多载波微放电实验系统介绍

图6－3给出了一个基本多载波微放电测试系统的框图，由3个子系统组成，即大功率相干矢量信号发生器、高灵敏度反射监视器和真空罐。如果需要观测多载波微放电对待测件的非线性响应，应需要额外的谐波监视器。在测试多载波微放电阈值时，一个或多个待测件置于真空罐中，采用一种或多种电子产生方法来加载种子电子［3］。然后，由大功率相干矢量信号发生器产生的多载波信号激励待测件。当多载波信号的功率增加到某一功率，使高灵敏度反射监视器能够检测到从待测件输入端口反射的多载波信号的突然变化，能够产生该变化的功率电平被认为是输入多载波信号的多载波微放电阈值。

图6－3　基本多载波微放电测试系统的原理框图

本节首先对多载波微放电测试系统实现中的一些关键问题进行介绍。

1.相干多载波信号的产生

图6－4给出了大功率相干矢量信号发生器子系统的框图，由多个低功率多载波信号发生器、功率放大器和用于将多个大功率载波信号合成为一个宽带信号的输出多工器组成。

图6－4　大功率相干矢量信号发生器框图

对于具有相同的初始频率f1、频率间隔Δf和载波数N的多载波信号，不同初始相位组合的多载波信号波形显著不同，其微放电阈值也不同。因此，如第5章所介绍的，为了预测具有给定f1、Δf和N的多载波信号的微放电阈值，最终目标是在所有可能的相位组合中寻找能够以最低功率激发微放电的“最坏状态”相位组合。

根据上述讨论，在多载波微放电测试系统中用到的多载波发生器应该能够产生具有预先设定频率、幅度和初始相位的多个载波。这意味着不同的载波应该是彼此相干的。传统意义上，相干用于描述相同频率的具有确定相位关系的两个正弦信号。但是在多载波微放电测试系统中，这意味着具有不同频率的不同载波的初始相位应该具有确定和可重置的关系。这是多载波微放电测试系统实现中最具挑战性的工作。

以作者所知，现有多载波微放电测试系统中的多载波信号发生器均是基于商业微波信号源实现的。在文献［2］中，采用12个商业信号源和12个移相器来调整所有载波的相位，这使得相位的控制依赖于分离的12个移相器的手动调节，无法实现相位的补偿，导致测量信号相位无法有效控制。在文献［5］中，在ESA的支持下，采用12个L频段商业矢量信号源和12个Ku频段的本振通过上变频实现了Ku频段的多载波信号发生器，开发了相位检测系统来测量所有工作于各自频率的12个L频段信号源之间的相位关系，这使得主控软件能够查询每个载波的相位误差检测器和调整器，从而获得相位误差，但由于大量采用商业微波仪器，普通实验室无法负担得起基于该方案的测试系统。在本章中，将采用最新的锁相环技术来实现数字控制的相干矢量多载波信号发生器，以避免对大量高端矢量微波信号源的依赖，具体实现将在6.4节论述。

2.微放电的检测

在微放电测试系统中，前向－反向功率调零技术通常被用于反射信号变化的检测［3］。图6－5给出了反射检测子系统的框图，其中采用前向－反向功率调零技术以获得最佳检测灵敏度。它包括一个大功率定向耦合器以及由可变衰减器、移相器和3 d B电桥组成的前向－反向调零单元，如图6－5所示。通过定向耦合器耦合的前向入射信号和反向反射信号都能够进入调零环，通过调节可变衰减器和相移器以至于输入和反射信号具有相同的幅度和π相位差，在电桥的输出端，反射信号能够和入射信号“调零”。通常，通过如此的调零操作，获得的“调零深度”为－60～－70 dBm。在这种情况下，用于检测与多载波微放电发生具有紧密联系的反射变化的监视器能够具有极高的灵敏度。

