F-H實驗測量方案的改進

楊文明，王宇興，王　瑗，周　紅，葉　曦

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F-H實驗測量方案的改進

楊文明，王宇興，王瑗，周紅，葉曦

(上海交通大學 物理與天文系，上海 200240)

主流智能化F-H實驗儀測量方案不合理，測得的物理圖像容易失真. 為了能在手動掃描時連續掃描出波形，設計了2種方案：采用數字存儲示波器的X-Y掃描儀的工作方式，重復記錄多條曲線并同時顯示在屏上；利用USB-9219數據采集卡，4個同步測量通道電氣隔離，避免共地. 改進方案能在較短的時間內全面展現F-H管的工作特性.

F-H實驗；峰位；拒斥電壓

上海交通大學實驗中心需要更新設備，調研了國內大學使用F-H實驗裝置的情況和廠家的銷售情況，并從生產廠家借來了樣機進行測試. 在測試過程中發現：當前國內主流智能化F-H實驗儀的測量方案不合理，容易導致物理圖像失真. 鑒于此，基于原裝置設計了新的實驗方案，且在近代物理實驗(8個學時)中進行了試用，實踐證明新實驗方案充實了實驗內容，豐富了F-H管的物理圖像，并看到了一些新的現象[1-5].

1　樣機的測量方案

筆者測試了2家公司的樣機，其測量方案相同，F-H管也都是四極氬管，本文以其中一家的樣機為例進行說明.

在測試中發現如用手動掃描方式測量，示數非常穩定，而用自動掃描方式接示波器看波形，波形也異常穩定. 這種情況引起了我們的懷疑，因為根據F-H管的工作原理不應該有這樣的特性.

F-H管是充氣電子管，其工作狀態比較特殊，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，所以管內空間電場的變化對電子運動狀態的影響很大. 除非燈絲電壓開得很低，一般情況下，燈絲的電子發射能力要遠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，抑制了燈絲電子發射. 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程中，燈絲的電子發射能力也隨之變化，要達到新的平衡所需的時間比較長. 當掃描電壓持續增加時，即使中途電壓保持不變，F-H管的屏極電流也會有緩慢地增長，反之亦然. 該現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，燈絲電子發射能力越是得到釋放，而電流越是得到加強，在測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制. 這也是為什么在燈絲電壓比較高時，F-H管容易擊穿的原因之一[6-7].

根據以上分析可知，除非保持準靜態，否則F-H管的工作狀態不穩定，其變化反映了內部的工作機理，特別是掃描電壓的走向會導致曲線的不重合和峰位的不重合. 這就要求測量必須是連續的，但我們發現樣機并沒有這樣做.

按其說明書中的敘述，該樣機的自動掃描方式采用了1次性通過的測量方案，先把測量的數據存儲在單片機，再不斷重復地送出到示波器中，這樣容易造成波形穩定的假象. 在手動測量方式中，它對每個電壓也只是測1次就停下等待，所以示數顯得很穩定. 為了驗證這一點，按照樣機給出的最佳工作參量，取2個掃描電壓值，等時間間隔重復測量，發現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管的動態變化. 雖然可多次重復測量，整理出變化規律，但是這樣的操作在教學實踐中并不合適. 不過采用這種方案測量第一激發電位還是有可取之處的.

圖1　重復掃描電壓可以發現示數在漂移

2　改進的測量方案

根據上述分析可知，應該以連續測量方式進行實驗，而且參量可升可降，可中途停頓，掃描速度可變. 所以手動方式比較合適，使用的樣機正好適合該要求. 為了能在手動掃描情況下連續掃描出波形，設計了2種方案：

方案1采用數字存儲示波器的X-Y掃描儀的工作方式，該方案能重復記錄多條曲線并同時顯示在屏上，很直觀，學生能有更多的時間改變參量研究F-H管的特性，但這種方式不能輸出有效數據，只能通過USB口輸出屏幕拷貝圖，通過讀圖軟件測量. 具體接線見圖2，因為電路結構的原因，方案1在接線上有共地問題，所以拒斥電壓也被連接在內，要事后扣除. 又因為示波器不能輸入高壓，所以用2個電阻組成分壓器，10 kΩ電阻的一端接地. 示波器參量設置是：X-Y顯示模式，直流輸入，持續時間無限. X輸入設置為反相，這是因為以公共地為參考點，陰極是負高壓，而一般習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數據采集卡，它有24位的精度，特別適合低速高精度數據的采集，它的4個同步測量通道是電氣隔離的，可以避免共地問題，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，見圖2的虛線所示. 如果采用沒有電氣隔離的模塊，接線與方案1相同，不過可以另加一通道測量拒斥電壓，并在程序中直接減去.

3　結果與討論

在實驗中同時使用2種方案(8學時)，方案2的LabVIEW程序由學生自己編寫.

圖3～6展示了2種測量方案的部分結果，分別用2套儀器測量，都是手動掃描，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個峰位明顯錯位

由圖3～4可以看到掃描電壓上升(正掃)和下降(回掃)時，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顯示回掃時的第1個峰有明顯錯位，在其他幾條曲線上也有類似現象，特別是圖4中回掃過第1個峰圖后，回掃曲線明顯下穿正掃曲線，其機制還有待于進一步研究. USB-9219有4個通道，如果能利用1個通道測出燈絲功率相應變化，可能會對F-H管的工作狀態有更多的了解.

圖5與圖6的參量差別只是拒斥電壓不同. 當拒斥電壓加大時，G2和P極之間場強增加，圖6顯示有部分區域IP會反走，而且有逐級增大的趨勢. 排除了電路因素，初步推測這是有少量的正離子參與了G2和P極之間的導電. 在波谷區域，非彈性碰撞發生在G2附近，流向屏極的電子數是最少的，正離子的作用就突出了，在合適的條件下總電流轉為逆向. 這提示我們，當G2和K極的場強較強時，也會有少量正離子運動，這是否會對曲線帶來影響有待研究. 另外，回掃曲線的第1個峰很明顯，而正掃曲線相應的峰很弱.

圖6　拒斥電壓為15 V時IP-UG2K曲線

4　結束語

經過實踐，這2種方案都是可行的，其特點是能在較短的時間內比較全面地展現了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，能把學生的注意力集中在對圖像的分析上，利于加深物理圖像的理解.

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

[2]戴樂山，戴道宣. 近代物理實驗[M]. 上海:復旦大學出版社,1995.

[3]何忠蛟，汪建章. 修正 F-H 實驗中的氬原子第一激發電位[J]. 大學物理實驗,2004,17(2)：39-43.

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

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

[6]李依然,董國波,唐芳,等. 夫蘭克-赫茲實驗控制柵電壓對板流的作用探究[J]. 大學物理,2014,33(12):56-60.

[7]周永軍,祖新慧. 夫蘭克- 赫茲實驗中影響曲線形狀的因素分析[J]. 沈陽航空工業學院學報,2008,25(3):86-88.

[責任編輯：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，上海交通大學物理與天文系副教授，學士，從事物理實驗教學工作.

O562.4

A

1005-4642(2016)10-0005-03

“第9屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文