实验名称:高速调制脉冲X射线源技术及火星X射线通信应用研究
研究方向:通信技术
测试目的:
火星是深空探测的热点区域,随着对火星探测的深入,未来火星探测器将面临传统通信方式难以应对的恶劣情况,例如火星大气进入段黑障区和火星沙尘暴环境。因此,探索新型信息载体,研究新型通信技术十分必要。X射线通信(XCOM)是一种新型的空间通信技术,基于X射线的高穿透特性,X射线通信系统有望在复杂的深空环境中发挥作用。
本文的研究工作对于火星X射线通信的实施和高速调制脉冲X射线源的研发提供了重要的理论依据,并有望为我国未来的火星探测工程提供通信技术保障。
测试设备:ATA-4315高压功率放大器、信号放大器、信号发生器、示波器、直流电源、GMXS样管等。
实验过程:
图1:GMXS样管
对GMXS进行定制加工,在完成密封性能和耐高压性能测试后,得到带有X射线调制功能的GMXS样管。如图1所示,栅控电极与钨质灯丝内置于阴极屏蔽罩中,阳极金属靶被安置于一侧开有X射线出射窗的阳极屏蔽罩中。在阴极端,灯丝和栅控电极分别与导线相连,在射线管的一端引出,方便对灯丝和栅控电极加载电压。在阳极端,阳极金属靶与金属接线柱相连,方便对阳极加载高压。
图2:GMXS脉冲响应特性测试设备连线示意图
使用测量阳极脉冲电流的手段间接测量GMXS的脉冲响应特性。基于这一方法,搭建等效实验平台,实验设备连线方式如图2所示。使用直流电源给GMXS样管的阴极灯丝供电,用于生成热电子,电压设置为6.5V,灯丝电流为0.88A。阳极接入一个2kΩ的电阻,使用200V的高压电源给阳极供电。这个200V的阳极电压用于产生加速电子的电场,以实现对栅控管内电子的收集,利用示波器检测阳极电压变化。阳极电压的脉冲形状能够很好的反映GMXS产生的X射线脉冲特性。将阳极电压变化除以电阻值2kΩ,可间接得到轰击阳极金属靶的电子电流。由于阳极电压较低,不足以使得阳极金属靶产生X射线,因此避免了脉冲X射线发射导致的辐射防护问题。此外,由于阳极电压较低,阴极槽内的自由电子受到的电场力不足,因此需要栅控电极加载较高的控制电压,才能保证电子脉冲的正常发射。栅控电平的初始信号由信号发生器产生,信号发生器生成重复频率为10kHz~1MHz,强度为2V的方波信号,这样的信号无法直接驱动栅控电极,因此需要使用信号放大器对初始信号进行放大。实验中使用ATA-4315功率放大器对信号发生器输出的低电压方波信号进行放大,并将输出的高压信号加载于栅控电极之上。根据图2完成设备的接线,保持图中所有设备共地,实验设备实物如图3所示。
图3:GMXS脉冲响应特性测试平台
实验结果:
栅控频率为10kHz、100kHz、1MHz的结果分别如图4-6所示。在固定栅控重复频率时,调整信号放大器增益可产生不同强度的栅控电压脉冲,图4-6中展示了栅极加载的电压峰值为40V、60V、80V、100V的结果。其中,绿色波形为信号放大器输出的脉冲电压波形,为正值;蓝色波形为阳极检测到的电压变化值,由电子脉冲撞击阳极产生,因此脉冲为负值。
图4:栅控频率为10kHz时阳极电压波形与栅极信号对比
栅控频率为10kHz时的结果如图4所示,在不同栅控电压峰值情况下,阳极电压变化均对栅控电平有着良好的响应,未出现明显的脉冲宽度扩展和相位延迟的现象,这说明在栅控频率为10kHz时,GMXS的脉冲响应性能良好。
图5:栅控频率为100kHz时阳极电压波形与栅极信号对比
栅控频率为100kHz时的结果如图5所示,GMXS的脉冲响应性能依然良好,在重复频率提升了10倍的条件下,信号放大器输出的栅控电平信号上升沿和下降沿有一定的变缓,并存在一些明显的高频分量,而阳极电压脉冲并未进一步造成平台区变窄,对于一部分高频分量,调制源未产生响应。
栅控频率为1MHz时的结果如图6所示,由于功率放大器性能的限制,栅控电压脉冲有着明显的畸变,但是阳极电压波形仍然有着较好的响应,这表明在栅控电平重复频率为1MHz的情况下,GMXS仍具有良好的脉冲响应性能,这意味着该型X射线调制源能够实现1MHz的调制速率。
图6:栅控频率为1MHz时阳极电压波形与栅极信号对比
安泰ATA-4315高压功率放大器:
图:ATA-4315高压功率放大器指标参数
本文实验素材由西安安泰电子整理发布。公司致力于功率放大器、功率信号源、计量校准源等产品为核心的相关行业测试解决方案的研究,为用户提供具有竞争力的测试方案,Aigtek已经成为在业界拥有广泛产品线,且具有相当规模的仪器设备供应商,样机都支持免费试用。
审核编辑:汤梓红
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