微光夜视仪原理

日前，中国计量科学研究院研制的微光夜视仪测量装置顺利通过国家质检总局组织的专家鉴定。 　　微光夜视仪是在夜间无人工照明情况下用于目标观察的光电成像仪器，是低照度环境下摄取图像的重要装备。为统一弱光光度量值，确保微光夜视行业的量值统一性和可溯源性，并为各种微光夜视仪和微光成像系统进行性能评价，我国迫切需要建立微光夜视仪测量标准装置和简易型现场评价设备。 　　为此，中国计量科学研究院于2008年围绕夜视环境的模拟、夜视器件光学性能参数测试、简易型微光光度/辐射度测量仪器三方面开展了微光夜视仪测量装置的研究工作。 　　项目组以微光夜视仪光电性能参数测量为重点，同时把测量对象扩展至各类光电成像系统及核心器件光电性能参数测量评价领域，首次建立了微光夜视仪测量装置和夜视辐射亮度测量装置。 　　据课题负责人、中国计量科学研究院光学所副研究员徐英莹介绍，该项目在三方面实现了创新：一是微光夜视仪测量装置适于微光夜视行业光度量和辐射度量的量值溯源，相关参数的测试水平已步入国际先进行列 二是建立了夜视辐亮度测量装置，完成了弱光照度下光谱辐亮度的量值传递 三是研制了真实环境光谱模拟的可调积分球光源。 　　目前，该研究成果已得到广泛应用，为飞机座舱照明系统、头盔夜视仪等提供了辐射度计量标准和光度计量标准，实现了光电成像系统/器件的性能评价，为微光夜视领域的量值溯源和量值统一打下了基础。

在2013年11月举行的第四届网络质谱研讨会上，中国科学院高能物理研究所实验物理中心研究员级高级工程师刘术林作了《质谱仪器中的离子探测器》的报告，报告中刘术林介绍了一种可用于质谱仪中的低噪声、高增益、脉冲计数能力好、动态范围大、响应速度快、抗磁场、寿命长的探测器(探测器在仪器行业更多的被称为检测器。仪器信息网注)&mdash &mdash 微通道板，报告当时引起了业内一些质谱仪器厂商的关注。 　　近日，仪器信息网编辑特别采访了刘术林，请他介绍了微通道板的特点，在质谱仪器当中的应用，以及目前我国微通道板的研制情况。 中国科学院高能物理研究所实验物理中心研究员级高级工程师刘术林 　　微通道板(简称MCP)是由106-107根规则排列的毛细玻璃管阵列熔合而成的电真空器件，该毛细玻璃管是由特种玻璃制作的，经过氢还原处理后，在其通道的内表面和一定深度内，获得了连续的二次电子发射层和半导体层，当在其两端加上电压时，即可实现二次电子的倍增。对于一块MCP而言，当其两端的电压为其长径比的22倍左右时，其增益可以达到104量级。由于该材料对荷电粒子和特定能量的光子(UV和软X射线)有一定的量子探测效率，再加上其具有体积小、重量轻、空间和时间分辨力好、增益高、噪声低、抗电磁场干扰等优点，因而在微光像增强器、光电倍增管、以及科学仪器中(如质谱仪、俄歇电子能谱仪、X射线光电子能谱仪等)得到了广泛的应用。 微通道板 　　微通道板用作质谱仪的探测器件发展已比较成熟 　　在1990年代研究生业后，刘术林进入中国兵器工业第205研究（西安应用光学研究所）所工作，该研究所从1970年代开始从事微光夜视仪的研究，微通道板是其中的一个核心器件。就这样，刘术林开始了微通道板的研制。 　　工作中刘术林常常阅读一些有关微通道板研制和应用的论文，他发现从1990年代初期开始，IEEE T INSTRUM MEAS、IEEE T NUCL SCI、REV SCI INSTRUM等期刊中就陆续有文章提到微通道板在质谱仪当中的应用。 　　