（物理电子学专业论文）微光像增强器荧光屏参数综合测试技术研究.pdf

硕士论文徽光像增弧器荧光屏参数综合侧试技术研究 abs tract lll 业 n age ln 加 ns l 五 eris姗 of此 m 。 滋汕即侧翻 血 d of址 目 吐vision p h o t oel ec tri c 切 比 唱 e d e v i ceatp r e se n 丸 助d itisu s ed初d e l y inm any 石 e l d s su c h asl l lul 沙t vi s i o 氏 即石 司 仆 d l at i o n m easule m e n cam era d 曰 月 cead d sooil ffu。 旧 以 泊 nt screen is anl ll lport ant p aram e t erofth eu 刀 agein 仍 ns i 五 er. 玩面， d 肠 se 比 币 叽 山 eat te n t i on isfo c u ， 月on th e m 。 ” 切 险 . 以 以枉 鸿 恤。 】 。 盯 公 ” 以the 们 uo代 蛇 比 号 川s c re 冶 n para m eter ofth e i . a g e 五 lt e nsi 五 比 t 七 e c o ni e ntin面s di s se rt at i oniss ummar 汤 目asfo l 】 o w in g : inthe fi rstc 压 甲 诚 the d e v 七 】 叩m en t 明 d 琳 甲 】 1 喇l onofp b ot oel ec tri c l m age and l ll 苗 沙t vi s i o n are r e v l e w ed. t b e in t e n t i on如 d si 脚6 侧 吐 i onare e x p a t l 的 翻 . in阮 n dc hi 甲 tet， the p n n c 1 p l e ， 比. 知 改 比stics ， 勿 讲s andp ar amet e rsofl l l 加昭 e in t e ns i fier 眼 初 仃 阅u 以 对 . 丁 七 。 meent p ri n c iple and m e th 创 如日 加ut加。 re s cent 即住 冶 n pera m e t e r 峨 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在军事侦察、 公安侦破、 天文观测、 医学、 环保等 学科研究活动中，正发挥着日 益重要的作用。 夜视技术是研究夜间低照度下， 用开拓人眼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。11 川 夜视技术始于本世纪三十年代， 它利用处于高真空下的银氧艳阴极， 将红外图像 转换为电 子像， 再通过荧光屏， 使电 子图 像转换为人眼能观察的光学图 像。 这一光子 电 子一光子相互转换的原理奠定了现代夜视仪的 理论基础。 它在第二次世界大战和 朝鲜战争中得到了 初步应用，从此开创了夜视技术的新纪元。 六十年代以 来， 夜视技术得到了迅猛的发展. 被动微光夜视技术， 主被动合一夜 视技术和红外热成像技术钓出现大大推动了夜视技术的发展。 各种夜视仪器已成为当 前夜间作战与对抗的重要手段。 在现代和未来的战争中， 没有夜视器材， 任何精锐的 部队 和武器都不能在夜间作战，都不可能赢得战争的胜利。 夜视技术有两个发展方向: 一是研究夜天空自 然微光的反射和辐射， 使微弱照度 下的目 标成为可见，即所谓微光夜视技术;二是利用3 一 s p m 和8 一 1 4 ， m 两个大气窗 口， 研究被动红外技术使热目 标成为可见，即所谓红外热成像技术。 微光夜视技术是研究微弱光照条件下，光一电子图像信息之间相互转换、增强、 处理、 显示等物理过程及其实现方法的一门高新技术， 它是近代光电 子技术的重要组 成部分。 利用这一高新技术，能将人眼不能或不易看见的x 光、uv光、极微弱星光、 近红外辐射和几千亿分之一秒内瞬变的景物图像，通过各类微光像增强器和微光ccd 成像器件进行光谱和光电转换、 图像增强、 处理、 显示， 进而逼真地再现或记录下来， 变成人眼易看的、 亮度被增强的可见光图像。 从而弥补人眼在空间、时间、能量、光 谱和分辨能力等方面的局限性， 极大地扩展了 人的视野和功能。 