盧瑟福散射實驗教學儀的製作方法

2023-05-29 00:35:41 1

專利名稱：盧瑟福散射實驗教學儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種盧瑟福散射實驗教學儀，屬物理教學儀器技術領域。
背景技術：
盧瑟福散射是近代物理學發展史中最具影響力的重要實驗之一，為原子的有核模型提供了最直接的實驗證據，是大學物理學課堂上講授的基本物理內容之一。但是長期以來，國內學校一直沒有相應的教學實驗設備，國外麻省理工、斯坦福等著名大學自製的類似裝置都需要在真空室內手動改變散射角度，體積較大，使用也不方便。

發明內容
本發明的目的是提出一種盧瑟福散射實驗教學儀，以填補國內無類似教學儀器的空白，並縮短實驗的時間，使盧瑟福散射實驗作為一個教學實驗而在高等教學中得到應用。
本發明提出的盧瑟福散射實驗教學儀，包括真空散射室、前置放大器、步進電機、放射源與準直器、旋轉靶臺、半導體探測器與準直器以及控制系統，真空散射室的外殼上設有抽氣口、放氣口和信號與電源插座。前置放大器、步進電機、放射源與準直器、旋轉靶臺和半導體探測器與準直器置於真空散射室內，步進電機通過傳動機構與旋轉靶臺聯動，放射源與準直器置於旋轉靶臺的滑槽上，旋轉靶臺的圓心上設有金箔靶，半導體探測器與準直器置於前置放大器的前端，半導體探測器與準直器的中心線和放射源與準直器的中心線重合。控制系統包括用於控制步進電機的步進控制器、用於對來自α探測器的信號進行放大的前置放大器、用於為前置放大器提供電源的低壓電源、用於為α探測器提供偏置電壓的偏置電源、用於對前置放大器的輸出信號放大成形的線性放大器以及用於對來自線性放大器的信號進行計數的計數器。
本發明提出的盧瑟福散射實驗教學儀，採用步進電機控制散射靶的轉動，可以在不破壞真空的情況下改變探測角度，因此縮短了實驗時間，使得盧瑟福散射實驗作為一個教學實驗受到大學學生的歡迎。利用本發明設計的教學儀，可以讓學生掌握以下知識1、初步了解近代物理中有關粒子探測技術和相關電子學系統的結構，熟悉半導體探測器的使用方法；2、實驗驗證盧瑟福散射的微分散射截面公式；3、測量α粒子在空氣中的射程。