刘术林说：&ldquo 早期的质谱仪中一般采用的是单通道的倍增器(即Channeltron)，但随着生物大分子、药物分子分析需求的提升，产生更多的离子碎片，要求分辨率更高、探测面积更大、响应时间更快的探测器件，微通道板能很好的满足这些需求。目前主要是飞行时间质谱中采用这种类型的探测器。&rdquo 　　经过几十年的发展，目前国外微通道板在质谱仪中的应用已经比较成熟，有单片型的微通道板，也有模块化的微通道板(微通道板组件)，而且针对不同型号的质谱仪可以配置不同规格的微通道板。但国内微通道板在质谱仪中的应用才刚刚起步。刘术林说：&ldquo 之前我和国内的一些仪器厂商接触过，大家不是很感兴趣。近年来这种情况有所改变，国内禾信，还有复旦大学、中国科学技术大学、吉林大学、大连化物所、长春应化所等企业、大学和科研院所都在研究使用微通道板作为质谱仪的探测器。&rdquo 　　刘术林介绍说，虽然微通道板应用于质谱仪有诸多优点，但也存在一定的缺点：如操作使用困难，非专业训练的人员使用时，失效率高。而且还需要特殊处理，如合适的真空烘烤和电子清刷等。 　　除了在质谱仪中的应用外，微通道板还在X射线光电子能谱仪、俄歇电子能谱仪等仪器中有所应用。沈阳科学仪器厂(即现在的中国科学院沈阳科学仪器股份有限公司，仪器信息网注)、北京科学仪器厂(即现在的北京中科科仪股份有限公司，仪器信息网注)、中科院西安光机所曾采购微通道板用于场离子显微镜，高速示波器等仪器的研制，刘术林介绍说。 　　目前，我国微通道板每年的产量达到10万片左右，其中绝大部分还是用在光电成像领域，科学仪器领域的需求量还很小。&ldquo 但在科学仪器领域，还有可以开发的应用空间，比如将微通道板用作电镜中二次电子成像用的探测器等，从微通道板的原理和特点来说，完全可以满足，但是具体应用还是得和从事电镜研制的专业人员进行交流。&rdquo 刘术林说道。 　　俗话说&ldquo 隔行如隔山&rdquo ，尤其是高技术领域。刘术林说：&ldquo 我们应该主动走出去跟别人交流，让别人了解我们在做的东西。微通道板要使用好，都有许多的技术和经验在里面，我们要教会别人更好的使用。而其他行业的技术人员可以提出要求，我们可以结合自己的技术特点为大家提供相应的技术和产品。通过合作，许多问题或许能够更好的解决。&rdquo 　　国产微通道板性能处于国际领先地位并大量出口 　　近年来，国家对于国产科学仪器的发展给予了高度的关注和资金支持，而核心零部件性能对于仪器整体性能的提升至关重要。许多业内人士都曾呼吁大家关注仪器核心零部件的研制。可喜的是，我国在微通道板的研制和生产方面目前已处于国际领先地位，并已大量出口。 　　刘术林介绍说：&ldquo 由于微通道板在光电成像方面的重要用途，它的整个工艺，包括材料，国外都对我国进行封锁。所以我国是完全从零开始，研发的具有自主知识产权的产品。就拿制作微通道板的基本材料玻璃来说，它对于玻璃材料的二次电子发射系数要求很高，同时对玻璃管的椭圆度、壁厚等的一致性要非常高，但是我们很难找到合适的企业和人才。当年光是为了制作合适的玻璃管，我们几乎找遍了全国各个角落，后来碰到一个老师傅，要是没有他，说不定我们的微通道板产业都发展不起来。&rdquo 　　制作微通道板一共有几十道工艺，每一道工艺都不能有偏差，哪怕只差一点点，最终的累积误差也会很大。所以许多关键设备稳定性一定要好，然而当时在国内找不到合适的设备，也没有足够的经费采购进口的设备，为了研制微通道板，刘术林和同行们只好自己搭建设备来完成研究。