利用这一高新技术研 制的各种微光器件、仪器和系统应用前景非常广阔， 在军事、公安、天文、 航天、航 海、 生物、 医学、 核物理、 卫星监测、 高速摄影等许多领域， 特别在军事领域中的夜 间作战、 侦察、 指挥、 火控、 炮瞄、 精确制导、 远距离预警、 光电对抗等方面发挥了 硕士论文徽光像增弧器黄光屏参数综合洲试技术研究 巨 大作用。 因此， 大力发展先进的 微光夜视技术， 特别是发展先进的 微光夜视器件制 造技术， 研制高性能的 新型微光夜视器件和微光夜视系统对提高我国 武器装备的夜视 化和信息化水平具有非常重要的意义。 国外微光夜视技术从20世纪40年代开始研究以来得到了非常迅猛的发展， 20世纪 60、0 年代先后有一代、二代和三代微光像增强器产品问 世。20世纪90年代以来，国 外微光夜视技术主要有2 种发展方向和趋势:一种以法国 p h o t onis公司( 原法国 phili ps公司) 和荷兰d ep公司为代表( 现在这2 个公司己 联合组成了 phor0ni s / d ep公 司) ，主要发展超二代微光技术，先后研制出 s lld一3 、 xd一4 、 xr一5 等多种超二代、 高性能超二代微光像增强器: 一种以美国i tt 公司和诺斯罗普。 格鲁曼公司下属的利 顿电 光系统分部( l eosd) 为代表，主要发展三代微光技术， 先后研制出o m n lll翔 n llv等多种三代、 高性能三代微光像增强器， 并在此基础上发展了先进的超三代微光 像增强器和无膜四代微光像增强器( 0 删iv 和哪工 v 工 ) 。目 前，四代微光管的阴极灵敏 度已 提高到 2 0 00 2 9 0 0 、 a / 1 口 ， 分 辨力 达到64 1 p / mln， 最高 可达到 90 lp/ imn。 在1 x10 1 x 情况下，信噪比可达到2530，寿命最高可达到巧 o oo h ，显示了四代微光 夜视技术巨 大的发展潜力。 我国微光夜视技术经过30多年的发展，目 前一代和二代微光管、 微通道板和光纤 面板都已 形成批量生产能力， 一代和二代微光管已 可大量装备部队。 三代微光器件研 究已 获重大技术突破， 实验室样管可以 达到美国 标准三代管水平。 此外， 北方夜视技 术股份 有限公司现已 能进行多种超二代像管的批量生产，性能也有较大幅度的提高。 和红外热成像系统相比， 微光夜视器材成本相对较低， 体积小， 但视距相对较近， 且容易受天气影响; 红外热成像系统成本很高， 系统复杂且体积庞大， 但性能好， 视 距远， 受天气影响较小， 可进行全天候观察。由 于， 微光夜视系统和红外热成像系统 都可以 在被动状态下侦察和识别目 标，它们的共同 优点是它们的高度隐蔽性。 光电阴极、 微通道板及荧光屏等三个光电 元件是决定微光像增强器成像性能的重 要组成部分。 其中， 荧光屏比 起前两者来说， 我国 在开展性能测试及分析研究等方面 的工作显得相对薄弱， 缺乏自 主创新的 研究成果， 原因之一在于不具备先进的荧光屏 性能参数的检测手段. 随 着三代像增强器研究工作的不断深入， 光电阴极及微通道板 性能 大幅度地提高， 应该相应地重视和加强荧光屏的 参数检测及分析研究工作， 这对 掌握荧光屏的性能状况、明确改进方向及最终获得最佳性能匹配的整管具有实际意 义。 1 . 2本论文的主要工作 本 课 题 是国 家 重 点 实 验 室 建 设 项目 . 微 光 像 增 强 器是 一 种 重 要的 光电 器 件， 、 是 微 光夜视系统性能和价格的决定性因素，荧光屏是微光像增强器的重要部件。 本文围绕 2 硕士论文徽光像增强器荧光屏参数综合洲试技术研究 这项课题， 在查阅大量文献资料的基础上完成了以 下工作: 1) 了解像增强器的工作原理，熟悉像增强器荧光屏的各种性能参数和测试方法. 2) 在此基础上， 参与像增强器荧光屏参数综合测试系统的硬件研制， 重点对测试系 统中的电气控制子系统进行研制。 3) 采用v c 十 + 语言进行测试软件的编写， 采用基于对话框的界面设计完成了测试软件 的界面编写。 4) 完成d /a卡、 a / d 卡、真空系统控制、成像亮度计的编程与测试。 5 )将数据库应用于基于对话框的程序中，完成数据存储、显示和查询等 硕士论文徽光像增强番荧光屏参数综合侧试技术研究 2微光像增强器荧光屏参数的测试原理 2 . 