應用案例

　　實驗名稱：高速調(diào)制脈沖X射線源技術(shù)及火星X射線通信應用研究

　　研究方向：通信技術(shù)

　　測試目的：

　　火星是深空探測的熱點區(qū)域，隨著對火星探測的深入，未來火星探測器將面臨傳統(tǒng)通信方式難以應對的惡劣情況，例如火星大氣進入段黑障區(qū)和火星沙塵暴環(huán)境。因此，探索新型信息載體，研究新型通信技術(shù)十分必要。X射線通信（XCOM）是一種新型的空間通信技術(shù)，基于X射線的高穿透特性，X射線通信系統(tǒng)有望在復雜的深空環(huán)境中發(fā)揮作用。

　　本文的研究工作對于火星X射線通信的實施和高速調(diào)制脈沖X射線源的研發(fā)提供了重要的理論依據(jù)，并有望為我國未來的火星探測工程提供通信技術(shù)保障。

　　測試設(shè)備：ATA-4315高壓功率放大器、信號放大器、信號發(fā)生器、示波器、直流電源、GMXS樣管等。

實驗過程：

 

圖1：GMXS樣管

對GMXS進行定制加工，在完成密封性能和耐高壓性能測試后，得到帶有X射線調(diào)制功能的GMXS樣管。如圖1所示，柵控電極與鎢質(zhì)燈絲內(nèi)置于陰極屏蔽罩中，陽極金屬靶被安置于一側(cè)開有X射線出射窗的陽極屏蔽罩中。在陰極端，燈絲和柵控電極分別與導線相連，在射線管的一端引出，方便對燈絲和柵控電極加載電壓。在陽極端，陽極金屬靶與金屬接線柱相連，方便對陽極加載高壓。

 

圖2：GMXS脈沖響應特性測試設(shè)備連線示意圖

使用測量陽極脈沖電流的手段間接測量GMXS的脈沖響應特性。基于這一方法，搭建等效實驗平臺，實驗設(shè)備連線方式如圖2所示。使用直流電源給GMXS樣管的陰極燈絲供電，用于生成熱電子，電壓設(shè)置為6.5V，燈絲電流為0.88A。陽極接入一個2kΩ的電阻，使用200V的高壓電源給陽極供電。這個200V的陽極電壓用于產(chǎn)生加速電子的電場，以實現(xiàn)對柵控管內(nèi)電子的收集，利用示波器檢測陽極電壓變化。陽極電壓的脈沖形狀能夠很好的反應GMXS產(chǎn)生的X射線脈沖特性。將陽極電壓變化除以電阻值2kΩ，可間接得到轟擊陽極金屬靶的電子電流。由于陽極電壓較低，不足以使得陽極金屬靶產(chǎn)生X射線，因此避免了脈沖X射線發(fā)射導致的輻射防護問題。此外，由于陽極電壓較低，陰極槽內(nèi)的自由電子受到的電場力不足，因此需要柵控電極加載較高的控制電壓，才能保證電子脈沖的正常發(fā)射。柵控電平的初始信號由信號發(fā)生器產(chǎn)生，信號發(fā)生器生成重復頻率為10kHz~1MHz，強度為2V的方波信號，這樣的信號無法直接驅(qū)動柵控電極，因此需要使用信號放大器對初始信號進行放大。實驗中使用ATA-4315功率放大器對信號發(fā)生器輸出的低電壓方波信號進行放大，并將輸出的高壓信號加載于柵控電極之上。根據(jù)圖2完成設(shè)備的接線，保持圖中所有設(shè)備共地，實驗設(shè)備實物如圖3所示。

 

圖3：GMXS脈沖響應特性測試平臺

　　實驗結(jié)果：

柵控頻率為10kHz、100kHz、1MHz的結(jié)果分別如圖4-6所示。在固定柵控重復頻率時，調(diào)整信號放大器增益可產(chǎn)生不同強度的柵控電壓脈沖，圖4-6中展示了柵極加載的電壓峰值為40V、60V、80V、100V的結(jié)果。其中，綠色波形為信號放大器輸出的脈沖電壓波形，為正值；藍色波形為陽極檢測到的電壓變化值，由電子脈沖撞擊陽極產(chǎn)生，因此脈沖為負值。

 

圖4：柵控頻率為10kHz時陽極電壓波形與柵極信號對比

柵控頻率為10kHz時的結(jié)果如圖4所示，在不同柵控電壓峰值情況下，陽極電壓變化均對柵控電平有著良好的響應，未出現(xiàn)明顯的脈沖寬度擴展和相位延遲的現(xiàn)象，這說明在柵控頻率為10kHz時，GMXS的脈沖響應性能良好。

 

圖5：柵控頻率為100kHz時陽極電壓波形與柵極信號對比

　　柵控頻率為100kHz時的結(jié)果如圖5所示，GMXS的脈沖響應性能依然良好，在重復頻率提升了10倍的條件下，信號放大器輸出的柵控電平信號上升沿和下降沿有一定的變緩，并存在一些明顯的高頻分量，而陽極電壓脈沖并未進一步造成平臺區(qū)變窄，對于一部分高頻分量，調(diào)制源未產(chǎn)生響應。

柵控頻率為1MHz時的結(jié)果如圖6所示，由于功率放大器性能的限制，柵控電壓脈沖有著明顯的畸變，但是陽極電壓波形仍然有著較好的響應，這表明在柵控電平重復頻率為1MHz的情況下，GMXS仍具有良好的脈沖響應性能，這意味著該型X射線調(diào)制源能夠?qū)崿F(xiàn)1MHz的調(diào)制速率。

 

圖6：柵控頻率為1MHz時陽極電壓波形與柵極信號對比

安泰ATA-4315高壓功率放大器：

圖：ATA-4315高壓功率放大器指標參數(shù)

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　　本文實驗案例參考自知網(wǎng)論文《高速調(diào)制脈沖X射線源技術(shù)及火星X射線通信應用研究》

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