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微光夜视技术和薄膜电子技术1微光夜视技术和像增强器的发展2多碱阴极和GaAs光电阴极的制备3微通道板与离子阻挡膜4荧光屏5像增强器的性能参数及测试原理6目前研究的内容1微光夜视技术和像增强器的发展夜视技术是研究在夜间低照度条件下，用开拓观察者视力的方法以实现夜间隐蔽观察的一种技术。它采用光电子成像的方法来缓和或克服人眼在低照度下以及有限光谱响应下的限制，以开拓人眼的视觉。夜视技术始于二十世纪三十年代。1934年第一个红外变像管在德国问世，开创了夜视技术的新纪元。微光像增强器是一种光电器件，是微光夜视技术的核心器件，它是微光夜视器材的性能和价格的决定性因素。微弱的光学图像自然景物微弱的电子图像增强的电子图像增强的光学图像物镜光阴极微通道板荧光屏目镜像增强器像增强器和夜视系统的结构和工作原理2微光夜视技术和像增强器的发展微光夜视的发展始于1936年，它是研究微弱图像信号的增强、转换、传输、存储、处理的一项专门技术。它分为直视系统和间视系统两种，直视系统称为微光夜视仪，它是利用目标反射的星光、月光和大气辉光通过像增强器增强达到人眼能进行观察的一种夜视仪器。a第一代微光夜视1962年美国制成第一代微光夜视仪，以纤维光学面板作为输入、输出窗三级级联耦合的像增强器为核心器件。一代像增强器结构示意图b.第二代微光夜视1970年研制成第二代微光夜视仪，以利用微通道板的像增强器为核心器件二代、超二代和三代像增强器结构示意图光阴极光电转换微道板电子倍增荧光屏电光转换微光夜视技术特点和作用--微光核心器件工作原理（m)n倍增次数二次电子倍增系数微光夜视技术特点和作用微光核心器件工作原理工作时加三个电压，光电阴极~通道板输入端通道板两端，通道板输出端~荧光屏c.第三代微光夜视1979年美国ITT公司研制出第三代微光夜视仪，是在二代薄片管的基础上，将多碱光电阴极置换为GaAs负电子亲和势光电阴极。微光像增强器系列d.超二代微光夜视1989年，JacquesDupuy等人研制成了超二代像增强器]。超二代管是在二代管的基础上，通过提高光阴极的灵敏度（灵敏度由300-400μA/lm提高到600μA/lm以上），减小微通道板噪声因数，提高输出信噪比（改进微通道板的性能）和改善整管的MTF，使鉴别率和输出信噪比提高到接近三代管的水平。微光像增强器系列E第四代微光夜视1998年美国Litton公司和ITT公司研制出无离子阻挡膜或薄离子阻挡膜微通道板，具有自动门控电源的新一代像增强器，以它为核心部件的夜间观瞄器材称为第四代微光夜视仪。微光夜视技术特点及作用微光夜视技术核心器件1Thinion-barrierfilm/高性能，薄的离子阻挡膜2LownoisefigureMCP/低噪声因子微通道板3Gatedpowersupply/门控电源典型应用系统结构世界各国的发展概况需求牵引，微光夜视发展规划、计划（例Omnibus三代微光计划）美国国防部美陆军实验室斯坦福、亚里桑拉、佛吉尼亚等大学ITT公司/EOIntervac公司Litton公司EO国家级实验室：微光新原理、新技术前瞻性、基础性和演示验证微光器件和整机承包商，通过投标竞标承揽合同，提供装备俄罗斯俄罗斯科工委电子局俄罗斯微光产研联合体莫斯科电子器件研究所（超二代、三代微光器件工程化研究）彼得堡电子器件公司倍增管、微光管生产地球物理公司三代微光器件整机生产新西北利亚凯道特公司超二代、三代生产新西北利亚艾克兰公司一代、二代生产俄科学院新西北利亚半导体物理研究所（超三代、四代基础研究欧洲法国：PHOTONICS(超二代）荷兰：DELFT以色列中国军事需求兵器205所长春理工大北京理工大南京理工大北方夜视公司其他单位微光夜视重点实验室2多碱阴极和GaAs光电阴极的制备多碱阴极的制备1955年，Sommer首先发表了关于多碱阴极的报道，这种阴极是由Na2KSb构成基底层，然后对它进行表面处理，在其表面覆盖铯以降低其表面势垒。