1 徽光像增强器的种类、原理和特性 1) 原理卜 叫 像增强器， 狭义上讲， 是能将微弱光 ( 例如夜天光) 照射下的景物， 通过光电阴 极的光电 子转换、 电 子倍增器增强和荧光屏电 一光转换再现为可见图像的 一类成像器 件; 而从广义上讲， 它们是一类多 波段、 多功能的光电子成像器件， 可用来对紫外光、 可见光、 近红外光、x 线和 丫线照射下的景物， 进行探测、增强和成像，或为电视 摄像器件提供图像增强前级像管器件， 从而使它们能够在微光夜视、 夜盲助视、 天文 观测、 x 线( 丫线) 图像增强、 医 疗诊断和高速电 子摄影快门 等技术中得到广泛应用。 如图2 ， 1 所示， 像增强器主要由光阴极、电子倍增部件和荧光屏等组成， 光阴极 实现将微弱的光学图像转化为微弱的电子图像， 电子倍增部件将微弱的电子图像增强 进行增强，荧光屏通过高速电子轰击将增强的电子图像转化为光学图 像输出。 .攀 徽弱的 光学图 像 物镜 像增强器 图2 . 1像增强器的结构和工作原理 2)种 类 和 特 性 1，1 10 1111 ， 微光像增强器从性能和结构上经历了一代、 二代、 超二代、 三代和四代等多种类 型。 第一代像增强器的主要特点是: 采用多碱阴极n 以sb ( c s)作为光阴极， 没有使 用微通道板， 电子光学系统将自 光阴 极逸出的光电 子加速并聚焦到荧光屏上， 形成增 强的 可见光输出图像， 第一代像增强器的增益较低， 通常将三级级联使用。 第二代像增强器的主要特点是: 采用多碱阴极n 氏 k s b( c s) 作为光阴极， 使用微 通道板为电 子倍增器件。 和第一代微光器件相比， 增益得到很大提高， 单级使用即可 满足要求，外形尺寸大大缩短，重量轻。 超二代像增强器的结构和二代像增强器基本相同， 通过提高光阴极的灵敏度 ( 灵 4 硕士论文徽光像增强器荧光屏参数综合侧试技术研究 敏度由3 0 0 一 4 00p a/l ln 提高到6 00肛 a/l 口 以 上) ， 减小微通道板噪声因数，提高输出 信噪比 和改善整管的盯f ，使鉴别率和输出信噪比 提高到接近三代管的水平。 三代微光像增强器就是在二代微光像增强器的基础上，将多碱光电阴极置换为 g aas 负电 子亲和势 ( n ea) 光阴极。 g aas 负电 子亲和势光阴 极具有量子效率高， 暗发 射小， 发射电子的能量分布及角分布集中， 长波闽可调， 长波响应扩展潜力大等优点， 三代微光像增强器的鉴别率和信噪比等参数较二代像增强器有进一步的提高。 但由于 需要防止离子反馈， 在三代微光像增强器中加入了离子阻挡膜， 使三代微光像增强器 在这方面的优势有所减弱。 四 代微光像增强器是最近几年出 现的 提法， 但没有形成明 确的定义。 通常， 四 代 微光像增强器有如下特点:首先，结构和三代微光像增强器基本相同，仍采用 g a a s 光阴 极， 但灵敏度提高到2 0 00泌/l m : 对袱p 进行改 进， 对离子阻 挡膜优化减薄 或去 除;在电源模块中加入自 动门控功能，可以在 1 0 j lx 、 1 护 lx 很大的范围内可以很好 地工作;整管的鉴别率达到6 4 1p/ 画 以上。 2 . 2微光像增强器的性能参数 像增强器不仅是辐射探测器件， 而且还是成像器件。 作为辐射探测器件， 它必须 有高的量子效率和信息发大能力，以便给出足够的亮度。为了表征像增强器的性能， 通常采用积分灵敏度、 光谱响应、 整管亮度增益、 等效背景照度、 鉴别率和信噪比等 参 数。 tl 卜 141 1) 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p a/l 口 ， 流明( 1 耐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2 8 5 6k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。 2) 光谱响应 在入射光的某一波长， 辐射功率为lw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: . ，. 、1 j几， = 砂 ( 2 . 飞 ) 式中1 为光电流， 单位为安培 ( a) 或毫安 ( ma) ， ， 为入射辐射功率，单位为瓦 ( 哟，因此5( 人 )的单位为安培/ 瓦 以翔) 或毫安/ 瓦 ( 毗月) ， 通常采用后者。 将 硕士论文徽光像增强器荧光屏参数综合侧试技术研究 功率由 瓦换算成每秒光子数， 光电 流由 安 培换算成每秒电 子电 t， 光电 灵敏度化作每 入射光子所产生的光电子数，即量子效率 ( 光电 子数/ 入射光子数) 。 