电子管综合实验设计

刘海林，刘 雍

(武汉大学 物理实验教学中心，湖北 武汉 430072)

电子管综合实验设计

刘海林，刘 雍

(武汉大学 物理实验教学中心，湖北 武汉 430072)

设计了电子管综合实验系统，采用MCU输出DA信号线性控制偏置电压和灯丝电压，该方法可快速均匀变化实验电压，并快速修改实验参量进行多次实验. 使用该系统可以在同一平台上完成弗兰克-赫兹实验与金属逸出功实验. 实验结果表明：逸出功理查森直线法实验曲线线性度较好，弗兰克-赫兹实验逸出电流显示能级特性明显.

电子管；热阴极；逸出电流；加速电压

弗兰克-赫兹实验及金属逸出功实验是近代物理实验的常见实验，虽然两者均是基于电子管的实验，但两者在传统物理实验教学中通常各自独立开展:弗兰克-赫兹实验结果直观，数据处理部分侧重于统计处理，无较多理论公式；金属逸出功实验理论公式较多，结果较晦涩，必须依赖于后期复杂数据处理和拟合. 两者在单独开课的过程中往往存在课时过多的情况. 考虑到2个实验都是基于电子管进行的，而且均是研究带电粒子流与电场相互作用的物理过程[1]，在实验结构及本质上有诸多相似之处，现通过新的硬件设计实现2个实验在1台仪器上完成，一方面节约了时间与教学成本，另一方面增加了学生的物理理论及实验兴趣，也使学生了解电子管的结构、工作机理及不同分类.

1 原 理

金属逸出功实验原理如图1所示[2]. 根据固体物理学中的金属电子理论，金属自由传导电子的能量符合费米-狄拉克分布，在绝对零度时，电子的最高能量称为费米能级EF. 在绝对零度时，金属表面的电子逸出需要从外界获得的最少能量为W0=Wa-EF，其中Wa为金属与真空之间的势垒，W0为逸出功. 实验中改变电子管阴极温度，从而改变电子的能量分布，使得存在能量大于Wa的电子，在加速电场的作用下形成逸出电流[1]. 通过不同温度、不同逸出电流的测量，利用理查森直线法进行分析拟合，可计算金属逸出功.

图1 金属逸出功实验原理图

图2 弗兰克-赫兹实验原理图

弗兰克-赫兹实验原理如图2所示[3-4]. 弗兰克-赫兹实验通过慢速电子与原子碰撞揭示原子内部能量量子化的特征. 电子同样是由热阴极发射，同样是在加速电场的作用下进行加速，但电子在运动过程中可能会与电子管中的氩原子相碰撞，若电子能量达到氩原子的临界能量，则电子会转移一部分能量给氩原子，使氩原子跃迁到激发态，同时电子能量损失并在拒斥电场的作用下返回栅极，不会形成阳极电流，且因为原子内部能量的量子化，阳极电流会随着加速电压的增加而规律性地起伏变化[2]，实验中拒斥电压筛选电子的方法是常用的实验技术手段.

虽然弗兰克-赫兹实验和金属逸出功实验的差异较大，但其核心本质都是能量：金属逸出功实验是克服表面与真空之间的能量势垒，弗兰克-赫兹实验是在经过氩气气氛时有量子化的能量损失. 两者都需要热阴极发射电子，都需要加速电压，测量的主要对象都是逸出电流. 因此对实验仪器硬件合理设计和改造，可以有效地综合2个实验.

2 拟改进的关键问题

在传统实验设备的基础上，设计新的综合电子管实验系统，需要注意以下几方面的设计：

1)电子管实验通常需要较高的加速电压，如金属逸出功实验需要121 V，弗兰克-赫兹实验需要85 V左右，而逸出电流又是μA以下的级别. 选取微电流放大器的首要因素是运放的输入偏置电流和输入失调电流以及噪声电压和零点漂移[5-6]，而能够工作在如此高压下的运放，其偏置电压、静态电流等参量都大于待测信号，会严重影响测量精度，所以通常采用负压加速电压的方式，即测试采样的阳极端在GND附近，靠提供负电压的电路作为阴极端的电位，整个系统的加速电场工作在-120～0 V范围内.

