楊文明，王宇興，王　瑗，周　紅，葉　曦

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F-H實(shí)驗(yàn)測(cè)量方案的改進(jìn)

楊文明，王宇興，王瑗，周紅，葉曦

(上海交通大學(xué) 物理與天文系，上海 200240)

主流智能化F-H實(shí)驗(yàn)儀測(cè)量方案不合理，測(cè)得的物理圖像容易失真. 為了能在手動(dòng)掃描時(shí)連續(xù)掃描出波形，設(shè)計(jì)了2種方案：采用數(shù)字存儲(chǔ)示波器的X-Y掃描儀的工作方式，重復(fù)記錄多條曲線并同時(shí)顯示在屏上；利用USB-9219數(shù)據(jù)采集卡，4個(gè)同步測(cè)量通道電氣隔離，避免共地. 改進(jìn)方案能在較短的時(shí)間內(nèi)全面展現(xiàn)F-H管的工作特性.

F-H實(shí)驗(yàn)；峰位；拒斥電壓

上海交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心需要更新設(shè)備，調(diào)研了國(guó)內(nèi)大學(xué)使用F-H實(shí)驗(yàn)裝置的情況和廠家的銷(xiāo)售情況，并從生產(chǎn)廠家借來(lái)了樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試. 在測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)前國(guó)內(nèi)主流智能化F-H實(shí)驗(yàn)儀的測(cè)量方案不合理，容易導(dǎo)致物理圖像失真. 鑒于此，基于原裝置設(shè)計(jì)了新的實(shí)驗(yàn)方案，且在近代物理實(shí)驗(yàn)(8個(gè)學(xué)時(shí))中進(jìn)行了試用，實(shí)踐證明新實(shí)驗(yàn)方案充實(shí)了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，豐富了F-H管的物理圖像，并看到了一些新的現(xiàn)象[1-5].

1　樣機(jī)的測(cè)量方案

筆者測(cè)試了2家公司的樣機(jī)，其測(cè)量方案相同，F(xiàn)-H管也都是四極氬管，本文以其中一家的樣機(jī)為例進(jìn)行說(shuō)明.

在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)如用手動(dòng)掃描方式測(cè)量，示數(shù)非常穩(wěn)定，而用自動(dòng)掃描方式接示波器看波形，波形也異常穩(wěn)定. 這種情況引起了我們的懷疑，因?yàn)楦鶕?jù)F-H管的工作原理不應(yīng)該有這樣的特性.

F-H管是充氣電子管，其工作狀態(tài)比較特殊，既不是輝光放電，也不是弧光放電. 第二柵壓的變化范圍很大，所以管內(nèi)空間電場(chǎng)的變化對(duì)電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響很大. 除非燈絲電壓開(kāi)得很低，一般情況下，燈絲的電子發(fā)射能力要遠(yuǎn)大于第二柵極的電子吸收能力，這就造成了空間電荷積累效應(yīng)，抑制了燈絲電子發(fā)射. 但是隨著第二柵壓的升高，這種抑制作用逐步減弱. 所以在第二柵極電壓的變化過(guò)程中，燈絲的電子發(fā)射能力也隨之變化，要達(dá)到新的平衡所需的時(shí)間比較長(zhǎng). 當(dāng)掃描電壓持續(xù)增加時(shí)，即使中途電壓保持不變，F(xiàn)-H管的屏極電流也會(huì)有緩慢地增長(zhǎng)，反之亦然. 該現(xiàn)象在燈絲電壓比較高的情況下尤其明顯. 順便指出，越是電流上升，燈絲電子發(fā)射能力越是得到釋放，而電流越是得到加強(qiáng)，在測(cè)量中可以明顯看到電流有加速上升的傾向，這里存在較弱的正反饋機(jī)制. 這也是為什么在燈絲電壓比較高時(shí)，F(xiàn)-H管容易擊穿的原因之一[6-7].

根據(jù)以上分析可知，除非保持準(zhǔn)靜態(tài)，否則F-H管的工作狀態(tài)不穩(wěn)定，其變化反映了內(nèi)部的工作機(jī)理，特別是掃描電壓的走向會(huì)導(dǎo)致曲線的不重合和峰位的不重合. 這就要求測(cè)量必須是連續(xù)的，但我們發(fā)現(xiàn)樣機(jī)并沒(méi)有這樣做.

