劉海林，劉 雍

(武漢大學 物理實驗教學中心，湖北 武漢 430072)

電子管綜合實驗設計

劉海林，劉 雍

(武漢大學 物理實驗教學中心，湖北 武漢 430072)

設計了電子管綜合實驗系統(tǒng)，采用MCU輸出DA信號線性控制偏置電壓和燈絲電壓，該方法可快速均勻變化實驗電壓，并快速修改實驗參量進行多次實驗. 使用該系統(tǒng)可以在同一平臺上完成弗蘭克-赫茲實驗與金屬逸出功實驗. 實驗結果表明：逸出功理查森直線法實驗曲線線性度較好，弗蘭克-赫茲實驗逸出電流顯示能級特性明顯.

電子管；熱陰極；逸出電流；加速電壓

弗蘭克-赫茲實驗及金屬逸出功實驗是近代物理實驗的常見實驗，雖然兩者均是基于電子管的實驗，但兩者在傳統(tǒng)物理實驗教學中通常各自獨立開展:弗蘭克-赫茲實驗結果直觀，數(shù)據(jù)處理部分側(cè)重于統(tǒng)計處理，無較多理論公式；金屬逸出功實驗理論公式較多，結果較晦澀，必須依賴于后期復雜數(shù)據(jù)處理和擬合. 兩者在單獨開課的過程中往往存在課時過多的情況. 考慮到2個實驗都是基于電子管進行的，而且均是研究帶電粒子流與電場相互作用的物理過程[1]，在實驗結構及本質(zhì)上有諸多相似之處，現(xiàn)通過新的硬件設計實現(xiàn)2個實驗在1臺儀器上完成，一方面節(jié)約了時間與教學成本，另一方面增加了學生的物理理論及實驗興趣，也使學生了解電子管的結構、工作機理及不同分類.

1 原 理

金屬逸出功實驗原理如圖1所示[2]. 根據(jù)固體物理學中的金屬電子理論，金屬自由傳導電子的能量符合費米-狄拉克分布，在絕對零度時，電子的最高能量稱為費米能級EF. 在絕對零度時，金屬表面的電子逸出需要從外界獲得的最少能量為W0=Wa-EF，其中Wa為金屬與真空之間的勢壘，W0為逸出功. 實驗中改變電子管陰極溫度，從而改變電子的能量分布，使得存在能量大于Wa的電子，在加速電場的作用下形成逸出電流[1]. 通過不同溫度、不同逸出電流的測量，利用理查森直線法進行分析擬合，可計算金屬逸出功.

圖1 金屬逸出功實驗原理圖

圖2 弗蘭克-赫茲實驗原理圖

弗蘭克-赫茲實驗原理如圖2所示[3-4]. 弗蘭克-赫茲實驗通過慢速電子與原子碰撞揭示原子內(nèi)部能量量子化的特征. 電子同樣是由熱陰極發(fā)射，同樣是在加速電場的作用下進行加速，但電子在運動過程中可能會與電子管中的氬原子相碰撞，若電子能量達到氬原子的臨界能量，則電子會轉(zhuǎn)移一部分能量給氬原子，使氬原子躍遷到激發(fā)態(tài)，同時電子能量損失并在拒斥電場的作用下返回柵極，不會形成陽極電流，且因為原子內(nèi)部能量的量子化，陽極電流會隨著加速電壓的增加而規(guī)律性地起伏變化[2]，實驗中拒斥電壓篩選電子的方法是常用的實驗技術手段.

雖然弗蘭克-赫茲實驗和金屬逸出功實驗的差異較大，但其核心本質(zhì)都是能量：金屬逸出功實驗是克服表面與真空之間的能量勢壘，弗蘭克-赫茲實驗是在經(jīng)過氬氣氣氛時有量子化的能量損失. 兩者都需要熱陰極發(fā)射電子，都需要加速電壓，測量的主要對象都是逸出電流. 因此對實驗儀器硬件合理設計和改造，可以有效地綜合2個實驗.

2 擬改進的關鍵問題

在傳統(tǒng)實驗設備的基礎上，設計新的綜合電子管實驗系統(tǒng)，需要注意以下幾方面的設計：

1)電子管實驗通常需要較高的加速電壓，如金屬逸出功實驗需要121 V，弗蘭克-赫茲實驗需要85 V左右，而逸出電流又是μA以下的級別. 選取微電流放大器的首要因素是運放的輸入偏置電流和輸入失調(diào)電流以及噪聲電壓和零點漂移[5-6]，而能夠工作在如此高壓下的運放，其偏置電壓、靜態(tài)電流等參量都大于待測信號，會嚴重影響測量精度，所以通常采用負壓加速電壓的方式，即測試采樣的陽極端在GND附近，靠提供負電壓的電路作為陰極端的電位，整個系統(tǒng)的加速電場工作在-120～0 V范圍內(nèi).

