超二代微光像增强器性能随工作时间的变化规律研究

微光像增强器是微光夜视系统的核心器件，而超二代微光像增强器（以下简称像增强器）作为众多像增强器种类之一，因其具有重量轻、体积小、电子倍增数量高等优点，被广泛应用于海、陆、空等各军兵种领域。像增强器的贮存、工作寿命等性能是其在军备装置上能否得到广泛应用的关键因素之一，在实际使用和贮存过程中，伴随着工作时间的增加，内部腔体的真空度逐渐降低，使用性能逐渐失效，像增强器失效的判定依据为亮度增益、信噪比、分辨力等某一关键性能指标降低到规定的阀值。

据麦姆斯咨询报道，近期，北方夜视技术股份有限公司和微光夜视技术重点实验室的联合科研团队在《红外技术》期刊上发表了以“超二代微光像增强器性能随工作时间的影响研究”为主题的文章。该文章第一作者和通讯作者为曾进能工程师，主要从事真空光电器件的研究工作。

本文研究了超二代微光像增强器性能随工作时间的变化规律，掌握性能变化特点。通过性能测试和曲线拟合，得出亮度增益、信噪比随工作时间的变化逐渐下降，分辨力随工作时间的变化几乎保持不变。

像增强器及试验方法

试验用像增强器

试验用像增强器由高压电源、像增强管及填充硅橡胶的塑料外壳组合而成，是由北方夜视技术股份有限公司自主研制和生产的一型高性能像增强器。像增强器采用的高压电源型号为GYH-053-4；像增强管的输入窗为防光晕玻璃，光电阴极为S25+型，微通道板型号为Φ25/8，输出窗为光纤倒像器，荧光屏采用P43荧光粉并蒸镀铝膜。针对本次试验，采用编号为#306、#308、#309、#310的4具像增强器，其主要技术指标的初始值见表1。

表1 像增强器主要技术指标初始值

表1所列的灵敏度、微通道板（MCP）增益、荧光屏发光效率为灌封前所用的像增强管主要技术指标初始值，亮度增益、分辨力、信噪比、工作电流为试验用像增强管与高压电源装配组合到塑料外壳并由硅橡胶灌封后得到的像增强器的主要技术指标初始值，以上试验数据均按GJB 2000A-2020超二代像增强器通用规范中规定的测试方法获得。

试验方法

本文所用的像增强器工作寿命试验包括光应力试验和电应力试验。光应力试验是在通电状态下，对像增强器光电阴极施加输入照度为5×10⁻⁴ lx（色温2856 K）的光，在每个周期（1 h）的通电时间内，施加照度为1×10⁻² lx的光持续照射5 s和施加50~200 lx的光持续照射3 s，两次光脉冲的时间间隔不小于5 min。电应力试验是在像增强器加工作电压后，在每个周期（1 h）的通电时间内，按每通电55 min、断电5 min的周期进行。试验用像增强器共有4具，每具像增强器的累计工作时间为22698 h，每经过200 h对亮度增益、信噪比和分辨力3项关键指标进行测试，试验后与其指标的初始值比较分析，获得像增强器关键性能指标随工作时间的变化情况，并将工作22698 h后的像增强器解剖形成对应的像增强管与高压电源，分别对其关键性能进行测试，分析得到像增强器长时间工作后关键性能变化的原因。

关键性能变化情况与原因分析

亮度增益随工作时间的变化规律

亮度增益是像增强器的关键指标之一，反映了像增强器对所接收微弱光辐射的增强能力，其高低主要影响夜视仪的视场亮度和探测能力，固定照度环境下亮度增益越高视场亮度越大，探测能力越强。对于像增强器而言，要使其能在星光或者月光的条件下使用，亮度增益需要达到3000 (cd/m²)/lx以上，才能满足人眼视锥细胞视觉的光适应状态。为研究像增强器工作时间对亮度增益的影响，按照上述试验方法，每隔200 h测试像增强器的亮度增益，累计工作时长为22698 h。4具试验像增强器工作时间随亮度增益的变化规律见图1所示。

图1 亮度增益随工作时间的变化曲线(a)和拟合曲线(b)

信噪比随工作时间的变化规律

信噪比是评定像增强器成像质量的综合指标，信噪比的高低直接与成像图像内的离子闪烁斑（雪花点）的数量直接相关，信噪比越高雪花点越少，反之则越多。因此，除对像增强器亮度增益与工作时间变化情况进行研究外，也对信噪比随工作时间变化情况进行探讨，试验用像增强器为同一批，每隔200 h时通过信噪比测试仪测试试验像增强器的信噪比，4具试验像增强器信噪比与工作时间的变化情况如图2所示。

