王生云，解 琪，史繼芳，孫宇楠，俞 兵，康登魁

（西安應用光學研究所，陜西 西安 710065）

引言

微光夜視技術是光電子高新技術的重要組成部分，加快進行紫外像增強器的研制與應用是其重要發(fā)展方向。紫外像增強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)換并增強為肉眼可見、亮度可見的光圖像，是整個紫外探測系統(tǒng)的核心器件，廣泛應用于軍用和民用領域[1-5]。輻射靈敏度是評價紫外像增強器的重要參數(shù)，直接決定了紫外探測系統(tǒng)的性能。因此，紫外像增強器輻射靈敏度的測量十分必要[6-9]。

本文研究了紫外像增強器輻射靈敏度的測量原理，組建了相應的測量系統(tǒng)。對3 只紫外像增強器在260 nm、280 nm 及320 nm 波長下的輻射靈敏度進行了測量，并對測量裝置進行了溯源，分析了其測量結果不確定度，保證了測量結果的準確性。

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

1 紫外像增強器輻射靈敏度測量原理

紫外像增強器的光譜響應是指紫外光陰極發(fā)射光電子的能力隨波長變化的關系，紫外光陰極發(fā)射光電子的能力通常用輻射靈敏度來表示。紫外像增強器的輻射靈敏度是指紫外像增強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下的輻射靈敏度[10-12]。其測量公式如下：

式中：S（λ）為波長λ 時的輻射靈敏度；I 為光電流；Φ 為入射輻射功率。

紫外像增強器輻射靈敏度的測量原理：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，采用紫外輻射計測量其光陰極輸入端的輻射功率。單色光入射到被測紫外像增強器，在信號處理模塊中對紫外像增強器輸出的光電流信號進行處理，從而測量出不同波長下的輻射靈敏度[13-16]。

2 紫外像增強器輻射靈敏度測量系統(tǒng)

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

紫外光源發(fā)出的復合紫外光呈發(fā)散狀，利用石英透鏡進行匯聚，并通過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，復合紫外光被分解為各個波長的單色紫外光。其中指定波長的單色紫外光將通過出射狹縫輸出，利用傳光光纖將光柵單色儀輸出的指定波長的單色紫外光傳輸至被測紫外像增強器陰極面上，獲得指定波長下被測紫外像增強器陰極光電流信號，從而計算出輻射靈敏度值。

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

紫外像增強器輻射靈敏度測量裝置立體圖如圖2 所示。

圖 2 紫外像增強器輻射靈敏度測量裝置立體圖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器輻射靈敏度測試提供所需指定波長的單色紫外光，要求輸出單色波長可調(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構包括紫外光源、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成示意圖如圖3 所示。

紫外光源采用氘燈，波長范圍為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，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，能夠滿足紫外像增強器輻射靈敏度參數(shù)的測量需求。氘燈光源及其供電電源的主要指標為：光譜范圍200 nm～400 nm 高強度紫外光譜輻射；輸出功率30 W；輸出光強穩(wěn)定性≤0.5%；電流穩(wěn)定度≤0.5%/h。

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

光柵單色儀由2 個焦距相同的色散分光結構經(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，進行極微弱信號探測。其技術指標為：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，可實現(xiàn)180 nm～2 200 nm 全波段光譜輸出；分辨率0.1 nm；波長準確度±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紫外像增強器陰極面。采用傳光光纖替代傳統(tǒng)準直光路，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構，外表為黃銅鎧裝結構，纖芯為石英傳光束。纖芯一端呈長方形，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紫外像增強器陰極面上。

紫外光源發(fā)出的復合紫外光呈發(fā)散狀，利用石英透鏡進行匯聚，并通過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，復合紫外光被分解為各個波長的單色紫外光。其中指定波長的單色紫外光將通過出射狹縫輸出，利用傳光光纖將光柵單色儀輸出的指定波長的單色紫外光傳輸至被測紫外像增強器陰極面上，獲得指定波長下被測紫外像增強器陰極光電流信號。

2.2 測試暗箱及夾具

測試暗箱為紫外像增強器輻射靈敏度測試提供了所必須的暗室環(huán)境，可降低對測量裝置所處實驗室環(huán)境的照度要求。測試暗箱與三維調(diào)節(jié)機構協(xié)調(diào)作用，確保在測量過程中測量裝置光軸一致。測試夾具用于固定被測器件，以確保在測量過程中被測器件位置不發(fā)生移動，同時具備接電裝置，以方便測量過程中器件供電連接及信號輸出。

