日盲紫外像增強器產(chǎn)品及標準情況分析

陳大紀 張朋 張珊 徐鵬霄 趙文錦

關(guān)鍵詞：日盲紫外，像增強器，標準

1 日盲紫外像增強器工作原理

“光”是人類認識客觀世界的重要信息源，但人眼所能感知的只是整個波譜中極窄的一段，且在空間、時間和能量方面的分辨能力也十分有限。日盲紫外像增強器是一種基于外光電效應、電子倍增和電光轉(zhuǎn)換等原理的電真空器件，它的基本功能是將人眼不可見的極微弱日盲紫外波段（200～280nm）光圖像轉(zhuǎn)化為增強的人眼可見的光圖像。

日盲紫外像增強器由日盲紫外像增強管和給像增強管各電極供電的專用高壓電源組成，兩者可封裝在一起形成一個整體，亦可分別封裝使用。像增強管由輸入光窗、微通道板（MCP）、熒光屏和金屬-陶瓷管殼等部件構(gòu)成，輸入光窗內(nèi)表面蒸鍍紫外光電陰極，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換；熒光屏內(nèi)表面涂覆熒光粉，實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換；光電陰極與MCP、MCP與熒光屏之間采用近貼聚焦結(jié)構(gòu)，器件內(nèi)部為超高真空環(huán)境。

像增強器的工作原理如下：紫外光信號穿透輸入光窗到達光電陰極，光電陰極將入射光信號轉(zhuǎn)化為與紫外輻射強度成正比的光電子，光生電子克服表面逸出功后進入真空，在電源提供的外加電場作用下進入有一定傾斜角的MCP并不斷轟擊MCP通道內(nèi)壁，產(chǎn)生大量的次級電子，在MCP輸出端形成放大的電子云，電子云轟擊熒光粉將電信號再次轉(zhuǎn)換為可見光信號，熒光屏上圖像的亮度與輸入光電陰極上的紫外輻射強度信號對應。最終的可見光信號通過熒光屏的輸出光窗輸出或者與CCD等其他可見光傳感器耦合進行后續(xù)處理。

選擇不同的光電陰極材料可實現(xiàn)對不同波段光信號的探測，日盲紫外信號波段對應的光電陰極材料有Rb2Te[1]、Cs2Te[2]、AlGaN[3]等，這些材料具備較寬的禁帶寬度，可實現(xiàn)對長于280nm波長光線的抑制，有效避免太陽光對探測器的干擾。選擇單塊或多塊MCP組合，可實現(xiàn)從103～105甚至更高的電子增益，滿足對極微弱紫外光信號的探測需求。選擇不同牌號的熒光粉，可對發(fā)光光譜、余輝時間、發(fā)光強度等進行調(diào)節(jié)。

2 日盲紫外像增強器國內(nèi)外發(fā)展狀況

國際上研制和生產(chǎn)日盲紫外像增強管的國家主要有德國、日本和法國等，形成了光電陰極以Cs2Te或Rb2Te為主、有效探測直徑Ф18mm/Ф25mm/Ф40mm的系列化產(chǎn)品，并通過內(nèi)置微通道板級數(shù)進行增益調(diào)增以滿足不同的實用需求，陰極靈敏度典型值已經(jīng)普遍突破50mA/W。國內(nèi)自20世紀90年代開始紫外像增強管的研究工作，經(jīng)過30年的發(fā)展，產(chǎn)品性能不斷提升，陰極靈敏度已接近國際水平[1]。

以GaN[4]和AlGaN為主的負電子親和勢半導體材料與Cs2Te或Rb2Te相比，具有更高的量子效率，近年來，AlGaN光電陰極紫外像增強管研制工作取得了較大的進展，AlGaN光電陰極量子效率超過了20%。同時，AlGaN光電陰極在240～280nm波段范圍內(nèi)的響應都很高，且在280nm以后響應下降非常迅速，在300nm時已經(jīng)下降到峰值的10%左右，非常有利于實際應用[5]。AlGaN光電陰極與Cs2Te光電陰極光譜響應曲線比較如圖1示。

3 日盲紫外像增強器應用需求

日盲紫外像增強器是電暈檢測儀的核心器件，它具有的高探測靈敏度和優(yōu)異的日盲特性是電暈檢測儀的性能保證[6-7]。

日盲電暈檢測儀的應用主要集中在如下領(lǐng)域。

（1）高壓輸電線路檢測

紫外電暈檢測儀可有效探測高壓輸電線路的早期故障，對電路起到防患于未然的維護作用?？捎糜谌斯ぱ簿€，亦可搭載無人機對人跡難至之地進行巡視。和其他波段電暈檢測設備相比，紫外電暈檢測儀能有效去除太陽輻射的干擾，對高壓電線及其接線的位置進行檢查，能夠給電力部門在電力檢修時提供準確的數(shù)據(jù)，節(jié)省檢查時間，保證檢修的準確性，防止突然斷電對工業(yè)及人民群眾的生活造成損失。

（2）高鐵線路維護

高鐵電路和高壓輸變電路相比電壓較低，線路破損等形成的電暈放電現(xiàn)象更加微弱，日盲紫外電暈檢測儀能在日光下捕捉到微弱的放電現(xiàn)象，對高鐵的正常運行起到非常重要的保護作用。

