CN102175933B - 微通道板噪声因子测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微通道板(MCP)噪声因子测试方法，它包括噪声因子的测试条件和具体测试方法。本发明将MCP、荧光屏和电子枪封闭在一高真空室内；均匀面电子束入射MCP，在MCP两端施加高压使其正常工作；检测MCP的输入电流、输出电流特性；通过MCP的输入电流的测试和数据处理，可以计算出MCP的输入信噪比；同时测试出MCP的输出电流数据，通过数据处理可以计算MCP的输出信噪比，最终计算出噪声因子参数。该测试方法可以科学地评价MCP的噪声特性，为高性能微光器件的研制，提供理论指导和技术支撑。在MCP和微光像增强器的研制和生产中可以广泛应用。

Description

微通道板噪声因子测试方法

技术领域

本发明属于微光技术领域，特别是一种微通道板(MCP)噪声因子测试方法。

背景技术

目前，国内对像增强器的噪声主要是通过像增强器的信噪比指标来评价的，这是一个总体评价指标，但对像增强器中光阴极、MCP和荧光屏等各个部分对噪声的影响，既没有完善的理论，也没有确定的评价方法，MCP噪声因子测试方法及测试技术研究在国内也是空白，国内主要是用增益、输入暗电流、疵点和亮度均匀性等参数来评价MCP，而对MCP的噪声特性没有评价体系和技术手段。

在国际上，噪声因子是通用的评价MCP噪声的主要参数，国外的美国、俄罗斯等西方国家均用噪声因子评价MCP的噪声特性，在相关文献中多次提及，美国ITT的pinnacle管的重要改进之一就是MCP的噪声因子指标的改善，但是对噪声因子的具体测试方法和测试条件均没有提及。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微通道板噪声因子测试方法，利用该方法可以测试MCP的噪声因子。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种微通道板噪声因子测试方法，包括以下步骤：

步骤1、将MCP、荧光屏和电子枪封闭在一个高真空室内，其中MCP位于荧光屏和电子枪之间，之后对真空室抽真空；

步骤2、电子枪产生电子束均匀入射MCP；

步骤3、在电子枪和MCP输入端、MCP输入端和输出端、MCP输出端和荧光屏间加工作电压；

步骤4、检测MCP的输入电流，该输入电流包括有电子束入射的信号值和无电子束入射的暗电流信号值，之后利用公式：

${(S/N)}_{\mathrm{in}}=\frac{S_{\mathrm{in}}-S_{\mathrm{in}0}}{\sqrt{{N_{\mathrm{in}}}^2-{N_{\mathrm{in}0}}^2}}$

得到MCP的输入信噪比(S/N)_in，式中S_in为有电子束入射的平均信号值，S_in0为无电子束入射的暗电流平均信号值，N_in为有电子束入射时偏离平均值的均方根噪声值，N_in0为无电子束入射时偏离平均值的均方根噪声值，上述S_in、S_in0、N_in和N_in0的单位均为pA；

步骤5、检测MCP的输出电流，该输出电流包括有电子束入射的信号值和无电子束入射的信号值，之后利用公式：

${(S/N)}_{\mathrm{out}}=\frac{S_{\mathrm{out}}-S_{\mathrm{out}0}}{\sqrt{{N_{\mathrm{out}}}^2-{N_{\mathrm{out}0}}^2}}$

得到MCP的输出信噪比(S/N)_out，式中S_out为有电子束入射时的MCP输出电流平均值，S_out0为无电子束入射的MCP输出电流平均值，N_out为有电子束入射时偏离平均值的均方根噪声值，N_out0为无电子束入射时偏离平均值的均方根噪声值，上述S_out、S_out0、N_out、N_out0的单位均为nA；

步骤6、计算MCP的噪声因子N_F，所用公式为：

$N_F=\frac{{(S/N)}_{\mathrm{in}}}{{(S/N)}_{\mathrm{out}}}.$

本发明与现有技术相比，其显著优点：1)本发明首次提出了MCP噪声因子的具体测试方法和测试条件，填补了国内MCP噪声因子测试方法和技术的空白；2)本发明采用噪声因子作为评价MCP噪声的主要参数，首先将从理论上对MCP噪声评价方法进行研究，再根据噪声因子的定义对噪声因子的具体测试原理和方法进行研究，建立了MCP的输出信噪比和噪声因子等参数的物理内涵，给出了MCP的噪声因子评价方法和测试标准。可以科学地评价MCP的噪声特性，为高性能微光器件的研制，提供理论指导和技术支撑，使其能在夜间车辆驾驶仪、轻武器瞄具、安全监控、消防、医疗装备的研制和生产中得到广泛应用。

