5.3.1 辐射源
辐射源（又称放射源）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：β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，或者β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射线还要强的穿透能力，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5-2所示。
图5-2 辐射源加载种子电子示意图
辐射源通常放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，就可以在敏感区域直接产生种子电子。
5.3.1.1 锶-90辐射源
具有单纯β衰变的辐射源有锶-90（Sr-90），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-90两个β衰变的复合过程。因此其能谱等效为活度分别为锶-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，锶-90几乎是纯的β粒子源，是理想的种子电子加载源，其变化过程如图5-3所示。
图5-3 锶-90的衰变
活度为75 MBq的锶-90辐射源在100μs内产生的电子的能谱如图5-4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，读者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。
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，因此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，辐射源离放电敏感区域距离须尽量近。
图5-4 活度为75 M Bq的锶-90辐射源在100μs内产生的电子能谱
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，因此相对于初始电子，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E0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（E0），不同的材料R（E0）曲线不同。铝的穿过距离随电子碰撞能量的变化曲线如图5-5所示。
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＞E min，初始电子才能穿过微波部件的壁，其中E min满足R（E min） ＝W。所以能量大于E min的电子可以进入微波部件内部，同时电子的能量损失E min，能量小于E min的电子无法进入微波部件内部。
图5-5 电子在铝材料中穿过的最大直线距离与能量之间的关系
由图5-5可知，对于厚度为2 mm的铝板，E min为1 MeV，活度为75 MBq的锶-90辐射源在100μs内进入微波部件内部的电子共3 591个，能谱如图5-6所示。可以看出锶-90具有较好的种子电子加载效果。
图5-6 活度为75 MBq的锶-90辐射源在100μs内进入2 mm铝质微波部件的电子能谱
5.3.1.2 铯-137辐射源
铯-137（Cs-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，钡-137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能迅速达到放射性平衡，所以铯-137既可作β辐射源又可作γ辐射源。
活度为75 MBq的铯-137辐射源在100μs内β衰变产生的电子的能谱如图5-7（a）所示，该能谱由两种衰变共同贡献，进入厚度为2mm的铝质微波部件内部的电子共6个，能谱如图5-7（b）所示。
图5-7 活度为75 MBq的铯-137辐射源在100μs内β衰变产生的电子能谱
（a）产生的总电子；（b）进入2 mm铝质微波部件内部的电子
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度大于5.2 mm时，采用锶-90无法实现种子电子有效加载。同时铯-137除了进行β衰变外，还进行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。
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辐射源产生的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，相比锶-90具有更强的普适性。
本章采用MCNP（Monte Carlo N Particle Transport Code）计算γ射线入射到2 mm铝板时右侧表面电子的能谱分布，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。MCNP是由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）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。
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内在右侧产生的电子能谱如图5-8所示。在微波部件内部产生的电子约19个，能够为微放电试验提供较多的种子电子。
图5-8 γ射线从左侧入射到2 mm铝板，铝板右侧出射电子的能谱分布
5.3.1.3 两种辐射源对比分析
通过5.3.1.1和5.3.1.2小节的分析可看出，两种常用的辐射源铯-137（Cs-137）和锶-90（Sr-90）均可用于微放电试验的种子电子加载，二者的对比如表5-1所示。锶-90只发生了β衰变，而铯-137除了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100 ms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5-1 活度为75 MBq的锶-90和铯-137辐射源在100μs内穿过2 mm铝板后产生种子电子特性比较
综上可以看出，基于β衰变的锶-90能够很好地产生种子电子，能够穿过最大5.2 mm厚的铝板；铯-137能够同时进行β衰变和γ跃迁，产生的γ射线可以穿过微波部件壁，从而在微波部件内部产生足够的种子电子具有更强的普适性。