（3）變電站內(nèi)固定設施檢測

針對變電站內(nèi)的固定設施，紫外電暈檢測儀可進行全程定點檢測，識別絕緣子短路和破裂、識別假冒陶瓷絕緣子、判斷電線破裂、判斷絕緣子的鹽污染以及導線的隔離圈和接頭的問題，實現(xiàn)變電站的無人值守，有效降低人力成本，保護人身安全。

4 日盲紫外像增強器標準情況分析

4.1 標準的作用及意義

基于紫外電暈檢測儀的重要性，國家重大儀器專項開展了“高靈敏度紫外成像儀研制及應用開發(fā)”，重點進行產(chǎn)業(yè)化方面的工作，日盲紫外像增強器的研制是其中重要工作之一。

目前像增強器領(lǐng)域的國家標準只有G B / T14182-1992《變像管和像增強管總規(guī)范》，主要是針對可見光波段的像增強管，其探測光譜范圍集中在400～900nm，針對日盲紫外像增強器（光譜范圍200～280nm）的內(nèi)容基本未涉及。

國產(chǎn)日盲紫外像增強器作為紫外電暈檢測儀的核心器件正在逐步替代進口產(chǎn)品，對電暈檢測儀的全面國產(chǎn)化提供了強有力支撐，日盲紫外像增強器標準需求迫切。2020年，中國電子科技集團公司第五十五研究所和中國電子技術(shù)標準化研究院聯(lián)合行業(yè)相關(guān)單位開展了國家標準《日盲紫外像增強器技術(shù)要求》研制工作，已完成標準報批。

4.2 標準主要技術(shù)內(nèi)容

《日盲紫外像增強器技術(shù)要求》規(guī)定了日盲紫外像增強器的通用技術(shù)要求，包括設計與結(jié)構(gòu)、外形尺寸、外觀質(zhì)量、光電性能、壽命、環(huán)境適應性、檢驗要求、標準、包裝、運輸和儲存等，適用于日盲紫外像增強器的設計、制造和驗收。

標準主要技術(shù)內(nèi)容及其確定依據(jù)如下。

（1）主要參數(shù)的確定

根據(jù)日盲紫外像增強器特點，結(jié)合國內(nèi)用戶需求和產(chǎn)品發(fā)展趨勢，參考國外同類產(chǎn)品的性能參數(shù)體系，研究確定了表征日盲紫外像增強器的常用光電參數(shù)及其要求：

·光電陰極輻射靈敏度

·光譜響應范圍

·峰值波長

·光電陰極有效直徑

·極限分辨率

·輸出亮度均勻性

·輻射增益

·等效背景輻照度

·工作電壓

·輸入電流

·電氣穩(wěn)定性

依據(jù)GB/T 5295-2012《光陰極光譜響應特性系列》中的截止波長和閾值波長指標定義，同時依據(jù)SJ 20792-2000《微通道板光電倍增管測試方法》中對光譜響應范圍的要求和各類紫外光電陰極的物理特性，確定了光譜響應范圍中截止波長和閾值波長的選取標準。

根據(jù)日盲紫外探測應用的特殊需求、結(jié)合多年來國內(nèi)外用戶使用日盲紫外像增強器的實際情況，增加了“日盲特性”要求，用于評價像增強器對太陽光譜中日盲紫外以外波段光信號的干擾屏蔽能力，定義為像增強器對可見光波段典型波長（520nm）響應值與日盲紫外波段典型波長（280nm）的響應值之比，當日盲特性大于該數(shù)值時，太陽光的干擾可能造成虛假的探測信息；日盲特性數(shù)值越小，則日盲探測性能越佳。

工作電壓是指像增強器專用高壓電源輸入端直流低壓，目前常用的日盲紫外像增強器其工作電壓典型值為3.3V。在電暈檢測中，像增強器通常與CCD或CMOS器件組合使用，像增強器工作電壓由CCD或CMOS電路提供，考慮到各類CCD或CMOS電路所能提供的電壓典型值有3V、5V、12V和20V等，同時結(jié)合不同廠家的實際應用需求，器件工作電壓的具體數(shù)值也可由產(chǎn)品具體要求進行規(guī)定。

（2）可靠性和環(huán)境適應性要求的確定

依據(jù)實際應用需求，明確了日盲紫外像增強器的壽命指標和環(huán)境適應性要求，給出了振動、沖擊和高低溫試驗的典型條件，溫度沖擊、溫熱、低氣壓和鹽霧等試驗可根據(jù)不同應用的需求進行選擇。

（3）檢驗和試驗方法的確定

光電參數(shù)的檢驗方法主要參考GB/T 14184-1993《變像管和像增強管測試方法》并結(jié)合日盲特性進行編制。環(huán)境試驗方法引用GB/T 2421-2020《環(huán)境試驗 概述和指南》和GB/T 2423《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗》的相應規(guī)定。

（4）名詞和術(shù)語的確定

日盲紫外像增強器是一種電真空器件，GB/T4597-2012《電子管詞匯》的相關(guān)名詞術(shù)語適用于本標準。針對日盲紫外和日盲特性等相關(guān)術(shù)語在標準中進行了定義。

5 結(jié)語

國家標準《日盲紫外像增強器技術(shù)要求》完全自主制定，不涉及相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)。這一標準規(guī)范和統(tǒng)一了日盲紫外像增強器主要性能指標和測試試驗方法，填補了日盲紫外波段真空光電探測器件標準的空白，為日盲紫外像增強器的研制、生產(chǎn)、檢驗和使用提供了依據(jù)，也將進一步促進日盲紫外像增強器的推廣應用和質(zhì)量提升。