具体实施方式

MCP的基底材料为铅(铋)硅酸盐玻璃，通过热氢气氛的处理，玻璃表面的氧化铅和氧化铋被还原，这些还原铅铋金属的单质或中间亚稳态离子为MCP提供表面导电特性。

MCP中电子的倍增过程存在有噪声，主要是由二次发射过程的随机性造成的。因为通道在实际工作状态下，倍增次数极多，而通道的二次发射系数却并不高，所以发射过程本身的涨落对量子涨落贡献很大。发射过程的涨落，表现在各次发射电子的数目，方向和能量的不同。由此造成相同输入情况下的输出脉冲大小不同，这种涨落构成噪声。它对于输出信号的影响不同于增益的不均匀性，增益的不均匀性的影响在某一区域内固定不变的，而涨落噪声则遍及整个区域，而且是随机的。

噪声的影响可以用信噪比来衡量的，信噪比为信号与噪声之比。在实际应用中，输入通道的电子数也是随机量，它的涨落所产生的噪声为输入噪声。输入信号与输入噪声之比成为输入信噪比。此外，MCP噪声还来自于自身的不完善性和二次电子倍增过程的随机性质，从而形成MCP的输出信噪比。MCP的输出信噪比可以评价MCP的噪声特性，但该参数既受MCP本身噪声特性的影响，同时又取决于MCP的输入信号的信噪比。而MCP的噪声因子可以较科学地评价MCP的噪声特性。

本发明的一种微通道板(MCP)噪声因子测试方法，包括以下步骤：

步骤1、将MCP、荧光屏和电子枪封闭在一个高真空室内，其中MCP位于荧光屏和电子枪之间，之后对真空室抽真空；高真空室内的真空度为：优于5.0×10^-5Pa

步骤2、电子枪产生电子束均匀入射MCP；所述电子束电流密度为：1×10^-11A/cm²～3×10^-10A/cm²。

步骤3、在电子枪和MCP的输入端的电压为200～1000V，MCP的输入端接地；MCP输入端和输出端之间的电压为：700～1200V、MCP输出端和荧光屏间加的工作电压比MCP输入端和输出端之间的电压高200V，范围为：900～1400V。

步骤4、检测MCP的输入电流，该输入电流包括有电子束入射的信号值和无电子束入射的暗电流信号值，之后利用公式：

${(S/N)}_{\mathrm{in}}=\frac{S_{\mathrm{in}}-S_{\mathrm{in}0}}{\sqrt{{N_{\mathrm{in}}}^2-{N_{\mathrm{in}0}}^2}}---\left(1\right)$

得到MCP的输入信噪比(S/N)_in，式中S_in为有电子束入射的平均信号值，S_in0为无电子束入射的暗电流平均信号值，N_in为有电子束入射时偏离平均值的均方根噪声值，N_in0为无电子束入射时偏离平均值的均方根噪声值，上述S_in、S_in0、N_in和N_in0的单位均为pA；

步骤5、检测MCP的输出电流，该输出电流包括有电子束入射的信号值和无电子束入射的信号值，之后利用公式

${(S/N)}_{\mathrm{out}}=\frac{S_{\mathrm{out}}-S_{\mathrm{out}0}}{\sqrt{{N_{\mathrm{out}}}^2-{N_{\mathrm{out}0}}^2}}---\left(2\right)$

得到MCP的输出信噪比(S/N)_out，式中S_out为有电子束入射时的MCP输出电流平均值，S_out0为无电子束入射的MCP输出电流平均值，N_out为有电子束入射时偏离平均值的均方根噪声值，N_out0为无电子束入射时偏离平均值的均方根噪声值，上述S_out、S_out0、N_out、N_out0的单位均为nA；

步骤6、计算MCP的噪声因子N_F，所用公式为：

$N_F=\frac{{(S/N)}_{\mathrm{in}}}{{(S/N)}_{\mathrm{out}}}---\left(3\right)$

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：

首先，将MCP、荧光屏和电子枪通过测试装夹具封闭在一个高真空室内，在软件系统的控制下，整个测试系统开始运转，首先控制机械泵先打开工作，进行抽真空，真空度达到30Pa甚至更低的时候，再控制开启涡轮分子泵，只有在分子泵正常运行的时候，真空度优于5.0×10^-4Pa时，才能进行MCP噪声因子参数的测试。

其次，由电子枪、电子光学系统、灯丝电源和高压系统产生符合入射条件的均匀面电子束，将MCP和荧光屏组成一个组件，以一定的电子束入射MCP，测试条件可以模拟像管的工作条件，以10^-4lx入射照度和1000uA/lm光电阴极灵敏度为模拟条件，则入射测试电流密度应为：1×10^-11A/cm²。由于噪声因子是和入射电子束面积无关的，因此，测试时可以让电子书均匀入射整个MCP输出面。

