实验76电子管综合实验指导书实验76-1金属逸出功实验金属中存在大量的自由电子，但电子在金属内部所具有的能量低于在外部所具有的能量，因而电子逸出金属时需要给电子提供一定的能量，这份能量称为电子逸出功。研究电子逸出是一项很有意义的工作，很多电子器件都与电子发射有关，如电视机的电子枪，它的发射效果会影响电视机的质量，因此研究这种材料的物理性质，对提高材料的性能是十分重要的。一、【实验目的】1.用里查逊（Richardson）直线法测定金属钨的电子逸出功。2．学习数据处理的方法。二、【实验仪器】电子管综合实验操控主机，SHZ-EWF1型电子管基座。三、【实验原理】1.热电子发射测量电子逸出功的基本原理通常情况下，金属表面与外界（真空）之间存在一个势垒E，在绝对零度时电子逸出金属至少需要从外界得到的能量为W=E,-E,=ep式中EE是绝对零度时电子所具有的最大能量，称为费米能级：W称为金属电子的逸出功，其常用单位为电子伏特（eV）：β称为逸出电位，其数值等于以电子伏特为单位的电子逸出功大小。电子从被加热金属中逸出的现象，称为热电子发射。如图1.1所示，真空二极管的阴极K（用金属钨丝做成）通以电流加热，在阳极A上加以正向电压IUa（阳极为高电位）二U.则在连接这两个电极的外电路中将有阳极电流la通过。阴极灯丝温度越高或电子逸出功越小，阳极电流la就越大。当阳极A未加正电压（图中Ua=O）时，连接两个电极的外电路中U也将会检测到热电子发射电流I（称为零场电流）。此零场图1.1热电子发射电路图电流强度I由理查逊-热西曼公式确定，有1
1 实验 76 电子管综合实验指导书 实验 76-1 金属逸出功实验 金属中存在大量的自由电子，但电子在金属内部所具有的能量低于在外部所具有的 能量，因而电子逸出金属时需要给电子提供一定的能量，这份能量称为电子逸出功。 研究电子逸出是一项很有意义的工作，很多电子器件都与电子发射有关，如电视机 的电子枪，它的发射效果会影响电视机的质量，因此研究这种材料的物理性质，对提高 材料的性能是十分重要的。 一、【实验目的】 1．用里查逊（Richardson）直线法测定金属钨的电子逸出功。 2．学习数据处理的方法。 二、【实验仪器】 电子管综合实验操控主机，SHZ-EWF1 型电子管基座。 三、【实验原理】 1．热电子发射测量电子逸出功的基本原理 通常情况下，金属表面与外界（真空）之间存在一个势垒 Eb ，在绝对零度时电子逸 出金属至少需要从外界得到的能量为 W E E e = − = b F 式中 EF 是绝对零度时电子所具有的最大能量，称为费米能级；W 称为金属电子的逸出 功，其常用单位为电子伏特（eV）； 称为逸出电位，其数值等于以电子伏特为单位的 电子逸出功大小。 电子从被加热金属中逸出的现象，称为热电子发射。如 图 1.1 所示，真空二极管的阴极 K（用金属钨丝做成）通以 电流加热，在阳极 A 上加以正向电压 Ua（阳极为高电位）， 则在连接这两个电极的外电路中将有阳极电流 Ia 通过。阴极 灯丝温度越高或电子逸出功越小，阳极电流 Ia 就越大。当阳 极 A 未加正电压（图中 Ua=0）时，连接两个电极的外电路中 也将会检测到热电子发射电流 I （称为零场电流）。此零场 电流强度 I 由理查逊-热西曼公式确定，有 μA A U f Ua A I f I K 图 1.1 热电子发射电路图
epI = AST? exp| -kT它就是热电子发射测量电子逸出功的基本原理公式。式中A是和阴极表面化学纯度有关的系数（单位为A·m-2·K-2），S为阴极的有效发射面积（单位为m2），T为阴极的绝对温度（单位为K），k为玻尔兹曼常数。将上式两边除以T2，再取对数，可得1ep虹=lgAS-5.04x103@Ig(1.1)=IgAS-T2.30kTT一与二成线性关系。此式显示gT与I一为横坐标作图，由直线斜率即可求出电子的逸出电位或电为纵坐标，如以gT2T子逸出功W。这样的数学处理方法称为理查逊直线法。2.零场电流I的测量为了维持阴极发射的热电子能连续不断地飞向阳，必须在阴极和阳极之间加一个加速电场E，。这样，阴极发射的热电子在加速电场作用下趋向阳极，形成阳极电流I。。可以证明，零场电流I与I的关系为(0.439 JE.I, = I exp1对上式取对数，曲线取直，有0.439/EIg /, = Ig I + 2.30T通常把阴极和阳极做成共轴圆柱形，忽略接触电位差和其它影响，则阴极表面加速电场U.可表示为E。=其中r和r分别为阴极和阳极的半径，U为阳极电压。把E。rIn(r /r)代入上式得10.439JU.(1.2)Igl.=lgI+2.30T JrIn(rn / r)此式是测量零场电流的基本公式。对于一定尺寸的二极管，当阴极的温度T一定时，lgI.和/U。成线性关系。如图1.2所示，如果以lgI.为纵坐标、以U。为横坐标作图，这些直线的延长线在U。=0处与纵坐标的交点为lgl。求反对数，可求出在一定温度下的零场电流1。测出不同阴极温度T下的零场电流I，则根据式（1.1）可求出电子的逸出电位α或电子逸出功W。2