按其說(shuō)明書(shū)中的敘述，該樣機(jī)的自動(dòng)掃描方式采用了1次性通過(guò)的測(cè)量方案，先把測(cè)量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在單片機(jī)，再不斷重復(fù)地送出到示波器中，這樣容易造成波形穩(wěn)定的假象. 在手動(dòng)測(cè)量方式中，它對(duì)每個(gè)電壓也只是測(cè)1次就停下等待，所以示數(shù)顯得很穩(wěn)定. 為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，按照樣機(jī)給出的最佳工作參量，取2個(gè)掃描電壓值，等時(shí)間間隔重復(fù)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)屏極電流的確在漂移，如圖1所示. 所以用此方案得到的物理圖像不能反映F-H管的動(dòng)態(tài)變化. 雖然可多次重復(fù)測(cè)量，整理出變化規(guī)律，但是這樣的操作在教學(xué)實(shí)踐中并不合適. 不過(guò)采用這種方案測(cè)量第一激發(fā)電位還是有可取之處的.

圖1　重復(fù)掃描電壓可以發(fā)現(xiàn)示數(shù)在漂移

2　改進(jìn)的測(cè)量方案

根據(jù)上述分析可知，應(yīng)該以連續(xù)測(cè)量方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而且參量可升可降，可中途停頓，掃描速度可變. 所以手動(dòng)方式比較合適，使用的樣機(jī)正好適合該要求. 為了能在手動(dòng)掃描情況下連續(xù)掃描出波形，設(shè)計(jì)了2種方案：

方案1采用數(shù)字存儲(chǔ)示波器的X-Y掃描儀的工作方式，該方案能重復(fù)記錄多條曲線并同時(shí)顯示在屏上，很直觀，學(xué)生能有更多的時(shí)間改變參量研究F-H管的特性，但這種方式不能輸出有效數(shù)據(jù)，只能通過(guò)USB口輸出屏幕拷貝圖，通過(guò)讀圖軟件測(cè)量. 具體接線見(jiàn)圖2，因?yàn)殡娐方Y(jié)構(gòu)的原因，方案1在接線上有共地問(wèn)題，所以拒斥電壓也被連接在內(nèi)，要事后扣除. 又因?yàn)槭静ㄆ鞑荒茌斎敫邏海杂?個(gè)電阻組成分壓器，10 kΩ電阻的一端接地. 示波器參量設(shè)置是：X-Y顯示模式，直流輸入，持續(xù)時(shí)間無(wú)限. X輸入設(shè)置為反相，這是因?yàn)橐怨驳貫閰⒖键c(diǎn)，陰極是負(fù)高壓，而一般習(xí)慣使用第一象限繪制曲線，所以輸入要反相.

圖2　2種方案的接線圖

方案2利用NI公司的USB-9219數(shù)據(jù)采集卡，它有24位的精度，特別適合低速高精度數(shù)據(jù)的采集，它的4個(gè)同步測(cè)量通道是電氣隔離的，可以避免共地問(wèn)題，所以分壓器可以直接跨接在UG2K兩端，即10 kΩ電阻的一端接到G2，見(jiàn)圖2的虛線所示. 如果采用沒(méi)有電氣隔離的模塊，接線與方案1相同，不過(guò)可以另加一通道測(cè)量拒斥電壓，并在程序中直接減去.

3　結(jié)果與討論

在實(shí)驗(yàn)中同時(shí)使用2種方案(8學(xué)時(shí))，方案2的LabVIEW程序由學(xué)生自己編寫(xiě).

圖3～6展示了2種測(cè)量方案的部分結(jié)果，分別用2套儀器測(cè)量，都是手動(dòng)掃描，正/回掃的速率基本相同. 在圖3和4中，左下角一段水平線中包含了UG2P的拒斥電壓.

