F—H實(shí)驗(yàn)儀原理及使用

1、FH實(shí)驗(yàn)儀原理及使用目前常用的FH實(shí)驗(yàn)儀采用模擬電子技術(shù)，用XY記錄儀繪制實(shí)驗(yàn)曲線，用作圖法由實(shí)驗(yàn)曲線得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果；或用手動(dòng)逐點(diǎn)掃描法記錄眾多數(shù)據(jù)，由此計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)用手動(dòng)方式時(shí)，記錄一組數(shù)據(jù)需要較長時(shí)間，不能直接觀察到實(shí)驗(yàn)曲線，無法及時(shí)判斷實(shí)驗(yàn)效果；在有限的課時(shí)內(nèi)，來不及進(jìn)行不同實(shí)驗(yàn)條件下的測(cè)量。我物理實(shí)驗(yàn)中心開發(fā)的MCFH20型FH實(shí)驗(yàn)儀，采用了單片機(jī)、點(diǎn)陣式LCD顯示器等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)；能夠及時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)曲線及有關(guān)數(shù)據(jù)，讓實(shí)驗(yàn)變得更直觀，并提高了效率。儀器工作原理本實(shí)驗(yàn)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(dá)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(fù)電位的影響。實(shí)驗(yàn)原理與使用汞管的FH實(shí)驗(yàn)的雷同，詳細(xì)論述請(qǐng)參見有關(guān)實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)，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(jì)算FH曲線上的峰谷點(diǎn)，用液晶顯示器（LCD）顯示FH曲線和數(shù)據(jù)，是一臺(tái)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(fù)極相連，共用一個(gè)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(jī)控制產(chǎn)生080V的掃描電壓。掃描電壓也可手動(dòng)調(diào)節(jié)，供手動(dòng)逐點(diǎn)測(cè)量時(shí)使用，自動(dòng)測(cè)量時(shí)將手動(dòng)調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)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(yùn)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(hào)送入AD轉(zhuǎn)換器。在

4、電路中采取了適當(dāng)?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(gè)重要部件，為了清晰地顯示FH 曲線輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用320×240點(diǎn)陣具有ECL背光的LCD顯示器，它的線分辨力為每厘米30個(gè)點(diǎn)。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(xué)生和大學(xué)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(biāo)選項(xiàng)，再按Enter鍵進(jìn)入，這樣不僅使操作簡(jiǎn)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(duì)

5、值。可將曲線擴(kuò)展為全屏顯示，此時(shí)每顯示的曲線更加精細(xì)。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(diǎn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)兩部分。擬合后的FH曲線按0.1V步進(jìn)給出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，由此計(jì)算出每個(gè)極大點(diǎn)和極小點(diǎn)的數(shù)值。由 點(diǎn)/V 的密度輸出測(cè)量數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)和各極大點(diǎn)、極小點(diǎn)就可以繪出FH曲線。由極大點(diǎn)或極小點(diǎn)就可以得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果原子的激發(fā)電位。圖1 MCFH20 FH實(shí)驗(yàn)儀原理框圖儀器的安裝及使用FH實(shí)驗(yàn)儀操作步驟：（）按圖2連接FH管和MCFH20 FH實(shí)驗(yàn)儀。（）將FH實(shí)驗(yàn)儀VF調(diào)到3V左右，其它

6、電源輸出調(diào)到零，預(yù)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(dòng)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(jìn)入數(shù)據(jù)輸出欄，顯示每間隔為1V的IA值。進(jìn)入IA的極小值輸出欄，顯示各極小點(diǎn)。按“”、“”鍵切換顯示各極小點(diǎn)或極大點(diǎn)。 FH實(shí)驗(yàn)儀鍵盤操作開機(jī)后顯示器右側(cè)顯示操作菜單，“”、“”、“”和“”為光標(biāo)移動(dòng)鍵，將光標(biāo)移動(dòng)到所選欄內(nèi)，按“Enter”鍵進(jìn)入，儀器執(zhí)行所選功能。其中：Sample自動(dòng)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(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)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(dòng)采樣：通過調(diào)整“手動(dòng)調(diào)節(jié)”旋鈕調(diào)整掃描電壓，用萬用表DC 100V檔測(cè)量掃描電壓。屏幕上顯示相對(duì)應(yīng)的IA值。手動(dòng)時(shí)，儀器不能保存測(cè)量值。Out data 以1V為間隔，顯示曲線上各點(diǎn)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(diǎn)和極大點(diǎn)，采樣并執(zhí)行“Out data”后有效，按“”切換顯示極大點(diǎn)，按“”顯示極小點(diǎn)，按其余鍵退出。Clean LCD 清除正在顯示的曲線。注意事項(xiàng)1. 仔細(xì)檢查接線，使用MCFH20實(shí)驗(yàn)儀時(shí)，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(dòng)測(cè)量前、手動(dòng)測(cè)量后“手動(dòng)