[实用新型]一种具有自保护部件的弗兰克-赫兹实验装置

说明书

技术领域

本实用新型是弗兰克-赫兹实验仪用的实验装置，主要是一种显示电子与原子碰撞机理供教学实验使用的装置，本实验装置带有自保护部件。

背景技术

弗兰克-赫兹实验仪是一种通过观察特殊的伏安特性现象进而研究原子能级的量子特性，显示电子与原子碰撞机理的教学实验仪器。弗兰克-赫兹实验管是该仪器的关键部件。

1911年、弗兰克和赫兹为了研究气体放电中的低能电子和原子间的相互作用，他们设计了电子与原子碰撞的实验，首先，他们改进了勒纳(P.Lenara)的单栅三极式碰撞管的结构，将加速极G向收集电子的板极P靠拢，同时在实验时减小加速极G与板极P之间的减速电压(～0.5V)，管内的气体则改用单原子分子，如氮和汞，因为汞是单原子分子，结构较简单，而且在常温下是液态，只要改变温度就能大幅度改变汞原子的密度，同时还由于汞的原子量大，因此电子与汞原子碰撞时，电子损失的能量极小；除汞以外，另一些金属原子，例如钾、钠及镁等，也不容易和电子亲和而形成负离子，可以用来研究电子与原子的碰撞规律；惰性气体，例如氦、氩及氖等，也是较早用于研究碰撞规律的，因为它们封闭的饱和壳层具有良好的屏蔽作用，对电子的亲和势小，而不易形成负离子。

1914年，他们用图1的实验装置获得了一系列重要实验结果，碰撞管中的电子由热阴极K发射，经K与栅极G之间的电场的加速，电子由K射向G，栅极G与板极P之间则加有一减速电压，形成一个减速电场，使电子减速。当穿越过G的电子具有较大的能量而足以克服这一减速场时，就能到达板极P而形成管流Ip。对于早期的充汞管得到的管流与K和G之间的电位位差的关系如图2所示。

1920年，弗兰克对原来的装置作了改进，如图3所示，原有的直热式阴极用傍热式的来替代，并在靠近阴极处增加一个栅极G1及降低管内的汞蒸气压，傍热式阴极发射的电子在加速区K-G1内得到加速，然后进入G1-G2等势区进行碰撞，在改进后的碰撞管中，可以使电子在加速区内获得相当高的能量，可测得汞原子的一系列的量子态，汞原子的第一激发能较低是4.89eV，相应的发射光谱线的波长为2537，可以用紫外光谱仪来证实上述实验结果。

虽然该装置一直延用至今，但是该装置在使用中仍然存在一些缺点。弗兰克—赫兹管为高质易损件，学生在实验中由于对实验和器件的不熟悉容易造成接错或者短路从而烧坏弗兰克—赫兹管，并因此带来实验成本的提高。

发明内容

本实用新型的目的是设计一种布局分布合理、效率高且安全的弗兰克-赫兹实验装置。为避免学生接错或者短路提供给弗兰克—赫兹管的电源连线而烧坏弗兰克—赫兹管，仪器通过连接结构的设计而实现实验装置的自保护。同时设有各组工作电源短路、过流保护装置，并具有声音报警功能。通过以上功能达到对实验装置的保护，克服现有技术的缺陷。

本实用新型的弗兰克-赫兹实验装置包括弗兰克—赫兹管，工作电源，短路、过流保护装置，连接端子。

本实用新型的F-H管有板极P，控制栅G1，加速栅G2，阴极K，热子F。板极P是一直径15-20mm的密封金属圆柱形筒，圆筒中间是一直径1.0-2.0mm的阴极镍管，镍管内是钨丝热子，阴极管外是钼丝绕制的控制栅和加速栅，它们在板极圆筒内的相互距离是：K与G1的距离是0.1-0.5mm，G1与G2的距离是3.0-6.0mm，G2与P的距离是0.6-1.6mm。上述各部件经过清洁处理，将各电极同轴固定在云母绝缘片上，然后按抽真空、除气、充入汞或隋性气体，按通电路即可。管内可充有400-600mg的汞元素或者180-220乇气压的氩气等其它气体。

由于弗兰克—赫兹管使用过程中的衰老，每只管子的最佳状态会发生变化，可参照原参数在下列范围内重新设定参数。

灯丝电压：DC0∽6.3V

第一栅压VG1K：DC0∽5V

第二栅压VG2K：DC0∽85V

拒斥电压VG2A：DC0∽12V

短路、过流保护装置部分，由电流取样滤波整流电路、比较放大取样保持电路和动作执行电路组成，电流取样滤波整流电路的输出端与比较放大取样保持电路连接，比较放大取样保持电路的输出端接动作执行电路。设计原理是：由电流取样滤波整流电路对开关电源的开关调整管工作电流之动态变化进行检测取样，并经整流滤波比较判断后，决定是否进行保护。如果输入电压低于安全值，则不进行保护，如果输入电压高于安全值，就由动作执行电路执行保护动作，使开关电源得到保护。