钨逸出功的测定

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1、钨逸出功的测定实验目的(1) 学会用查逊(Richardson)直线法测定钨的逸出功。2) 学习图表法数据处理的方法。3) 熟悉 WF-6 逸出功测定仪的使用，并理解其工作原理实验原理电子从金属中逸出，需要能量增加电子能 量有多种方法，如用光照、利用光电效应使电子 逸出，或用加热的方法使金属中的电子热运动加 剧，也能使电子逸出本实验用加热金属，使热 电子发射的方法来测量金属的逸出功如图 1 所示，若真空二极管的阴极(用被测 金属钨丝做成)通以电流加热，并在阳极上加以 正电压，在连接这二个电极的外电路中将有电流 通过这种电子从加热金属线发射出来的现象， 称为热电子发射研究热电子发射的目的之一，是

2、选择合适的阴极材料诚然，可以在相同加热温度下测量不 图1同阳极材料的二极管的饱和电流，然后相互比较，加以选择但通过对阴极材料物理性质的研究来掌握其热电子发射的性能，是带有根本性的工作，因而更为重要在通常温度下由于金属表面与外界(真空)之间存在一个势垒W ,所以电子要 从金属中逸出必须至少具有能量W ,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 aW =W -W=e0 a fW称为金属电子的逸出功，其常用单位为电子伏特(eV),它表征要使处于绝对零 0度下的金属中具有最大能量的电子逸出金属表面所需要给予的能量.称为逸出 电位，其数值等于以电子伏特表示的电子逸出功热电子发射就是用提高阴极

3、温度的办法以改变电子的能量分布，使其中一部 分电子的能量大于W，使电子能够从金属中发射出来因此，逸出功的大小对热 电子发射的强弱具有决定性作用.1热电子发射公式根据费米-狄拉克能量分布公式，可以导出热电子发射的里查逊一杜什曼 (Richar-dson-Dushman) 公式：eI = AST2 ekT ,(1)式中I为热电子发射的电流强度，单位为A; A为和阴极表面化学纯度有关的系 数，单位为A/crw C2； S为阴极的有效发射面积，单位为cm2； k为玻尔兹曼常 数(k = 1.38 X10-23j/K).原则上我们只要测定I，A，S和T，就可以根据式(1)计算出阴极材料的逸出功，但困难在

4、于A和S这两个量是难以直接测定的，所以在实际测量中常用下 述的里查逊直线法，以设法避开A和S的测量.2 里查逊直线法将式(1)两边除以T2,再取对数得到Ie1log = log AS -= log AS - 5.04 x 1030T2&2.30KTT .(2)从式(2)可以看出，log T2与1/T成线性关系如果以log T2作纵坐标，以1/T 为横坐标作图，从所得直线的斜率即可求出电子的逸出电位，从而求出电子的 逸出功eO.这个方法叫做里查逊直线法，它的好处是可以不必求出A和S的具 体数值，直接从I和T就可以得出的值，A和S的影响只是使log T2 1/T直线 平行移动.这种实验方法在实验、

5、科研和生产上都有广泛应用.3从加速场外延求零场电流为了维持阴极发射的热电子能连续不断地飞向阳极，必须在阴极和阳极间外 加一个加速电场E 然而由于E的存在使阴极表面的势垒E降低，因而逸出功 减小，发射电流增大这一现象称为肖脱基(Scholtky)效应.可以证明，在加速 电场E的作用下，阴极发射电流I与E有如下的关系：aaa!0.439； E严aIa = 1 e T .(3)式中，I和I分别是加速电场为E和零时的发射电流对式(3)取对数得aalogIa=log I +2.30Ta(5)log Ia=log I +(4)如果把阴极和阳极做成共轴圆 柱形，并忽略接触电位差和其 它影响，则加速电场可表示

6、为Ua1 r r ln 2- 1r1式中， r 和 r 分别为阴极和阳 极的半径， U 为加速电压将式 (5)代入式(4)得0.4391U2.30Tr “1由式(6)可见，在一定的温度T和管子结构下，logl和 巧成线性关系如果以alogl为纵坐标，以辺为横坐标作图，此直线的延长线与纵坐标的交点为logl.由a此即可求出在一定温度下，加速电场为零时的发射电流1（如图2所示）.综上所述，要测定金属材料的逸出功，首先应该把被测材料做成二级管的阴极当测定了阴极温度T，阳极电压U和发射电流I后，通过数据处理，得到零 aa场电流I，然后即可求出逸出功ee（或逸出电位）来了.实验仪器根据上述实验原理，本实

7、验全套仪器采用 WF-6 型逸出功测定仪.本仪器具 有以下特点：1. 本仪器将所有的电源和测量电表集成在一起，免去了外部连线，缩小了 实验场地。2. 本仪器采用数字化技术，将所有的模拟量都通过模数转换器转换成数字 量进行测量，结果都以数字显示，清除了人为的因素，提高了实验的精 度。使整机的误差缩小到了 2左右。3本仪器采用了微处理器控制，大屏幕的LCD显示器，将所有的测量菜单， 表格都可以显示出来，操作直观，另外所有的数据处理，直线拟合均有 微处理器自动完成，减少了处理过程中的舍入误差的积累，提高了处理 的精度。此外还具有评判功能，对学生的实验结果做出评价。还可以通 过 RS-232 接口将数