多碱阴极具有很高的灵敏度，刚问世初期就达到180μA/lm以上，多碱阴极的光谱响应也很宽，它的长波阈值可延伸至900nm以外，它的热发射电流却很小，约10－16A/cm2，所以在微光夜视、光辐射探测、高速摄影等领域得到广泛应用，它最重要的应用是在微光夜视方面。多碱阴极光电阴极薄膜采用真空蒸镀法Na，K，Sb，Cs碱源真空系统、烘烤系统阴极组件目前国外超二代像增强器中的阴极灵敏度已超过800μA/lm；一代、二代及超二代像增强器被广泛应用在武器瞄准镜、坦克上的微光观察仪、夜视眼镜等微光系统中。多碱光电阴极由Na2KSb构成基底层，然后对它进行表面处理，在其表面覆盖铯以降低其表面势垒，制备时通过Sb、K、Na和Cs源的蒸发在基片上形成光电发射层。GaAs光电阴极根据Spicer光电发射的三阶段模型，50年代末光电阴极理论已建立在半导体概念的基础之上。60年代中期，这一逐步成熟的领域又取得了突破性进展，对半导体光电发射的进一步研究导致了负电子亲和势（NEA）光电阴极的诞生。制备NEA光电阴极是用铯（Cs）、氧（O）对P型Ⅲ-Ⅴ族单晶化合物进行表面激活，使表面具有负的电子亲和势。GaAs光电阴极1965年Scheer和VanLaar首次报道了CaAs:Cs零电子亲和势光电阴极[69]，其反射式积分灵敏度达550μA/lm。三年后A.A.Turnbull和G.B.Evans用Cs、O交替覆盖CaAs表面获得了NEA光电阴极。此后，NEA光电阴极的理论研究及制备技术迅速发展。GaAs光电阴极在微光夜视领域，应用NEA光电阴极的第三代像增强器大大扩展了夜视仪器的视距，改善了观察效果，开拓了微光夜视仪在夜视眼镜、远距离侦察、夜航和卫星定位等方面的应用。现在，使用NEA光电阴极的三代微光器件已经广泛用于头盔驾驶仪，车载、机载及单兵侦察的微光夜视眼镜中，它们在现代战争，特别是夜战中，发挥了重要的作用。2GaAs光电阴极目前，国外生产的反射式NEA光电阴极的灵敏度已达到2400μA/lm，最高可达到3200μA/lm，透射式阴极的灵敏度也可以超过2000μA/lm以上，应用NEA光电阴极的光电管、光电倍增管和三代像增强器等器件也已商品化。国内的三代器件正在处于实用化。GaAs光电阴极的结构GaAs单晶+铯氧激活GaAs光电阴极的制备对NEA光电阴极要求阴极材料晶体的位错密度要小，掺杂要适度，电子扩散长度要长，表面要均匀且厚度可控制。用外延法生长晶体可满足这些要求。早期生长NEA光电阴极的外延层，多采用汽相外延（VPE）和液相外延（LPE），或汽相和液相的混合外延法（hybrid），也有用分子束外延（MBE）。GaAs光电阴极的制备当前研制和生产NEA光电阴极最成功的是用金属有机化合物汽相淀积法（MOCVD或MOVPE）]，因为它可以用来进行大面积、均匀、超薄、多层的半导体生长，它开辟了NEA阴极的工业化生产途径。MOCVD技术是1968年由H.M.Munasevit等人提出，MOCVD法最早用于NEA光电阴极外延层的生长是在1976年，目前，MOCVD法已成为制备NEA光电阴极最常用的方法。GaAs光电阴极的制备激活过程实际就是将NEA光电阴极表面的电子亲和势降到负电子亲和势状态的过程。通常将外延生长的单晶片进行腐蚀，露出光电发射层，经化学清洗后送进超高真空室进行激活。激活过程一般包括超高真空的获得，表面清洗与分析，最后用铯氧处理。GaAs光电阴极的制备NEA光电阴极的激活是将原子清洁的GaAs表面与Cs、O作用形成很低的表面逸出功。非常少量的其它物质污染都会妨碍NEA的建立，因此10-8Pa以上的超高真空度就成了NEA光电阴极激活的首要条件。腐蚀过的GaAs单晶片首先进行化学清洗，然后通过阴极传递装置将基片送入真空系统进行高温热清洗，热清洗的温度一般在500~650℃，热清洗的作用是将表面的自然氧化物、残余气体、有机物及来自真空系统各构件表面的气体分子等污染去除。