F—H實驗儀原理及使用

1、FH實驗儀原理及使用目前常用的FH實驗儀采用模擬電子技術(shù)，用XY記錄儀繪制實驗曲線，用作圖法由實驗曲線得到實驗結(jié)果；或用手動逐點掃描法記錄眾多數(shù)據(jù)，由此計算實驗結(jié)果。當用手動方式時，記錄一組數(shù)據(jù)需要較長時間，不能直接觀察到實驗曲線，無法及時判斷實驗效果；在有限的課時內(nèi)，來不及進行不同實驗條件下的測量。我物理實驗中心開發(fā)的MCFH20型FH實驗儀，采用了單片機、點陣式LCD顯示器等技術(shù)，實現(xiàn)了自動采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)；能夠及時顯示實驗曲線及有關(guān)數(shù)據(jù)，讓實驗變得更直觀，并提高了效率。儀器工作原理本實驗采用四極FH管，管內(nèi)充有氬氣。氬氣FH管在常溫下即可工作。燈絲F加熱陰極K，K發(fā)出大量電子，這些電子

2、經(jīng)G2、K間的電壓UG2K加速獲得能量，并在G2、K之間與氬原子發(fā)生碰撞，把部分或全部能量交換給氬原子，再經(jīng)減速電壓UG2A，到達陽極A，形成陽極電流IA。第一柵極G1 靠近陰極K，正向小電壓UG1K用于抵消陰極附近電子云形成的負電位的影響。實驗原理與使用汞管的FH實驗的雷同，詳細論述請參見有關(guān)實驗教材。本儀器將各路穩(wěn)壓電源、掃描電源和微電流放大器合為一體。特別是儀器內(nèi)裝有單片計算機，用數(shù)字技術(shù)完成數(shù)據(jù)采集及處理及控制掃描電壓，計算FH曲線上的峰谷點，用液晶顯示器（LCD）顯示FH曲線和數(shù)據(jù)，是一臺較為完備的現(xiàn)代化儀器。原理框圖見圖1。電源：FH管需要多組電源，本儀器輸出的各組電源如下：VF：

3、1.54.5V，1.2A 可調(diào)電源，用作燈絲電源。VG1：05V，10mA 可調(diào)電壓，用作UG1K，VG與VF的負極相連，共用一個輸出端子。VA：012V，10mA 可調(diào)電壓，用作拒斥電壓UG2A。VG2：080V 掃描電壓，由Q9插座輸出。掃描電源采用逆變器將+5V電源升壓到DC 100V，由單片機控制產(chǎn)生080V的掃描電壓。掃描電壓也可手動調(diào)節(jié)，供手動逐點測量時使用，自動測量時將手動調(diào)節(jié)旋鈕逆時針調(diào)到最小位置。微電流放大器：FH管輸出的陽極電流IA一般在幾nA到幾十nA之間。我們采用輸入阻抗極高的MOS管為輸入的運算放大器作為電流電壓轉(zhuǎn)換電路，再經(jīng)過一極電壓放大將IA信號送入AD轉(zhuǎn)換器。在

4、電路中采取了適當?shù)臑V波措施，降低了50Hz的電源干擾。放大器增益固定，不能調(diào)整。LCD顯示器：顯示器是儀器的一個重要部件，為了清晰地顯示FH 曲線輸出實驗結(jié)果，采用320×240點陣具有ECL背光的LCD顯示器，它的線分辨力為每厘米30個點。LCD顯示器可以方便快速地顯示FH 曲線，及數(shù)據(jù)等?？紤]到儀器的使用者為大學生和大學教師，顯示器用英文顯示信息。下拉菜單操作：在顯示器右側(cè)開辟了操作顯示區(qū)，通過下移光標選項，再按Enter鍵進入，這樣不僅使操作簡潔清晰，而且使鍵的數(shù)量較類似形式的儀器要少得多。曲線顯示：顯示器的大部分區(qū)域用于顯示FH曲線，X軸是掃描電壓， Y軸是陽極電流，顯示相對

5、值?？蓪⑶€擴展為全屏顯示，此時每顯示的曲線更加精細。顯示輸出數(shù)據(jù)：采樣后，可在顯示器右側(cè)的操作顯示區(qū)顯示曲線上各點的數(shù)據(jù)，間距為1V，并可給出各極大值和極小值，供參考。數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)處理包括擬合FH曲線和給出實驗數(shù)據(jù)兩部分。擬合后的FH曲線按0.1V步進給出的實驗數(shù)據(jù)，由此計算出每個極大點和極小點的數(shù)值。由 點/V 的密度輸出測量數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)和各極大點、極小點就可以繪出FH曲線。由極大點或極小點就可以得到實驗結(jié)果原子的激發(fā)電位。圖1 MCFH20 FH實驗儀原理框圖儀器的安裝及使用FH實驗儀操作步驟：（）按圖2連接FH管和MCFH20 FH實驗儀。（）將FH實驗儀VF調(diào)到3V左右，其它

6、電源輸出調(diào)到零，預熱10分鐘。（）調(diào)整各電源電壓，調(diào)整范圍見下表。VFVG1VA2.84.4V!.52.5V810V（4）自動采樣，等待數(shù)分鐘后，得到FH曲線，如曲線不合要求，重新調(diào)整UF、UG1K、UG2A，直到獲得滿意的曲線。（5）進入數(shù)據(jù)輸出欄，顯示每間隔為1V的IA值。進入IA的極小值輸出欄，顯示各極小點。按“”、“”鍵切換顯示各極小點或極大點。 FH實驗儀鍵盤操作開機后顯示器右側(cè)顯示操作菜單，“”、“”、“”和“”為光標移動鍵，將光標移動到所選欄內(nèi)，按“Enter”鍵進入，儀器執(zhí)行所選功能。其中：Sample自動采樣：儀器一面采集IA的值，一面逐漸升高掃描電壓，掃描電壓每增加0.3V

7、采集一次IA的值。完成采樣后，對采集的數(shù)據(jù)進行處理，并用曲線擬合技術(shù)得到一組間隔為0.1V的IA數(shù)組，提高了曲線的分辨率。按“Enter”鍵，等待數(shù)分鐘后將顯示FH曲線。Manual手動采樣：通過調(diào)整“手動調(diào)節(jié)”旋鈕調(diào)整掃描電壓，用萬用表DC 100V檔測量掃描電壓。屏幕上顯示相對應的IA值。手動時，儀器不能保存測量值。Out data 以1V為間隔，顯示曲線上各點的數(shù)據(jù)，采樣后有效，按“”、“”鍵翻頁，按其余鍵退出。Min & max 顯示極小點和極大點，采樣并執(zhí)行“Out data”后有效，按“”切換顯示極大點，按“”顯示極小點，按其余鍵退出。Clean LCD 清除正在顯示的曲線。注意事項1. 仔細檢查接線，使用MCFH20實驗儀時，各路電壓不得互換，極性不得接反，否則可能造成儀器損壞。2. 自動測量前、手動測量后“手動