影响超二代像增强器最高增益的因数分析

李晓峰，杜木林，徐传平，黄丽书，陈俊宇，常乐

（北方夜视技术股份有限公司，昆明650214）

夜间景物亮度太低，为使人眼在夜间也能看到景物，需要借助一些辅助手段，如对景物进行照明。然而在一些特殊应用场合，如在夜间对野生动物进行观察时，为了不惊扰野生动物；及在夜间对罪犯进行跟踪或取证时，为了不暴露自身目标，均不能对目标进行照明。因此在不能对景物进行照明时，为了在夜间或黑暗中观察景物，必须借助微光夜视仪。微光夜视仪的核心是像增强器［1-4］。像增强器通过光电效应原理实现对景物亮度的增强，从而实现人眼在夜间对景物进行观察的目的。随着微光像增强器技术的发展，像增强器的等效背景照度已从过去的10-7lx 数量级降低到了10-8lx，甚至10-9lx 数量级。等效背景照度的降低，意味着像增强器可以探测到更低的亮度阈值。然而，要探测更低的亮度阈值，像增强器需要具有更高的亮度增益。对于采用超二代像增强器的头盔式夜视仪，如果观察10-3lx 数量级照度的景物，需要104cd·m-2·lx-1数量级的亮度增益；观察10-4lx 数量级照度的景物，需要105cd·m-2·lx-1数量级的亮度增益；观察更低照度的景物，则需要更高的像增强器亮度增益。目前超二代像增强器的亮度增益在104cd·m-2·lx-1数量级，还不能满足对更低照度或更远距离目标的观察要求。但在提高超二代像增强器亮度增益方面，与提高超二代像增强器分辨力［5-8］、信噪比［9-12］相比较，研究进展相对缓慢，影响了超二代像增强器观察距离的进一步提高。关于如何提高超二代像增强器的亮度增益，一般认为只要提高微通道板（Microchannel Plate，MCP）工作电压（简称板压）即可。提高MCP 的板压可以提高MCP 的增益，同时也就提高了超二代像增强器的亮度增益。然而提高MCP 板压是否存在极限，以及提高MCP 的板压对超二代像增强器的其他性能是否会有影响，这方面的研究还未见报道，所以有必要对影响超二代像增强器最高亮度增益的因数进行分析。

1 理论分析

根据像增强器的相关理论［13-14］，超二代像增强器的亮度增益与光电阴极灵敏度、微通道板电子增益（简称增益）、荧光屏发光效率（简称屏效）以及荧光屏电压（简称屏压）有关，它们之间遵循

式中，G为像增强器的亮度增益，单位为cd·m-2·lx-1；S为阴极灵敏度，单位为μA·lm-1；GM为微通道板增益；η为荧光屏的屏效，单位：lm·W-1；Va为荧光屏的屏压，单位：V；M为像增强器的几何放大率。由于超二代像增强器为双近贴聚焦的结构，因此其几何放大率M为1，所以式（1）可以简化为

通常情况下，MCP 的板压每增加50 V，MCP 的增益就可以增加1 倍，即MCP 增益与其板压之间遵循

式中，GM为MCP 增益，GM0为800 V 板压时的MCP 增益，VM为MCP 板压。以下将MCP 在800 V 板压时的增益称为MCP 固有增益。将式（3）代入式（2），可得

从式（4）可以看出，影响超二代像增强器亮度增益的因数包括光电阴极的阴极灵敏、屏效、屏压、MCP 固有增益以及MCP 板压。其中阴极灵敏度、屏效、屏压以及MCP 固有增益对像增强器亮度增益的影响是线性的，即其中之一只要提高10%，那么像增强器的亮度增益也会提高10%。而MCP 板压对像增强器亮度增益的影响却是指数型的。所以从影响像增强器亮度增益的角度看，在式（4）中所涉及的5 个影响因数中，MCP 板压对像增强器亮度增益的影响最大。

