普通高压电源超二代微光像增强器亮度增益温度特性研究

李亚情，周盛涛，王光凡，褚祝军，杜培德，朱文锦，李晓露，左加宁，朱世聪

普通高压电源超二代微光像增强器亮度增益温度特性研究

李亚情，周盛涛，王光凡，褚祝军，杜培德，朱文锦，李晓露，左加宁，朱世聪

（北方夜视技术股份有限公司，云南 昆明 650217）

针对匹配普通高压电源的超二代微光像增强器亮度增益在高温条件下大幅下降的问题，根据理论分析搭建了高低温试验平台，并分别对普通高压电源超二代像增强器、像增强管和普通高压电源的高低温特性进行研究。试验结果表明，匹配普通高压电源的超二代像增强器高温（55℃）亮度增益与低温（－55℃）相比衰减约65%；在阴极电压、MCP电压和阳极电压恒定的条件下，像增强管高温亮度增益仅衰减约20%，且主要是由于阴极灵敏度和荧光屏发光效率随温度升高而降低导致的；普通高压电源高温（55℃）与低温（－55℃）相比阴极电压降低约40V，MCP电压降低约18V，阳极电压降低约100V，三者共同作用加剧了普通高压电源超二代像增强器高温亮度增益的衰减。因此，在高温条件下通过软、硬件的方式对电源阴极电压、MCP电压和阳极电压进行补偿是提高普通高压电源超二代微光像增强器高低温亮度增益一致性的有效手段。

像增强器；亮度增益；阴极灵敏度；发光效率

0 引言

微光像增强器是夜视仪的核心器件，主要由光电阴极、微通道板（microchannel plate, MCP）、荧光屏和高压电源组成[1]。其工作原理是利用光电阴极将入射微弱光图像转换为电子图像，再经过MCP电子倍增和阳极高压加速后轰击荧光屏发光[2]。像增强器能够将微弱光学图像增强104倍以上输出，从而实现人眼在夜间对景物进行观察，亮度增益是衡量像增强器观察效果的重要指标之一，其值越高，夜视仪的低照探测能力越强，观察距离也越远[3]。随着夜视技术的发展，像增强器的应用范围越来越广，使用环境也越来越复杂，为确保其在不同使用环境中的成像效果，通常需要像增强器在不同温度环境条件下具备较强的亮度增益一致性。目前国内市场大批量装备的还是匹配普通高压电源的超二代微光像增强器，但该类像增强器的亮度增益会随温度升高而降低，导致高低温亮度增益一致性差[4-5]。国内外对像增强器亮度增益的研究主要集中在常温下进行，较少对像增强器高低温亮度增益进行深入研究。

本文经过理论分析之后搭建了一套高低温试验平台（试验温度范围为－55℃～55℃），分别从普通高压电源像增强器、像增强管（不包括电源的像增强器）和普通高压电源3部分入手，通过试验深入分析了各个部分的温度特性，指出造成普通高压电源像增强器高温亮度增益大幅下降的原因，并提出一种改进超二代微光像增强器不同温度下亮度增益一致性的方法，为后续像增强器高低温亮度增益的补偿提供方向。

1 高低温试验原理分析

超二代微光像增强器亮度增益与光电阴极灵敏度、MCP电子增益、荧光屏发光效率和荧光屏与MCP输出端之间的屏板电压（简称“阳极电压”）有关[6]，像增强器亮度增益可表示为：

式中：为像增强器亮度增益；为光电阴极灵敏度；M为MCP电子增益；为荧光屏发光效率；a为阳极电压。式(1)中，光电阴极灵敏度、MCP电子增益、荧光屏发光效率分别与阴极电压、MCP电压和阳极电压有关。

为分别测试像增强管和普通高压电源性能受温度的影响程度，对两者分别进行高低温试验，其中，对像增强管进行试验时保持阴极电压、MCP电压和阳极电压恒定不变，此时式(1)可以简化为：

光电阴极灵敏度表示在标准光源照射下像增强管所产生的光电流与入射光通量的比值，而入射光通量与阴极有效直径和入射光照度有关[7]，光电阴极灵敏度可表示为：

式中：c为光电阴极电流；为阴极有效直径；v为阴极面输入照度。同一具像增强管在阴极面输入照度一定时，式(3)可以简化为：

＝c(4)