图6－5　基于正反向调零技术的反射变化检测原理框图

3.初始种子电子的加载

根据文献［3］，在微放电测试前，必须加载适当数量的种子电子才能保证微放电阈值测量的准确性，特别是对于SMD情况；为了准确测量阈值，在无法明确获知其微放电形式的情况下，ESA建议对于多载波微放电情况均加载初始种子电子。有四种类型的种子电子产生源：辐射源、紫外光源、电子枪和带电金属丝探针［6］。由于其非侵入特性，即发射的电子能够穿透待测件的金属壁并进入腔体内部，辐射源被广泛采用。在本章中，微放电实验时采用铯137（137 Cs）辐射源来加载初始种子电子。

辐射源通常由一定质量的辐射材料组成，并密封在由惰性物质构成的容器中，辐射源放置在待测件外部。工程上有一类辐射材料通过β衰变释放电子，该类辐射源在微波部件内部产生电子的方式有两种：①β衰变释放的电子具有足够的能量可以直接穿过微波部件的金属壁到达微波部件内部充当种子电子；②β衰变释放的电子穿过金属壁时损失能量，同时在内表面产生前向二次电子，形成进入微波部件内部的种子电子。另一类辐射材料在发生β衰变的同时进行γ跃迁，释放γ射线。γ射线具有比X射线还强的穿透能力，即使对于较厚的材料，γ射线一般也仍然能够穿透微波部件壁。γ射线在穿过金属壁时与原子相互作用，发生光电效应、康普顿效应和正负电子对效应，在微波部件内表面产生二次电子。辐射源在微波部件内部产生种子电子的示意图如图6－6所示。

图6－6　辐射源加载种子电子示意图

辐射源通常放置在微波部件外侧靠近可能发生微放电的敏感区域，因此该方法的优势是非侵入式注入，不会影响微波部件的传输性能，加载方便。只要衰变产生的电子具有足够高的能量就可以穿过微波部件壁，从而在敏感区域直接产生种子电子。

1）β衰变

释放出电子的衰变过程称为β衰变。在β衰变中，核内的一个中子转变为质子，同时释放一个电子和一个反中微子，β衰变过程可表示为：

式中，X为母核原子；X′为子核原子；A和Z分别为母核原子的质量数和核电荷数；e－为电子；为反中微子。

对于β衰变，为了获得所产生电子的最大能量，必须考虑衰变前的原子核与衰变后的原子核以及所产生电子的质量差。当衰变后的原子核为静止状态时，所产生的电子的能量最大。因此，根据质能方程，电子的最大动能可表示为：

式中，mX和mX′分别为母原子核和子原子核的静止质量；me为电子的静止质量。同时所产生的电子的能谱可表示为：

式中，Emax为所产生电子的最大能量；c为光速；E为电子的能量；γ表示单位能量上的电子数的期望值；K为归一化系数，满足：

式中，A0为辐射源的活度。

具有单纯β衰变的辐射源有锶90（90 Sr），能够各向同性地辐射高能电子。锶90辐射源产生电子是锶90和钇90（90 Y）两个β衰变的复合过程。因此，其能谱等效为活度分别为A0的锶90和钇90能谱的叠加。锶90的半衰期为28.79年，释放最大能量为0.546 MeV的电子，变为钇90，同时钇90再次发生β衰变，半衰期为64 h，释放最大能量为2.28 MeV的电子，最终变为稳定的锆90（90 Zr）。锶90几乎是纯的β粒子源，是理想的种子电子加载源。(www.xing528.com)

活度为75 MBq的锶90辐射源在100μs时间内产生的电子能谱如图6－7所示。值得注意的是，该能谱的低能和高能两部分分别由锶90和钇90的β衰变贡献。这里未考虑辐射源与待测微波部件的位置关系，可根据所测量微波部件的结构及与辐射源的相对位置加入空间方位修正因子。

图6－7　活度为75 MBq的锶90辐射源在100μs时间内产生的电子能谱

在开放结构的微放电试验中，β衰变产生的电子可直接到达敏感区域，形成足够多的种子电子。而对于封闭结构，辐射源通常置于微波部件外侧，辐射源和敏感区域之间通常存在阻挡层——微波部件的壁。因此，为了进入敏感区域，β衰变产生的电子必须穿过部件壁，能够进入微波部件内部的电子流量受部件壁的阻挡会显著减少，甚至完全被挡在外侧。为了使进入待测件微放电敏感区域的电子足够多，辐射源距离放电敏感区域须尽量近。

