實驗名稱：高速調制脈沖X射線源技術及火星X射線通信應用研究

研究方向：通信技術

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，研究新型通信技術十分必要。X射線通信（XCOM）是一種新型的空間通信技術，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制脈沖X射線源的研發(fā)提供了重要的理論依據，并有望為我國未來的火星探測工程提供通信技術保障。

測試設備：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射線調制功能的GMXS樣管。如圖1所示，柵控電極與鎢質燈絲內置于陰極屏蔽罩中，陽極金屬靶被安置于一側開有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。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的陽極電壓用于產生加速電子的電場，以實現對柵控管內電子的收集，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映GMXS產生的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。根據圖2完成設備的接線，保持圖中所有設備共地，實驗設備實物如圖3所示。 

圖3：GMXS脈沖響應特性測試平臺

實驗結果：

柵控頻率為10kHz、100kHz、1MHz的結果分別如圖4-6所示。在固定柵控重復頻率時，調整信號放大器增益可產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，未出現明顯的脈沖寬度擴展和相位延遲的現象，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，調制源未產生響應。

柵控頻率為1MHz時的結果如圖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射線調制源能夠實現1MHz的調制速率。

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

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本文實驗案例參考自知網論文《高速調制脈沖X射線源技術及火星X射線通信應用研究》