夫兰克-赫兹实验中影响板极电流因素浅析

通过公式与绘图比对实验测得的数据,研究电子与氩原子的夫兰克-赫兹实验中不同阴极电压、第一栅极电压、反向电压下,板极电流随加速电压的变化情况。分析板极电流发生变化的规律及原因,观察测得数据及其绘制的夫兰克-赫兹曲线找出对实验研究负向影响最小的阴极电压、第一栅极电压、反向电压的参考数值。     

用汞管研究弗兰克-赫兹实验中的电离问题

在弗兰克-赫兹实验中会观察到板极电流振荡曲线在某个电压下突然升高,振荡消失的现象,此时管子内部气体被击穿,产生大量离子和电子.由此产生一个疑问:原子电离是从何时开始的?是只存在于击穿过程中,还是早在击穿之前就存在了呢?通过电流放大器测量栅极G1的电流随栅极G2电压的变化曲线,观察到电流的逐步下降和突然反向的现象,获得了原子电离的直接证据,它说明:不仅在击穿时原子被电离,在击穿之前就存在着电离的过程,电离的数量随着加速电压增大而增多,击穿是电离增多到某种程度的突然放大。该发现的延伸意义是:既然有电离的存在,也就有各种高激发的存在,弗兰克-赫兹实验曲线是多种激发的综合结果,不能只考虑单一能级的激发。     

多模式离子推力器栅极系统三维粒子模拟仿真

栅极系统是离子推力器推力产生的主要部件,推力器的性能和寿命都与栅极系统密切相关.对于具有多种工作模态的离子推力器,基于电流电压入口的仿真可以有效评估推力器的工作状况.采用三维粒子模拟方法对两栅极系统等离子体输运过程进行了仿真,获得了不同模式下的推力器性能参数,对比NSTAR的在轨测试参数,验证了模型的正确性;分析了工作模式变化对栅极区域电场分布和束流状态的影响以及离子推力器多模式设计需求.分析结果表明:远离栅极系统的外凸型屏栅鞘层和内凹型零等势面、低鞍点电势值和平缓的下游电势分布,有利于提高栅极系统离子通过率,抑制电子返流,减小Pits-and-Grooves腐蚀,是离子推力器工作模式的设计方向;提高束流电压会导致发散角损失增大,但可扩展栅极工作电流范围,在束流强度较大的模式下,使束流具有较好的聚焦状态,有利于减小Barrel腐蚀.研究结果为多模式离子推力器工作模式设计提供了参考.     

弗兰克-赫兹实验物理分析新视角

弗兰克-赫兹实验的板极电流是积分实验量,不能准确描述弗兰克-赫兹管中热电子能量分布和能量交换规律.采用仿I-V分析法引入弗兰克-赫兹管等效电阻,可直观地体现热电子与管中原子能量交换的共振吸收物理图象.认为管中热电子运动犹如江水奔流“后浪推前浪”,在一系列不同G2栅极电位条件下,改变减速电压VG电流,深入分析热电子“重聚—共振”周期规律的物理原理.实验发现,处于能量交换区共振激发而失去动能的电子在管中形成负电本底且部分屏蔽G2栅极电场的加速作用.这一现象不仅导致其他电子需要比预期更高VG共振激发的能量,而且延缓了下次电子重聚进程.     

弗兰克-赫兹实验中电流变化的研究

弗兰克-赫兹实验对于学生学习和理解量子现象有重要作用，通过理论推导和实验，研究电子在F-H管中的运动情况；分析减速电压、加速电压对电流强度的影响；第一栅极电压对电子能量的影响，通过实验研究栅极电压、时间步距对电流强度的作用情况。结果显示减速电压、栅极电压和时间步距对电子的振荡有影响；第一栅极电压也会使电流产生周期性变化。针对实验现象，提出一些可能的解释，这对物理实验教学有一定启发。     

夫兰克-赫兹实验控制栅电压对板流的作用探究

针对夫兰克-赫兹实验中反复发现的板极电流随控制栅电压的增大先增大后减小这一非单调性变化趋势,就控制栅电压对板极电流的作用机理展开实验探究与理论分析.在说明控制栅电压通过抑制空间电荷限流效应而对板流起增大作用外,本文着重基于冉绍尔-汤森效应、分子动理论、傅里叶导热定律及碰撞空间与碰撞概率理论揭示了控制栅电压通过削弱阴极本底电流与增大碰撞概率对板极电流的减小作用,并结合阴极发射理论提出了上述双重作用在控制栅电压不同变动范围内的主导性互换机制,最终形成了完整的控制栅电压对板流的双重对立作用机理.     

栅极热变形对离子推力器工作过程影响分析

栅极热变形是影响离子推力器性能和寿命的重要因素. 采用三维粒子方法对栅极系统等离子体输运过程进行模拟, 对比、分析栅极热变形前后栅极系统的电子返流限制、导流系数限制、离子通过率和发散角损失. 结果表明: 栅极热变形增大了屏栅离子通过率和推力器推力值, 并由于加速栅截止电流阈值的提高拓展了推力器工作电流区间, 但电子返流阈值的明显降低对栅极系统可靠工作造成了不利影响.     

B-A型电离真空计中的电子振盪现象

本文叙述了在实验中发现的B-A型电离真空计在超高真空中工作时,当栅极电子电流增加到某一数值之后,收集极离子电流有突变的不规则非线性变化。根据Barkhauszen电子振荡理论进行计算,初步肯定这种现象是由于产生强烈的Barkhauszen型电子振荡所造成;至于形成振荡的条件和原因尚待进一步研究。     

氙原子散射截面反常现象的观测分析

加速电子与充氙闸流管中的氙原子碰撞,电子被散射.实验测量了77 K及室温状况下管中的栅极及板极电流.通过计算,得出了散射概率、散射截面与电子能量的关系.结果表明,当电子能量约为1 eV时出现较弱散射概率,散射截面出现极小值,得出了与冉绍尔-汤森效应一致的结论.介绍了实验过程中的补偿和修正方法,并对影响实验结果的因素进行了分析.     

2 cm电子回旋共振离子推力器离子源中磁场对等离子体特性与壁面电流影响的数值模拟

电子回旋共振离子推力器(electron cyclotron resonance ion thruster,ECRIT)离子源内等离子体分布会影响束流引出,而磁场结构决定的ECR区与天线的相对位置共同影响了等离子体分布.在鞘层作用下,等离子体中的离子或电子被加速对壁面产生溅射,形成壁面离子或电子电流,造成壁面磨损和等离子体损失,因此研究壁面电流与等离子体特征十分重要.为此本文建立2 cm ECRIT的粒子PIC/MCC(particle-in-cell with Monte Carlo collision)仿真模型,数值模拟研究磁场结构对离子源内等离子体与壁面电流特性的影响.计算表明,当ECR区位于天线上游时,等离子体集中在天线上游和内外磁环间,栅极前离子密度最低,故离子源引出束流、磁环端面电流和天线壁面电流较低.ECR区位于天线下游时,天线和栅极上游附近的等离子体密度较高,故离子源引出束流、天线壁面电流和磁环端面电流较高.腔体壁面等离子体分布与电流受磁场影响最小.