2)弗蘭克-赫茲實驗的電子管通常采用旁熱式電子管，而逸出功實驗電子管為直熱式電子管. 這意味著電子管電源部分的供給，除了自身電壓電流調(diào)節(jié)外，其零點還應隨著柵極負壓的變化而進行偏置變化.

3)通常弗蘭克-赫茲實驗的燈絲工作狀態(tài)以燈絲電壓為表征，而逸出功實驗以燈絲電流為表征，所以需要提供燈絲供電部分電壓電流狀態(tài)的同時監(jiān)測.

4)弗蘭克-赫茲實驗的陽極電流一般在nA級別，而金屬逸出功電流一般在μA級別. 系統(tǒng)的前置放大器需要利用信號繼電器等器件設計可程序控制切換放大量程的功能.

3 設計及改進

圖3為綜合實驗系統(tǒng)的供電部分原理圖，該部分一方面解決關鍵問題1)中的負壓供電，另一方面該供電部分為浮地隔離設計，其產(chǎn)生的加速電場可鉗位于不同偏置電壓上. 該供電部分具體由振蕩信號源、功放功率輸出、變壓器電壓變換等部分組成. 振蕩信號源：由OPA2277運放構成經(jīng)典的文氏振蕩電路，輸出頻率約22 kHz的正弦信號，以驅(qū)動后級的功放電路工作. 供電功率輸出：由功率運放TDA2030構成橋接輸出放大電路，將前級送入的22 kHz信號放大為滿電源電壓的正弦信號，以提供給變壓器做為輸入電壓. 變壓器電壓變換：將22 kHz的功率正弦電壓變壓為所需要的多路正弦電壓輸出. 變壓器輸出為3個繞組，為3個功能的電路供電：-15 V供電，-20～0 V可調(diào)偏壓電路供電，-120～0 V偏壓電路供電. 該電路結構的優(yōu)點在于，信號在轉(zhuǎn)換過程中，均工作在線性狀態(tài)，對于電路中其他的弱信號及微小信號的采集放大，不會產(chǎn)生干擾.

圖4為針對關鍵問題2)的可調(diào)偏壓部分的電路設計. -120～0 V可調(diào)偏壓電路由整流濾波電路、功率調(diào)整電路、差分采樣電路、基準比較調(diào)節(jié)電路、短路保護及防反灌保護等部分組成. 22 kHz正弦信號輸入圖3的變壓器后，其次級信號經(jīng)整流濾波后，提供-120～0 V直流，為功率電路供電. 功率電路部分的輸出功率由晶體管V101(2N5551)進行調(diào)整，晶體管基極受控制信號(由基準比較調(diào)節(jié)電路返回)，工作在線性調(diào)整狀態(tài). 差分采樣電路：運放N104B(OPA2277)構成差分采樣電路，將-120～0 V的輸出電壓采集返回給基準比較調(diào)節(jié)電路. 基準比較調(diào)節(jié)電路：由單片機DA送出的電壓信號，經(jīng)基準比較調(diào)節(jié)電路與差分采集返回的電壓信號做比較，將比較后的調(diào)節(jié)信號送入線性功率調(diào)整電路，完成采集調(diào)整穩(wěn)壓的作用. 短路保護及防反灌保護：電阻R131串聯(lián)在輸出端，完成輸出短路限流保護作用；D119串入電路，完成輸出端口電壓反灌保護的作用. 該電路經(jīng)過上述差分采樣、基準比較、反饋調(diào)節(jié)一系列過程，使其輸出電壓控制精確，且可抑制大電壓范圍的共模電壓，同時具有輸出短路保護、防電壓反灌等功能.

