第三、四讲 微光夜视技术与薄膜技术

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“yoyo”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。
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
（m)n
倍增次数 二次电子 倍增系数
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，Jacques Dupuy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300400μA/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
1 Thin ion-barrier film/高性能，薄的离子阻挡膜 2 Low noise figure MCP/低噪声因子微通道板 3 Gated power supply /门控电源
俄罗斯
俄罗斯科工委 电子局 俄罗斯微光 产研联合体
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 莫斯科电子器件研究所（ 超二代、三代微光器件工 程化研究）
新西北利亚艾 克兰公司一代 、二代生产
新西北利亚凯 道特公司 超二 代、三代生产
地球物理公司 三代微光器件 整机生产
彼得堡电子器 件公司倍增管 、微光管生产
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。
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。
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”。
单通道
输出电子
入射电子 接触电极
二次电子
（m)n
倍增次数 二次电子 倍增系数
典型应用系统结构
世界各国的发展概况
美国国防部 需求牵引，微光夜视发展规划、计划 （例Omnibus三代微光计划）
美陆军实验室
斯坦福、亚里桑拉、佛吉尼亚等大学
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
ITT公司/EO
Litton 公司EO
Intervac 公司
微光器件和整机承包商，通过投标竞标承揽合同，提供装备
微光夜视技术 和薄膜电子技术
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微光夜视技术和像增强器的发展 多碱阴极和GaAs光电阴极的制备 微通道板与离子阻挡膜 荧光屏 像增强器的性能参数及测试原理 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。
GaAs单晶+铯氧激活
GaAs来自百度文库电阴极的制备
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）。

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。


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
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GaAs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。
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
微光夜视技术特点和作用
-- 微光核心器件工作原理
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
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。
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。

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。
欧洲
法国：PHOTONICS(超二代）
荷兰：DELFT 以色列
中国
军事需求
兵器 205所
微光夜视重点实验室
北方 夜视公司
南京 理工大
北京 理工大
长春 理工大
其他 单位
多碱阴极和GaAs光电阴极的制备 多碱阴极的制备
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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。
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。
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。

自然 景物
微弱的 光学图像
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。
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
Na，K，Sb，Cs 碱 源 阴极组件
真空系统、烘烤系统
多碱阴极光电阴极薄膜
采用真空蒸镀法
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。