一种微放电试验件内部初始自由电子加载与定量方法与流程

[0001]
本发明涉及一种微放电试验件内部初始自由电子加载与定量方法，属于航天器环境试验、大功率射频微波等学科领域，应用于航天器射频器件的地面微放电试验。


背景技术：

[0002]
航天器在轨微放电效应(multipactor)又称电子二次倍增效应(secondary electron emission)，是航天器轨道真空环境下自由电子在电磁场驱动下射频部件表面相互作用而引发的一种电子二次发射及其倍增雪崩现象。微放电效应一旦发生可能造成系统反射功率增加、输出功率下降、噪声电平抬高、器件表面损坏、寿命缩短甚至永久性失效等较问题。因此，航天器大功率射频器件需要进行地面微放电试验，以检验设备的抗微放电设计。
[0003]
微放电试验时须保证试验件微放电敏感区域具有足够密度的初始自由电子。除极少情况外(铝材料、连续波激励等)，大部分射频器件微放电试验均需加载初始自由电子。目前，微放电试验初始自由电子的加载方式有：
①
弥漫式加载。对于开放性射频器件，通过电子枪、钨丝冷发射、放射源等产生电子，使自由电子弥漫至试验件周围；
②
穿透式激发加载。采用放射性元素产生高能粒子，粒子穿透试验件壳体在内壁激发出自由电子；
③
光电转换式激发加载。借助光纤将uv光导入器件内部，通过光电效应在试验件内壁激发出自由电子。
[0004]
三种初始电子加载方法中，尽管后两种方式可以实现封闭试验件内部初始自由电子加载，但由于电子逸出材料表面时存在能量损耗，导致逸出电子的实际能量、数量存在较大不确定，难以保证试验条件的重复性和有效性。