从式(4)可得，当阴极电压保持不变时，像增强管在不同温度下的光电阴极灵敏度只与阴极电流有关。

根据经验可知，MCP电子增益受温度影响不大，故本文不对像增强器管MCP电子增益温度特性进行研究。

荧光屏发光效率主要与出射光通量、阳极加速电压和阳极电流密度有关[8]，荧光屏发光效率表示为：

式中：out为出射光通量；a和a分别为阳极电流和阳极电压，out可以表示为out＝pl，l为光电流；当a为恒定值时，式(6)可以简化为：

从式(6)可得，在阳极电压保持不变时，像增强管在不同温度下的荧光屏发光效率只与光电流和阳极电流有关。

2 高低温试验平台搭建

根据上述理论分析，搭建图1所示试验平台，包括积分球、光源、滤光片组合、高低温箱（样品室）、高压电源箱、光度计、皮安表、微安表、高压电源测试仪、稳压源和绝缘电阻测试仪。积分球输出光源经滤光片组合衰减后投射到像增强器的光电阴极面上，像增强器光学图像从荧光屏输出；高低温箱为试验提供不同的温度环境；高压电源箱为像增强管提供恒定的阴极电压、MCP电压和阳极电压；光度计实现荧光屏输出光电流的测量；皮安表和微安表分别对阴极电流和阳极电流进行测试；高压电源测试仪测试普通高压电源在不同温度下的阴极电压、MCP电压和阳极电压；稳压源为普通高压电源和光源提供3V直流电压；绝缘电阻测试仪测试不同温度下的像增强管负载。测试用光源为2856K色温的钨丝灯；滤光片组合中有一组不同透过率的中性密度滤光片及挡板，通过滤光片和挡板的移动可得到不同的输入照度[9]；高压电源箱通过同轴高压电缆连接到高低温箱内测试样品对应电极上。

首先对匹配普通高压电源的像增强器进行高低温试验，随机选取4260#、5147#和1161#三具匹配普通高压电源的18mm超二代微光像增强器样品，分别测试其在－55℃、－45℃、－25℃、0℃、25℃、45℃、55℃共7个温度下的暗电流0（滤光片及挡板全部推入）和光电流1（输入照度为10－5lx），则像增强器亮度增益对应的光电流值为＝1－0。

其次，为排除电源电压变化对像增强管的影响，将上述3具像增强器的电源和像增强管分离，分别进行高低温试验，像增强管试验过程如下：

1）将像增强管样品安装于高低温箱内夹具上，设置高低温箱目标温度为－55℃，等待箱体内温度降至－55℃并保温1.5h后进行数据测试；

2）将滤光片及挡板全部推入，通过高压电源箱给阴极施加－200V电压，MCP输入端接地，其余电极不供电，此时测试阴极暗电流记为c0，调节输入照度为1lx时测试阴极电流记为c1，则排除暗电流之后的阴极电流c＝c1－c0；

3）通过高压电源箱给阴极施加－1000V，MCP输入端施加－800V，MCP输出端接地，阳极施加6kV电压，分别测试滤光片和挡板全部推入时和调节照度为10－3lx时的阳极电流和光电流记为a0、a1、l0和l1，则排除噪声之后的阳极电流和光电流分别为a＝a1－a0和l＝l1－l0；

4）卸下高压电源箱所有电极电压，采用绝缘电阻测试仪在对应电压下测试阴极、MCP和阳极负载并记为c、mcp和a；

5）将高低温箱目标温度设置为下一个温度点，待箱体内温度达到目标温度并保温1.5h重复步骤2）～4），直至完成所有温度（－55℃、－45℃、－25℃、0℃、25℃、45℃、55℃）下的试验。

最后进行普通高压电源高低温试验，由于电源电压变化相对线性，本文只对－55℃、25℃和55℃三个温度点进行试验，将普通高压电源安装于高低温箱内电源夹具上，分别设置高低温箱目标温度为-55℃、25℃和55℃，等待箱体内温度达到目标温度并保温1.5h，根据步骤4）所得的负载情况通过高压电源测试仪施加对应负载并分别测试阴极电压c、MCP电压mcp和阳极电压a。

图1 高低温试验平台

3 高低温试验结果

3.1 普通高压电源像增强器亮度增益温度特性

对4260#、5147#和1161#三具普通高压电源像增强器样品在不同温度下测试亮度增益对应的光电流，并计算平均值可得到图2所示曲线。

由图2可得，像增强器光电流随温度升高而降低，高温（55℃）亮度增益与低温（－55℃）相比衰减65%左右。

图2 普通高压电源像增强器光电流温度特性曲线

3.2 像增强管亮度增益温度特性

对像增强管单独进行高低温试验时，采用外接高压电源箱为其供电，且在不同温度下供给恒定的阴极电压（－1000V）、MCP电压（－800V）和阳极电压（6kV），测试3具像增强管样品不同温度下亮度增益对应的光电流，并计算平均值可得图3所示曲线。