目前对于采用普通玻璃窗的超二代像增强器，阴极灵敏度在800 μA·lm-1～1 100 μA·lm-1之间，短期内再进一步提高较困难。对于荧光屏而言，屏效（P22 型号荧光粉）一般在16 lm·W-1～20 lm·W-1之间。如果要进一步提高荧光屏的屏效，就需要增大荧光粉粒度，而这又会影响荧光屏的分辨力，所以短期内，荧光屏的屏效只能保持在目前的水平。对屏压而言，因为屏压的进一步提高会带来荧光屏或MCP 高压击穿的问题，由此会降低像增强器的制造良品率。所以超二代像增强器的屏压一般只能保持在6 000V 的水平上。至于MCP（直径为25 mm，孔径为6 μm，节距为8 μm）的固有增益，一般在100～300 之间，短期内进一步提高也比较困难。综上所述，由于阴极灵敏度、屏效、屏压以及MCP 的固有增益在短期内可以认为是相对固定的，因此其对像增强器亮度增益的影响也是相对是固定的，所以在式（4）中它们可以被认为是常量。也就是说在超二代像增强器的阴极灵敏度、屏效、屏压以及MCP 的固有增益一定的条件下，理论上讲，提高MCP 的板压是提高超二代像增强器亮度增益的方法之一。

假设像增强器阴极灵敏度为900 μA·lm-1，屏效为18 lm·W-1，MCP 固有增益为250。那么根据式（4）可以计算出，MCP 的板压只需要达到879 V，像增强器的亮度增益就可以达到20 000 cd·m-2·lx-1。同理可以计算出，MCP 的板压只需要达1 046 V，像增强器的亮度增益即可达到194 400 cd·m-2·lx-1，接近2×105cd·m-2·lx-1数量级。但以上仅是理论分析，能否无条件地通过提高MCP 板压来提高超二代像增强器的增益，另外在提高MCP 的板压以后，是否会对超二代像增强器的其他性能参数产生影响，还需要通过实验来验证。

2 实验结果及分析

从实验上研究MCP 板压对超二代像增强器亮度增益的影响，选取有效阴极直径为18 mm 的超二代像增强器进行试验。超二代像增强器采用多碱阴极［15-18］，即S25 光电阴极。首先对244#样品进行试验，测量其亮度增益随MCP 板压变化的关系。244#样品的阴极灵敏度、等效背景照度（Equivalent Background Illumination，EBI）、分辨力（Resolution）、信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）以及屏效的具体参数见表1。

表1 试验样品的性能参数Table 1 Parameters of testing samples

测量仪器采用符合像增强器测试标准的像增强器亮度增益测试仪。包括光源、滤光片盒、暗箱（样品室）和光度计。输入光经过滤光片衰减后投射在像增强器的光电阴极面上，经过像增强器增强，从荧光屏输出。荧光屏的输出光再被光度计接收，从而测量出像增强器荧光屏的亮度。荧光屏的亮度与光电阴极面上的输入照度之比即为像增强器的亮度增益。测量仪器的光源为2 856 K 色温的钨丝灯。滤光片盒中有一组不同透过率的中性密度滤光片，包括从ND0.5、ND1、ND2、ND3 的不同透过率的滤光片，另外还包括挡板。滤光片和挡板在滤光片盒中可以移动。当在测量过程中需要对输入光进行衰减时，可以将不同的滤光片或滤光片组合推入光路。同样当在测量过程中需要增加光电阴极面上的输入照度时，可以将不同的滤光片或滤光片组合拉出光路。当在测量过程中不需要输入光照时，可以将挡板推入光路，反之则可以拉出光路。亮度计为美国Pritchard 公司生产。测量仪器的结构如图1（a），像增强器测量所用高压电源如图1（b）。高压电源的输出电压通过高压电缆连接到样品的测试夹具上，再通过测试夹具施加在测量样品上。高压电源包括三组电压输出，第一组为阴极电压，第二组为MCP 板压，第三组为屏压。MCP 的输出端为地，因此屏压为正高压，MCP 板压和阴极电压均为负高压。即MCP 输入端电位比输出端电位低，而阴极电位又比MCP 输入端电位低。

图1 增益测量仪器Fig.1 Test set for gain of image intensifier

像增强器的亮度增益测量在暗室中进行。环境温度为常温，相对湿度低于45%。另外测量暗箱中通有干燥氮气，以保证测量过程中不产生高压放电。光电阴极面上的输入照度为4.7×10-5lx，样品的阴极电压为200 V，屏压为6 000 V。在测量过程中，阴极电压和屏压保持不变，仅变化MCP 板压。每变化一次MCP 板压，测量一次像增强器的亮度增益。在测量得到样品的亮度增益后，根据式（2）及样品的阴极灵敏度、屏效及屏压计算出该样品的MCP 增益。

