[实用新型]一种夫兰克－赫兹实验管

说明书

本实用新型是夫兰克-赫兹实验仪用的实验管，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。

夫兰克-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。夫兰克-赫兹实验管是该仪器的关键部件。

1911年、夫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，夫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，但是存在实验管内电场分布不合理，碰撞效果不高和功耗大等不足。

本实用新型的目的是设计一种电场分布合理、碰撞效率高且功耗小的夫兰克-赫兹实验管。

本实用新型的实验管有板极P，控制栅G₁，加速栅G₂，阴极K，热子F。板极P是一直径10-14mm的密封铁皮圆柱形筒，圆筒中间是一直径1．0-1．6mm的阴极镍管，镍管内是乌丝热子，阴极管外是钼丝绕制的控制栅G₁和加速栅G₂，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。

本实用新型的板极，即圆柱形圆筒敷有铝层，作为电子收集极。

本实用新型的控制栅G₁和加速栅G₂是用钼丝绕制的螺旋线，直径分别是1．2-2．0mm，8．0-14mm。

在阴极镍管外壁敷有0．01-0．08mm厚的BaO，SrO，CaO三元氧化物，既保护管子，又易热激发。

加热的热子F是钨丝外涂敷有氧化铝绝缘层，然后双向绞绕，这样热子F与阴极K构成傍热式氧化物阴极，其发射系数远大于直热式的实验管。

为确保管子的性能稳定，在控制栅G₁的钼丝表面镀金或银，镀层可薄些，以降低成本。

本实用新型技术制成双栅柱面型四极式的夫兰克-赫兹实验管。该实验管的实验参数如下：

灯丝电压：    0-5V(一般在2V左右就能发射出足够的电子流)

控制栅电压：  0-4V

加速栅电压：  0-100V

减速电压：    0-5V(充汞管)，0-15V(充氩管)

板极收集电流：＞10^-7A