[實用新型]一種具有自保護部件的弗蘭克-赫茲實驗裝置

有效

• 申請號: 200820199081.2
• 申請日: 2008-12-30
• 公開（公告）號: CN201532723U
• 公開（公告）日: 2010-07-21
• 發明（設計）人: 柳玉召;張玉川
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍防化指揮工程學院
• 主分類號: G09B23/20
• 分類號: G09B23/20;H01J1/00;H02H3/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本實用新型是弗蘭克-赫茲實驗儀用的實驗裝置，主要是一種顯示電子與原子碰撞機理供教學實驗使用的裝置，本實驗裝置帶有自保護部件。

背景技術

弗蘭克-赫茲實驗儀是一種通過觀察特殊的伏安特性現象進而研究原子能級的量子特性，顯示電子與原子碰撞機理的教學實驗儀器。弗蘭克-赫茲實驗管是該儀器的關鍵部件。

1911年、弗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，他們設計了電子與原子碰撞的實驗，首先，他們改進了勒納(P.Lenara)的單柵三極式碰撞管的結構，將加速極G向收集電子的板極P靠攏，同時在實驗時減小加速極G與板極P之間的減速電壓(～0.5V)，管內的氣體則改用單原子分子，如氮和汞，因為汞是單原子分子，結構較簡單，而且在常溫下是液態，只要改變溫度就能大幅度改變汞原子的密度，同時還由于汞的原子量大，因此電子與汞原子碰撞時，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離子，可以用來研究電子與原子的碰撞規律；惰性氣體，例如氦、氬及氖等，也是較早用于研究碰撞規律的，因為它們封閉的飽和殼層具有良好的屏蔽作用，對電子的親和勢小，而不易形成負離子。

1914年，他們用圖1的實驗裝置獲得了一系列重要實驗結果，碰撞管中的電子由熱陰極K發射，經K與柵極G之間的電場的加速，電子由K射向G，柵極G與板極P之間則加有一減速電壓，形成一個減速電場，使電子減速。當穿越過G的電子具有較大的能量而足以克服這一減速場時，就能到達板極P而形成管流Ip。對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系如圖2所示。

1920年，弗蘭克對原來的裝置作了改進，如圖3所示，原有的直熱式陰極用傍熱式的來替代，并在靠近陰極處增加一個柵極G1及降低管內的汞蒸氣壓，傍熱式陰極發射的電子在加速區K-G1內得到加速，然后進入G1-G2等勢區進行碰撞，在改進后的碰撞管中，可以使電子在加速區內獲得相當高的能量，可測得汞原子的一系列的量子態，汞原子的第一激發能較低是4.89eV，相應的發射光譜線的波長為2537，可以用紫外光譜儀來證實上述實驗結果。

雖然該裝置一直延用至今，但是該裝置在使用中仍然存在一些缺點。弗蘭克—赫茲管為高質易損件，學生在實驗中由于對實驗和器件的不熟悉容易造成接錯或者短路從而燒壞弗蘭克—赫茲管，并因此帶來實驗成本的提高。

發明內容

本實用新型的目的是設計一種布局分布合理、效率高且安全的弗蘭克-赫茲實驗裝置。為避免學生接錯或者短路提供給弗蘭克—赫茲管的電源連線而燒壞弗蘭克—赫茲管，儀器通過連接結構的設計而實現實驗裝置的自保護。同時設有各組工作電源短路、過流保護裝置，并具有聲音報警功能。通過以上功能達到對實驗裝置的保護，克服現有技術的缺陷。

本實用新型的弗蘭克-赫茲實驗裝置包括弗蘭克—赫茲管，工作電源，短路、過流保護裝置，連接端子。

本實用新型的F-H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15-20mm的密封金屬圓柱形筒，圓筒中間是一直徑1.0-2.0mm的陰極鎳管，鎳管內是鎢絲熱子，陰極管外是鉬絲繞制的控制柵和加速柵，它們在板極圓筒內的相互距離是：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。上述各部件經過清潔處理，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。管內可充有400-600mg的汞元素或者180-220乇氣壓的氬氣等其它氣體。

由于弗蘭克—赫茲管使用過程中的衰老，每只管子的最佳狀態會發生變化，可參照原參數在下列范圍內重新設定參數。

燈絲電壓：DC0∽6.3V

第一柵壓VG1K：DC0∽5V

第二柵壓VG2K：DC0∽85V

拒斥電壓VG2A：DC0∽12V

短路、過流保護裝置部分，由電流取樣濾波整流電路、比較放大取樣保持電路和動作執行電路組成，電流取樣濾波整流電路的輸出端與比較放大取樣保持電路連接，比較放大取樣保持電路的輸出端接動作執行電路。設計原理是：由電流取樣濾波整流電路對開關電源的開關調整管工作電流之動態變化進行檢測取樣，并經整流濾波比較判斷后，決定是否進行保護。如果輸入電壓低于安全值，則不進行保護，如果輸入電壓高于安全值，就由動作執行電路執行保護動作，使開關電源得到保護。