技术实现要素：

[0005]
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种微放电试验件内部初始自由电子加载与定量方法，包括如下步骤：首先，选择与微放电试验件输入(或输出)端口直接连接的波导宽壁中间部位作为初始自由电子加载位置。在保证波导端口驻波比与插入损耗可接受的情况下仿真计算波导宽壁最大可开缝隙尺寸。其次，加工封装β源的金属屏蔽盒，按照波导宽壁最大可开缝隙尺寸在其上开孔。将β源置于金属壳体内部，对单位时间经由缝隙透射出的电子数量进行精确标定。再次，根据单位时间缝隙透射电子数量标定结果计算试验件内部敏感区域平衡时的自由电子密度，完成试验件内部敏感区域初始电子的定量。最后，β源紧贴波导缝隙进行初始自由电子注入加载。
[0006]
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
[0007]
一种微放电试验件内部初始自由电子加载与定量方法，包括如下步骤：
[0008]
s1、将微放电试验件置于真空试验罐内，射频激励源通过转接波导与微放电试验件的输入端连接，微放电试验件的输出端通过转接波导与负载连接；将与微放电试验件输入端连接的转接波导或与微放电试验件输出端连接的转接波导作为初始自由电子的加载位置；
[0009]
s2、根据转接波导的内壁电流分布，在转接波导上开设电子注入缝隙；
[0010]
s3、将β放射源置于金属屏蔽盒内，金属屏蔽盒上设有电子标定缝隙；所述电子标定缝隙的尺寸与电子注入缝隙的尺寸相同；
[0011]
s4、根据β放射源的辐射电子的能量谱、电子标定缝隙单位时间透射出电子数量、微放电试验件的腔体内壁材料、转接波导的腔体内壁材料、微放电试验件的内部腔体结构、转接波导的内部腔体体结构，建立微观粒子仿真模型，确定微放电试验件内部微放电敏感区域初始自由电子达到动态平衡时的电子密度；
[0012]
s5、如果s4中确定的电子密度偏小，则更换活度更大的β放射源，直到s4中确定的电子密度满足预设指标；如果s4中确定的电子密度偏大，则减小s2中电子注入缝隙的尺寸和s3电子标定缝隙的尺寸，或者更换活度较小的β放射源，直到s4中确定的电子密度满足预设指标。
[0013]
上述微放电试验件内部初始自由电子加载与定量方法，优选的，所述转接波导均为矩形波导。
[0014]
上述微放电试验件内部初始自由电子加载与定量方法，优选的，金属屏蔽盒的厚度与转接波导的厚度相同。
[0015]
一种微放电试验件内部初始自由电子加载与定量试验系统，包括射频激励源、外部转接波导、真空试验罐、输入端转接波导、微放电试验件、输出端转接波导、负载、β放射源、金属屏蔽盒；
[0016]
所述射频激励源输出的电磁波依次通过外部转接波导、输入端转接波导、微放电试验件、输出端转接波导，最后被负载吸收；选取输入端转接波导或输出端转接波导作为初始自由电子的加载位置；在输入端转接波导或输出端转接波导上设置电子注入缝隙；
[0017]
所述金属屏蔽盒上设有电子标定缝隙；所述β放射源置于金属屏蔽盒内，并通过电子标定缝隙、电子注入缝隙向外输出电子。
[0018]
上述微放电试验件内部初始自由电子加载与定量试验系统，优选的，在输入端转接波导或输出端转接波导上设置电子注入缝隙。
[0019]
上述微放电试验件内部初始自由电子加载与定量试验系统，优选的，所述输入端转接波导或输出端转接波导均为矩形波导。
[0020]
上述微放电试验件内部初始自由电子加载与定量试验系统，优选的，金属屏蔽盒的厚度与转接波导的厚度相同。
[0021]
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
[0022]
(1)本发明对封闭微放电试验件内部单位时间加载的电子数量可测可控，试验件内部电子达到动态平衡后的密度易定量。相比现有的采用二次激发电子作为初始自由电子的电子加载方法，试验条件的重复性与有效性更好；
[0023]
(2)本发明通过微放电系统中的转接波导开缝进行试验件内部初始自由电子加载，相同频段试验件可以通用，降低了试验成本及试验前准备工作；
[0024]
(3)本发明加载的初始自由电子主要为β源原生电子，注入试验件内部的自由电子能谱与β源相同，为已知的可公开查阅信息。现有方法产生的初始电子的能量谱受试验件材料、逸出损耗等影响，初始电子能谱具有较大不确定性。
[0025]
(4)本发明中初始电子采用开缝直接注入，尤其适用于封闭器件的微放电试验，单
位时间注入试验件内部电子数量可以较大。
[0026]
(5)本发明加载方法单位时间注入试验件内部电子数量更大，较现有方法更能适应欧洲、中国等微放电试验标准中“使得微放电敏感区域具有足量初始自由电子”的要求。
附图说明
[0027]
图1为二端口射频器件微放电试验系统示意图；
[0028]
图2为矩形波导内壁电流分布示意图；
[0029]
图3为单位时间透射电子数量标定可使用的金属屏蔽盒示意。
具体实施方式
[0030]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
[0031]
一种微放电试验件内部初始自由电子加载与定量方法，包括如下步骤：
[0032]
s1、将微放电试验件置于真空试验罐内，射频激励源通过转接波导与微放电试验件的输入端连接，微放电试验件的输出端通过转接波导与负载连接；将与微放电试验件输入端连接的转接波导或与微放电试验件输出端连接的转接波导作为初始自由电子的加载位置。
