專(zhuān)利名稱(chēng)：一種夫蘭克－赫茲實(shí)驗(yàn)管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)儀用的實(shí)驗(yàn)管，主要是一種顯示電子與原子碰撞機(jī)理供教學(xué)實(shí)驗(yàn)使用的裝置。
夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)儀是一種通過(guò)觀察特殊的伏安特性現(xiàn)象進(jìn)而研究原子能級(jí)的量子特性，顯示電子與原子碰撞機(jī)理的教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器。夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)管是該儀器的關(guān)鍵部件。
1911年、夫蘭克和赫茲為了研究氣體放電中的低能電子和原子間的相互作用，他們?cè)O(shè)計(jì)了電子與原子碰撞的實(shí)驗(yàn)，首先，他們改進(jìn)了勒納(P．Lenara)的單柵三極式碰撞管的結(jié)構(gòu)，將加速極G向收集電子的板極P靠攏，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)時(shí)減小加速極G與板極P之間的減速電壓(～0．5V)，管內(nèi)的氣體則改用單原子分子，如氮和汞，因?yàn)楣菃卧臃肿?，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，而且在常溫下是液態(tài)，只要改變溫度就能大幅度改變汞原子的密度，同時(shí)還由于汞的原子量大，因此電子與汞原子碰撞時(shí)，電子損失的能量極??；除汞以外，另一些金屬原子，例如鉀、鈉及鎂等，也不容易和電子親和而形成負(fù)離子，可以用來(lái)研究電子與原子的碰撞規(guī)律；惰性氣體，例如氦、氬及氖等，也是較早用于研究碰撞規(guī)律的，因?yàn)樗鼈兎忾]的飽和殼層具有良好的屏蔽作用，對(duì)電子的親和勢(shì)小，而不易形成負(fù)離子。
1914年，他們用


圖1的實(shí)驗(yàn)裝置獲得了一系列重要實(shí)驗(yàn)結(jié)果，碰撞管中的電子由熱陰極K發(fā)射，經(jīng)K與柵極G之間的電場(chǎng)的加速，電子由K射向G，柵極G與板極P之間則加有一減速電壓，形成一個(gè)減速電場(chǎng)，使電子減速。當(dāng)穿越過(guò)G的電子具有較大的能量而足以克服這一減速場(chǎng)時(shí)，就能到達(dá)板極P而形成管流Ip。對(duì)于早期的充汞管得到的管流與K和G之間的電位位差的關(guān)系如圖2所示。
1920年，夫蘭克對(duì)原來(lái)的裝置作了改進(jìn)，如圖3所示，原有的直熱式陰極用傍熱式的來(lái)替代，并在靠近陰極處增加一個(gè)柵極G1及降低管內(nèi)的汞蒸氣壓，傍熱式陰極發(fā)射的電子在加速區(qū)K-G1內(nèi)得到加速，然后進(jìn)入G1-G2等勢(shì)區(qū)進(jìn)行碰撞，在改進(jìn)后的碰撞管中，可以使電子在加速區(qū)內(nèi)獲得相當(dāng)高的能量，可測(cè)得汞原子的一系列的量子態(tài)，汞原子的第一激發(fā)能較低是4．89eV，相應(yīng)的發(fā)射光譜線(xiàn)的波長(zhǎng)為2537，可以用紫外光譜儀來(lái)證實(shí)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果。雖然該裝置一直延用至今，但是存在實(shí)驗(yàn)管內(nèi)電場(chǎng)分布不合理，碰撞效果不高和功耗大等不足。
本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)一種電場(chǎng)分布合理、碰撞效率高且功耗小的夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)管。