他说：&ldquo 电真空器件行业不同于半导体行业。在半导体行业，做设备的企业对制造厂家的关注十分密切，厂家有新的生产需求，做设备的企业就会研制相应的设备，双方的配合十分紧密。而电真空器件行业可以说是一个夕阳产业，很少有人关注，其对制造设备要求很高，我们向厂家提出设计要求，由于数量少、要求高，一般也很难实现，或者做出来的效果大打折扣。&rdquo 　　正是由于这些经历，让刘术林认识到作为一个大国，配套的一些产业一定要跟上。他说：&ldquo 一些核心的技术和产品，外国往往会设卡不卖给我们。或者卖的价格特别贵，还不说明具体如何使用，等我们摸索很长时间终于弄清楚了，到下一次采购时人家又不愿意卖给我们了。作为一个大国，我们必须在各个行业都要有技术积累，哪怕再偏的行业也要支持一两家企业存活下来，这样才不会受制于人。&rdquo 　　&ldquo 虽然微通道板是很小的产品，但它确实代表着一个国家的整体工艺水平。现在除了我们也只有几个发达国家，如美国、法国、日本、俄罗斯能够做。&rdquo 刘术林说道。 　　令刘术林感到十分欣慰的是，实践证明我国研制的微通道板的性能已经接近或达到国外先进水平。中国科学技术大学的一位老师在同步辐射光电离质谱中采用了我国研制的微通道板。在一次拜访中，这位老师告诉刘术林：&ldquo 谢谢你为我们提供的微通道板，已经用了5年时间还在使用。我们用过国外一家公司的微通道板，但用了大概3年时间就坏了。&rdquo 　　刘术林说：&ldquo 其实国外产品有时候未必如他们所宣传的那么好，以前在一些国际会议中，我们看到他们对外提供的指标非常不错，所以一直认为我们的微通道板技术不行。后来我们把自己研制的微通道板拿到国外去让用户试用，他们说你们的微通道板非常不错，比其他几家公司的性能还好，不仅板寿命长，视场清晰度也高。之后荷兰的一家公司开始大批量订购，俄罗斯也有订购。目前，在成像性能方面，国产的微通道板和国外技术水平非常接近了。&rdquo 　　至于微通道板接下来的研究方向，刘术林说：&ldquo 主要是孔径更小、噪声因子要低、高增益、长寿命、容易除气等几个方面。每一个小的改动，往往都会涉及到一系列的参数的改变，可谓是牵一发而动全身。比如噪声因子是评价放大器放大性能的一个重要指标，这一个参数的改进就涉及到孔径、开口面积比、玻璃壁厚等多个参数的控制，而且有些参数之间还互为矛盾关系，所以特别难处理。&rdquo 　　虽然在几十年的研究生涯中，刘术林经常碰到各种困难，但他依然对自己所从事的工作充满了热情，因为在他看来，科研虽然苦，但也乐在其中。&ldquo 有时候我们会碰到一些问题，一时解决不了，会特别难受。但当一天天过去，在我们的努力之下，最终解决了这个问题，我们又会特别开心。其实人每天不论怎样都是过，还不如就踏踏实实的做些事情。而且在研究中，我们还会结识到许多志同道合的朋友。&rdquo 也许正是这份认真和乐观的态度，让刘术林克服了一个个困难，不断地将我国微通道板的制造工艺提到一个新的高度。 采访编辑：秦丽娟 　　刘术林个人简历 　　刘术林，男，中共党员，研究员级高级工程师。1990年于华东理工大学获得硕士学位，同年供职于西安应用光学研究所的特种光纤研究室和光电成像研究室，主要从事微通道板和微光像增强器的研制工作，2000年-2011年，先后在北方夜视技术股份有限公司西安分公司、南京分公司工作，主要从事微通道板的研发、工程化和批生产等工作，2011年底至今，在中国科学院高能物理研究所从事大尺寸微通道板光电倍增管的研制、工程化和日后的批量生产等工作。