[0033]
s2、根据转接波导的内壁电流分布，在转接波导上开设电子注入缝隙。
[0034]
s3、将β放射源置于金属屏蔽盒内，金属屏蔽盒上设有电子标定缝隙；所述电子标定缝隙的尺寸与电子注入缝隙的尺寸相同。
[0035]
s4、根据β放射源的辐射电子的能量谱、电子标定缝隙单位时间透射出电子数量、微放电试验件的腔体内壁材料、转接波导的腔体内壁材料、微放电试验件的内部腔体结构、转接波导的内部腔体体结构，建立微观粒子仿真模型，确定微放电试验件内部微放电敏感区域初始自由电子达到动态平衡时的电子密度。
[0036]
s5、如果s4中确定的电子密度偏小，则更换活度更大的β放射源，直到s4中确定的电子密度满足预设指标；如果s4中确定的电子密度偏大，则减小s2中电子注入缝隙的尺寸和s3电子标定缝隙的尺寸，或者更换活度较小的β放射源，直到s4中确定的电子密度满足预设指标。
[0037]
一种微放电试验件内部初始自由电子加载与定量试验系统，包括射频激励源、外部转接波导、真空试验罐、输入端转接波导、微放电试验件、输出端转接波导、负载、β放射源、金属屏蔽盒；所述射频激励源输出的电磁波依次通过外部转接波导、输入端转接波导、微放电试验件、输出端转接波导，最后被负载吸收；选取输入端转接波导或输出端转接波导作为初始自由电子的加载位置；在输入端转接波导或输出端转接波导上设置电子注入缝隙；所述金属屏蔽盒上设有电子标定缝隙；所述β放射源置于金属屏蔽盒内，并通过电子标定缝隙、电子注入缝隙向外输出电子。
[0038]
作为本发明的一种优选方案，所述输入端转接波导或输出端转接波导(即转接波导)均为矩形波导。
[0039]
作为本发明的一种优选方案，所述均为矩形波导。
[0040]
作为本发明的一种优选方案，金属屏蔽盒的厚度与转接波导的厚度相同。
[0041]
实施例：
[0042]
一种微放电试验件内部初始自由电子加载与定量方法与试验系统，首先，选择与微放电试验件输入(或输出)端口直接连接的波导宽壁中间部位作为初始自由电子加载位置。在保证波导端口驻波比与插入损耗可接受的情况下仿真计算波导宽壁最大可开缝隙尺寸。
[0043]
其次，加工封装β源的金属屏蔽盒，按照波导宽壁最大可开缝隙尺寸在其上开孔。将β源置于金属壳体内部，对单位时间经由缝隙透射出的电子数量进行精确标定。
[0044]
再次，β源紧贴缝隙进行初始自由电子注入加载。
[0045]
最后，根据单位时间缝隙透射电子数量标定结果计算试验件内部敏感区域平衡时的自由电子密度，完成试验件内部敏感区域初始电子的定量。
[0046]
更具体的，一种微放电试验件内部初始自由电子加载与定量方法，包括如下步骤：
[0047]
步骤1：根据微放电试验系统的实际连接情况，设计一段与微放电试验件输入(或)输出端直接连接的转接波导作为初始自由电子的加载位置，图1给出了典型二端口微放电射频器件在微放电试验罐中的连接示意图。
[0048]
步骤2：根据矩形波导内壁电流分布(图2)，由于在波导宽边中间位置纵向开缝(电子注入缝隙)不会截断其内壁传导电流，因此宽边纵向开缝对波导内电场扰动较小。限定波导驻波比、插入损耗的最差可接受范围，利用通用电磁仿真软件可以计算转接波导宽边可以开的最大缝隙面积。优选的，驻波比小于2、插入损耗小于0.5db时，试验均可达到较好效果。
[0049]
步骤3：依照步骤2中缝隙尺寸仿真结果，加工用于该缝隙尺寸单位时间透射电子数量标定的金属屏蔽盒。图3给出了一款简单金属屏蔽盒示意图，金属屏蔽盒尺寸应与首次试用的β放射源大小匹配。金属屏蔽盒厚度应能阻止β射线穿透，使得电子仅能由缝隙透射出。金属屏蔽盒的厚度与步骤1中波导壁厚保持一致，优选厚度为0.5～2mm。
[0050]
步骤4：将首次试用的β放射源放入步骤3中加工的金属屏蔽盒内，使用β放射源活度标定系统对电子标定缝隙单位时间透射出的电子数量进行标定。常见β放射源有氚-3、碳-14、磷-32、锶-90、铱-90、铯-137、锰-54等，优选的，航天器射频器件微放电试验选择铯-137或锶-90。
[0051]
步骤5：根据步骤4中使用β放射源的辐射电子的能量谱、缝隙单位时间透射出电子数量、微放电试验件腔体内壁材料性质、转接波导腔体内壁材料性质、微放电试验件内部腔体结构、转接波导内部腔体体结构，建立微观粒子仿真模型，采用粒子模拟方法(particle in cell，pic)计算微放电试验件内部微放电敏感区域初始自由电子的达到动态平衡时的电子密度。
[0052]
步骤6：若步骤5中计算得到的电子密度偏小，则更换活度更大的β放射源，重复进行步骤4～5，直至微放电敏感区域的电子密度达到预期要求。
[0053]
步骤7：若步骤5中计算得到的电子密度偏大，则通过缩小步骤2中的电子注入缝隙尺寸或者更换活度较小的β源，重复步骤3～5，直至微放电敏感区域的电子密度达到预期要求。
[0054]
步骤8：根据步骤2～7中确定的缝隙尺寸加工转接波导，将步骤4、6、7中确定的β源紧贴转接波导的缝隙进行初始自由电子注入。实际操作中可通过标记、开槽等措施来保证
放射源与转接波导缝隙、放射源与标定壳体缝隙的相对位置保持一致，提高定量精度。
[0055]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
[0056]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。