光电灵敏度或量子效率随入射波长的变化曲线称为光电阴极的光谱灵敏度 或光谱响应。 前一种表示法指对入射单位能 量的响应， 所以叫作等能量曲 线， 其横轴 用波长来表示， 表示光电阴极的 性能多采用 这种表示法。 后者是对一个光子而言， 每 个光子能量随波长不同而异， 所以叫作等量子曲 线， 横轴用光子能量表示， 在研究光 电阴极的性能时多采用这一表示法。 光电 灵敏度和量子效率之间也可相互转换: y(a) = 二 樱 ( 2 . 2 ) 式中人 为入射光波长，单位为皿 ， y为在该波长的量子效率， 5 为在该波长的 光电灵敏度，单位为毗邝。 光谱响应也是像增强器的一个重要指标， 它直接影响夜视仪器的 观察效果. 在微 光工作条件下，要求像增强器在红外波段响应较好. 测试光谱响应时，先选取一个辐射源， 然后用单色仪或千涉滤光片获得单色光， 辐射源通常采用钨丝白 炽灯或卤 钨灯， 它们在400 、 1 0 00咖具有足够的 辐射功率，单 色仪可使用平面光栅式单色仪， 也可使用分光棱镜式单色仪， 如使用干涉滤光片则会 受测试点数的限制， 而用单色仪可选取足够多的测试点， 从而获得平滑、 完整的光谱 响应曲线。 3) 亮度增益 足够的 亮度是观察图像的必要条件. 在入射照度一定时， 像增强器荧光屏输出亮 度的大小由亮度增益决定。 像增强器的 亮度增益定义为: 在标准光源照明和微光像增强器额定工作电 压下， 荧光屏上的 光出 射度m 与光电阴极处输入照度e， 之比。即: _m， 、 uj=代 : - 、 1 首夕 石 犷 ( 2 3) 由 于荧光屏具有朗 伯发光体的特性， 发光的 亮度分布符合余弦分布律， 屏上的光出射度m 与亮度l 之间的关系可表示为: 材 =戒 因此: 因此荧光 ( 2 . 4 ) g 一 聋 “ /(m lx) ( 2 . 5 ) 此时亮度增益为像管输出 亮度l 与光电 阴极面入射照度氏 之比的: 倍， l 的单位 徽光像增强器荧光屏参数综合侧试技术研究 为c d /m:，公的单位为lx。 4) 等效背景照度 合适的亮度是人眼观察图像的必要条件， 但像管的输出 亮度并不都是有用的。 在 输出荧光屏的图像上， 除了 有用的 成像亮度外， 还存在一种非成像的附加亮度， 称之 为背景。 像管的背景包括无光照射情况下的暗背景和因入射信号的影响而产生的信号 感生背景。 暗背景的产生的主要原因是光电阴极的热电子发射和管内 颗粒引起的场致 发射。 为了与来自目 标的照度相比 较， 通常用等效背景照度来表示暗背景。 为了使荧光 屏亮度等于暗背景亮度值， 而需在光阴极面上输入的照度值，就称为等效背景照度。 若像管的亮度增益为说 ， 在像管的光阴极面没有受到照射时， 侧得荧光屏暗背景亮度 为l.，则等效背景照度为: 。 _ 冠舀 。加 二一 二犷一 lzz ( 2 . 6 ) 式中， 等效背景照度氏的单位为lx， 亮度增益gl的单位为c d/( 矿 l x)， 荧光屏暗 背景亮度肠 。 的单位为c d 加2 . 5) 信噪比 像增强器作为成像器件， 它必须有小的图像几何失真， 合适的几何放大率、 畸变、 对比损失以及调制传递函数。 作为成像器件的综合指标， 通常用鉴辨率及信噪比等参 数来描述其成像性能。 像增强器的鉴别率是指把具有一定对比度的标准测试图案聚焦在像管的光阴极 面上，用目 视方法从荧光屏上每毫米尚能分辨得开的黑白相间等宽矩形条纹的对数， 即 i p / 画。 2 . 3 微光像增强器的荧 光屏参数侧试标准 光电阴极、 微通道板及荧光屏等三个光电 元件是决定微光像增强器成像性能的重 要组成部分。作为微光像增强器的重要元件之一的荧光屏的参数如下: 2 . 3 ， 1 荧光屏发光效率 表征入射电子束转化为亮度的能力。 它由 光功率计测出每秒钟由 荧光屏发出的光 能量， 同时用静电 计测出 入射到荧光屏的束流并转换为电子束功率， 两者之比即为荧 光屏发光效率. 硕士论文徽光像增强器荧光屏参数综合侧试技术研究 2 . 3 . 2荧光屏发光亮度和发光亮度的均匀性 荧光屏在其法线方向上单位面积单位立体角内 发出的光通量。 它由 专业ccd 成像 亮度计在屏上分别测出 若干个 ( 方屏为九个) 测试点的灰度并转换成亮度， 再由计算 机算出平均值来表征发光亮度。 在检测出的若干个发光亮度的数值中， 用最大亮度和最小亮度之比值来表示发光 亮度的均匀性。 2 . 3 . 