2 = − kT e I AST exp 2 它就是热电子发射测量电子逸出功的基本原理公式。式中 A 是和阴极表面化学纯度有关 的系数（单位为 A·m-2·K-2）， S 为阴极的有效发射面积（单位为 m2）， T 为阴极的 绝对温度（单位为 K）， k 为玻尔兹曼常数。 将上式两边除以 2 T ，再取对数，可得 T AS k T e AS T I 1 lg 5.04 10 2.30 lg lg 3 2 = − = − （1.1） 此式显示 2 lg T I 与 T 1 成线性关系。 如以 2 lg T I 为纵坐标， T 1 为横坐标作图，由直线斜率即可求出电子的逸出电位 或电 子逸出功 W。这样的数学处理方法称为理查逊直线法。 2．零场电流 I 的测量 为了维持阴极发射的热电子能连续不断地飞向阳，必须在阴极和阳极之间加一个加 速电场 Ea 。这样，阴极发射的热电子在加速电场作用下趋向阳极，形成阳极电流 a I 。可 以证明，零场电流 I 与 a I 的关系为 0.439 exp a a E I I T = 对上式取对数，曲线取直，有 T E I I a a 2.30 0.439 lg = lg + 通常把阴极和阳极做成共轴圆柱形，忽略接触电位差和其它影响，则阴极表面加速电场 可表示为 1 2 1 ln( / ) a a U E r r r = ，其中 1 r 和 2 r 分别为阴极和阳极的半径， U a 为阳极电压。把 E a 代入上式得 1 2 1 0.439 1 lg lg 2.30 ln( / ) a a I I U T r r r = + （1.2） 此式是测量零场电流的基本公式。 对于一定尺寸的二极管，当阴极的温度 T 一定时， a lg I 和 Ua 成线性关系。如图 1.2 所示，如果以 a lg I 为纵坐标、以 Ua 为横坐标作图，这些直线的延长线在 0 Ua = 处与纵 坐标的交点为 lg I 。求反对数，可求出在一定温度下的零场电流 I。测出不同阴极温度 T 下的零场电流 I，则根据式（1.1）可求出电子的逸出电位 或电子逸出功 W
0510JU.T,阳T极Ig1电压2T灯丝电压T,>T>....>TIgIa图1.2外推法求零场电流图1.3实验电路图四、【实验仪器介绍】本实验仪器由操控主机和SHZ-EWF1型电子管基座两部分组成，如图1.4所示。操控主机面板从左至右依次为触摸控制屏、电子编码器电压/电流调节旋钮和线路接口。电子管基座包括两部分，安装在一个铁箱的A、B两面，分别用于金属电子逸出功和弗兰克一赫兹实验（一套仪器用于两个实验），由线路接口和相应的电子管组成。888800860高精度触控屏调节旋钮示波器接口电子管基座接口a操控主机b电子管基座A面与B面图1.4电子管综合实验仪操控主机面板介绍：如图1.4a所示，操控主机面板上有高精度触控屏、电压/电流调节旋钮、示波器接口、电子管基座接口四部分。1．高精度触控屏（1）显示屏为触摸式图形化操作界面。（2）所有实验参量设置都是从触控屏上点击选择相应参量后，通过旋转光电编码器旋钮调节量值。3
3 四、【实验仪器介绍】 本实验仪器由操控主机和 SHZ-EWF1 型电子管基座两部分组成，如图 1.4 所示。 操控主机面板从左至右依次为触摸控制屏、电子编码器电压/电流调节旋钮和线路接 口。电子管基座包括两部分，安装在一个铁箱的 A、B 两面，分别用于金属电子逸出 功和弗兰克—赫兹实验（一套仪器用于两个实验），由线路接口和相应的电子管组 成。 a 操控主机 b 电子管基座 A 面与 B 面 图 1.4 电子管综合实验仪 操控主机面板介绍： 如图 1.4a 所示，操控主机面板上有高精度触控屏、电压/电流调节旋钮、示波器接 口、电子管基座接口四部分。 1．高精度触控屏 （1）显示屏为触摸式图形化操作界面。 （2）所有实验参量设置都是从触控屏上点击选择相应参量后，通过旋转光电编码 器旋钮调节量值。 高精度触控屏 调节旋钮 示波器接口 电子管基座接口 图 1.2 外推法求零场电流 图 1.3 实验电路图 0 5 10 T1 T2 T3 T4 T5 5 4 . T T T i lg a I Ua lg I