图说：国家气象计量站能见度计量检测实验室（上海） 新民晚报记者 陶磊 摄 下同延安西路上车辆总是川流不息，人行道上行人步履匆匆，繁华都市的快节奏展现得淋漓尽致。然而，坐落在延安西路上的中国气象局上海气象装备保障中心国家气象计量站能见度计量检测实验室（上海），却是一方别样的宁静天地。这里没有外界的嘈杂，只有专注与探索。作为上海最会“腾云驾雾”的实验室，同时也是我国首个、最大的能见度仪检测与标校业务实验室，它就似犀利的 “眼睛”，精准校验着遍布全国高速公路、高楼大厦等城市各个角落的大气能见度仪器，为气象现代化和城市安全默默奉献着。7分钟内超声波起雾一个长20米、宽3.5米、高3米的能见度环境模拟方舱是实验室的主体，静静伫立在装备中心办公楼一楼的玻璃隔间内。尽管这个银灰色的长方体“大家伙”看上去其貌不扬，却由5000多个零件、10节舱体组成，里面设有包括透射式能见度仪和标准前向散射式能见度仪等在内的40多组光学电控设备。“这是目前国内最大的能见度模拟舱，在国际上也不多见。”检验与测试科科长隋一勇说，“能见度是浓雾、霾等天气判断的主要气象要素。以前，国内外对于能见度仪器的检测大多放在户外，但是，这就得靠天吃饭，要偶遇能见度500米以下的天气更是难上加难。再加上受到刮风、下雨、灰尘等很多不可控因素影响，检验效率并不高。”因此，2014年，中国气象局上海气象装备保障中心就开始探索建设我国首家能见度计量检测实验室，光是图纸就设计了500多份。整个实验室的建造花费了2年的时间，2016年开始投入试运行。图说：7分钟左右，实验舱就能人工模拟出10米以下的能见度环境和往常一样，今天上午10时，隋一勇又按下了实验舱外操控台上的红色起雾按钮，为舱内7台设备打造一个“腾云驾雾”的环境。方舱内，超声波起雾装置开始发出轻微的嘶嘶声。透过舱门上直径约莫30厘米的玻璃窗可以看到，细密的水雾开始缓缓出现，如同薄纱般在空气中轻轻飘荡。随后，它们慢慢聚集在一起，方舱内的景象也渐渐变得朦胧起来，仿若被云雾笼罩的仙境一般。不到7分钟，方舱内就被浓雾填满，看不清里面原本的模样。“舱体内，顶部设有正压静压舱，底部设有负压静压舱。上下静压舱内均设有多气口分布式管路结构，检测每个气口附近的空气流速和气压变化，调节电控阀门使测量数据保持在一定范围，提高喷雾和回风的均匀性。尤其是喷雾时，水颗粒物先输送至正压舱，待充分扩散后再均匀沉降至仪器测量区域。”隋一勇说，如今，在实验舱里，7分钟左右就能人工模拟出10米以下的能见度环境，关闭造雾功能30分钟左右，舱内可以营造出均匀稳定的高浓度水雾环境，开启舱内净化功能后，在5分钟内能见度又能迅速上升到10公里以上。检测工作犹如精密手术在方舱内进行检测工作，就如同一场精密的手术，综合运用科学方法及专业技术对气象业务使用的透射式能见度仪、前向散射式能见度仪进行检测校准。“其实，整个检测工作并不算复杂，调整方舱内参数，安装、调试待检仪器，最后，处理分析数据并给出检测报告。”然而，校验能见度仪器，实际上要和光打交道，很容易受到外部环境细微变化的影响，不仅舱体里的温度、湿度需要精确控制，外界的光线和噪音也会带来干扰，让检验“卡壳”，因此，看似简单、重复的检验工作，全仰仗王华和同事们这几年来小心翼翼、一丝不苟地积累。