3荧光屏的余辉 当电子枪发射的电 子被拒斥从而停止对荧光屏的 轰击后， 亮点不能立即消失， 而 要持续一段时间， 规定将亮点的亮度值下降到初始值的1 以所经历的时间称作余辉时 间， 简称余辉。 选用亮度计的滞后性要远小于余辉时间， 它与计算机通讯并由计算机 计时。荧光屏的余辉通常要延续若干毫秒，属中余辉范围。 硕士论文 徽光像增强器荧光屏参数综合洲试技术研究 3 荧光屏参数测试系统设计 本章对荧光屏参数测试系统设计的总体结构进行了说明， 阐述了机械结构装置和 保障系统，电子枪的系统设计，着重解剖分析了电 气控制子系统。 3 . 1 总体结构 该测试台是在高真空条件下，能够高效检测与研究荧光屏发光特性，是光、机、 电、计算与显示相结合的智能化电 控的大型专用检测设备，其原理图如图3 . 1 所示， 它由 抽空系统，真空室，电子产生与投影系统， 荧光屏，高压电源组， 升降系统， 成 像亮度计，通信接口，数字和模拟接口，执行器与工控机等组成。 图3. 1 荧光屏参数动态综合侧试台原理示愈 其工作原理为: 先对真空室抽真空， 电 子产生与投影系统中的电子枪产生电 子束， 电子束通过电子光学系统， 并在高压的作用下入射荧光屏。 信号处理模块收集荧光屏 的入射电子流， 放大处理后通过a/d 卡数字化后输入计算机， 获得发光效率; 荧光屏 的发光亮度一方面由ccd 成像亮度计测试亮度， 通过usb 接口 输入工控机， 发光亮度 和亮度均匀性的信息: 余辉测试时，由 计算控制电 子光学系统将电 子束停止入射， 将 光通量测试仪放入荧光屏前， 获得荧光屏亮度随时间的变化曲 线，获得余辉参数。 图3 ， 2 为其实物示意图. 硕士论文 徽光像增强器荧光屏参数综合侧试技术研究 图3. 2 实物示意图 工作台 包括真空室 ( 含大盖， 样品转盘， 底盘以 及接线电板等) ，液晶显示器，电子柜 ( 高 压电 源、信号处理、 真空计、 通信电路、工控机及其接口电路等)以 及台下装t ( 电子枪壳体、 无油分子泵、千泵、 真空规管、 转轴系统及液压系统等) 灯箱空气净化器 支架 3 . 2 机械结构装置及保障系统 3 . 2 . 1机械结构装置及特点 荧光屏测试台的机械结 构装置 ( 图3 . 3) 组成如下 图3 . 3 荧光屏测试台的机械结构装置 硕士论文 徽光像增强器荧光屏参数综合侧试技术研究 底盘 转盘 大盖 弯份 升降 液压装t 电 子枪 抽空， 传动 装置包含无油机械泵，真空泵， 传动装1 1) 大盖，上面有口 径为四0 的石英玻璃观察窗，通过该窗口 可用放大镜进行目 视观察， 更主要地是用专用ccd 成像亮度计及光功率计获得测试数据。 大盘的下沿嵌 有密封橡胶圈。 2) 转盘，能在安装荧光屏被测组件的同时自 动接电: 转盘上置有编号盘，能以 对应的编号区分被测样品; 转盘下有接电( 零电 位) 的电极触头， 能实现被测样品的 自 动切换及保证操作者的安全。 3) 底盘，它是主体装置最关键的 部件，与大盖的接触部位有真空密封要求。 上 表面嵌有绝缘的弹性电极及限位器， 能与转盘的各电极触头在切换时实现良好的电 接 触;下表面分别与分子泵、电子枪、真空规及转轴系统通过发兰盘密封连接。 3 . 2 . 2 保障系统 1) 液压系统 开启与合封大盖是通过与大盖活动连接的弯臂与连杆由液压油缸推动完成， 在连 杆升降过程中保持缓冲平稳，且由菜单与开关双重操作控制，做到安全保险。 参照相近设备，液压油缸主要参数如下: 冲程长度160 皿 缓冲力吸x4 0 0 0 n( 牛顿) 口 i n2 2 0n 启动力m i n l 5 0 n 可调速度0 . 03 6 口 加i n(州 最大快速横动 8 . 加i n( 分) 温度范围一 1 00、 7 0oc 此外液压系统长度 ( 不计连杆) 应0 . 32耐5 可调 镬6 5db 振幅(3 阳 (x、y 、2) 三个方向 3 . 3电 子枪系统设计 3 . 3 . 1电子枪结构 由电 子枪发射的电 子束轰击标准荧光屏而产生满足均匀性要求的光亮度分布是 本测试的基础和前提条件。 为此， 要求电子枪发射的电子束应有均匀的束流分布且能 量可调。显然，研制满足参数测试要求的电子枪就成为本测试的技术关键。 经研究， 电子枪为五电极电 子光学系统， 各电极由 上至下的排列为 ( 见图3 . 4): 第一阳极:荧光屏组件， 0 电 位， 位于转盘上; 第二阳极:孔阑片 ( 9 3 0 ) ，负电位，位于底盘之上并绝缘连接; 抑制栅极:圆环，负高电 位，靠近散射网丫 灯丝 ( 二电 极) : 螺旋丝，担丝， 端电 压待调， 两端均为负高电 位。 