5.3.2 紫外光源
5.3.2.1 紫外光源产生电子机理
光照射到金属上，会引起物质的电性质发生变化，这类光变致电的现象被人们统称为光电效应。光电效应分为光电子发射、光电导效应和阻挡层光电效应（又称光生伏特效应）。前一种现象发生在物体表面，又称为外光电效应；后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。赫兹于1887年发现光电效应，爱因斯坦第一个成功地解释了光电效应（金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，发射出来的电子叫作光电子）。光波长小于某一临界值时方能发射电子，即极限波长，对应的光的频率叫作极限频率。临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的波长且与光强度无关，这一点无法用光的波动性解释。还有一点与光的波动性相矛盾，即光电效应的瞬时性，按波动性理论，如果入射光较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累足够的能量，飞出金属表面。可事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，不超过10-9 s。
光电效应里电子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金属表面射出，与光照方向无关。光是电磁波，但是光是高频振荡的正交电磁场，振幅很小，不会对电子射出方向产生影响。
只要光的频率超过某一极限频率，受光照射的金属表面立即就会逸出光电子，发生光电效应。当在金属外面加一个闭合电路，加上正向电源，这些逸出的光电子会全部到达阳极，便形成所谓的光电流。在入射光一定时，增大光电管两极的正向电压，提高光电子的动能，光电流会随之增大。但光电流不会无限增大，要受到光电子数量的约束，有一个最大值，这个值就是饱和电流。当入射光强度增大时，根据光子假设，入射光的强度（即单位时间内通过单位垂直面积的光能）取决于单位时间里通过单位垂直面积的光子数，单位时间里通过金属表面的光子数也就增多，于是光子与金属中的电子碰撞次数也增多，因而单位时间里从金属表面逸出的光电子也增多，饱和电流也随之增大。
通过控制紫外光源的波长和能量分布，利用石英光纤将紫外光源照射到被测件关键区域，可以产生微放电所需电子。
真空罐外的紫外光源通过光纤将紫外光传导进入待测微波部件内部，对于封闭的微波部件，通常通过透气孔将光纤插入待测件内部，紫外光照射到微波部件的内表面局部区域，并通过光电效应产生种子电子，如图5-9所示。紫外光加载种子电子的方法可以在不打开真空罐的情况下通过调节紫外光束的强度实现种子电子加载数目的调节，也可以通过调节开关来实现加载种子电子和不加载种子电子两种测试工况，这对微放电测试方法研究至关重要。但紫外光加载种子电子的方法也有其自身的缺点，它是一种侵入式电子加载方法，光纤需要插入微波部件内部，只有在不影响微波部件内部电磁场分布的情况下才可以使用，而且通常采用微波部件预留的透气孔插入光纤，但是一般情况下透气孔距离放电的敏感区域较远，因此种子电子的加载有效性受电子扩散到放电敏感区域的概率的限制。
图5-9 紫外光源产生自由电子示意图
紫外光源是以一种侵入式的方式产生微放电种子电子，通过探入待测件的光纤产生紫外光，基于光电效应（见图5-9）高速率产生大量低能电子，在电磁场的作用下传送到微放电敏感区域，如图5-10所示。置于真空罐外的紫外光源通过光纤将紫外光传导进入待测微波部件内部，对于封闭的微波部件，通常通过透气孔将光纤插入待测件内部，紫外光照射到微波部件的内表面局部区域产生种子电子。
图5-10 紫外光源加载种子电子示意图
5.3.2.2 微放电试验用紫外光源
紫外光源产生的电子数要满足微放电测试要求，需要严格计算和测试光源产生的电子数，同时需要开展试验研究产生的电子数对敏感区域的有效性。
以紫外光源为例，设计如下技术指标的激光源系统需要分析计算三个方面的内容。
紫外光源系统技术指标如下：
紫外光源波长：以254 nm为中心；
紫外光源能量分布：254 nm处大于40μW；
紫外光纤直径：0.5～3 mm。
1.紫外光波长论证
根据光电效应方程：
式中，Ee为激发的自由电子能量；Ψ为物质逸出功；λ为入射光波长；v为入射光频率；c＝3.0×108 m／s（光在真空中的传播速度）；h＝6.63×10-34 J（普朗克常量，单位为焦耳）；e＝1.6×10-19 C（一个电子所带电量，单位为库仑）。
在产生光电效应的临界情况下，Ee＝0，此时有：
因此，在已知金属的逸出功率情况下，很容易得出其极限波长λ与极限频率v，已知各常见金属逸出功与极限波长如表5-2所示。
表5-2 几种金属逸出功与极限波长
根据光电效应理论可知，光波长小于某一临界值（即极限波长）时方能发射电子，对于所使用的材料如金、银、铜、铝等，其极限波长最小为258 nm（金）。很明显选用波长为254 nm的紫外光源能够满足要求。
2.自由电子数论证