8、据传送到电脑上进行详细的分析。实验步骤1 打开仪器进入主菜单，预热5- 10分钟，以便使测量结果稳定主菜单如图所示：主菜单1）数据测量2）数据处理3）列表显示4）拟合曲线5）数据清除6）检查验收7）自动演示8）设备说明上下 左 右II确定II通过上下左右键可以使光标移动到所需要的项目上，按确定便可进入 该项功能。2数据测量。测量界面如下图所示:II灯丝电流：xxxxAII操作IIII灯丝温度： xxxxC第 01 组IIIIIIII选择IIII阳极电压阳极电流II上IIII1： xxxxV1： xxxxmAII下IIII2： xxxxV2： xxxxmAIIIIII3： xxxxV3： xxx

9、xmAII调节IIII4： xxxxV4： xxxxmAII加IIII5： xxxxV5： xxxxmAII减II|6：xxxxV6：xxxxmA|7：xxxxV7：xxxxmA|8：xxxxV8：xxxxmA| 确定量程/1测量 |此项共需测量五组数据，测完一组后自动进入下一组，五组测完后 自动返回主菜单。每一组第一测的是灯丝电流，测一次，通过上下建可 以调整电流大小，注意每组的电流的间隔应大小适中电流调整后需要一 定时间才能达到热平衡。电流确定后相应的灯丝温度也就确定了。测 完灯丝温度后，按左右建测量阳极电压，在实时测量时上下键调整阳极 的电压，测完后锁定电压。测量阳极电流，在灯丝电流较小

10、时可以通过 切换量程，合适的量程应该尽量使阳极电流的数值具备3位有效数字。 阳极电流稳定后进行下一个测量，鉴别电流稳定的标准是读数长时间在 某一个值的附近波动1-2即可。注意事项：(1) 在每次开始测量逸出功时，应首先查看上次的数据是否已被清除， 未清除应清除上一次所测数据，以免引起不必要的错误。(2) 在取灯丝电流时，宜从0.5500.750之间以均匀间隔选取(参考值 0.550, 0.600，0.650, 0.700，0.750，只要电流值在所选值附近 即可)(3) 在选取阳极电压Ua时,尽量保持在20150之间,且保持Ua的根号值 为一个均匀分布,参考值25,36,49,64,81,10

11、0,121,144.且最好先 从最大值向最小值取值(避免大电压对应的电流超出原先所选的 量程)(4) 灯丝电流较大时(温度较大时)，注意选择合适的量程，确保阳极电 没有超出其所能测的数据范围，阳极电流的数据范围是0T023且 每组只能用一个量程测量，阳极电流的实际值为显示值/量程。(5) 必须测量五组灯丝温度及其所对应阳极电流值，并且每一组(对应 于一个灯丝温度)都要取8个阳极电压和所对应的阳极电流值.否则 数据处理出错.3数据处理。包括原始数据转换，最小二乘拟合等，数据处理完后返回主菜单。4 列表显示。把结果(包括原始数据和处理过的中间数据)以表格的形式显示。表格 如实验数据中表一和表二所示

12、。5 曲线拟合。阳极电流随阳极电压的变化关系和零电场发射电流与灯丝温度的关系 图表的形式显示出来。其中零电场发射电流是通过外延法测得的。曲线如实 验数据中图一和图二所示。6 测量完后进行检查验收，若合格将数据保存后并进行数据清除；若不合格将数据清除并重做直至合格为止。实验数据1原始数据灯丝温度：1815K阳极电压阳极电流127.1 V0.704 mA234.8 V0.723 mA350.3 V0.748 mA465.7 V0.770 mA581.1 V0.790 mA696.3 V0.810 mA7119.3V0.836 mA8142.2V0.856 mA量程 1/100 第 1 组灯丝温度：

13、 1897K阳极电压阳极电流1142.4V0.367 mA2119.4V0.357 mA396.4 V0.344 mA481.2 V0.336 mA565.8 V0.327 mA650.4 V0.318 mA735.0 V0.306 mA827.2 V0.298 mA量程 1/10 第 2 组灯丝温度： 1972K阳极电压阳极电流127.3 V0.781 mA235.0 V0.805 mA350.4 V0.832 mA465.8 V0.864 mA581.2 V0.883 mA696.4 V0.896 mA7119.4V0.921 mA8142.5V0.947 mA量程 1/10 第 3 组灯

14、丝温度： 2054K阳极电压阳极电流1142.4V0.323 mA2119.6V0.315 mA396.8 V0.306 mA481.5 V0.301 mA566.1 V0.294 mA650.7 V0.286 mA735.3 V0.276 mA827.6 V0.269 mA量程 1/1 第 4 组灯丝温度：2134K阳极电压阳极电流1144.6V0.920 mA2119.9V0.899 mA397.3 V0.877 mA482.1 V0.864 mA566.9 V0.849 mA651.6 V0.828 mA736.2 V0.799 mA828.6 V0.777 mA2中间数据量程 1/1 第 5 组T(K)18151897197220542134Logl-5.216-4.593