图3 像增强管光电流温度特性曲线

由图3可知，像增强管亮度增益整体也随着温度的升高而降低，但其变化幅度比像增强器小很多，高温（55℃）亮度增益与低温（－55℃）相比衰减只有约20%。因此，像增强管自身的亮度增益温度特性不是造成像增强器高温增益大幅度下降的主要原因。

本文还对像增强管阴极灵敏度和荧光屏发光效率的温度特性进行研究。为了简化实验，只对－55℃、25℃和55℃三个温度点进行了测试，根据测试结果分别得到3具像增强管样品的阴极灵敏度和荧光屏发光效率温度特性曲线如图4和图5所示。

图4 像增强管阴极灵敏度温度特性曲线

由图4可知，在阴极电压恒定的条件下，像增强管阴极灵敏度随温度升高而降低，55℃与－55℃相比降低约8%，且温度高于25℃之后下降幅度变大。

由图5可知，在阳极电压恒定时，像增强管荧光屏发光效率随温度升高而降低，55℃与－55℃相比平均降低15%左右。

图5 像增强管荧光屏发光效率温度特性曲线

为确保普通高压电源测试时施加模拟负载的准确性，分别对3具像增强管不同温度下的负载进行测试，结果表明阴极负载和阳极负载几乎不受温度影响，MCP负载随温度升高而加重，其变化情况如表1所示。

表1 MCP负载温度特性

从表1可以看出，-55℃时MCP负载大于700MW，25℃时为150～200MW，55℃时为90～120MW。

3.3 普通高压电源温度特性

高压电源测试仪上能够提供的与像增强管在-55℃、25℃、55℃时最接近的MCP负载值分别为680MW、200MW和150MW，在该3个负载条件下分别测试3具普通高压电源的阴极电压c，MCP电压mcp和阳极电压a，其结果如表2所示。

由表2可得，普通高压电源阴极电压、MCP电压和阳极电压均随温度升高而降低，其中阴极电压从－55℃到55℃降低约40V，MCP电压降低约18V，阳极电压降低约100V，该现象主要是由于普通高压电源电子元器件的温度特性和电源的负载特性导致的。

表2 普通高压电源高低温电压变化情况

4 像增强器高低温亮度增益影响因素分析

经过以上试验结果和分析可知，匹配普通高压电源的超二代微光像增强器高温亮度增益大幅下降的原因可以分为两部分。首先，在电压恒定条件下，阴极灵敏度和荧光屏发光效率高温下会发生一定程度的衰减，导致像增强管本身亮度增益的衰减；其次，普通高压电源各电极输出电压随温度升高而降低，导致阴极灵敏度、MCP电子增益和荧光屏发光效率发生不同程度的衰减，进一步加剧了像增强器高温亮度增益的衰减。

阴极灵敏度方面，像增强管阴极灵敏度本身受温度影响较小，但由于普通高压电源在高温条件下阴极电压下降，导致阴极灵敏度进一步降低。光电阴极量子效率可以间接表征阴极灵敏度，量子效率与阴极和MCP之间的电场强度满足关系：

MCP电子增益方面，像增强管MCP电子增益本身几乎不受温度影响，但当温度升高时，普通高压电源施加给像增强管的MCP电压下降，导致像增强管MCP电子增益降低。MCP电子增益与电压满足关系：

式中：GM为MCP电子增益；GM0为800V电压时的MCP电子增益，Vmcp为MCP电压。由式(8)可知，当MCP电压由低温时的839V变化到高温时的821V，MCP电子增益会降低22%，进而导致像增强管亮度增益的降低。图7所示为常温下实测的像增强管亮度增益随MCP电压的变化曲线，其结果与上述理论分析相符。

荧光屏发光效率方面，像增强管荧光屏发光效率本身在高温下会发生一定程度的衰减，但由于普通高压电源在高温条件下阳极电压下降，导致发光效率进一步降低。像增强管工作于增益状态时荧光屏光电流可以用来表征发光效率，荧光屏光电流与温度满足关系：