244#样品MCP 增益的计算结果如图2。从图2 中曲线244#可以看出，随着MCP 板压的增加，样品的MCP 增益随之增加，并且符合式（3）的规律。但随着MCP 板压的不断增加，当MCP板压增加到1 020 V 时，样品的MCP 增益变化速率突然增大，见图2 中曲线244#上的点A。所以随着MCP 板压的不断提高，244#样品MCP 增益的变化可分为两个区域，低于点A的区域为称为量变区，高于点A的区域称为突变区。在突变区，像增强器图像的对比度、分辨力消失，其他参数如EBI、信噪比也不能正常测量。可以认为点A所对应的板压即为MCP 所能施加的最高板压，对应的MCP 增益即为MCP 的最高增益。

图2 MCP 增益随板压VM的变化Fig.2 Gain of MCP with the variation of VM

为分析244#样品MCP 增益发生突变的原因，在样品无输入照度条件下，通过光度计的目镜观察其荧光屏的暗背景，即在测量光路中推入挡板的条件下对其荧光屏暗背景随MCP 板压变化情况进行观察。在244#样品暗背景的观察过程中，发现荧光屏上会有一些闪烁点。例如，在MCP 板压为800 V 条件下，荧光屏图像如图3（a）。荧光屏上的闪烁点是光电阴极暗发射所造成的。因为暗发射在位置上和时间上是随机的，因此其在荧光屏上的图像，即闪烁点在位置上和时间上也是随机的。为了进一步观察暗背景的变化，在800 V板压基础上，不断增加MCP 板压。在此过程中，荧光屏上仍为一些闪烁点，不同的是这些闪烁点的亮度更亮，同时数量也更多，并且板压越高，闪烁点的亮度越亮，数量越多。图3（b）为MCP 板压为950 V 时在荧光屏上所观察到的图像。荧光屏上闪烁点亮度更亮的原因是MCP 增益的增加，数量更多的原因是原来被MCP 输入面电极俘获的暗发射电子也参与倍增。

图3 不同MCP 板压下的荧光屏图像Fig.3 The images of phosphor screen on different voltages of MCP

在950 V 电压的基础上进一步提高MCP 板压，荧光屏上的图像仍然由闪烁点组成。当MCP 的板压提高到1 020 V 时，荧光屏的发光状态发生突变，从只有闪烁点的状态转变为整个荧光屏呈现一个自激发光状态，并且亮度可达到10 cd·mm-2以上，如图3（c）。从理论上讲，如果像增强器没有输入光，荧光屏上除光电阴极的暗发射所产生的不连续、随机的闪烁点外，不应该有连续而稳定的输出光。但实际情况是，当MCP 的板压达到一定的数值时，荧光屏会发生自激发光，输出连续而稳定的光。由于当MCP 板压达到最高板压时，像增强器会产生自激发光，受这一因数的影响，像增强器的亮度增益变化速率会随之发生突变，而根据式（2），可得出MCP 增益变化速率会发生突变的结论。对于MCP 而言，实际上其增益变化的速率并未发生突变，之所以MCP 的增益变化发生突变，是根据式（2）计算的结果。

图4 是244#样品在无输入照度条件下，阳极电流Ia随MCP 板压的变化曲线。从该曲线可以看出，随着MCP 板压的增加，阳极电流随之增加，但增加的速率较低。但当MCP 板压达到1 020 V 时，阳极电流突然增大到0.5 μA。因此从阳极电流随MCP 板压变化的角度也可以看出，当MCP 增益或板压达到某一最高值时，像增强器会产生自激发光。

图4 阳极电流随MCP 板压的变化Fig.4 Anode current of screen with the variation of VM

像增强器发光的原因可以从其倍增机理上来分析。超二代像增强器主要由光电阴极、MCP、荧光屏等组成，是一种近贴聚焦结构的像增强器，如图5。光电阴极发射的光电子经过MCP 倍增，从MCP 输出端输出，之后在电场作用下加速，获得动能，穿透荧光屏的铝膜并轰击荧光屏发光。荧光屏所发射的光透过输出窗而向外发射。因为荧光屏发光的光通量超过光电阴极输入的光通量，因此像增强器可以实现光的增强作用。