2.调节旋钮（1）该旋钮为各参量共用调节旋钮。（2）在触控屏上点击选中需要调节的参量，再旋转钮调节参量数值大小。3.示波器接口（1）用来将弗兰克一一赫兹实验电流信号连接到示波器上显示。（2）“示波器”、“同步信号”插座分别接示波器上的“信号输入”、“同步输入”端。4.电子管基座接口（1）在金属电子逸出功实验中，接电子管基座“金属电子逸出功实验”面板接口（如图1.5a）。（2）在弗兰克一一赫兹实验中，接电子管基座“弗兰克赫兹实验”面板接口（如图1.5b)。灯丝电NVG2电压：00·5电子管综合卖脸线a金属电子逸出功实验b弗兰克一赫兹实验图1.5电子管基座接口连线图五、【实验内容及步骤】1.按照图1.5a连接好实验电路，接通电源。2.调节二极管灯丝电流I，，在0.6~0.7A之间每隔0.03A或0.04A进行一次测量。对于每一灯丝电流，预热3~5分钟，对应温度按照：T=920+1600I，求得（如果阳极电流1。偏小或偏大，也可适当增加或降低灯丝电流1）。3：对应每一灯丝电流，在阳极上依次加上25V，36V，49V，64V，81V，100V，121V，144V电压，各测出一组阳极电流1。填入表1.1。单位：uA表1.1不同灯丝电流和阳极电压U.对应的阳极电流I.值Ua121V144V25V36V49V64V81V100VIf0.600A0.630A4
4 2．调节旋钮 （1）该旋钮为各参量共用调节旋钮。 （2）在触控屏上点击选中需要调节的参量，再旋转钮调节参量数值大小。 3．示波器接口 （1）用来将弗兰克——赫兹实验电流信号连接到示波器上显示。 （2）“示波器”、“同步信号”插座分别接示波器上的“信号输入”、“同步输入” 端。 4．电子管基座接口 （1）在金属电子逸出功实验中，接电子管基座“金属电子逸出功实验”面板接口 （如图 1.5a）。 （2）在弗兰克——赫兹实验中，接电子管基座“弗兰克赫兹实验”面板接口（如图 1.5b）。 a 金属电子逸出功实验 b 弗兰克—赫兹实验 图 1.5 电子管基座接口连线图 五、【实验内容及步骤】 1．按照图 1.5a 连接好实验电路，接通电源。 2．调节二极管灯丝电流 f I ，在 0.6~0.7A 之间每隔 0.03A 或 0.04A 进行一次测量。 对于每一灯丝电流，预热 3~5 分钟，对应温度按照：T = 920+1600 f I 求得（如果阳 极电流 a I 偏小或偏大，也可适当增加或降低灯丝电流 f I ）。 3．对应每一灯丝电流，在阳极上依次加上 25V，36V，49V，64V，81V，100V， 121V，144V 电压，各测出一组阳极电流 a I 填入表 1.1。 表1.1 不同灯丝电流If 和阳极电压Ua对应的阳极电流Ia值 单位：uA Ua If 25V 36V 49V 64V 81V 100V 121V 144V 0.600A 0.630A
0.670A0.700A五、【注意事项】1.实验开始前连接线路及实验后拔除线路时，请勿触碰线路金属部分，避免高压对身体造成伤害；2.因实验过程中可能长期处于高压状态，故机箱温度较高，实验数据采集结束后请及时降压或关闭试验仪，同时注意降温；3.实验所有电子管因生产原因性能不会完全一致，故不同电子管相同灯丝电流灯丝温度不相同，所逸出电流数值不会完全一致，但不影响逸出功拟合计算结果，亦可用多个电子管实验计算平均值以减小误差。仪器测试饱和电流上限为630uA左右，一般建议实验灯丝电流不超过0.7A。5
5 0.670A 0.700A 五、【注意事项】 1．实验开始前连接线路及实验后拔除线路时，请勿触碰线路金属部分，避免高压对 身体造成伤害； 2．因实验过程中可能长期处于高压状态，故机箱温度较高，实验数据采集结束后请 及时降压或关闭试验仪，同时注意降温； 3．实验所有电子管因生产原因性能不会完全一致，故不同电子管相同灯丝电流灯 丝温度不相同，所逸出电流数值不会完全一致，但不影响逸出功拟合计算结果，亦可用 多个电子管实验计算平均值以减小误差。仪器测试饱和电流上限为 630uA 左右，一般建 议实验灯丝电流不超过 0.7A