络 二 阳 很( 孔 摘 片 衡 权( 目 耳 ) 给 一 阳 权( 臾 先 屏 组 件 ) 图3 . 4电子枪电极系统示意图 硕士论文橄光像增强器荧光屏参效综合洲试技术研究 上述的五个电 极分别加上合适的电 位后就构成了 一种特定的静电 场分布， 能使其 发射的电子束均匀上靶: 改变电极电位， 静电场分布也随之发生变化， 则会满足不同 参数的测试要求。 设置的每个电 极及其上所加的电 位， 都各自 起着重要的作用: 螺旋灯丝比 起尖角 状或圆弧状灯丝具有大的发射面， 与其邻近同电位电子散射网的共同作用既能形成宽 的电子束截面 ( 比之荧光屏接收靶面还要大些) ，又能使其束流分布均匀，这是最终 获得均匀的亮度分布所必需的; 抑制栅极加上合适的电位， 使其附近形成较强的拒斥 场， 能立即截断电子束通路， 是测量余辉较为理想的技术手段;由于第二阳极与第一 阳极 ( 荧光屏) 距离较近， 使其间的电位面有平行的分布趋势， 这不紧能增加对束电 子上靶的助推力，也有助于校正斜射电子使其垂直上靶。 上述一阳、 二阳与抑制栅三个电 极所加的电 位都程控可调， 这为获得最佳的参量 测试效果创造了条件。 3 . 3 . 2电子枪电源 图3 . 5荧光屏侧试系统电 子枪供电 示意图 电子枪的供电由四组独立电源组成，图3 . 5 为接线示意图。 1)电源由第一阳极， 第二阳极电 源， 截止栅极和灯丝电源四组电源组成。 其输 出电 压电 流分别是0 -1 5 k v / s ma， 0 气1 0 kv/ 3 毗， 0 飞0 0 y/5 0 . a 和0 、 1 2 v / s a . 四组电源出灯丝电源为恒流源外，其他三组为恒压源。 硕士论文徽光像j.强器荧光屏参数综合月试技术研究 2) 输出电压电流控制方式:除灯丝电源的输出电流采用仪器面板上的电位器调 节外， 其余三组采用外控扩sv电 压遥控。 3) 四路电源在电路上均设有过载短路保护功能，一旦负载发生过载短路等问题 时，不至于烧毁电源。 4) 该机面板设有总电 源开关， 指示灯， 分路直流电源开关和工作/ 故障指示灯以 及四块设有四块l d e 数字表头，分别显示各路的输出电压或电流值。 电源系统及控制方式: 1) 一阳电源:( dc o 气1 5 k v / s nia) 外控输入 优 犷sv 调节，对应电压输出 0 “ 一 1 5 kv。 输出电压测量对应 0-5v 和 42 /l 数字表头显示。 2) 二阳电 源: ( oc o 、 一 i o k v /3诚) 外控输入 dco “ sv调节， 对应电 压输出 0 气10 kv。 输出电压测量对应 0 、 s v 和 4 2 / 1数字表头显示。 3) 截止栅电 流: ( oc o 一 z o o v /50 毗) 外控输入 dc o “ sv调节，对应电 压输出 0 z o 0v。 输出电压测量对应 0 、 sv和 4 之 /l 数字表头显示。 此电 源隔离输出， 隔离耐压 二 s o 0v 其低端控制 (+， 一 极) 某一端 与一阳极，二阳极共信号地 4) 灯丝电 源: ( dc o “ 1 2 v/5 a ) 此电源浮于一阳极电流之上， 与信号地隔离耐压强度 二 20kv， 恒流式输出。 本控 电位器调节，对应电压输出 0 气12v 。输出电压侧量对应 0 “ sv和 3 2 /1 数字表头显 示恒流电 流值。 外控灯丝电 源启停控制， 5 v(高电 位)启 ov( 低电 位)停。 注: 一阳电源， 二阳电源共电位端为信号地。 为防止信号地与大地悬空， 在二者 之间 必须串 入电阻器或者短路。 申 入电阻可测量一阳， 屏蔽小电 流。 不允许开路使用。 5 四路电源各有单独的直流供电开关和 “ 工作/ 故障”指示灯。指示等发绿色 光，表示工作正常。当指示等发红色光时，表示此路电源出现故障。 3 . 4 电 气控制子系统 3 。 4 . 1 电气控制子系统的结构 其原理图如图3 . 6 所示， 工控机采用研华公司的工控主机， 具体配置为c pu，p wz . 4 g / 内 存， 5 1 2 m/研华6 0 06主板/ 硬盘， 1 2 呢八2 . 1 夜晶显示器。 数字量接口 卡、 模拟量接口 卡、 rs2 32/485通 信卡均选用 研华公司产品。 光通量测试组件和成像亮度 计采用杭州远方公司的 产品， 测试余辉时通过电 源中的调制极使电 子截止， 通过测试 l 4 硕士论文.光像增强器荧光屏参数综合侧试技术研究 荧光屏的 亮度衰减获得余辉时间， 余辉最小分辨时间为l ms。 