圖3　正/回掃描的曲線

圖4　第1個(gè)峰位明顯錯(cuò)位

由圖3～4可以看到掃描電壓上升(正掃)和下降(回掃)時(shí)，IP均有明顯變化. 大部分情況下回掃曲線都位于正掃曲線之上. 其中圖4顯示回掃時(shí)的第1個(gè)峰有明顯錯(cuò)位，在其他幾條曲線上也有類(lèi)似現(xiàn)象，特別是圖4中回掃過(guò)第1個(gè)峰圖后，回掃曲線明顯下穿正掃曲線，其機(jī)制還有待于進(jìn)一步研究. USB-9219有4個(gè)通道，如果能利用1個(gè)通道測(cè)出燈絲功率相應(yīng)變化，可能會(huì)對(duì)F-H管的工作狀態(tài)有更多的了解.

圖5與圖6的參量差別只是拒斥電壓不同. 當(dāng)拒斥電壓加大時(shí)，G2和P極之間場(chǎng)強(qiáng)增加，圖6顯示有部分區(qū)域IP會(huì)反走，而且有逐級(jí)增大的趨勢(shì). 排除了電路因素，初步推測(cè)這是有少量的正離子參與了G2和P極之間的導(dǎo)電. 在波谷區(qū)域，非彈性碰撞發(fā)生在G2附近，流向屏極的電子數(shù)是最少的，正離子的作用就突出了，在合適的條件下總電流轉(zhuǎn)為逆向. 這提示我們，當(dāng)G2和K極的場(chǎng)強(qiáng)較強(qiáng)時(shí)，也會(huì)有少量正離子運(yùn)動(dòng)，這是否會(huì)對(duì)曲線帶來(lái)影響有待研究. 另外，回掃曲線的第1個(gè)峰很明顯，而正掃曲線相應(yīng)的峰很弱.

圖6　拒斥電壓為15 V時(shí)IP-UG2K曲線

4　結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)踐，這2種方案都是可行的，其特點(diǎn)是能在較短的時(shí)間內(nèi)比較全面地展現(xiàn)了F-H管的工作特性，避免了大量的人工記錄和事后電腦錄入，能把學(xué)生的注意力集中在對(duì)圖像的分析上，利于加深物理圖像的理解.

[1]陳暢，鄧劍平,李冉. 夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)柵極電流的研究[J]. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2009,22(4):58-61.

[2]戴樂(lè)山，戴道宣. 近代物理實(shí)驗(yàn)[M]. 上海:復(fù)旦大學(xué)出版社,1995.

[3]何忠蛟，汪建章. 修正 F-H 實(shí)驗(yàn)中的氬原子第一激發(fā)電位[J]. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2004,17(2)：39-43.

[4]王梅生. 弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)中吸收峰形成與變化判斷準(zhǔn)則的研究[J]. 大學(xué)物理,2000,19(12):29-33.

[5]馮娟，張賀，趙飛. 夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2014，34(9)：39-41.

[6]李依然,董國(guó)波,唐芳,等. 夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)控制柵電壓對(duì)板流的作用探究[J]. 大學(xué)物理,2014,33(12):56-60.

[7]周永軍,祖新慧. 夫蘭克- 赫茲實(shí)驗(yàn)中影響曲線形狀的因素分析[J]. 沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2008,25(3):86-88.

[責(zé)任編輯：任德香]

Improvement of the measurement scheme of F-H apparatus

YANG Wen-ming, WANG Yu-xing, WANG Yuan, ZHOU Hong, YE Xi

(Department of Physics and Astronomy, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

The measuring scheme of the mainstream intelligent F-H apparatus was not appropriate, which led to the distortion of the physical image. In order to obtain continuous waveform with manual scanning, two schemes were designed. The X-Y scanner mode of the digital storage oscilloscope was adopted, more curves were repeatedly recorded and then displayed on the screen simultaneously. Using the USB-9219 data acquisition card, four synchronous measurement channels were electrically isolated, common-ground connection was avoided. The characteristics of F-H tube could be shown in short time using the two improved schemes.

F-H experiment; peak position; rejection voltage

2016-05-31；修改日期：2016-07-11

楊文明(1953-)，男，上海人，上海交通大學(xué)物理與天文系副教授，學(xué)士，從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作.

O562.4

A

1005-4642(2016)10-0005-03

“第9屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”論文