圖1是本發明設計的教學儀的結構示意圖。
圖2是教學儀的控制系統的結構框圖。
圖1中，1是抽氣口，2是前置放大器，3是真空散射室，4是信號與電源插座，5是步進電機，6是傳動機構，7是準直器固定螺絲，8是放射源與準直器，9是金箔靶，10是旋轉靶臺，11是放氣口，12是半導體探測器與準直器。
具體實施例方式
本發明提出的盧瑟福散射實驗教學儀，其結構如圖1所示，包括真空散射室3、前置放大器2、步進電機5、放射源與準直器8、旋轉靶臺、半導體探測器與準直器12以及控制系統。真空散射室3的外殼上設有抽氣口1、放氣口11和信號與電源插座4。前置放大器2、步進電機5、放射源與準直器8、旋轉靶臺10和半導體探測器與準直器12置於真空散射室3內，步進電機5通過傳動機構6與旋轉靶臺10聯動，放射源與準直器8置於旋轉靶臺10的滑槽上，旋轉靶臺10的圓心上設有金箔靶9，半導體探測器與準直器12置於前置放大器2的前端，半導體探測器與準直器12的中心線和α放射源與準直器8的中心線重合。控制系統包括用於控制步進電機的步進控制器、用於對來自α探測器的信號進行放大的前置放大器、用於為前置放大器提供電源的低壓電源、用於為α探測器提供偏置電壓的偏置電源、用於對前置放大器的輸出信號放大成形的線性放大器以及用於對來自線性放大器的信號進行計數的計數器。
本發明設計的盧瑟福散射實驗教學儀，其工作流程如下。
α粒子穿透能力非常弱，為了避免空氣的影響，整個散射裝置安裝在真空室3中，真空度優於100Pa即可以滿足要求。散射角的改變是通過控制步進電機5和傳動機構6實現的。步進電機轉動時通過6帶動旋轉靶臺10，靶臺上固定著α放射源與準直器8和金箔靶9，這樣探測器可以接收到散射角不同的α粒子。裝置中半導體探測器與準直器12的中心線和α放射源與準直器8的中心線重合，並且旋轉靶臺10的旋轉中心在半導體探測器與準直器12和α放射源與準直器8的中心線上。通過準直器固定螺絲7可以固定α放射源與準直器8，進行盧瑟福散射實驗；鬆開準直器固定螺絲7，α放射源與準直器8可以在旋轉靶臺10的滑槽上滑動，進行α粒子在空氣中的射程實驗。
本發明的電子學測量與控制系統如框圖2所示，各部分功能如下步進控制器清華能源公司，型號TN1032，通過它控制步進電機就可以實現在真空室外改變散射角，不需要每測量一個角度的數據便打開真空室轉換角度。利用步進電機固有定位準確的特性，簡單的開環控制即可達到所需精度的控制。
步進電機常州微特電機總廠，型號42BYG。
α探測器北京261廠，型號GM-5，α粒子打到探測器上，會產生脈衝信號，輸出電荷量和α粒子的能量成正比。
前置放大器清華能源公司，型號TN1050，放大來自α探測器的信號，和探測器裝配成一體，放置在真空室中。
低壓電源北京261廠，型號BH1222，為前置放大器和其他單元供電。
偏置電源清華能源公司，型號TN1027，為α探測器提供偏置電壓。
線性放大器北京261廠，型號BH1218，對前置放大器的輸出信號進一步放大成形。
計數器清華能源公司，型號TN1026，對來自線性放大器的信號進行計數。
權利要求
1.一種盧瑟福散射實驗教學儀，其特徵在於該教學儀包括真空散射室、前置放大器、步進電機、放射源與準直器、旋轉靶臺、半導體探測器與準直器以及控制系統，真空散射室的外殼上設有抽氣口、放氣口和信號與電源插座，所述的前置放大器、步進電機、放射源與準直器、旋轉靶臺和半導體探測器與準直器置於真空散射室內，步進電機通過傳動機構與旋轉靶臺聯動，放射源與準直器置於旋轉靶臺的滑槽上，旋轉靶臺的圓心上設有金箔靶，半導體探測器與準直器置於前置放大器的前端，半導體探測器與準直器的中心線和放射源與準直器的中心線重合；所述的控制系統包括用於控制步進電機的步進控制器、用於對來自探測器的信號進行放大的前置放大器、用於為前置放大器提供電源的低壓電源、用於為探測器提供偏置電壓的偏置電源、用於對前置放大器的輸出信號放大成形的線性放大器以及用於對來自線性放大器的信號進行計數的計數器。
全文摘要
本發明涉及一種盧瑟福散射實驗教學儀，屬物理教學儀器技術領域。該教學儀中，放射源與準直器置於旋轉靶臺的滑槽上，旋轉靶臺的圓心上設有金箔靶，半導體探測器與準直器置於前置放大器的前端，半導體探測器與準直器的中心線和放射源與準直器的中心線重合。控制系統包括用於對來自探測器的信號進行放大的前置放大器、用於為探測器提供偏置電壓的偏置電源、用於對前置放大器的輸出信號放大成形的線性放大器以及用於對來自線性放大器的信號進行計數的計數器。本發明提出的教學儀，採用步進電機控制散射靶的轉動，可以在不破壞真空的情況下改變探測角度，因此縮短了實驗時間，使得盧瑟福散射實驗作為一個教學實驗受到大學學生的歡迎。
文檔編號G09B23/00GK1529297SQ2003101003
公開日2004年9月15日 申請日期2003年10月14日 優先權日2003年10月14日
發明者鄧景康, 寧傳剛, 張巖平, 鄧慧 申請人:清華大學