在真空环境中，紫外光照射到金属表面时，在光电效应的作用下，自由电子会从表面激发出来，激发的自由电子能量Ee大约为0.4 eV（铜的电子逸出功Ψ为4.5 eV），准确的能量值的计算参考下列公式：
根据已知光子能量Ep及相应光源功率P，可以计算每秒所产生的光子数n：
对于所选频率v（1.18×1015 Hz，即波长为254 nm）的光源，可知一个具备4.9 eV能量的光子可以产生的自由电子数为8.5×105个。
实际情况下，测得电流大小为3×10-11 A时，即自由电子产生率约为1.8×108／s；此时使用Photodyne的光功率计测得功率为37μW，而在此功率情况下，在金属表面1 s时间内可以产生的自由电子数理论值为：［（37×10-6 W·1s）／（4.9×1.6×10-19 J）］×（8.5×10-5）＝4×109个。两者相差大约20倍。
首先计算对于254 nm波长光源，一个光子能量为4.9 eV，换算成焦耳则为4.9×1.6×10-19 J；对于37μW的紫外光，其在1 s内的能量为37×10-6W·1s＝37×10-6 J；故此功率的紫外光1 s内释放的光子数为（37×10-6 W·1s）／（4.9×1.6×10-19 J）＝4.72×1013；由于一个具备4.9 eV能量的光子可以产生的自由电子数为8.5×10-5个，故4.72×1013个光子可以产生的自由电子数为：4.72×1013×（8.5×10-5）＝4×109个。
在100μs脉冲持续时间内，产生的自由电子数理论值为：（4×109个／s）×100×10-6 s＝4×105个，满足要求。若采用实际值推算，也可产生1.8×104个。同时，考虑到自由电子在金属外表面呈余弦分布趋势，并在待测件行腔内紫外光源附近出现峰值；脉冲持续时间可能更短至10μs，如此情况下，试验证明微放电发生的自由电子条件仍能满足要求。
通过上述计算，选用紫外光源能量分布为254 nm处大于40μW的紫外光源完全满足自由电子数要求。
3.紫外光源系统及配套的电子浓度检测系统搭建
紫外光源主要由紫外弧光灯、灯座、紫外弧光灯电源、石英光纤等组成。系统框图如图5-11所示。
图5-11 紫外光源自由电子源产生系统组成图
（1）紫外弧光灯电源。
如图5-12所示为紫外弧光灯电源。电源提供稳定电流，可以支持最高1 600W的弧光灯，数字显示弧光灯功率、电流、电压、使用时间等，具备RS232及GPIB接口用于PC远程控制。
（2）紫外弧光灯灯箱。
如图5-13所示为紫外弧光灯灯箱。弧光灯灯箱提供对紫外光源的会聚，提供准直和聚焦输出，提供内置制冷风扇，带有后向反射板，以增加激光输出能量。
图5-12 紫外弧光灯电源
图5-13 紫外弧光灯灯箱图
（3）抗负感单芯光缆。
ESA所用光纤采用抗负感单芯光缆，其标准实物如图5-14所示，纤芯外径为600μm，覆层外径为660μm，长度为1 m，SMA接口。在ESA的微放电紫外光源电子源系统中，其外层护套定制为不锈钢材质，且整根光纤在罐内一端做截断处理。
图5-14 抗负感单芯光缆标准实物图
通过光纤将紫外光引入临界间隙附近。若部件是封闭的，则需要有通风孔或其他通道。然后将设备的内壁照亮，激发目标区域生成光电子，其安装如图5-15所示。
图5-15 紫外线灯与试验台（见彩插）
5.3.2.3 紫外光源用于微放电试验的加载方法
紫外光加载种子电子的方法可以在不打开真空罐的情况下通过调节紫外光束的强度实现种子电子加载数目的调节，也可以通过调节开关来实现加载种子电子和不加载种子电子两种测试工况，这对微放电测试方法研究至关重要。但紫外光加载种子电子的方法也有其自身的缺点，该方法是一种侵入式电子加载方法，光纤需要插入微波部件内部，只有在不影响微波部件内部电磁场分布的情况下才可以使用，而且通常采用微波部件预留的透气孔插入光纤，但是一般情况下透气孔距离放电的敏感区域较远，因此种子电子的加载有效性受电子扩算到放电敏感区域的概率的限制。
目前ESA常用的排气孔尺寸为0.8mm或1mm，原则上使用业界最新的光纤产品，确保能够满足更小的排气孔尺寸。当部件的排气孔尺寸较大时，需要使用外部固定手段将光纤进行固定，确保光纤能够指向内部部件表面即可，并不要求严格垂直于部件内部表面，因此对于较大的排气孔一般都适用。光纤的操作方法目前还没有定义标准的光纤放置操作程序，对于光纤放置的深度和方向，ESA认为没有严格的要求。使用时尽量将光纤放入接近关键区域的排气孔，确保光纤的光能够照射到部件内部微波行腔表面即可，因为只要紫外光源持续照射，部件表面会持续产生自由电子，很容易就能达到足够数量和浓度的自由电子。即使排气孔的位置并不紧靠关键区域，也不会有明显影响，又因为持续产生的自由电子会随着微波信号的传播而跟随运动到关键区域，由于自由电子数量巨大，完全满足作为诱发电子源的要求。但是，ESA也在研究使用外部特别设计辅助装置，将紫外光源产生的自由电子跟随微波信号的传播而进入关键区域，再与电缆连接。
对于光纤直径大于排气孔尺寸或者没有排气孔的待测部件，光纤无法直接进入待测部件内部，但是ESA已经实现了利用外部特殊设计的辅助部件（如带有排气孔的波导）通过紫外光源产生自由电子，然后将自由电子跟随大功率微波信号一起进入待测部件内部关键区域的案例，如图5-16所示。
图5-16 紫外光作为微放电初始电子源