intensifiers

3.2 測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定

為了保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)（1）式，需將紫外輻射計(jì)和微電流計(jì)溯源。因此，紫外像增強(qiáng)器輻射靈敏度測(cè)量不確定度的來(lái)源主要有：測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1；紫外輻射計(jì)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2；微電流計(jì)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u3。

1） 測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1

測(cè)量重復(fù)性用多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，用貝塞爾公式進(jìn)行計(jì)算。在校準(zhǔn)裝置中，由測(cè)量重復(fù)性引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

u1=2.4%

2） 紫外輻射計(jì)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2

紫外輻射計(jì)用于測(cè)量紫外像增強(qiáng)器光陰極面的輻射功率，其擴(kuò)展不確定度由計(jì)量部門給出，其值為5.0%（k=1）。按B 類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定，由紫外輻射計(jì)引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

u2=5.0%

3） 微電流計(jì)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u3

微電流計(jì)用于對(duì)紫外像增強(qiáng)器輸出的光電流信號(hào)進(jìn)行處理和分析，由微電流計(jì)引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

u3=0.4%

由于各分量之間獨(dú)立不相關(guān)，所以相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

要求置信水平為95%，取k=2，則相對(duì)擴(kuò)展不確定度為

Urel=kuc＝12%。

4 結(jié)論

介紹了紫外像增強(qiáng)器輻射靈敏度的測(cè)量原理和測(cè)量方法，組建了由紫外輻射光源、光柵單色儀系統(tǒng)、測(cè)試暗箱、微電流計(jì)、計(jì)算機(jī)及測(cè)量軟件等組成的測(cè)量系統(tǒng)，并對(duì)3 只紫外像增強(qiáng)器在260 nm、280 nm 及320 nm 波長(zhǎng)下的輻射靈敏度進(jìn)行了測(cè)量和不確定度分析。本測(cè)量系統(tǒng)將輻射靈敏度測(cè)量系統(tǒng)的光譜范圍拓展至200 nm～400 nm，彌補(bǔ)了現(xiàn)有系統(tǒng)的不足，具有廣泛的應(yīng)用前景。