高压功率放大器在脉冲X射线源技术及火星X射线通信中的应用

　　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应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

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