GaAs光电阴极的制备晶片经热清洗后，便可进行铯氧处理。最初人们采用A.A.Turnbull和G.B.Evans在1968年提出的标准激活法，又称“yo-yo”法。D.G.Fisher与G.O.Fowler证明，在标准的加热清洁、“yo-yo”激活之后，再来一次温度较低的加热和“yo-yo”激活，可将阴极的光电发射提高30％左右，这种激活方法通常称为“高－低温两步激活”法。光电阴极的评价积分灵敏度积分灵敏度是指像增强器中的光电阴极在辐射源的连续辐射的作用下，单位光通量所产生的饱和光电流。单位为μA/lm，流明（lm）这个单位是基于人眼视见函数的。测试积分灵敏度时，常采用国际上公认的色温为2856K的钨丝白炽灯作为标准光源。积分灵敏度是像增强器的一个非常重要的指标，它简洁、直观地反映了像增强器中光电阴极的总的光电发射能力。光电阴极的评价在入射光的某一波长，辐射功率为1W的单色光照射下，光电阴极所产生的光电流称为光电阴极在该波长下的光电灵敏度。式中I为光电流，单位为安培（A）或毫安（mA），W为入射辐射功率，单位为瓦（W），因此S（λ）的单位为安培/瓦（A/W）或毫安/瓦（mA/W），通常采用后者。3微通道板与离子阻挡膜通道式连续打拿极电子倍增器的概念最早出现于1930年，到60年代，随着人们对铅玻璃烧氢工艺及二次电子发射能力的探知和掌握，以及发现连续打拿极的增益决定于通道长径比而非通道的绝对长度或直径，前苏联的科研机构、美国的Bendix实验室和英国的Mullard实验室，对微通道板的实验研究工作取得实质性的进展。真正的突破是在借助熔合纤维光学加工方法的基础上，得以实现较小通道孔径的微通道板（早期的微通道板通道孔径约为25μm-12μm），并转化成为一种可以工业实用的微通道板制造技术，成功的应用于微光像增强器。微通道板像增强器技术的出现，标志着微光像增强技术从第一代发展到第二代；而负电子亲和式的砷化镓光阴极像增强器技术的出现，又使微光像增强技术又从第二代发展到第三代。微通道板是由可多达数百万个规则紧密排列的细微玻璃通道组成的通道式电子倍增器，每个通道即构成了一个单独的连续打拿极倍增单元，两个端面镀有镍铬金属膜层，其外环是同样镀有镍铬金属膜层的由实体玻璃构成的实体边，平整的实体边可以提供很好的端面接触以便施加电压。微通道板必须工作于真空环境中，微通道板的工作机理，就是利用通道内表层在一定能量的电子碰撞下可产生二次电子的特性，二次电子在电场的作用下沿通道加速前进，经过重复多次的碰撞和电子倍增过程，最后在高电势输出端面有大量的电子输出产生，这个过程被形象的比喻为“电子雪崩”。入射电子接触电极单通道二次电子输出电子（m)n倍增次数二次电子倍增系数微通道板通道内壁结构呈非均匀的分层结构，各成份浓度分布不同。表层是厚度约10-20nm的富SiO2层，之下是约为0.15μm-0.30μm厚度的还原层，而最外表面则是厚度仅1.0～1.5nm的表面偏析的碱金属离子单分子层。在距表层200nm左右范围内吸附有气体，主要是H2，H2O、N2，碳氧化物。这些气体一部份源于玻璃基体本身的制造过程，另一部份源于氢还原过程，如H2、H2O和N2。二次电子的逸出深度通常为3.3nm左右，因此二次电子发射产生于富硅层。增益是微通道板的重要特性，微通道板的增益决定于外加电压、长径比、首次撞击的二次电子产额和通道内壁二次电子发射特性。但微通道板增益特性的评价标准与其应用的工作条件和工作状态密切相关。必须满足其工作电压与通道长径比的最佳比值22左右。因此对于不同工作电压要求下的微通道板，其长径比有所不同，如某些微通道板探测器，工作电压为1200V，其长径比设计在60∶1；而在像增强器中，微通道板的工作电压一般不超过1000V，因此微通道板的长径比通常设计在(40∶1)～(55∶1)范围内。微通道板通道内壁都不同程度的吸附着一定的气体，在工作状态下，通道内接近输