鋁鎵氮光電陰極日盲紫外像增強(qiáng)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(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在軍民兩用市場上得到了廣泛的應(yīng)用。與微光像增強(qiáng)器類似，紫外像增強(qiáng)器是一種光譜轉(zhuǎn)換和能量增強(qiáng)器件，據(jù)此，其增益特性就顯得十分重要，輻射增益被國外列為評(píng)價(jià)紫外像增強(qiáng)器增益特性的指標(biāo)，在表征其性能時(shí)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(qiáng)器是微光像增強(qiáng)器的同一類光電器件，有關(guān)微光像增強(qiáng)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(nèi)紫外像增強(qiáng)器研制成功的時(shí)間相對(duì)較短，雖然程宏昌等[6]人在光譜響應(yīng)測(cè)試方面開展了相關(guān)研究，但仍存在著研究單位很少、其性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)還未統(tǒng)一、輻射增益測(cè)試方法及指標(biāo)還沒有明確、輻射增益對(duì)紫外像增強(qiáng)器應(yīng)用效果的影響程度還不清楚等問題。鑒于此，為了更加準(zhǔn)確評(píng)價(jià)紫外像增強(qiáng)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(qiáng)器亮度增益的定義，結(jié)合紫外像增強(qiáng)器工作原理，推導(dǎo)出了紫外像增強(qiáng)器的輻射增益的數(shù)學(xué)模型，在數(shù)學(xué)模型指導(dǎo)下建立了輻射增益測(cè)試系統(tǒng)，采用該系統(tǒng)對(duì)10 支自研的樣品進(jìn)行了測(cè)試，最后對(duì)測(cè)試結(jié)果和數(shù)學(xué)計(jì)算理論值進(jìn)行了比較。

1 工作原理

1.1 紫外像增強(qiáng)器工作原理

紫外像增強(qiáng)器能夠?qū)⑼饨缒繕?biāo)中的紫外圖像轉(zhuǎn)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(gòu)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(qū)域。雙近貼聚焦型紫外像增強(qiáng)器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理為:光電陰極將入射的紫外光子轉(zhuǎn)換為電子后，電子的密度分布與目標(biāo)圖像的紫外輻射強(qiáng)度成正比，電子進(jìn)入有一定傾角的MCP，通過MCP 放大后形成大量次級(jí)電子，然后在高壓加速作用下轟擊熒光粉將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為可見光信號(hào)，在熒光屏上形成二位圖像，圖像的亮度與光電陰極上對(duì)應(yīng)的紫外輻射強(qiáng)度成正比，最后可見光信號(hào)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(jìn)行后續(xù)信息處理，在紫外像增強(qiáng)器工作時(shí)，各功能部件都要加上高壓電源。

圖1 紫外像增強(qiáng)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(qiáng)烈的紫外輻射源，紫外波段的輻射能量占據(jù)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(huì)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(dá)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(nèi)仍有約10%的紫外光可以到達(dá)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(duì)日盲波段紫外輻射具有強(qiáng)烈的吸收作用，使波長小于280 nm 的太陽輻射光無法到達(dá)地球表面，這種自然條件為響應(yīng)波段小于280 nm 的紫外探測(cè)器提供了良好的探測(cè)背景條件。因此，日盲紫外探測(cè)器可忽略太陽輻射對(duì)目標(biāo)信號(hào)的影響，具有全方位探測(cè)能力，從探測(cè)目標(biāo)選擇與識(shí)別等方面優(yōu)于可見光和紅外探測(cè)，同時(shí)，在大氣層內(nèi)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(zāi)和紫外通信設(shè)備等，同時(shí)這些輻射源與人們?nèi)粘Ｉ钣兄芮械穆?lián)系，也需要通過日盲紫外探測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究。

1.3 鋁鎵氮紫外像增強(qiáng)器基本概念

紫外像增強(qiáng)器與其他可見類型的微光像增強(qiáng)器比較，兩者區(qū)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(xué)玻璃稍難，成本與普通光學(xué)玻璃相當(dāng)，硬度、強(qiáng)度、氣密性等方面也滿足作為日盲型紫外像增強(qiáng)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(lán)寶石窗口，具有一定的機(jī)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(shí)藍(lán)寶石玻璃是單晶結(jié)構(gòu)。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(qiáng)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(yīng)為200～350 nm，長波閾值隨光電陰極制備時(shí)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(dǎo)致Cs 量控制方法是制備該光電陰極的技術(shù)難點(diǎn)，正是由于此原因，也限制了該光電陰極在日盲紫外像增強(qiáng)器中的應(yīng)用。②氮化鎵(藍(lán)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(dǎo)體材料，具有內(nèi)、外量子效率高、高發(fā)光效率、高熱導(dǎo)率、耐高溫、抗輻射、耐酸堿、高強(qiáng)度和高硬度等特性，是目前世界上公認(rèn)的第三代半導(dǎo)體材料;由該材料制備的紫外光電陰極，光譜響應(yīng)可達(dá)到200～365 nm，在波長254 nm 處量子效率最高達(dá)到30%左右;在日盲區(qū)紫外探測(cè)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(yīng)，同時(shí)也降低了200～280 nm的高量子效率優(yōu)勢(shì)，也限制了其在日盲紫外像增強(qiáng)器中的應(yīng)用。碲化銫光電陰極和氮化鎵光譜響應(yīng)曲線如圖2和圖3所示。③負(fù)電子親和勢(shì)鋁鎵氮光電陰極，其禁帶寬度為3.4～6.2 eV 可調(diào)，該材料制成的像增強(qiáng)器可根據(jù)實(shí)際需要而調(diào)整截止波長范圍(200～365 nm)，實(shí)現(xiàn)對(duì)近紫外光的屏蔽作用，體現(xiàn)高的紫外可見光抑制比。通過超高真空技術(shù)，實(shí)現(xiàn)外延層原子級(jí)表面的潔凈、銫氧處理，形成負(fù)電子親和勢(shì)，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(fā)射性能，是日盲紫外像增強(qiáng)器的最佳選擇。鋁鎵氮光電陰極日盲紫外像增強(qiáng)器光譜響應(yīng)曲線如圖4所示。