式中：I0¢为常温下的荧光屏光电流；Ea为激发能；K为玻尔兹曼常数；T为绝对温度。当温度T升高时，荧光屏光电流降低，即荧光屏发光效率下降。图8所示为常温下实测的P22、P43和P45粉荧光屏发光效率随阳极电压的变化曲线，由图8可知，阳极电压降低一定程度会导致荧光屏发光效率降低。从而进一步导致像增强管亮度增益的降低。

图8 像增强管荧光屏发光效率与阳极电压的关系

综上可得，由于温度升高导致普通高压电源阴极电压、MCP电压和阳极电压降低是造成超二代微光像增强器高温亮度增益降低的主要原因。如果在电源电路中增加温度传感器，通过该温度传感器采集当前环境温度，并对不同温度下的阴极电压、MCP电压和阳极电压进行调节将能够有效提高像增强器高低温亮度增益一致性。基于当前普通高压电源采用纯硬件对像增强管进行控制的工作方式，阴极、MCP和阳极电压调节可以通过调节变压器线圈交流输出来实现；自动门控电源则具有更大的灵活性，由于其增加了一个微控制单元（Microcontroller Unit,），可将温度采样值与常温值对比之后再通过MCU精确计算各输出电极电压的温度补偿量，然后通过软件控制逻辑调整各电极控制输出端来解决该问题。

5 结论

本文通过理论分析和试验总结，认为影响普通高压电源超二代像增强器高低温亮度增益的因素主要在于像增强管和普通高压电源输出电压，分别对普通高压电源像增强器、像增强管和普通高压电源进行高低温试验，试验结果表明：

1）普通高压电源像增强器高温（55℃）亮度增益与低温（－55℃）相比降低了约65%，而像增强管亮度增益只降低了20%，且像增强管亮度增益降低主要是由于光电阴极和荧光屏材料特性决定的。

2）普通高压电源在高温时阴极电压、MCP电压和阳极电压的降低是导致该类型像增强器亮度增益降低的主要原因，高温（55℃）与低温（－55℃）相比阴极电压降低约40V，MCP电压降低约18V，阳极电压降低约100V。

3）阴极电压降低加剧了高温阴极灵敏度衰减，MCP电压降低导致像增强器MCP电子增益降低，阳极电压降低也进一步导致荧光屏发光效率降低，三者共同作用加剧了像增强器高温亮度增益的衰减。

基于此，可采用温度传感器采集环境温度，在温度升高时通过软硬件补偿各电极电压，从而提高像增强器高低温亮度增益一致性。本文研究结果可为超二代微光像增强器亮度增益温度补偿技术的研究提供参考方向。

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Research on Brightness Gain Temperature Characteristics of Super Gen. II Low-Light-Level Image Intensifier Using High-voltage DC Power Supply

LI Yaqing，ZHOU Shengtao，WANG Guangfan，CHU Zhujun，DU Peide，ZHU Wenjin，LI Xiaolu，ZUO Jianing，ZHU Shicong

(North Night Vision Technology Co. Ltd., Kunming 650217, China)

Aiming at the problem that the brightness gains of super Gen. Ⅱ image intensifiers, equipped with high-voltage DC power supplies, substantially decrease at high temperatures, according to the theoretical analysis, this study developed high and low temperature test platforms to study the temperature characteristics of an image intensifierwith a high-voltage DCpower supply, an image intensifier tube, and a single high-voltage DC power supply. The experimental results show that the brightness gain of this type of image intensifier at a high temperature (55℃) decreased by approximately 65% than that at a low temperature (-55℃). However, on supplying constant cathode, MCP, and anode voltages to the image intensifier tube, the brightness gain decreased by 20%, which was mainly due to the decrease in the cathode sensitivity and luminous efficiency of the fluorescent screen with the increase in temperature. Compared with low temperature (-55℃), the cathode voltage of the high-voltage DC power supply was reduced by approximately 40V at high temperature(55℃),whereas the MCP and anode voltages were reduced by approximately 18and 100V, respectively. These three factors accelerated the attenuation of the brightness gain of the image intensifier at high temperatures. Therefore, compensating the cathode, MCP, and anode voltages using software and/or hardware to the power supply can be an effective method to improve the brightness gain consistency of super Gen.Ⅱ image intensifierswith a high-voltage DC power supply at various temperatures.

image intensifier, brightness gain, cathode sensitivity, luminous efficiency

TN22

A

1001-8891(2022)08-0804-07

2022-05-11；

2022-06-07.

李亚情（1993-），女，云南人，硕士，工程师，主要从事像增强器电源技术研究。E-mail：liyaqing1742@dingtalk.com。

国家自然科学基金（11535014）。