β衰变辐射源在微波部件内部产生电子的方式有两种：一种是初始电子具有足够高的能量穿过微波部件壁进入微波部件内部构成种子电子；另一种是初始电子在穿过微波部件壁时能量消耗，产生前向二次电子，并进入微波部件内部。对于典型的毫米级厚度的微波部件壁，能产生前向二次电子发射系数大于1的能量范围很小。相对于初始电子，前向二次电子可以忽略不计，因此β衰变所产生的能够穿过微波部件壁进入微波部件内部的电子可以认为是种子电子的唯一来源。

当电子穿过一定厚度的金属时，其电子能量会减小。能量为E的电子在完全停止之前在材料中穿过的最大直线距离定义为R（E），不同材料的R随E的变化不同。电子在铝板的穿过距离随碰撞能量的变化曲线如图6－8所示［7］。

图6－8　电子在铝材料中的穿过最大直线距离与能量之间的关系［7］

当辐射源加载到厚度为W的金属表面时，只有当电子的能量E＞E0，初始电子才能穿过微波部件的壁。其中，E0满足R（E0）＝W，E0代表能穿过厚度为W的金属的电子的最小能量。所以能量大于E0的电子可以进入微波部件内部，同时电子的能量损失E0，能量小于E0的电子无法进入微波部件内部。根据式（6－2）和式（6－3）可以获得β衰变产生的电子的最大能量和能谱，只有能量高于E0的电子才能穿过铝板形成种子电子，因此对能谱曲线从E0到Emax进行积分即可获得射线穿透金属后产生的种子电子数目。

由图6－8可知，对于厚度为2 mm的铝板，E0为1 MeV，活度为75 MBq的锶90辐射源在100μs时间内进入微波部件内部的电子共3 591个，能谱如图6－9所示。从图中可以看出，锶90具有较好的种子电子加载效果。

图6－9　活度为75 MBq的锶90辐射源在100μs时间内穿过2 mm铝板的电子能谱

铯137是β衰变核素，发射两种β粒子：一种β粒子的最大能量为0.511 63 MeV，该种衰变占总衰变量的94.0%；另一种β粒子的最大能量为1.176 MeV，该种衰变占总衰变量的6.0%。铯137的半衰期为30.17年。铯137发射0.511 63 MeV的β射线后，转变为钡137 m，钡137 m作同质异能跃迁衰变，释放γ射线，其γ能量为0.662 MeV，半衰期为2.55 min。铯137到钡137 m能迅速达到放射性平衡，所以铯137既可作β放射源，又可作γ放射源。

活度为75 MBq的铯137辐射源在100μs时间内由β衰变产生的电子的能谱如图6－10（a）所示，该能谱由两种衰变共同贡献。进入厚度为2 mm的铝质微波部件内部的电子共6个，能谱如图6－10（b）所示。

图6－10　活度为75 MBq的铯137辐射源在100μs时间内β衰变产生的电子能谱

（a）产生的所有电子；（b）穿过厚度为2 mm铝板的电子

单纯考虑β衰变释放的电子，锶90比铯137具有显著优势，但是锶90释放的最大电子能量为2.28 MeV。对于常用的铝板而言，最大能够穿过5.2 mm厚的铝板。因此，当实际铝质微波部件的壁厚大于5.2 mm时，采用锶90无法实现种子电子有效加载。而铯137除了β衰变外，还进行了γ跃迁、放射γ射线，由于其强穿透性能够轻松地穿过铝质微波部件，在内部激发种子电子。