图说：对前向散射式能见度仪校准板开展检测工作目前，实验舱内能一次性同时检测8到10台仪器。为了让每台仪器不受到干扰，每个检测台附近都摆放了一个涂有吸光材料的黑色锥筒。“能见度仪器的工作原理，就是测量大气中的消光系数或散射光的强度来确定能见距离。锥筒的作用就是吸收散射出来的光，以此确保各个仪器之间不受相互光的干扰。”90后的王华是实验舱的“掌舵人”之一。毕业于计量专业的她是装备中心这几年引进的专业人才。图说：王华在用微光夜视仪调整设备光路在造雾之前，王华就在忙着仔细调整仪器和锥筒位置，每次不超过1度的调整全凭经验。她的眼神专注而锐利。随后，她又熟练地连接线路，调整参数，让仪器在云雾中准确地工作。实验室里安静极了，只有仪器发出的轻微声响，和他们偶尔的低语声。整个检测过程中，王华们需要时刻保持高度的专注和耐心。他们不仅要关注仪器上的数据变化，还要注意环境因素对检测结果的影响。有时候，他们需要在狭小的空间里操作复杂的设备，就像在迷宫中寻找出口一样。他们的动作必须精准无误，否则就可能导致检测结果的误差。“能见度仪器的标准校准，就像摸着石头过河，是一个从0到1的过程。一开始，你不知道锥筒该调成什么角度，也吃不准为什么后台数据传输不稳定。”在一次检测中，王华发现一台能见度仪的读数异常不稳定，她不断调整锥筒的角度，竟然在小小的实验室里走出了六七千的步数，终于在不断的精调过程中使仪器的读数恢复了正常。未来建立计量检定国家标准我国是世界上自然灾害发生最多的国家之一。进入21世纪以来，雾霾等天气发生的频率和严重程度有增加的趋势，对人们的生活、生产影响越来越大。秋冬季的高速公路等区域容易出现的团雾，也是一种带来极大安全隐患的低能见度天气。能见度，是反映大气透明度的一个指标，更是对航空、航海、陆上交通以及军事活动等都有重要影响的气象要素。透射式能见度仪、前向散射式能见度仪等测量大气能见度的自动化测量仪器的使用，正不断提高了气象观测自动化水平，使能见度观测更为客观、定量和规范，更好地满足预报、服务和科学研究的需要，在气象防灾减灾中发挥巨大作用。隋一勇说：“近年来，我国所有的国家级气象观测站、环境气象站、交通气象观测站都已经配备了前向散射式能见度仪。”本以为容易起雾霾的秋冬季是实验室的旺季，没想到，为了让城市更“能见”，现在实验室一年到头都没有闲暇时光。记者在实验室看到，实验室地上整齐地摆放着20套刚检测完毕的来自全国气象部门的能见度校准片，舱外的工作台上还放置着待检的五六台仪器。“能见度实验室，虽然不直接参与气象站、交通站等站点观测，但是，承担了全国气象部门的能见度校准版检测，前向散射式能见度仪检测获得了CNAS（中国合格评定国家认可委员会）认可，为企业开展相关产品测试，还要与高校开展联合试验。”隋一勇说，以前，能见度仪并没有一个统一的行业标准，不同的设备观测数据存在不小的误差，曾送到实验室标校的两个产品的能见度测量结果居然差了1倍。因此，实验室把所做的检测和校验摸索总结出了一套成果，主持编制了一套《前向散射式能见度仪》的气象行业标准，并于2024年4月1日正式实施。“目前，实验室对1.5公里以下的能见度校准相对误差控制在10%以内，1.5公里到10公里的能见度校准相对误差为20%以内。如果送检的设备先进，相对误差可以缩小到5%以内。”但是，隋一勇说，实验室仍在不断探索的“成长期”，“未来，实验室将在现有能力基础上，加大对能见度量值源体系的研究，争取建立我国能见度计量检定标准，实现能见度量值传递的准确、统一。”