圖3 負壓加速電場供電部分原理圖

圖4 可調(diào)偏壓電路

上述負壓電源電路主要用以提供給實驗系統(tǒng)的加速電場，其僅需要電壓調(diào)節(jié)，不需要較高的電流輸出. 但電子管實驗系統(tǒng)中除了加速電場外，往往還需要進行燈絲加熱操作，這使得燈絲供電部分一方面同樣需要較高精度的偏置調(diào)節(jié)，另一方面還需要有能力輸出較大電流. 因此設計了圖5所示的單獨的燈絲電源供電電路，該燈絲供電系統(tǒng)由PWM產(chǎn)生電路、基準比較調(diào)節(jié)電路、差分采樣電路、變壓器電路、輸出整流濾波電路、短路及過載保護、輸出過壓保護等組成. PWM產(chǎn)生電路:由TL494電壓管理芯片產(chǎn)生PWM波形，經(jīng)過MOS整形后，將功率PWM波形送入變壓器初級. 變壓器電路:將功率PWM脈沖電壓，變比為所需幅度的PWM波形. 輸出整流濾波電路:將變壓器輸出的PWM波形，整流后濾波，得到所需要的直流電壓. 差分采集輸出分壓信號，經(jīng)基準比較調(diào)節(jié)電路與差分采集返回的電壓信號做比較，將比較后的調(diào)節(jié)信號送入PWM產(chǎn)生電路，調(diào)節(jié)PWM波形的脈沖寬度，以間接完成采集調(diào)整穩(wěn)壓的作用. 因為涉及較大電流輸出，因此該部分的短路及過載保護的設計較為重要，保護電路由比較器N304B(LM393)電路組成，該比較器檢測開關MOS管的電流大于預設定值時，比較器動作，關閉MOS管的PWM波形，以達到過載保護的目的，過載解除后，MOS管的PWM波形恢復工作. 當輸出長時間短路或過載，比較器關閉MOS管一定時間后，N304A比較器動作，關閉TL494芯片，以達到短路保護的目的. 輸出過壓保護:由ZD301及光耦N301電路組成，與N303A的基準比較穩(wěn)壓電路處于并行工作狀態(tài)，當基準比較穩(wěn)壓電路故障時，過壓保護電路起到限定輸出電壓的作用，以起到過壓保護的目的.

圖5 燈絲供電系統(tǒng)原理圖

4 實驗結果

圖6為逸出功理查森直線法實驗結果[7]，可以看出實驗曲線線性度較好. 圖7是弗蘭克-赫茲實驗逸出電流的顯示，能級特性亦十分明顯與直觀. 本綜合實驗系統(tǒng)可提供:加速電壓(陽極電壓)調(diào)節(jié)(精度0.01 V)、燈絲電流調(diào)節(jié)(精度0.001 A)、燈絲電壓調(diào)節(jié)(精度0.001 V)、溢出電流測量(精度1 nA). 各部分可獨立組合，控制測試精度較高，可以滿足綜合實驗的要求. 相對傳統(tǒng)的電子管實驗設備，本設計中采用MCU輸出DA信號線性控制偏置電壓、燈絲電壓. 該方法可以快速均勻調(diào)節(jié)實驗電壓，一方面可以快速修改實驗參量進行多次實驗[8]，同時也能避免長時間高電壓高溫對實驗結果的影響[9].

圖6 逸出功測試結果

圖7 弗蘭克-赫茲實驗測試結果

5 結束語

傳統(tǒng)的弗蘭克-赫茲實驗及金屬逸出功實驗測試方法單一，要么側(cè)重實驗結果直觀顯示，要么側(cè)重數(shù)據(jù)分析處理. 本文設計的電子管綜合實驗系統(tǒng)能較好地將兩者結合，既豐富了實驗內(nèi)容，提高學生學習興趣，同時有利于學生對電子管結構及電子能量變化的理解.

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[責任編輯：任德香]

Multifunctional experiment system of electronic tube

LIU Hai-lin, LIU Yong

(Physics Experiment Teaching Center, Wuhan University, Wuhan 430027, China)

Using the MCU DA output signal to linearly control the bias voltage and filament voltage, a electronic tube experiment system was designed. The experiment could be carried out many times in a short period, and the parameters could be quickly modified. Using the system, the Frank-Hertz experiment and the metal work function experiment could be done on the same platform. The experimental results showed that the linearity of Richardson curve in work function experiment was good, and the ladder characteristic of the escape current in Frank-Hertz experiment was clear.

electron tube; hot cathode; emission current; accelerating voltage

2016-05-30；修改日期：2016-11-04

教育部物理類專業(yè)教指委物理實驗教改項目(No.01-201601-39)；武漢大學2016年教學改革項目(No.2016-24-6)

劉海林(1970-)，男，湖北棗陽人，武漢大學物理實驗教學中心講師，博士，研究方向為凝聚態(tài)物理.

O562；TN710.1

A

1005-4642(2017)04-0001-05

“第9屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文