金属电子逸出功实验中的温度测量
张卓
09271119
电子科学与技术0903
摘要：
介绍了红外测温仪技术的原理、红外测温仪的工作流程以及制作方法；进而对红外测温存在的误差进行分析和研究，从发射率误差、距离系数误差和环境误差方面给出相应的修正和解决办法，并制定了一套测量方案。
关键词：
红外测温、红外测温仪原理、发射率、距离系数、环境误差、结果修正。
背景：
在做金属电子逸出功实验时，许多同学都会感到实验过于简单，缺少一些实际测量步骤，比如对灯丝温度的测量。在以前的实验步骤中有测量灯丝温度这一项，是通过显微镜比较灯丝的颜色来确定灯丝的温度，但是这样的测量方法会带来很大的实验误差，使实验结果受较大影响；新的实验步骤里删去了测量灯丝温度这一项，通过查表可获得灯丝温度，虽然这样的实验方法可以获得准确的数据，但会使实验过程索然无味，也无法锻炼学生的实际动手能力。鉴于目前可行的技术手段，红外测温可行性和准确性较高，可利用其对灯丝温度进行测量，本论文主要对灯丝的红外测温进行设计和研究。
红外测温技术的原理：
红外测温技术的原理是基于自然界中一切温度高于绝对零度的物体，每时每刻都辐射出红外线，同时这种红外线辐射都载有物体的特征信息，这就为利用红外技术判别各种被测目标的温度高低和热分布场提供了客观基础。物体表现热力学温度的变化，使物体发热功率发生相应变化，其产生的热量在发出红外辐射的同时，还在周围形成一定的表面温度分布场。这种温度分布场取决于材料的热物理性，也就是物体内部的热扩散和物体表面温度与外界温度的热交换。可以在实验仪器中加入红外测温仪，通过红外测温仪进行灯丝温度的测量。
红外测温仪的工作原理及制作：
下面对红外测温仪的工作原理进行简述：当处于某一背景的被测物体辐射的能量通过大气媒介传输到红外测温仪上时，它内部的光学系统将目标辐射的能量会聚到探测器（传感器），并转换成电信号，再通过放大电路、补偿电路及线性处理后，在显示终端显示被测物体的温度。如下图所示
在实验室中可以按照上述工作原理制作简单的红外测温仪。
红外测温的误差分析及修正：
红外测温存在一定的误差，通过查找资料得知主要来自 I、；II、距离系数；III、环境因素。
发射率
由于发射率是与物体的材料以及测量方向有关，实验中每根灯丝是相同的，故其材料、形状、表面粗糙度、凹凸度是相同的；而且可以规定测温方向，所以实验的发射率误差基本相同，因此可以给出事先的修正值。
环境因素
对于环境因素而言，有研究数据如下表所示
从表中得知当环境温度与被测物体温度相差越大时，其误差越小；由于灯丝发光时温度会很高，所以与室内的温差会很大，故误差可以忽略。
距离系数
对于距离系数而言，有研究数据如下图所示
结果显示在距离测量目标5m左右时，测得的温度最接近实际温度。
通过以上分析可以得知，在实验室中用红外测温仪在距离被测物体5m左右，测量结果最准确。由于存在发射率误差，且误差确定，所以可对测量结果进行相应修正。
结束语：
在电子逸出功中实验中，增加红外测温这一项，既可以保证测量结果的准确性，又可以锻炼学生的实际动手能力，增强其对红外测温技术的应用。实验可采用多次测量求最佳值的方法，让实验者在距被测物体5米左右地方，从规定方向对目标测量10次求最佳值，并求出不确定度。
2010/10/9
参考文献：
【1】陆子凤,潘玉龙 ,王学进 ,孙强 ,谷立山 ,卢振武 ,刘益春. 目标到测试系统距离对红外测温精度的影响[J].红外技术, 2008,30(5).
【2】晏敏,彭楚武,颜永红,曾云,曾健平.红外测温原理及误差分析[J].湖南大学学报（自然科学版）,2004,31(5).
【3】才彬. 红外测温仪原理及应用[J]. 企业标准化 , 2005 ""(7).