测试荧光屏均匀性时， 通过u sb 口 将亮度计中的图像信号数据上传给工控机， 工控机对数据进行处理后给出 荧光屏均匀性信息。 图3. 6荧光屏测试系统电气控制子系统 微光像增强器荧光屏参数测试系统电 气控制子系统完成的功能如下: 1) 提供荧光屏测试所需的高压: 2) 对收集的荧光屏电流进行放大处理，并通过模拟量接口 卡输入计算机: 3) 通过继电器卡对真空系统中的阀门和升降机等机构进行控制， 通过模拟量接口 卡对真空系统中的真空度等信息进行采集; 4) 通过通信卡对光通量信号进行采集; 5) 通过 usb 接口对成像亮度计的信号讲行妥集. 3 . 4 . zd / a 卡 由 于高压电 源中有三组要采用外控电 压遥控， 外控的电压由 d /a 卡提供。 本测 试仪采用的是6 通道模拟输出研华公司的pcl 7 2 6d/a卡，见图3 . 7 。代卜7 26是一款 具有6 路12位模拟量输出通道的全长卡. 可以将每个通道的输出范围配置为以下值:0 到+ s v ， 0 到+ 1 0 v ， + /-s v 户产1 0 y 和4 到2 0 ma 电流环 ( 汇) 。代l 一 7 2 6 是专门为工业环 境设计的， 对需要输出多路模拟量或电 流环的应用是一项理想， 经济的解决方案。 除 了 模拟量输出以 外，此l 一 7 26还提供了16位数字量输出和16位数字量输入。 竹l 兼 容的d /i和d/0 端口可以很容易得与我们在工业开/ 关控制及监测应用户使用的端子 硕士论文徽光像增盗器荧光屏参数捺合讨试技术研究 4) 光度探测器精度:一级; 入光口 直径: 3 0 . .面积:0 . 0 0 0 7068平方米 5 )仪器记录宽度1 5 ; 计 算 机 记 录 宽 度0. o 15 、 。 引 6) 额定工作条件: 温度:1 扩28 o c 湿度:3 5 % rh、 7 码明 供电: ac z 1 0 v 、 2 3 0 v，4 9 hz、 5 1 hz 7) 允许工作条件:温度: 扩35 o c 湿度:=8 洲朋 供电: ac 1 9 8 犷2 4 2 v ， 5 0 h z / 6 0 h z 8) 功耗:约2 0va. 硕士论文徽光像增强器荧光屏参效综合洲试技术研究 4荧光屏参数测试系统软件设计和调试 本章介绍了用 v isua1c +-+语言编写荧光屏参数测试系统的 测试界面，并对荧光 屏参数测试系统中的d / a 卡， a / d 卡， 继电器卡， 亮度计等进行软件设计，并进行调 试。 4 . 1开发工具的选择 visu alc +自 诞生以 来， 一直是份 i ndos 环境下最主要的 应用开发系统， 它不仅 仅是c+ 语言的集成开发环境， 而且与贾 i n32 紧密相连， 利用yisualc +开发系统可 以完成各种各样应用程序的开发， 从底层软件直到上层直接面向 用户的软件都可以 用 v is u al c +来完成开发;而且 v i sua1 c +强大的调试功能也为大型复杂软件的开发 提供了 有效的排错手段。 随着软件版本的不断升级， 其功能也越来越强大， 几乎包括 了w i n d 湃5 应用的各个方面，所以v isua1c +成了形nd叮5 系统平台上最强大的应 用程序开发系统。 现将visual c+十 程序设计语言的显著特点归纳如下: l)visual c+ 是一种完全建立在矶ndos 操作系统下的软件开发平台。 2)visu a1 c +是一种面向 对象的 程序设 计语言. 这种程序设计方法有利于提高 软件的可靠性，可理解性和可维护性。 3)vis ua1 c 什具有 “ 可视性”(v isual i ty) 。 所谓可视性是指用户可以直接使用 v 坛 ual c 什语言提供的a pps t udio工具和， i nd湃5 环境中 的 各种对话框、 列表框、 菜 单及控件等资源来设计用户界面. 这使得设计用户界面就好像在白 纸上画图一样简 单、直接、灵活和高效。 4) vis uslc+十 具有高效性。高效即反映在开发程序的高效性上， 也 反映在用户程序运行的高效性上。 yisu alc +可以说是现在最为通用的开发工具之一， 它提供了 相当齐备的类库和 友好的编程界面。v isu al c+十 从 4 . 0版本开始对数据库开发提供了比较好的开发环 境，随着版本的升高，v i sual c 十 干 对数据库的访问技术更加成熟，功能也更加强大， 借助于 v i su缸 c +可以 轻松地开发出功能强、速度快、应用广并且占 用资源少的应 用程序。 