再次，在该电子束的输入下，加典型的MCP测试工作电压，在电子枪和MCP的输入端的电压为400V，MCP的输入端接地；MCP输入端和输出端之间的电压为：800V；MCP输出端和荧光屏间加的工作电压为1000V。

然后，由信号处理模块检测MCP的输入电流、输出电流特性：在进行输入信噪比测试时，分别在无电子入射和有电子入射的条件下先后进行测试。在测试得到包括电子束入射的平均信号值S_in，无电子束入射的暗电流平均信号值S_in0，有电子束入射时偏离平均值的均方根噪声值N_in，无电子束入射时偏离平均值的均方根噪声值N_in0的值后，根据公式(1)计算得到输入信噪比的值；在进行输出信噪比测试时，分别在无电子入射和有电子入射的条件下先后进行测试，获得有电子束入射时的MCP输出电流平均值、无电子束入射的MCP输出电流平均值、有电子束入射时偏离平均值的均方根噪声值、无电子束入射时偏离平均值的均方根噪声值，以上参数的单位均可用nA表示，根据公式(2)，计算得到输出信噪比的值。

最后，在完成输入和输出信噪比的测试之后，根据公式(3)，计算得到噪声因子。

注意，由于人眼对高频噪声是不敏感的，一般规定像增强器的测试带宽为10Hz，因此测试时应通过硬件滤波器和数字滤波器相结合的方法将高频噪声滤除。首先采用硬件电路实现信号的前置放大和初步滤波，然后再采用数字滤波器进行精确滤波。

另外，在噪声因子的测试过程中，需要在真空和高压条件下对通道板的暗电流、输入电流、输出电流进行信号处理，其中MCP暗电流和输入电流均为pA级电流，和增益等参数测试不同，需要对信号进行精确的序列采样测试，微电流的测试精度将直接决定所测噪声因子值的有效性，因此本技术方案采用美国KEITHLEY公司的6517A型高阻静电计，采取严格的屏蔽措施，MCP的输出电流则可以采用隔离放大器进行信号处理。

Claims (3)

1.一种微通道板噪声因子测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将MCP、荧光屏和电子枪封闭在一个高真空室内，其中MCP位于荧光屏和电子枪之间，之后对真空室抽真空；

步骤2、电子枪产生电子束均匀入射MCP，其中所述电子束电流密度为：1×10^-11A/cm²～3×10^-10A/cm²；

步骤3、在电子枪和MCP的输入端、MCP输入端和输出端、MCP输出端和荧光屏间加工作电压；

步骤4、检测MCP的输入电流，该输入电流包括有电子束入射的信号值和无电子束入射的暗电流信号值，之后利用公式

${(S/N)}_{\mathrm{in}}=\frac{S_{\mathrm{in}}-S_{\mathrm{in}0}}{\sqrt{{N_{\mathrm{in}}}^2-{N_{\mathrm{in}0}}^2}}$ 得到MCP的输入信噪比(S/N)_in，式中S_in为有电子束入射的平均信号值，S_in0为无电子束入射的暗电流平均信号值，N_in为有电子束入射时偏离平均值的均方根噪声值，N_in0为无电子束入射时偏离平均值的均方根噪声值，上述S_in、S_in0、N_in和N_in0的单位均为pA；

步骤5、检测MCP的输出电流，该输出电流包括有电子束入射的信号值和无电子束入射的信号值，之后利用公式：

${(S/N)}_{\mathrm{out}}=\frac{S_{\mathrm{out}}-S_{\mathrm{out}0}}{\sqrt{{N_{\mathrm{out}}}^2-{N_{\mathrm{out}0}}^2}}$

得到MCP的输出信噪比(S/N)_out，式中S_out为有电子束入射时的MCP输出电流平均值，S_out0为无电子束入射的MCP输出电流平均值，N_out为有电子束入射时偏离平均值的均方根噪声值，N_out0为无电子束入射时偏离平均值的均方根噪声值，上述S_out、S_out0、N_out、N_out0的单位均为nA；

步骤6、计算MCP的噪声因子N_F，所用公式为：

$N_F=\frac{{(S/N)}_{\mathrm{in}}}{{(S/N)}_{\mathrm{out}}}.$

2.根据权利要求1所述的微通道板噪声因子测试方法，其特征在于，步骤1中高真空室内的真空度为：优于5.0×10^-4Pa。

3.根据权利要求1所述的微通道板噪声因子测试方法，其特征在于，步骤3中所加的工作电压为：在电子枪和MCP的输入端的电压为200～1000V，MCP的输入端接地；MCP输入端和输出端之间的电压为：700～1200V、MCP输出端和荧光屏间加工作电压比MCP输入端和输出端之间的电压高200V，范围为：900～1400V。