图5 近贴聚焦像增强器示意Fig.5 Diagram of proximity-focused image intensifier

像增强器荧光屏由荧光粉层（Phosphor layer）和铝膜（Aluminum film）所组成，如图6。当电子e 轰击荧光屏时，电子e 首先穿透铝膜，然后再撞击荧光粉颗粒，将电子动能转换为光能。荧光粉颗粒发光时，发光是360°全方位的，即不仅有向输出窗方向的，而且还有向铝膜方向的。由于铝膜的存在，向铝膜方向传输的光线会被铝膜反射，即将向铝膜方向传输的光反射回输出窗方向。为表述方便，将向铝膜方向传输的光称为反向光。尽管荧光屏的铝膜会反射反向光，但荧光屏中的铝膜对反向光的反射率并不是100%，另外铝膜并不是无限厚，因此反向光中仍会有极少一部分反向光p 透过铝层，之后再穿透MCP，最终入射在光电阴极上。这些入射在光电阴极上的反向光p 会使光电阴极发射光电子e。光电子e 经过MCP 倍增，会再次激发荧光屏发光，由此完成一个光的循环，如图5。随着光循环的不断进行，当光电阴极的光电流和MCP 的增益达到某一值时，像增强器内部将形成正反馈，最终促使荧光屏产生自激发光。这一过程类似电子电路中的正反馈。

图6 荧光屏结构示意Fig.6 Sketch of phosphor screen in image intensifier

为进一步分析影响MCP 最高增益的因数，再另外选择119#和176#超二代像增强器进行试验。119#和176#样品的参数如表1。119#、176#样品与244#样品的制作工艺相同，因此具有可比性。119#和176#样品的试验结果分别如图2 中的曲线119#和曲线176#。从图2 中可以看出，119#样品的试验结果与244#样品的试验结果相类似，当119#样品的MCP 增益达到一定的最高值时，像增强器也发生自激发光，并且MCP 最高增益与244#样品的MCP 最高增益基本相同，如图2 中曲线119#上的点B和曲线244#上的点A，点B和点A的高度基本相同。119#样品的阴极灵敏度为802 μA·lm-1，EBI 为0.3×10-7lx。244#样品的阴极灵敏度为797 μA·lm-1，EBI 为1.2×10-7lx。两个样品相比较，最大区别在于EBI，两者相差1 个数量级。由于两个样品发生自激发光的MCP 最高增益基本相同，因此可以认为EBI 不是影响样品MCP 最高增益的主要因数。

将176#样品的试验结果分别与119#和244#样品的相比较，可以看出176#样品MCP 的最高增益更高，如图2 中曲线176#上的点C，即点C的增益高于点A和点B。176#样品的阴极灵敏度为507 μA·lm-1，244#和119#样品的阴极灵敏度分别为709 μA·lm-1和802 μA·lm-1。176#样品的阴极灵敏度最低，而其MCP 的最高增益最高，由此可以认为在荧光屏相同的条件下，阴极灵敏度是影响MCP 的最高增益的主要因数，同时MCP 的最高增益与光电阴极的灵敏度成反比，阴极灵敏度越高，MCP 的最高增益越低。

为进一步验证阴极灵敏度与MCP 最高增益的相关性，在以上3 个超二代像增强器样品试验的基础上，再另外选择347#样品进行试验。347#样品为单MCP 的日盲紫外像增强器，采用Cs2Te日盲紫外光电阴极［19-21］，其阴极灵敏度为32 mA·W-1（254 nm），其他参数见表1。347#日盲紫外像增强器，除光电阴极外，其结构、MCP、荧光屏等与244#、119#以及176#样品完全相同。347#样品的试验结果如图2 中的曲线347#。从图2 中的曲线347#可以看出，347#样品在MCP 板压为1 250 V 时，仍未出现自激发光的现象。由此可以判断，347#样品的MCP 最高增益远远高于176#、119#和244#样品。需要说明的是，由于目前MCP 耐压的限制，在347#样品的试验过程中，MCP 的板压仅仅增加到1 250 V，未在1 250 V 的基础上进一步增加，因此未能测量到MCP 的最高增益。因为如果再进一步增加MCP 板压，那么MCP 容易发生击穿。347#样品的荧光屏与176#、119#和244#样品一样，即其荧光粉和铝膜厚度均相同。荧光粉为P22 型号的荧光粉，而其发光的光谱峰值波长约在515 nm，如图7，176#、119#和244#样品使用S25 多碱阴极，其光谱响应范围在350～960 nm 之间。由于S25 光电阴极的光谱响应范围与荧光屏的发射光谱范围存在交叠，因此S25 光电阴极可以对荧光屏所发射的反向光响应，即光电阴极会因反向光的作用而发射光电子。而347#样品使用Cs2Te日盲紫外阴极，其光谱响应范围（石英窗）在180～320 nm 之间。尽管两者之间的光谱范围从图7 中看不存在重叠，但实际上两者的光谱范围是存在重叠的。因为Cs2Te日盲紫外阴极存在带外光谱响应，即在320 nm波长之后，仍然有一定的响应，只不过响应非常低而已。因此其对荧光屏所发射的反向光响应极低，所以对反向光作用而发射光电子的数量极低，即比176#、119#和244#样品光电阴极发射光电子的数量低得多，因此要形成正反馈的MCP 最高增益较176#、119#和244#样品都高。347#日盲紫外像增强器的试验结果再次证明，阴极灵敏度越低，发生自激发光的MCP 最高增益越高；阴极灵敏度越高，发生自激发光的MCP 最高增益越低。目前双MCP 的日盲紫外像增强器的MCP 增益可达106以上，这也从另外一方面印证了在荧光屏相同的条件下，光电阴极灵敏度是影响MCP 最高增益主要因数的结论。