2)弗兰克-赫兹实验的电子管通常采用旁热式电子管，而逸出功实验电子管为直热式电子管. 这意味着电子管电源部分的供给，除了自身电压电流调节外，其零点还应随着栅极负压的变化而进行偏置变化.

3)通常弗兰克-赫兹实验的灯丝工作状态以灯丝电压为表征，而逸出功实验以灯丝电流为表征，所以需要提供灯丝供电部分电压电流状态的同时监测.

4)弗兰克-赫兹实验的阳极电流一般在nA级别，而金属逸出功电流一般在μA级别. 系统的前置放大器需要利用信号继电器等器件设计可程序控制切换放大量程的功能.

3 设计及改进

图3为综合实验系统的供电部分原理图，该部分一方面解决关键问题1)中的负压供电，另一方面该供电部分为浮地隔离设计，其产生的加速电场可钳位于不同偏置电压上. 该供电部分具体由振荡信号源、功放功率输出、变压器电压变换等部分组成. 振荡信号源：由OPA2277运放构成经典的文氏振荡电路，输出频率约22 kHz的正弦信号，以驱动后级的功放电路工作. 供电功率输出：由功率运放TDA2030构成桥接输出放大电路，将前级送入的22 kHz信号放大为满电源电压的正弦信号，以提供给变压器做为输入电压. 变压器电压变换：将22 kHz的功率正弦电压变压为所需要的多路正弦电压输出. 变压器输出为3个绕组，为3个功能的电路供电：-15 V供电，-20～0 V可调偏压电路供电，-120～0 V偏压电路供电. 该电路结构的优点在于，信号在转换过程中，均工作在线性状态，对于电路中其他的弱信号及微小信号的采集放大，不会产生干扰.

图4为针对关键问题2)的可调偏压部分的电路设计. -120～0 V可调偏压电路由整流滤波电路、功率调整电路、差分采样电路、基准比较调节电路、短路保护及防反灌保护等部分组成. 22 kHz正弦信号输入图3的变压器后，其次级信号经整流滤波后，提供-120～0 V直流，为功率电路供电. 功率电路部分的输出功率由晶体管V101(2N5551)进行调整，晶体管基极受控制信号(由基准比较调节电路返回)，工作在线性调整状态. 差分采样电路：运放N104B(OPA2277)构成差分采样电路，将-120～0 V的输出电压采集返回给基准比较调节电路. 基准比较调节电路：由单片机DA送出的电压信号，经基准比较调节电路与差分采集返回的电压信号做比较，将比较后的调节信号送入线性功率调整电路，完成采集调整稳压的作用. 短路保护及防反灌保护：电阻R131串联在输出端，完成输出短路限流保护作用；D119串入电路，完成输出端口电压反灌保护的作用. 该电路经过上述差分采样、基准比较、反馈调节一系列过程，使其输出电压控制精确，且可抑制大电压范围的共模电压，同时具有输出短路保护、防电压反灌等功能.