visual c+十 提供了多种多样的数据库访问 技术一 - 刃 阳ca pi、 即codbc、 dao. oledb、 人 加等。 这些技术各有自己 的 特点， 它们提供了简单、灵活、 访问速度快、 可扩展性强的开发 技术， 而 这些正是 v i su a1 c 什开发和其它开发工具相比的 优势所 在。归纳起来可以概括为以下几个方面: 硕士论文 徽光像增强器荧光屏参数综合翻试技术研究 1) 简单性 vc提供的排c 类具有强大的功能，如果能够掌握会达到事半功倍的效果; 2) 可扩展性 vc提供的o l e 技术和阮t i vex 技术可以 让开发者方便实现应用程序的组件化， 而组件化的应用程序会具有良好的可扩展性; 3) 访问 速度快 vc提供的新的访问技术o l edb和它的高层接口a do，是基于c 洲接口的技术， 因此使用这种技术可以 直接对数据库的驱动程序进行访问， 从而提高访问速度; 4) 数据源友好 在yc中， 通过o l e db访问技术不仅可以 访问关系型数据库， 还可以 访问非关系 型数据库。 因此， 笔者选择了yisua1 c +平台，利用odbc+ a ccess 技术开发数据库软件， 建立了操作简便、 功能强大的数据库， 实现查看测量的荧光字 列号、 荧光屏屏发光 效率、荧光屏发光亮度的均匀性、荧光屏的余辉、日 期等相关信息。 4 . 2测试系统的界面 软件采用vc什6 . 0 ， 有两种实现方案， 一种是基于对话框的程序设计，另一种方 案 是 采 用 菜 单 方 式 的 程 序 设 计 。 基 于 对 话 框 的 程 序 设 计 软 件 具 有 直 观、 操 作 方 便 等 特 点， 但对复杂功能的实现开发难度比较大。 采用菜单方式的程序设计的优点是在编写 功能较复杂的程序时便于设计， 但直观性不如基于对话框的程序设计软件。 在实际的 生产生活中， 软件的直观性与操作的方便性对软件的使用显得更为突出。 因此我们采 用更为直观的基于对话框的程序设计来实现人机接口。 其初步界面的设计如图4 . 1 所示 硕士论文徽光像增强器荧光屏参数综合侧试技术研究 4 . 8余辉测量中的数据拟合 在余辉的测量中， 由于实验数据的波动很大， 需要采用平滑的方法减小方差。 五 点二次中心滑动平均法， 是一种将加权平均和最小二乘法相结合的滤波方法， 可以有 效抑制随 机扰动信号。 具体来说， 如果用h ， (i=1 ， 2 ， 二n)表示n 个点的原始测试值， 用hl (i=1 ， 2 ， ， 二) 表示经过滤波以 后的n 个点的值， 则h 土 和丫之间的关系为: 石 = 上， (- 3hl 二 +l 2 _ 1 +1 7hl+l z hl+ : 一 3 2 、1 = 3.4， n 一 2(4 . 1) 3 5 = 矗 娜 十 1* 十 ;、 十 * 一 * ) = 矗 。 1“ + 、 一 3、 一 5、 十 3 、 ) ( 4 . 2 ) 一 去 。 1 + 9 一 3 、 一 5 、 一 + 3 、 一 ) = 矗 臼 h + 3、 、 十 ，2 、 一2 + 6 、 二 一 5 、 一。) ( 4 . 3 ) ( 4 . 4 ) ( 4 . 5 ) 五点平滑后仍有不小方差，为了进一步减小方差，对其进行最小二乘法的拟合， 在多种拟合曲线中， e 指数对曲 线的平滑最好。 曲 线 拟 合问 题的 数 学 描 述 是 ， 已 知 一 组( 二 维) 数 据(x ， ， y ， ) j = 1 ， 2 ， 二 ， n ( 即 平 面 上 的 碎点(x ， ， y ) j = 1 ， 2 ， n)， x 、 互 不 相同 . 寻 求 一 个函 数( 曲 线)了 = f ( x)， 使f( x)在某种准则下与所有数据点最为接近，即曲线拟合得最好。 最小二乘拟合分为线性最小二乘拟合和非线性最小二乘拟合。 1) 线性最小二乘拟合 线性最小二乘法是解决曲 线拟合问 题最常用的方法， 基本思路是，令 f ( x ) 二 a : r ， ( 小a ， r ， ( x ) + +a一 r 一 ( x )( 4 . 6 ) 其 中 r * (x) 么 ( m 勺 ) 是 一 组 事 先 选 定 的 线 性 无 关 的 函 数 ， a * 么 是 一 组 待 定 系 数。 寻 求 系 数a ， 备使 知 1 与 尸 众1)的 距离 di (i = 1. 2. .n) 的 平 方 和 最小。 这 种 准 则 称 为 最小 二 乘 准 则 ， 其 求 系 数恤 * 番的 方 法 称