图7 光电阴极光谱响应与荧光屏发射光谱Fig.7 Spectral response of photocathode and emission spectral of phosphor screen

需要说明的是，在像增强器中，光电阴极灵敏度通常指透射式阴极的灵敏度。所谓透射式阴极是指输入光与发射电子的方向相同。例如在像增强器中，如图4所示，输入光从左向右，而光电子发射方向也是从左向右，与输入光的方向相同。而在上述光电阴极对反向光的响应中，光电阴极的光电发射是一种反射式阴极的光电发射过程。所谓反射式阴极，是指入射光的方向与光电子的发射方向相反。例如在图5 中，反向光是从右向左，而光电子的发射方向却是从左向右，与入射光的方向相反。通常情况下，在像增强器中，对于光电阴极而言，透射式的阴极灵敏度越高，其反射式的阴极灵敏度也越高。根据前面的分析，MCP 的最高增益与光电阴极的灵敏度成反比，而这里的灵敏度是指透射式光电阴极的灵敏度。但像增强器的自激发射，实质上是与反射式阴极的灵敏度直接相关。因为在像增强器中，反射式的阴极灵敏度与透射式的阴极灵敏度成正比，因此像增强器的自激发射间接与透射式阴极灵敏度成反比，所以也可以认为MCP 的最高增益与光电阴极透射式的灵敏度成反比。

理论上讲，过高的板压会产生一定的场致发射，而这一场致发射对超二代像增强器的自激发光会有一定的影响。为了验证MCP 场致发射对超二代像增强器自激发光的影响，在像增强器发生自激发光时关闭阴极电压，仅仅保持MCP 板压以及屏压，此时自激发光现象消失。在关闭阴极电压时进一步在提高MCP板压（提高200 V），自激发光现象仍并未出现，因此可以说明MCP 的场致发射不是产生自激发光的主要原因，即MCP 的场致发射在产生自激发光的过程中，贡献较小。

MCP 的斜切角和离子阻挡膜均会降低MCP 对透光率。目前在超二代像增强器中，斜切角过低会影响MCP 的固有增益，而过高则会影响MCP 的分辨力和均匀性。所以目前对于超二代像增强器所使用的MCP，其斜切角为6°。由于超二代像增强器中MCP 斜切角固定为6 °，所以本研究未涉及MCP 斜切角对自激发光的影响。理论上讲，增大MCP 的斜切角也可以提高MCP 的最高增益。离子阻挡膜主要在三代像增强器中使用，超二代像增强器中不使用离子阻挡膜，所以本研究中也未涉及离子阻挡膜对自激发光的影响。然而，对三代像增强器而言，也存在自激发光的现象，这说明尽管离子阻挡膜具有一定的隔光作用，但并不能消除自激发光的现象，只能在某种程度上提高MCP 的最高增益。