本實(shí)用新型的實(shí)驗(yàn)管有板極P，控制柵G1，加速柵G2，陰極K，熱子F。板極P是一直徑10-14mm的密封鐵皮圓柱形筒，圓筒中間是一直徑1．0-1．6mm的陰極鎳管，鎳管內(nèi)是烏絲熱子，陰極管外是鉬絲繞制的控制柵G1和加速柵G2，它們?cè)诎鍢O圓筒內(nèi)的相互距離是K與G1的距離是0．1-0．5mm，G1與G2的距離是3．0-6．0mm，G2與P的距離是0．6-1．6mm。上述各部件經(jīng)過(guò)清潔處理，將各電極同軸固定在云母絕緣片上，然后按抽真空、除氣、充入汞或隋性氣體，按通電路即可。管內(nèi)可充有400-600mg的汞元素或者180-220乇氣壓的氬氣等其它氣體。
本實(shí)用新型的板極，即圓柱形圓筒敷有鋁層，作為電子收集極。
本實(shí)用新型的控制柵G1和加速柵G2是用鉬絲繞制的螺旋線(xiàn)，直徑分別是1．2-2．0mm，8．0-14mm。
在陰極鎳管外壁敷有0．01-0．08mm厚的BaO，SrO，CaO三元氧化物，既保護(hù)管子，又易熱激發(fā)。
加熱的熱子F是鎢絲外涂敷有氧化鋁絕緣層，然后雙向絞繞，這樣熱子F與陰極K構(gòu)成傍熱式氧化物陰極，其發(fā)射系數(shù)遠(yuǎn)大于直熱式的實(shí)驗(yàn)管。
為確保管子的性能穩(wěn)定，在控制柵G1的鉬絲表面鍍金或銀，鍍層可薄些，以降低成本。
本實(shí)用新型技術(shù)制成雙柵柱面型四極式的夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)管。該實(shí)驗(yàn)管的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下燈絲電壓0-5V(一般在2V左右就能發(fā)射出足夠的電子流)控制柵電壓 0-4V加速柵電壓 0-100V減速電壓0-5V(充汞管)，0-15V(充氬管)板極收集電流＞10-7A充汞管能有效地實(shí)現(xiàn)6p三重太中的3p1的多重激發(fā)，峰數(shù)多；而且，還能清楚地展示6p的三重態(tài)中的3p0及3p2的激發(fā)，以及6p的單態(tài)1p1的激發(fā)，其典型特性曲線(xiàn)如圖5所示，由此可測(cè)得它們的激發(fā)能。
本實(shí)用新型經(jīng)使用，獲得了滿(mǎn)意的效果1、該管為雙柵柱面型四極式，管內(nèi)電場(chǎng)分布合理，碰撞效率高性能優(yōu)良。
2、實(shí)驗(yàn)管尺寸小。
3、實(shí)驗(yàn)管功耗小，在VF=3．0V，IF=0．32A時(shí)，其功耗僅為1瓦。
4、壽命長(zhǎng)。在正常操作下其壽命≥3600小時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)品僅300小時(shí)。
5、輸出信號(hào)大，并且穩(wěn)定，可達(dá)IP=10-8A。
6、輸出峰數(shù)多Hg管的峰數(shù)≥15，Ar管的峰數(shù)≥6，而現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)品的Hg管的峰數(shù)僅5-6個(gè)。
圖1是早期的夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。
圖2是早期的夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)裝置得到的管流與加速電壓圖。
圖3是改進(jìn)后的夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。
圖4是本實(shí)用新型的雙柵柱面型四極式夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)管的結(jié)構(gòu)圖。其中1是板極P，2是陰極K，3是控制柵G1，4是熱子F，5是加速柵G2。
圖5是本實(shí)用新型實(shí)驗(yàn)測(cè)得的汞第一激發(fā)能態(tài)曲線(xiàn)圖。
圖6是本實(shí)用新型實(shí)驗(yàn)測(cè)得的汞高激發(fā)能態(tài)曲線(xiàn)圖。
圖7是本實(shí)用新型實(shí)驗(yàn)測(cè)得的氬第一激發(fā)能態(tài)曲線(xiàn)圖。
