杨文明，王宇兴，王　瑗，周　红，叶　曦



F-H实验测量方案的改进

杨文明，王宇兴，王瑗，周红，叶曦

(上海交通大学 物理与天文系，上海 200240)

主流智能化F-H实验仪测量方案不合理，测得的物理图像容易失真. 为了能在手动扫描时连续扫描出波形，设计了2种方案：采用数字存储示波器的X-Y扫描仪的工作方式，重复记录多条曲线并同时显示在屏上；利用USB-9219数据采集卡，4个同步测量通道电气隔离，避免共地. 改进方案能在较短的时间内全面展现F-H管的工作特性.

F-H实验；峰位；拒斥电压

上海交通大学实验中心需要更新设备，调研了国内大学使用F-H实验装置的情况和厂家的销售情况，并从生产厂家借来了样机进行测试. 在测试过程中发现：当前国内主流智能化F-H实验仪的测量方案不合理，容易导致物理图像失真. 鉴于此，基于原装置设计了新的实验方案，且在近代物理实验(8个学时)中进行了试用，实践证明新实验方案充实了实验内容，丰富了F-H管的物理图像，并看到了一些新的现象[1-5].

1　样机的测量方案

笔者测试了2家公司的样机，其测量方案相同，F-H管也都是四极氩管，本文以其中一家的样机为例进行说明.

在测试中发现如用手动扫描方式测量，示数非常稳定，而用自动扫描方式接示波器看波形，波形也异常稳定. 这种情况引起了我们的怀疑，因为根据F-H管的工作原理不应该有这样的特性.

F-H管是充气电子管，其工作状态比较特殊，既不是辉光放电，也不是弧光放电. 第二栅压的变化范围很大，所以管内空间电场的变化对电子运动状态的影响很大. 除非灯丝电压开得很低，一般情况下，灯丝的电子发射能力要远大于第二栅极的电子吸收能力，这就造成了空间电荷积累效应，抑制了灯丝电子发射. 但是随着第二栅压的升高，这种抑制作用逐步减弱. 所以在第二栅极电压的变化过程中，灯丝的电子发射能力也随之变化，要达到新的平衡所需的时间比较长. 当扫描电压持续增加时，即使中途电压保持不变，F-H管的屏极电流也会有缓慢地增长，反之亦然. 该现象在灯丝电压比较高的情况下尤其明显. 顺便指出，越是电流上升，灯丝电子发射能力越是得到释放，而电流越是得到加强，在测量中可以明显看到电流有加速上升的倾向，这里存在较弱的正反馈机制. 这也是为什么在灯丝电压比较高时，F-H管容易击穿的原因之一[6-7].

根据以上分析可知，除非保持准静态，否则F-H管的工作状态不稳定，其变化反映了内部的工作机理，特别是扫描电压的走向会导致曲线的不重合和峰位的不重合. 这就要求测量必须是连续的，但我们发现样机并没有这样做.

按其说明书中的叙述，该样机的自动扫描方式采用了1次性通过的测量方案，先把测量的数据存储在单片机，再不断重复地送出到示波器中，这样容易造成波形稳定的假象. 在手动测量方式中，它对每个电压也只是测1次就停下等待，所以示数显得很稳定. 为了验证这一点，按照样机给出的最佳工作参量，取2个扫描电压值，等时间间隔重复测量，发现屏极电流的确在漂移，如图1所示. 所以用此方案得到的物理图像不能反映F-H管的动态变化. 虽然可多次重复测量，整理出变化规律，但是这样的操作在教学实践中并不合适. 不过采用这种方案测量第一激发电位还是有可取之处的.

图1　重复扫描电压可以发现示数在漂移

2　改进的测量方案

根据上述分析可知，应该以连续测量方式进行实验，而且参量可升可降，可中途停顿，扫描速度可变. 所以手动方式比较合适，使用的样机正好适合该要求. 为了能在手动扫描情况下连续扫描出波形，设计了2种方案：

方案1采用数字存储示波器的X-Y扫描仪的工作方式，该方案能重复记录多条曲线并同时显示在屏上，很直观，学生能有更多的时间改变参量研究F-H管的特性，但这种方式不能输出有效数据，只能通过USB口输出屏幕拷贝图，通过读图软件测量. 具体接线见图2，因为电路结构的原因，方案1在接线上有共地问题，所以拒斥电压也被连接在内，要事后扣除. 又因为示波器不能输入高压，所以用2个电阻组成分压器，10 kΩ电阻的一端接地. 示波器参量设置是：X-Y显示模式，直流输入，持续时间无限. X输入设置为反相，这是因为以公共地为参考点，阴极是负高压，而一般习惯使用第一象限绘制曲线，所以输入要反相.

