F—H实验仪原理及使用

1、FH实验仪原理及使用目前常用的FH实验仪采用模拟电子技术，用XY记录仪绘制实验曲线，用作图法由实验曲线得到实验结果；或用手动逐点扫描法记录众多数据，由此计算实验结果。当用手动方式时，记录一组数据需要较长时间，不能直接观察到实验曲线，无法及时判断实验效果；在有限的课时内，来不及进行不同实验条件下的测量。我物理实验中心开发的MCFH20型FH实验仪，采用了单片机、点阵式LCD显示器等技术，实现了自动采集数据、处理数据；能够及时显示实验曲线及有关数据，让实验变得更直观，并提高了效率。仪器工作原理本实验采用四极FH管，管内充有氩气。氩气FH管在常温下即可工作。灯丝F加热阴极K，K发出大量电子，这些电子

2、经G2、K间的电压UG2K加速获得能量，并在G2、K之间与氩原子发生碰撞，把部分或全部能量交换给氩原子，再经减速电压UG2A，到达阳极A，形成阳极电流IA。第一栅极G1 靠近阴极K，正向小电压UG1K用于抵消阴极附近电子云形成的负电位的影响。实验原理与使用汞管的FH实验的雷同，详细论述请参见有关实验教材。本仪器将各路稳压电源、扫描电源和微电流放大器合为一体。特别是仪器内装有单片计算机，用数字技术完成数据采集及处理及控制扫描电压，计算FH曲线上的峰谷点，用液晶显示器（LCD）显示FH曲线和数据，是一台较为完备的现代化仪器。原理框图见图1。电源：FH管需要多组电源，本仪器输出的各组电源如下：VF：

3、1.54.5V，1.2A 可调电源，用作灯丝电源。VG1：05V，10mA 可调电压，用作UG1K，VG与VF的负极相连，共用一个输出端子。VA：012V，10mA 可调电压，用作拒斥电压UG2A。VG2：080V 扫描电压，由Q9插座输出。扫描电源采用逆变器将+5V电源升压到DC 100V，由单片机控制产生080V的扫描电压。扫描电压也可手动调节，供手动逐点测量时使用，自动测量时将手动调节旋钮逆时针调到最小位置。微电流放大器：FH管输出的阳极电流IA一般在几nA到几十nA之间。我们采用输入阻抗极高的MOS管为输入的运算放大器作为电流电压转换电路，再经过一极电压放大将IA信号送入AD转换器。在

4、电路中采取了适当的滤波措施，降低了50Hz的电源干扰。放大器增益固定，不能调整。LCD显示器：显示器是仪器的一个重要部件，为了清晰地显示FH 曲线输出实验结果，采用320×240点阵具有ECL背光的LCD显示器，它的线分辨力为每厘米30个点。LCD显示器可以方便快速地显示FH 曲线，及数据等。考虑到仪器的使用者为大学生和大学教师，显示器用英文显示信息。下拉菜单操作：在显示器右侧开辟了操作显示区，通过下移光标选项，再按Enter键进入，这样不仅使操作简洁清晰，而且使键的数量较类似形式的仪器要少得多。曲线显示：显示器的大部分区域用于显示FH曲线，X轴是扫描电压， Y轴是阳极电流，显示相对

5、值。可将曲线扩展为全屏显示，此时每显示的曲线更加精细。显示输出数据：采样后，可在显示器右侧的操作显示区显示曲线上各点的数据，间距为1V，并可给出各极大值和极小值，供参考。数据处理：数据处理包括拟合FH曲线和给出实验数据两部分。拟合后的FH曲线按0.1V步进给出的实验数据，由此计算出每个极大点和极小点的数值。由 点/V 的密度输出测量数据，根据这些数据和各极大点、极小点就可以绘出FH曲线。由极大点或极小点就可以得到实验结果原子的激发电位。图1 MCFH20 FH实验仪原理框图仪器的安装及使用FH实验仪操作步骤：（）按图2连接FH管和MCFH20 FH实验仪。（）将FH实验仪VF调到3V左右，其它

6、电源输出调到零，预热10分钟。（）调整各电源电压，调整范围见下表。VFVG1VA2.84.4V!.52.5V810V（4）自动采样，等待数分钟后，得到FH曲线，如曲线不合要求，重新调整UF、UG1K、UG2A，直到获得满意的曲线。（5）进入数据输出栏，显示每间隔为1V的IA值。进入IA的极小值输出栏，显示各极小点。按“”、“”键切换显示各极小点或极大点。 FH实验仪键盘操作开机后显示器右侧显示操作菜单，“”、“”、“”和“”为光标移动键，将光标移动到所选栏内，按“Enter”键进入，仪器执行所选功能。其中：Sample自动采样：仪器一面采集IA的值，一面逐渐升高扫描电压，扫描电压每增加0.3V

7、采集一次IA的值。完成采样后，对采集的数据进行处理，并用曲线拟合技术得到一组间隔为0.1V的IA数组，提高了曲线的分辨率。按“Enter”键，等待数分钟后将显示FH曲线。Manual手动采样：通过调整“手动调节”旋钮调整扫描电压，用万用表DC 100V档测量扫描电压。屏幕上显示相对应的IA值。手动时，仪器不能保存测量值。Out data 以1V为间隔，显示曲线上各点的数据，采样后有效，按“”、“”键翻页，按其余键退出。Min & max 显示极小点和极大点，采样并执行“Out data”后有效，按“”切换显示极大点，按“”显示极小点，按其余键退出。Clean LCD 清除正在显示的曲线。注意事项1. 仔细检查接线，使用MCFH20实验仪时，各路电压不得互换，极性不得接反，否则可能造成仪器损坏。2. 自动测量前、手动测量后“手动