2.3 微電流計

微電流計為紫外像增強陰極和MCP 輸入端間施加一個正向電場，以收集紫外像增強器陰極因光電效應所產(chǎn)生的光電子，同時需對紫外像增強器因單色紫外光入射所產(chǎn)生的極微弱光電流信號進行檢測。紫外像增強器陰極所加電壓范圍通常為?600 V～?100 V，陰極所產(chǎn)生電流信號可能低至10 A～11 A。

在測量系統(tǒng)中，微電流計的電源輸出范圍為?1 000 V～0 V，電流檢測精度為0.01 nA，電流測試重復性優(yōu)于3%。微電流計包括放大濾波模塊、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 微電流計示意圖Fig. 4 Schematic diagram of micro galvanometer

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

2.4 測量軟件

測量軟件將實現(xiàn)紫外像增強器陰極輸入光功率標定、陰極光電流采集、單色紫外光源輸出波長控制、紫外像增強器光譜響應曲線繪制和存儲等功能。

利用光譜響應測試模塊，可以對紫外像增強器的輻射靈敏度進行測試。通過控制紫外光纖輸出單色光源系統(tǒng)的輸出波長，檢測對應輸出波長下紫外像增強器的光電流數(shù)據(jù)及輸入光功率，獲得紫外像增強器陰極在單一波長下的輻射靈敏度。將所設定波長范圍內(nèi)的輻射靈敏度數(shù)據(jù)繪制成曲線，即為被測紫外像增強器的光譜響應曲線。數(shù)據(jù)庫模塊用于完成對測試信息的保存和查詢，主要包括指定波長下的輻射靈敏度、量子效率、測試人員、測試時間等相關信息。通過連接Access 數(shù)據(jù)庫，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、修改、添加和刪除等功能。

3 紫外像增強器輻射靈敏度測量結果

3.1 紫外像增強器輻射靈敏度測量結果

在輻射靈敏度的測量過程中，被測紫外像增強器被放置于測試暗箱內(nèi)，由紫外光源經(jīng)光柵單色儀進行分光；光柵單色儀在計算機測量軟件的控制下，轉(zhuǎn)動光柵，利用光柵衍射輸出指定波長的紫外單色光；微電流計對紫外像增強器陰極產(chǎn)生的光電流信號進行檢測，并將光電流數(shù)據(jù)輸入計算機；計算機利用光電流數(shù)據(jù)及存儲的對應波長下的光功率數(shù)據(jù)進行計算，獲得被測紫外像增強器的輻射靈敏度。

在光源波長為260 nm、280 nm 及320 nm 的情況下，對編號為517323220、517333211 和515503259的紫外像增強器輻射靈敏度參數(shù)進行了測量，其測量結果如表1 所示。

表 1 紫外像增強器輻射靈敏度測量結果Table 1 Measurement results of radiant sensitivity for UV image intensifiers

3.2 測量結果不確定度評定

為了保證測量結果的準確性，根據(jù)（1）式，需將紫外輻射計和微電流計溯源。因此，紫外像增強器輻射靈敏度測量不確定度的來源主要有：測量重復性引入的標準不確定度分量u1；紫外輻射計引入的標準不確定度分量u2；微電流計引入的標準不確定度分量u3。

1） 測量重復性引入的標準不確定度分量u1

測量重復性用多次實驗結果的標準偏差表示，用貝塞爾公式進行計算。在校準裝置中，由測量重復性引入的相對標準不確定度為

u1=2.4%

2） 紫外輻射計引入的標準不確定度分量u2

紫外輻射計用于測量紫外像增強器光陰極面的輻射功率，其擴展不確定度由計量部門給出，其值為5.0%（k=1）。按B 類標準不確定度評定，由紫外輻射計引入的相對標準不確定度為

u2=5.0%

3） 微電流計引入的標準不確定度分量u3

微電流計用于對紫外像增強器輸出的光電流信號進行處理和分析，由微電流計引入的相對標準不確定度為

u3=0.4%

由于各分量之間獨立不相關，所以相對合成標準不確定度為

要求置信水平為95%，取k=2，則相對擴展不確定度為

Urel=kuc＝12%。

4 結論

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