3 讨论

根据以上试验结果和分析可知，MCP 的最高增益与光电阴极的灵敏度以及荧光屏铝膜透过率成反比。因此要提高MCP 的最高增益，在阴极灵敏度一定的条件下，就需要降低荧光屏铝膜透过率。降低荧光屏铝膜的透过率，可以采用在现有铝膜基础上再镀制一层黑化的铝膜、镍膜或其他的黑色吸光膜的方法。在这方面，已经有一些尝试［22］，但实用化技术还须进一步研究。降低荧光屏铝膜的透过率，核心是要阻断来自荧光屏的光。目前的超二代像增强器技术，均是在双近贴聚焦的结构上实现的。所谓双近贴聚焦，是指光电阴极与MCP 之间，MCP 与荧光屏之间是通过在空间上近贴的方式来实现电子聚焦的，如图5。这种聚焦方式的特点是光电阴极与MCP 之间相互面对，因此透过MCP 的光不可避免地会直接照射在光电阴极上。对于静电聚焦的像增强器，由于聚焦电极可以隔光，因此透过MCP 的光大部分均不能直接照射在光电阴极上，在某种程度上可以提高MCP 的最高增益。

静电聚焦的像增强器结构如图8。它与双近贴聚焦结构的区别是在光电阴极与MCP 之间存在一个锥电极（Cone）。该锥电极为漏斗状，在其顶端有一个小孔。锥电极顶端的小孔，对于电子透镜而言，其焦点就在小孔的附近，也相当于一个电子光栏。对于来自荧光屏的反向光而言，该小孔相当于一个光栏，可以阻断大部分来自荧光屏的反向光，从而可以大大提高MCP 的最高增益。双近贴聚焦结构像增强器光电阴极采用转移阴极的技术制作，而目前静电聚焦结构像增强器的光电阴极却采用原位的技术制作。随着技术的发展，目前国内生产的Φ25 mm 有效输入直径、静电聚焦结构、光纤面板输入窗的二代像增强器（型号：XX1470），其阴极灵敏度较过去有了较大提高，阴极灵敏度大于500 μA·lm-1的像增强器的比例达到30%以上，并且性能参数全面合格的像增强器的最高阴极灵敏度达到了672 μA·lm-1。如在此基础上，借鉴现有的有关多碱阴极的理论研究成果［15］，进一步优化制作工艺，其阴极灵敏度还有进一步提高的可能。只要静电聚焦结构像增强器的阴极灵敏度、分辨力、信噪比等有提升，再加上其更高亮度增益的优点，在某些应用环境中，可以替代超二代像增强器。

图8 静电聚焦像增强器Fig.8 Electro-statically focused image intensifier

另外，在提高MCP 最高增益的同时，像增强器的其他参数，如分辨力、EBI 以及信噪比仍须满足要求，否则像增强器亮度增益的提高将失去意义。为了从实验上了解MCP 板压变化对像增强器其他性能的影响，在不同板压下测量了244#、119#和176#样品的分辨力、EBI 以及信噪比。分辨力、EBI 以及信噪比的测量采用传统的测量方法［23-24］。测量结果表明，在低于MCP 最高板压时，随着MCP 板压的增加，三支像增强器的分辨力均保持不变，如图9。像增强器的分辨力不随MCP 板压的变化而变化，这是因为分辨力主要由像增强器的近贴聚焦距离、MCP 的孔径所决定的，而MCP 的板压变化并不会改变像增强器的近贴聚焦距离以及MCP 孔径，因此像增强器的分辨力不随MCP 的板压变化而变化。

图9 分辨力与MCP 板压的关系Fig.9 Resolution on different operation voltages of MCP

像增强器EBI 随MCP 板压变化的测量结果如图10。理论上讲，一方面，像增强器的EBI 主要由光电阴极的暗发射所决定，而MCP 的板压不会改变光电阴极的暗发射，因此MCP 的板压不会改变像增强器的EBI，所以EBI 不会随MCP 板压的变化而变化。另一方面，随着MCP 板压的增加，暗背景亮度也随之增加，会出现信号感生背景，所以EBI 会随着MCP 板压的增加而增加。但测试结果表明，在小于MCP 最高增益的条件下，EBI 并未随MCP 板压的增加而有较明显和单调的增加，仅仅是出现了小幅的波动。超二代像增强器的EBI 测量长期存在的一个问题是，对同一支像增强器，在相同测试条件下，不同时刻所测量得到的数值会有一定的波动。考虑到这一因数，可以认为随着MCP 板压的增加，EBI 的波动也跟不同时刻测量时出现的波动问题属于同一类。