實(shí)施例取板極P是直徑14mm的敷鋁鐵皮圓筒，將控制柵G1和加速柵G2用鋁絲繞制成直徑分別是1．8mm和2．0mm的螺旋線(xiàn)，陰極K用直徑是1．14的鎳管，管壁外涂有0．05mm厚的三元氧化物(BaO，SrO，CaO)，鎳管內(nèi)是雙向絞繞的鎢絲是加熱的熱子F，鎢絲表面涂敷氧化鋁絕緣層，G1鉬絲表面均勻鍍銀層，相互之間的距離是K與G，是0．3mm，G1與G2是5．0mm，G2與P是1．0mm。所有部件經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的清潔處理，K、P、G1、G2各電極是同軸固定在云母絕緣片上。將上述部件裝入玻殼內(nèi)，抽真空，除氣。陰極K作常規(guī)分解和激活處理，在真空度達(dá)1×10-6乇以上后置入待研究物質(zhì)即可實(shí)驗(yàn)用。
實(shí)驗(yàn)前把管子接入史蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)儀對(duì)應(yīng)管座位置，管內(nèi)充有一定量的待研究原子，如汞元素、氬氣體即可。選取一家實(shí)驗(yàn)條件即可顯示夫蘭克-赫茲效應(yīng)。
權(quán)利要求1.一種夫蘭克--赫茲電子碰撞實(shí)驗(yàn)管，有板極、控制柵、加速柵、陰極、熱子，其特征是板極P(1)是一直徑10-14mm的密封鐵皮圓柱形筒，圓筒中央是陰極K(2)，它是直徑1．0-1．6mm的鎳管，管內(nèi)是鎢絲熱子F(4)，在陰極管外有鉬絲繞制的控制柵G1(3)、加速柵G2(5)，加速柵G2與G1的距離是3-6mm，K與G1的距離是0．1-0．5mm，G2與P的距離是0．6-1．6mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的夫蘭克-赫茲電子碰撞實(shí)驗(yàn)管，其特征是作為板極的鐵皮圓柱形筒敷有鋁層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的夫蘭克-赫茲電子碰撞實(shí)驗(yàn)管，其特征是控制柵G1和加速柵G2是用鉬絲繞制的螺旋線(xiàn)，直徑分別是1．2-2．0mm，8-14mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的夫蘭克-赫茲電子碰撞實(shí)驗(yàn)管，其特征是陰極K的鎳管外壁敷有0．01-0．08mm厚的BaO，SrO，CaO三元氧化物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的夫蘭克-赫茲電子碰撞實(shí)驗(yàn)管，其特征是熱子F是雙向絞繞的表面涂敷有氧化鋁絕緣層的鎢絲。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的夫蘭克-赫茲電子碰撞實(shí)驗(yàn)管，其特征是控制柵G1鉬絲的表面鍍金或銀。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型是一種夫蘭克－赫茲電子碰撞實(shí)驗(yàn)管?，F(xiàn)有技術(shù)中該類(lèi)裝置的實(shí)驗(yàn)管存在電場(chǎng)分布不合理,電子與原子碰效率不高以及功耗大等不足。本實(shí)用新型將實(shí)驗(yàn)管設(shè)計(jì)成一雙柵柱面型四極式夫蘭克－赫茲實(shí)驗(yàn)管,即鐵皮圓筒形板極P內(nèi)有控制柵G1和加速柵G2,陰極管K在板極中間,管內(nèi)有加熱用的燈絲F,如此構(gòu)成傍熱式氧化物陰極。管內(nèi)充有氣體。本實(shí)用新型制得的夫蘭克－赫茲電子碰撞實(shí)驗(yàn)管電子與原子碰撞效率高,性能優(yōu)良,功耗小,輸出信號(hào)大,壽命長(zhǎng)。
文檔編號(hào)G09B23/06GK2415415SQ0021635
公開(kāi)日2001年1月17日 申請(qǐng)日期2000年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月28日
發(fā)明者李之其, 潘玉蓮 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)