高壓功率放大器在脈沖X射線源技術(shù)及火星X射線通信中的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)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(yīng)用研究

研究方向：通信技術(shù)

測(cè)試目的：

火星是深空探測(cè)的熱點(diǎn)區(qū)域，隨著對(duì)火星探測(cè)的深入，未來火星探測(cè)器將面臨傳統(tǒng)通信方式難以應(yīng)對(duì)的惡劣情況，例如火星大氣進(jìn)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(fù)雜的深空環(huán)境中發(fā)揮作用。

本文的研究工作對(duì)于火星X射線通信的實(shí)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(cè)工程提供通信技術(shù)保障。

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

實(shí)驗(yàn)過程：

圖1：GMXS樣管

對(duì)GMXS進(jìn)行定制加工，在完成密封性能和耐高壓性能測(cè)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。燈絲和柵控電極分別與導(dǎo)線相連，在射線管的一端引出，方便對(duì)燈絲和柵控電極加載電壓。陽極金屬靶與金屬接線柱相連，方便對(duì)陽極加載高壓。

圖2：GMXS脈沖響應(yīng)特性測(cè)試設(shè)備連線示意圖

使用測(cè)量陽極脈沖電流的手段間接測(cè)量GMXS的脈沖響應(yīng)特性。基于這一方法，搭建等效實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)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(gè)2kΩ的電阻，使用200V的高壓電源給陽極供電。這個(gè)200V的陽極電壓用于產(chǎn)生加速電子的電場(chǎng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)柵控管內(nèi)電子的收集，利用示波器檢測(cè)陽極電壓變化。陽極電壓的脈沖形狀能夠很好的反映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(dǎo)致的輻射防護(hù)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(chǎng)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(hào)由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，信號(hào)發(fā)生器生成重復(fù)頻率為10kHz~1MHz，強(qiáng)度為2V的方波信號(hào)，這樣的信號(hào)無法直接驅(qū)動(dòng)?xùn)趴仉姌O，因此需要使用信號(hào)放大器對(duì)初始信號(hào)進(jìn)行放大。實(shí)驗(yàn)中使用ATA-4315功率放大器對(duì)信號(hào)發(fā)生器輸出的低電壓方波信號(hào)進(jìn)行放大，并將輸出的高壓信號(hào)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(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)物如圖3所示。 

圖3：GMXS脈沖響應(yīng)特性測(cè)試平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)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(fù)頻率時(shí)，調(diào)整信號(hào)放大器增益可產(chǎn)生不同強(qiáng)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(hào)放大器輸出的脈沖電壓波形，為正值；藍(lán)色波形為陽極檢測(cè)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(fù)值。

圖4：柵控頻率為10kHz時(shí)陽極電壓波形與柵極信號(hào)對(duì)比

柵控頻率為10kHz時(shí)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(duì)柵控電平有著良好的響應(yīng)，未出現(xiàn)明顯的脈沖寬度擴(kuò)展和相位延遲的現(xiàn)象，這說明在柵控頻率為10kHz時(shí)，GMXS的脈沖響應(yīng)性能良好。

圖5：柵控頻率為100kHz時(shí)陽極電壓波形與柵極信號(hào)對(duì)比

柵控頻率為100kHz時(shí)的結(jié)果如圖5所示，GMXS的脈沖響應(yīng)性能依然良好，在重復(fù)頻率提升了10倍的條件下，信號(hào)放大器輸出的柵控電平信號(hào)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(jìn)一步造成平臺(tái)區(qū)變窄，對(duì)于一部分高頻分量，調(diào)制源未產(chǎn)生響應(yīng)。

柵控頻率為1MHz時(shí)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(yīng)，這表明在柵控電平重復(fù)頻率為1MHz的情況下，GMXS仍具有良好的脈沖響應(yīng)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(shí)陽極電壓波形與柵極信號(hào)對(duì)比

安泰ATA-4315高壓功率放大器：

圖：ATA-4315高壓功率放大器指標(biāo)參數(shù)

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本文實(shí)驗(yàn)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(yīng)用研究》