图10 EBI 与MCP 板压的关系Fig.10 EBI on different operation voltages of MCP

尽管像增强器的分辨力和EBI 不随MCP 的板压变化而变化，但信噪比却随着板压的变化而变化，如图11。图11 为244#样品信噪比随MCP 板压变化的曲线。从图11 中可以看出，在MCP 板压从700 V 开始增加时，MCP 的增益随板压增加而单调增加，但像增强器的信噪比却并非随板压的增加而单调增加。像增强器的信噪比起初随MCP 板压的增加而增加，并且在860 V 达到最高值。但当在像增强器的信噪比达到最高值以后，又随着MCP 板压的增加而降低。由此可以看出，当通过提高MCP 板压来提高MCP 增益，当MCP板压超过最高信噪比电压以后，需要以牺牲信噪比为代价。信噪比降低以后，随着带来的问题是图像的闪烁噪声增大。例如对于静电聚焦的二代像增强器（增益的典型值为16 000 cd·m-2·lx-1），由于其增益高于近贴聚焦的像增强器（增益的典型值为10 000 cd·m-2·lx-1），因此其观察距离较近贴聚焦的像增强器更远，但其闪烁噪声更大，对人眼的刺激也更大，更加容易疲劳。正因为受限于提高MCP 板压，像增强器信噪比会降低的问题，目前超二代像增强器的亮度增益远远低于其所能达到的最高增益。所以提高像增强器的亮度增益，不能仅仅依靠采取提高MCP 板压的办法，而是需要提高MCP 的固有增益，即800 V 板压下的MCP 增益。只有MCP 的固有增益提高了，相同MCP 增益下的板压才能降低，对像增强器信噪比的影响也才能降低。

图11 信噪比与MCP 板压的关系Fig.11 SNR on different operation voltages of MCP

随着原子层沉积技术MCP 的出现［25-26］，MCP 的固有增益有了较大的提高，降低了MCP 的板压，有望解决提高MCP 板压会降低像增强器信噪比的问题。例如对于采用传统烧氢技术MCP 超二代像增强器，当平均阴极灵敏度为850 μA·lm-1，平均屏效为16 lm·W-1，平均亮度增益为14 000 cd·m-2·lx-1时，其平均信噪比为26.7。但对于采用ALD 技术MCP 超二代像增强器，当平均阴极灵敏度为850 μA·lm-1，平均屏效为16 lm·W-1，平均亮度增益为14 000 cd·m-2·lx-1时，其平均信噪比却为28.3。采用ALD 技术的MCP 可以获得更高的信噪比，原因是ALD 技术的MCP 具有更高的增益，因此在相同的14 000 cd·m-2·lx-1亮度增益条件下，MCP 的板压更低，可以获得更高的信噪比。目前ALD 技术的MCP 的缺点是，尽管可以获得更高的增益，通常情况下，增益可以达2 000 以上，较传统烧氢技术MCP 的增益高一个数量级，但其增益和板阻的离散性较大，成本较高，因此目前ALD 技术的MCP 还不具备大批量应用的条件。

4 结论

超二代像增强器的阴极灵敏度、MCP 固有增益、屏效以及屏压均会影响超二代像增强器的最高亮度增益。在阴极灵敏度、屏效和屏压一定的条件下，提高MCP 的增益可以提高超二代像增强器的最高亮度增益。但MCP 存在一个的最高增益，超过MCP 的最高增益，超二代像增强器的亮度增益的将失去意义。在阴极灵敏度、MCP 固有增益、屏效和屏压一定的条件下，影响MCP 最高增益的主要原因是荧光屏对反向光的透过率。

通过提高MCP 板压来提高超二代像增强器增益的方法对分辨力、EBI 均不会产生较大的负面影响，但对信噪比会产生负面的影响。因此如果考虑到超二代像增强器的信噪比，那么超二代像增强器的最高增益需要在信噪比达到要求的条件下考虑，因此信噪比又是在MCP 最高增益因数下限制像增强器亮度增益提高的又一个因数。

要降低荧光屏铝膜的透过率，可以采用在现有荧光屏铝膜的表面再制作一层黑化层的方法，如黑铝、黑镍等。但采取这些技术以后，会阻挡来自MCP 输出端的一部分输出电子，降低荧光屏的屏效，因此需要分析两者之间的利弊，进行折中。

像增强器技术在光电阴极灵敏度、分辨力以及信噪比方面，潜力不断地被挖掘，但在荧光屏方面，挖掘还不充分，因此有必要进一步对荧光屏的发光材料、制作技术等进行研究。