2 輻射增益理論推導(dǎo)

2.1 紫外像增強(qiáng)器輻射增益理論推導(dǎo)

根據(jù)紫外像增強(qiáng)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(zhǔn)確測(cè)量都是十分困難，需要進(jìn)行量值轉(zhuǎn)換。

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

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

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

本文用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室條件，測(cè)量得到的紫外光電陰極量子效率、熒光屏發(fā)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(shù)作自變量，推導(dǎo)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(dá)式。推導(dǎo)過程如下:

設(shè)入射到紫外像增強(qiáng)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(shí)可求出光電陰極有效面積Ac上產(chǎn)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(jù)陰極量子效率和輻射靈敏度的關(guān)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(dá)熒光屏的加速電壓為U，像管中電子光學(xué)的透射比為τ，則到達(dá)熒光屏的功率為P:

熒光屏轉(zhuǎn)換效率為ηs，定義為:ηs=Φs/P，單位為lm/w?？筛鶕?jù)式(6)計(jì)算出熒光屏發(fā)出的光通量為:

對(duì)應(yīng)于波長λ2，引入視見函數(shù)，可得到熒光屏的輻射通量為Wλ1:

式中:Wλ2單位為W;

設(shè)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(qiáng)器工作時(shí)，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(dá)到飽和工作狀態(tài)，此時(shí)得到的紫外像增強(qiáng)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(shù)學(xué)表達(dá)式，對(duì)于雙近貼聚焦鋁鎵氮光電陰極紫外管輻射增益數(shù)學(xué)表達(dá)式可根據(jù)式(10)進(jìn)行參數(shù)的具體化推導(dǎo)。

2.2 雙近貼聚焦紫外像增強(qiáng)器輻射增益推導(dǎo)

雙近貼聚焦鋁鎵氮光電陰極紫外像增強(qiáng)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(duì)這種紫外像增強(qiáng)器來講，其輻射增益與熒光屏發(fā)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(jì)算與測(cè)試值比對(duì)

3.1 輻射增益理論計(jì)算值

采用實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)的有效的"熒光屏發(fā)光效率測(cè)試儀"、"紫外光電陰極量子效率測(cè)試系統(tǒng)、MCP 電子增益測(cè)試裝置和高壓電源"對(duì)自研的10 支鋁鎵氮日盲型紫外像增強(qiáng)器的熒光屏發(fā)光效率、光電陰極量子效率和MCP 電子增益參數(shù)分別進(jìn)行了測(cè)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(duì)10 支鋁鎵氮日盲型紫外像管輻射增益進(jìn)行了理論計(jì)算，理論值見表1。

3.2 輻射增益測(cè)試

根據(jù)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(jì)和輻射功率計(jì)，分別直接測(cè)量紫外像增強(qiáng)器正常工作時(shí)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(shù)，計(jì)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(cè)量值見表2。

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

表2 輻射增益實(shí)際測(cè)量值及與理論值比對(duì)Table 2 Comparison of theoretical and test value

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

通過對(duì)數(shù)學(xué)理論值與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行比較，兩者偏差最小為2.57%，最大為5.27%，在10%之內(nèi)，驗(yàn)證了數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)是正確的，測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是合理的，測(cè)試結(jié)果是可信的。針對(duì)實(shí)際測(cè)試值均高于理論值，經(jīng)梳理分析，紫外光電陰極量子效率測(cè)試系統(tǒng)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(cè)試系統(tǒng)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(dǎo)致實(shí)際測(cè)試過程中光電陰極轉(zhuǎn)化的光電子量子效率高于理論計(jì)算值，使得輻射增益實(shí)際測(cè)試值稍高于理論計(jì)算值。

4 結(jié)論

本文推導(dǎo)出了以光電陰極量子效率、MCP 電流增益、熒光屏發(fā)光效率等參數(shù)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(dá)式，并用實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備對(duì)數(shù)學(xué)模型中這幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行了有效測(cè)量，將諸參數(shù)的測(cè)量值帶入了輻射增益的數(shù)學(xué)表達(dá)式中，計(jì)算出了10 支樣品的輻射增益理論值;同時(shí)改造成了一套紫外管輻射增益測(cè)試系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)測(cè)試了上述10 支樣品輻射增益，并對(duì)數(shù)學(xué)理論值與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行比較，兩者誤差在10%之內(nèi)，驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型和測(cè)試系統(tǒng)的正確性。本文研究的輻射增益數(shù)學(xué)模型可指導(dǎo)高輻射增益紫外管技術(shù)相關(guān)研究。