2）γ跃迁

放射性原子核在发生α衰变、β衰变后产生的子核往往处于高能级，要向低能级跃迁，同时辐射出γ光子，称为γ跃迁。在γ跃迁过程中，发生衰变的原子核的原子序数和质量数都没有任何变化，仅仅只有能量状态的变化，所以又称为同质异能跃迁。γ射线是频率高于1019 Hz的电磁波光子，波长小于0.03 nm，比X射线更短，所以γ射线具有比X射线还要强的穿透能力。

γ射线不具有电荷及静质量，因此具有比α粒子及β粒子弱的电离能力。γ射线具有极强的穿透能力并带有高能量。γ射线可被高原子数的原子核阻停，例如铅。

当γ射线通过物质并与原子相互作用时会产生光电效应、康普顿效应和正负电子对三种效应。在γ光子能量小于1 MeV的情况下，γ射线对物质的作用主要是光电效应和康普顿效应；当γ光子能量大于1.02 MeV时，主要是正负电子对效应。

当一个频率为ν的γ光子与原子相碰撞时，会发生光电效应，光子将其能量转移给原子中的电子，使电子运动到达表面，并克服表面势垒而逸出，成为发射电子。光电效应产生的电子的最大动能等于入射γ光子的能量减去原子束缚电子的能量，对于50 keV以下的γ射线光子，光电效应是最主要的能量转移机制。

γ光子与原子外层电子（可视为自由电子）发生弹性碰撞，γ光子只将部分能量传递给原子外层电子，使该电子脱离原子核的束缚并从原子中射出，光子本身改变运动方向，称为康普顿效应，被发射出的电子称为康普顿电子。在γ光子能量大于5 keV小于1 MeV时，康普顿效应是光子与物质相互作用的主要机制之一。

能量大于1.02 MeV的γ光子从原子核旁经过时，在原子核的库仑场作用下，γ光子转变成一个负电子和一个正电子。光子的能量一部分转变成正负电子的静止能量（1.02 MeV），其余就作为它们的动能，这称为正负电子对效应。

与锶90单纯发生β衰变不同的是，铯137在发生β衰变的同时还释放能量为0.662 MeV的γ射线，穿过铝质微波部件的壁时主要考虑康普顿效应和光电效应。铯137放射源产生的γ射线在铝、铁、铜、铅中的半吸收厚度分别约为3.2 cm、2.6 cm、1.4 cm和0.6 cm，因此铯137产生的γ射线能够轻松地穿过由铝基材制备的微波部件，在微波部件内部产生足够多的种子电子。

MCNP是由美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室开发的基于蒙特卡罗方法的用于计算三维复杂几何结构中的中子、光子、电子或者耦合中子／光子／电子输运问题的通用软件包［8］。采用MCNP分析了γ射线入射到2 mm铝板时产生的种子电子的特性，γ射线从铝板左侧入射，在右侧产生种子电子，铝板尺寸为2 mm×100 mm×100 mm，铯137辐射源置于铝板左侧中心，与铝板的距离为5 mm。

铯137采用点源辐射（忽略源的尺寸），其γ辐射源发射角分布为各向同性的4π空间均匀分布。活度为75 MBq的铯137辐射源在100μs时间内在右侧产生的电子能谱如图6－11所示，穿过2 mm铝板电子约19个，能够为微放电试验提供较多的种子电子。

图6－11　活度为75 MBq的铯137辐射源在100μs时间内产生的γ射线从左侧入射到2 mm铝板时右侧出射电子的能谱分布

表6－1给出了活度为75 MBq的锶90和铯137辐射源在100μs时间穿过2 mm铝板产生种子电子特性比较。锶90只发生β衰变，而铯137除了进行β衰变，还进行γ跃迁；穿过2 mm厚的铝板后，锶90产生的种子电子的最大能量为1.28 MeV，在100μs内产生3 591个电子；而铯137产生的种子电子的最大能量为0.662 MeV，在100μs内产生25个电子。受最大能量的限制，锶90最大能穿过5.2 mm的铝板，而铯137具有很强的穿透能力，能轻松穿过6 mm以上的铝板。

表6－1　活度为75 MBq的锶90和铯137辐射源在100μs穿过2 mm铝板产生种子电子特性比较