图2 信噪比随工作时间的变化曲线(a)和拟合曲线(b)

分辨力随工作时间的变化规律

分辨力是像增强器使用性能的重要指标之一，直接反映了像增强器分辨物体细节的能力，即能不能看清的问题。分辨力越高，则微光像增强器分辨细节的能力越强。因此，对长时间工作过程中像增强器分辨力变化情况进行研究显得尤为关键。本文在研究亮度增益、信噪比后，通过分辨力测试仪对像增强器在工作22698 h后的分辨力变化情况进行统计，如表2所示。

表2 分辨力随工作时间的变化

像增强器性能变化的原因分析

由图1~2以及表2分析可知，像增强器随着工作时间的增加，分辨力几乎保持不变，亮度增益和信噪比均以不同趋势降低。为分析亮度增益和信噪比下降的原因，将经过22698 h长时间工作试验的4具像增强器解剖形成对应的像增强管和高压电源，分别对其试验后的主要技术参数进行测试，并将其与试验前的参数进行对比，找出像增强器的性能变化原因。

像增强管关键性能变化

按照GJB 2000A-2020超二代像增强器通用规范要求，检测解剖后的像增强管灵敏度、分辨力、MCP增益（800 V）、屏效及MCP带电流5项关键技术参数，并与装配前的参数进行比较，如表3和表4所示。

表3 试验前后像增强管主要性能参数对比

表4 像增强管主要性能变化率

由表3可知，4具试验像增强管工作22698 h后，其灵敏度、MCP增益及屏效均出现不同程度地下降，而分辨力和MCP带电流基本不变。通过表3中像增强管的灵敏度、分辨力、MCP增益、屏效及MCP带电流值计算得到像增强管的主要性能变化率，如表4所示。像增强器试验前与工作22698 h试验后，分辨力和MCP带电流变化率基本为零，而灵敏度下降6.96%，MCP增益下降39.81%，屏效下降11.33%，其中MCP增益下降幅度最大。灵敏度下降原因主要与像增强器长时间工作后，内部腔体真空度逐渐降低及受光照时间过久而缓慢发生光电阴极衰退；MCP增益下降原因除与腔体真空度相关外，还与MCP本身材料及特性相关；屏效下降原因主要与荧光粉特性相关，荧光粉在实际使用过程中，存在亮度衰减效应。结合亮度增益和信噪比的相关理论分析，像增强管的MCP增益、灵敏度和屏效下降是导致像增强器亮度增益下降的主要原因，同时光电阴极灵敏度下降是导致信噪比下降的主要原因。

高压电源关键性能变化

在相同条件下，测试比较了高压电源试验前和试验后的主要技术参数。对试验后高压电源的阴极电压Vc、阳极电压Va及工作电流I关键性能进行检测，并对试验前后的变化率进行了计算，如表5所示。

表5 试验前后高压电源主要性能参数对比

由表5可看出，像增强器工作22698 h后，解剖后的高压电源Vc、Va及I发生轻微变化，其中，Vc平均变化率为-1.04%；Va平均变化率为-0.09%；I平均变化率为-1.97%，I出现变化的主要原因是高压电源与像增强管匹配后需要调整亮度增益和最大输出亮度至最佳值，由于每具像增强管的MCP、光电阴极、荧光屏等部件的电性能存在差异，高电源与像增强管匹配后工作电流会出现上升或下降，但是能保证输出电压值Vc在160~240V的范围内，Va在5.6~6.1 kV的范围内即可。因此，从试验像增强器解剖的高压电源工作22698 h后的输出电压值判断，其关键性能仍可在正常工作范围内，不是导致像增强器亮度增益和信噪比下降的主要因素。

结论

像增强器经过22698 h的长时间工作后，性能参数仍然满足使用要求。亮度增益与工作时间呈指数函数变化，在初期工作阶段时，亮度增益随工作时间的变化速率较快，但随着工作时间增加，亮度增益下降速率变慢，且最终趋于平稳。信噪比与工作时间呈多项式函数变化，随工作时间均匀下降。分辨力随工作时间的变化几乎保持不变。像增强器亮度增益、信噪比随工作时间加长而以不同程度下降的主要原因是MCP增益、光电阴极灵敏度、屏效的稳定性息息相关。其中，MCP增益稳定性在长时间工作后变化较大，要保证像增强器的亮度增益稳定性、信噪比及工作寿命等核心性能，需持续加强对长寿命MCP的研制，提升像增强器的使用寿命。

审核编辑：彭菁