图2　2种方案的接线图

方案2利用NI公司的USB-9219数据采集卡，它有24位的精度，特别适合低速高精度数据的采集，它的4个同步测量通道是电气隔离的，可以避免共地问题，所以分压器可以直接跨接在UG2K两端，即10 kΩ电阻的一端接到G2，见图2的虚线所示. 如果采用没有电气隔离的模块，接线与方案1相同，不过可以另加一通道测量拒斥电压，并在程序中直接减去.

3　结果与讨论

在实验中同时使用2种方案(8学时)，方案2的LabVIEW程序由学生自己编写.

图3～6展示了2种测量方案的部分结果，分别用2套仪器测量，都是手动扫描，正/回扫的速率基本相同. 在图3和4中，左下角一段水平线中包含了UG2P的拒斥电压.

图3　正/回扫描的曲线

图4　第1个峰位明显错位

由图3～4可以看到扫描电压上升(正扫)和下降(回扫)时，IP均有明显变化. 大部分情况下回扫曲线都位于正扫曲线之上. 其中图4显示回扫时的第1个峰有明显错位，在其他几条曲线上也有类似现象，特别是图4中回扫过第1个峰图后，回扫曲线明显下穿正扫曲线，其机制还有待于进一步研究. USB-9219有4个通道，如果能利用1个通道测出灯丝功率相应变化，可能会对F-H管的工作状态有更多的了解.

图5与图6的参量差别只是拒斥电压不同. 当拒斥电压加大时，G2和P极之间场强增加，图6显示有部分区域IP会反走，而且有逐级增大的趋势. 排除了电路因素，初步推测这是有少量的正离子参与了G2和P极之间的导电. 在波谷区域，非弹性碰撞发生在G2附近，流向屏极的电子数是最少的，正离子的作用就突出了，在合适的条件下总电流转为逆向. 这提示我们，当G2和K极的场强较强时，也会有少量正离子运动，这是否会对曲线带来影响有待研究. 另外，回扫曲线的第1个峰很明显，而正扫曲线相应的峰很弱.

图6　拒斥电压为15 V时IP-UG2K曲线

4　结束语

经过实践，这2种方案都是可行的，其特点是能在较短的时间内比较全面地展现了F-H管的工作特性，避免了大量的人工记录和事后电脑录入，能把学生的注意力集中在对图像的分析上，利于加深物理图像的理解.

[1]陈畅，邓剑平,李冉. 夫兰克-赫兹实验栅极电流的研究[J]. 大学物理实验,2009,22(4):58-61.

[2]戴乐山，戴道宣. 近代物理实验[M]. 上海:复旦大学出版社,1995.

[3]何忠蛟，汪建章. 修正 F-H 实验中的氩原子第一激发电位[J]. 大学物理实验,2004,17(2)：39-43.

[4]王梅生. 弗兰克-赫兹实验中吸收峰形成与变化判断准则的研究[J]. 大学物理,2000,19(12):29-33.

[5]冯娟，张贺，赵飞. 夫兰克-赫兹实验的改进[J]. 物理实验，2014，34(9)：39-41.

[6]李依然,董国波,唐芳,等. 夫兰克-赫兹实验控制栅电压对板流的作用探究[J]. 大学物理,2014,33(12):56-60.

[7]周永军,祖新慧. 夫兰克- 赫兹实验中影响曲线形状的因素分析[J]. 沈阳航空工业学院学报,2008,25(3):86-88.

[责任编辑：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

杨文明(1953-)，男，上海人，上海交通大学物理与天文系副教授，学士，从事物理实验教学工作.

O562.4

A

1005-4642(2016)10-0005-03

“第9届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文