图3 负压加速电场供电部分原理图

图4 可调偏压电路

上述负压电源电路主要用以提供给实验系统的加速电场，其仅需要电压调节，不需要较高的电流输出. 但电子管实验系统中除了加速电场外，往往还需要进行灯丝加热操作，这使得灯丝供电部分一方面同样需要较高精度的偏置调节，另一方面还需要有能力输出较大电流. 因此设计了图5所示的单独的灯丝电源供电电路，该灯丝供电系统由PWM产生电路、基准比较调节电路、差分采样电路、变压器电路、输出整流滤波电路、短路及过载保护、输出过压保护等组成. PWM产生电路:由TL494电压管理芯片产生PWM波形，经过MOS整形后，将功率PWM波形送入变压器初级. 变压器电路:将功率PWM脉冲电压，变比为所需幅度的PWM波形. 输出整流滤波电路:将变压器输出的PWM波形，整流后滤波，得到所需要的直流电压. 差分采集输出分压信号，经基准比较调节电路与差分采集返回的电压信号做比较，将比较后的调节信号送入PWM产生电路，调节PWM波形的脉冲宽度，以间接完成采集调整稳压的作用. 因为涉及较大电流输出，因此该部分的短路及过载保护的设计较为重要，保护电路由比较器N304B(LM393)电路组成，该比较器检测开关MOS管的电流大于预设定值时，比较器动作，关闭MOS管的PWM波形，以达到过载保护的目的，过载解除后，MOS管的PWM波形恢复工作. 当输出长时间短路或过载，比较器关闭MOS管一定时间后，N304A比较器动作，关闭TL494芯片，以达到短路保护的目的. 输出过压保护:由ZD301及光耦N301电路组成，与N303A的基准比较稳压电路处于并行工作状态，当基准比较稳压电路故障时，过压保护电路起到限定输出电压的作用，以起到过压保护的目的.

图5 灯丝供电系统原理图

4 实验结果

图6为逸出功理查森直线法实验结果[7]，可以看出实验曲线线性度较好. 图7是弗兰克-赫兹实验逸出电流的显示，能级特性亦十分明显与直观. 本综合实验系统可提供:加速电压(阳极电压)调节(精度0.01 V)、灯丝电流调节(精度0.001 A)、灯丝电压调节(精度0.001 V)、溢出电流测量(精度1 nA). 各部分可独立组合，控制测试精度较高，可以满足综合实验的要求. 相对传统的电子管实验设备，本设计中采用MCU输出DA信号线性控制偏置电压、灯丝电压. 该方法可以快速均匀调节实验电压，一方面可以快速修改实验参量进行多次实验[8]，同时也能避免长时间高电压高温对实验结果的影响[9].

图6 逸出功测试结果

图7 弗兰克-赫兹实验测试结果

5 结束语

传统的弗兰克-赫兹实验及金属逸出功实验测试方法单一，要么侧重实验结果直观显示，要么侧重数据分析处理. 本文设计的电子管综合实验系统能较好地将两者结合，既丰富了实验内容，提高学生学习兴趣，同时有利于学生对电子管结构及电子能量变化的理解.

[1] 谢文楷,王彬,高昕艳. 百年电子学:纪念真空电子管发明一百周年[J]. 真空电子技术，2004(6)：1-7.

[2] 李书光. 大学物理实验[M]. 北京:科学出版社，2012：257.

[3] 朱筱玮，陈永丽. 充氩弗兰克-赫兹实验研究[J]. 大学物理，2007，26(7)：46-48.

[4] 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.

[5] YANG Mao， HU Li-qun， DUAN Yan-min， et al. The design of the amplifier for weak photoelectric current signal [J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2011,31(7):734-738.

[6] 张金利，景占荣，梁亮，等. 微弱信号的调理电路设计和噪声分析[J]. 电子测量技术，2007，30(11)：40-42.

[7] 白光富，王国振，陈涛. 金属电子逸出功的测定的计算机数据处理[J]. 大学物理实验,2013,26(3):66-69.

[8] 张里荃，马艳梅，郝二娟. 弗兰克-赫兹实验最佳实验条件及第一激发电位的研究[J]. 物理实验，2011,31(8):37-38.

[9] 唐爽，白翠琴，马世红. 弗兰克-赫兹实验中电流信号强度随温度变化的现象[J]. 大学物理,2012，31(9)：50-52.

[责任编辑：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

教育部物理类专业教指委物理实验教改项目(No.01-201601-39)；武汉大学2016年教学改革项目(No.2016-24-6)

刘海林(1970-)，男，湖北枣阳人，武汉大学物理实验教学中心讲师，博士，研究方向为凝聚态物理.

O562；TN710.1

A

1005-4642(2017)04-0001-05

“第9届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文