第二篇：物理金属电子逸出功的测量实验数据处理
金属电子逸出功的测量
一、实验目的
1．了解热电子的发射规律，掌握逸出功的测量方法。
2．了解费米—狄拉克量子统计规律，并掌握数据分析处理的方法。
二、实验原理
（一）电子逸出功及热电子发射规律
热金属内部有大量自由运动电子，其能量分布遵循费米－狄拉克量子统计分布规律，当电子能量高于逸出功时，将有部分电子从金属表面逃逸形成热电子发射电流。电子逸出功是指金属内部的电子为摆脱周围正离子对它的束缚而逸出金属表面所需的能量。逸出功为
，其中为
位能势垒，
为费米能量。
由费米—狄拉克统计分布律，在温度
，速度在
之间的电子数目为：
（1）
其中h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数。选择适当坐标系，则只需考虑x方向上的情形，利用积分运算
(2)
可将（1）式简化为
(3)
而速度为
的电子到达金属表面的电流可表示为
（4）
其中S为材料的有效发射面积。只有
的电子才能形成热电流，将（3）代入（4）并在
范围积分，得总发射电流
(5)
其中
，(5)式称为里查逊第二公式。
（二）数据测量与处理
里查逊直线法：
将(5)式两边同除以T2后取对数，得
(6)
由（6）知
与1/T成线性关系，只需测量不同温度T下的
，由直线斜率可求得φ值，从而避免了A和S不能准确测量的困难。
发射电流的测量：
为有效收集从阴极材料发射的电子，必须在阴极与阳极之间加一加速电场Ea。而Ea降低了逸出功而增大发射电流，使测量到的发射电流值不是真正的Is，因此必须对实验数据作相应的处理。
由理论推导，可得以下关系：
(7)
从(7)式知，在选定的温度T下，
(Ua较大)为线性关系，通过作图法求得直线的截距，即得零场发射电流Is。
温度T的测量：
实验通过测量阴极加热电流If 来确定阴极温度T，两者关系已由厂家给出：
(8)
三、实验仪器
WF-3型电子逸出功测定仪，WF-3型数字电压电流仪，标准真空二极管。
四、实验内容
1.按图1连接好实验电路，检查无错后，接通电源，预热15分钟。
图1 热电子发射法测量金属电子逸出功实验电原理图
2.调节灯丝电流初始值为0.600A，每隔0.025A测量一次，共测8次。对应每个灯丝电流If,测量加速场阳极电压Ua分别为25、36、49、64、81、100、121、144V对应的阳极电流Is值,如表1。调节电压时应注意先粗调再细调；每次改变电流时要等待几分钟，使电流不再变化，表明此时温度已经稳定。
表1 不同灯丝电流If和阳极电压Ua对应的阳极电流Is’值（单位：10-6A）
利用（8）式 求得各灯丝电流对应的温度值。将（7）式表示为
，则将测得的发射电流
取以10为底的对数，将阳极电压开方，得到数据填入表2。
表2 不同温度T和下对应的阳极电流的对数值
由表2数据画出图形：
图2 不同温度下的 关系曲线
对不同温度下的
与对应的阳极电流的对数值 进行线性拟合，拟合形式Y = A + B * X，其中Y=,X=
，R为相关系数。结果如表3：
表3 不同温度下阳极电压与电流拟合函数
由表3可知，相应的直线截距值，即
，注意表3中Is单位为10-6A，应转换为A，
再运算求得各个对应的零场发射电流Is，如表4。
表4 不同温度下的零场发射电流及
表5 lg(Is/T2)~1/T 的关系
利用origin作图得到
关系如图3：
图3 关系
Y = A + B1 * X
Parameter Value Error
------------------------------------------------------------
A 0.59067 0.07948
B1 -22193.3 0.016
------------------------------------------------------------
R-Square(COD) SD N P
------------------------------------------------------------
0.99969 0.0102 8 <0.0001
则斜率 k 等于-22193.3
由 得:
则金属钨的电子逸出功为 
金属钨的电子逸出功公认值为 
则相对误差为 
实验总结
1、本实验需测量的数据主要是阳极电流，在不同的灯丝电流与阳极电压下测得。由于使用里查逊直线法分析，将公式（5）进行处理得到（6）式，使得实验上难以测量的电子发射面积S与受化学纯度、处理方法影响较大的A因子合并在一起，成为不影响实验结果的物理量，大大降低了实验操作难度，也使得实验只需测量不同条件下阳极电流便可进行。当然还需要记录实验环境，包括温度与湿度等。
2、实验中使用WF-3型数字电压电流仪来测量电压与电流。
3、本实验把阴极发射面限制在温度均匀的一定长度内而又可以近似地把电极看成是无限长的无边缘效应的理想状态，为了避免阴极的冷端效应和电场不均匀等边缘效应，在阳极两端各加装一个保护电极，他们与阳极同电位但与阳极绝缘，使用经过定标的“理想”二极管，配上恒流源对灯丝供电，从而稳定阴极的温度。操作上，每换一个温度，即每次改变灯丝电流时，要停留几分钟（大于等于5分钟），使得温度充分稳定后才进行发射电流的读数。