卢瑟福散射实验教学仪 技术领域 本发明涉及一种卢瑟福散射实验教学仪，属物理教学仪器技术领域。
背景技术 卢瑟福散射是近代物理学发展史中最具影响力的重要实验之一，为原子的有核模型提供了最直接的实验证据，是大学物理学课堂上讲授的基本物理内容之一。但是长期以来，国内学校一直没有相应的教学实验设备，国外麻省理工、斯坦福等著名大学自制的类似装置都需要在真空室内手动改变散射角度，体积较大，使用也不方便。
发明内容 本发明的目的是提出一种卢瑟福散射实验教学仪，以填补国内无类似教学仪器的空白，并缩短实验的时间，使卢瑟福散射实验作为一个教学实验而在高等教学中得到应用。
本发明提出的卢瑟福散射实验教学仪，包括真空散射室、前置放大器、步进电机、放射源与准直器、旋转靶台、半导体探测器与准直器以及控制系统，真空散射室的外壳上设有抽气口、放气口和信号与电源插座。前置放大器、步进电机、放射源与准直器、旋转靶台和半导体探测器与准直器置于真空散射室内，步进电机通过传动机构与旋转靶台联动，放射源与准直器置于旋转靶台的滑槽上，旋转靶台的圆心上设有金箔靶，半导体探测器与准直器置于前置放大器的前端，半导体探测器与准直器地中心线和放射源与准直器的中心线重合。控制系统包括：用于控制步进电机的步进控制器、用于对来自α探测器的信号进行放大的前置放大器、用于为前置放大器提供电源的低压电源、用于为α探测器提供偏置电压的偏置电源、用于对前置放大器的输出信号放大成形的线性放大器以及用于对来自线性放大器的信号进行计数的计数器。
本发明提出的卢瑟福散射实验教学仪，采用步进电机控制散射靶的转动，可以在不破坏真空的情况下改变探测角度，因此缩短了实验时间，使得卢瑟福散射实验作为一个教学实验受到大学学生的欢迎。利用本发明设计的教学仪，可以让学生掌握以下知识：
1、初步了解近代物理中有关粒子探测技术和相关电子学系统的结构，熟悉半导体探测器的使用方法；
2、实验验证卢瑟福散射的微分散射截面公式；
3、测量α粒子在空气中的射程。
【附图说明】
图1是本发明设计的教学仪的结构示意图。
图2是教学仪的控制系统的结构框图。
图1中，1是抽气口，2是前置放大器，3是真空散射室，4是信号与电源插座，5是步进电机，6是传动机构，7是准直器固定螺丝，8是放射源与准直器，9是金箔靶，10是旋转靶台，11是放气口，12是半导体探测器与准直器。
【具体实施方式】
本发明提出的卢瑟福散射实验教学仪，其结构如图1所示，包括真空散射室3、前置放大器2、步进电机5、放射源与准直器8、旋转靶台、半导体探测器与准直器12以及控制系统。真空散射室3的外壳上设有抽气口1、放气口11和信号与电源插座4。前置放大器2、步进电机5、放射源与准直器8、旋转靶台10和半导体探测器与准直器12置于真空散射室3内，步进电机5通过传动机构6与旋转靶台10联动，放射源与准直器8置于旋转靶台10的滑槽上，旋转靶台10的圆心上设有金箔靶9，半导体探测器与准直器12置于前置放大器2的前端，半导体探测器与准直器12的中心线和α放射源与准直器8的中心线重合。控制系统包括：用于控制步进电机的步进控制器、用于对来自α探测器的信号进行放大的前置放大器、用于为前置放大器提供电源的低压电源、用于为α探测器提供偏置电压的偏置电源、用于对前置放大器的输出信号放大成形的线性放大器以及用于对来自线性放大器的信号进行计数的计数器。
本发明设计的卢瑟福散射实验教学仪，其工作流程如下。
α粒子穿透能力非常弱，为了避免空气的影响，整个散射装置安装在真空室3中，真空度优于100Pa即可以满足要求。散射角的改变是通过控制步进电机5和传动机构6实现的。步进电机转动时通过6带动旋转靶台10，靶台上固定着α放射源与准直器8和金箔靶9，这样探测器可以接收到散射角不同的α粒子。装置中半导体探测器与准直器12的中心线和α放射源与准直器8的中心线重合，并且旋转靶台10的旋转中心在半导体探测器与准直器12和α放射源与准直器8的中心线上。通过准直器固定螺丝7可以固定α放射源与准直器8，进行卢瑟福散射实验；松开准直器固定螺丝7，α放射源与准直器8可以在旋转靶台10的滑槽上滑动，进行α粒子在空气中的射程实验。
本发明的电子学测量与控制系统如框图2所示，各部分功能如下：
步进控制器：清华能源公司，型号TN1032，通过它控制步进电机就可以实现在真空室外改变散射角，不需要每测量一个角度的数据便打开真空室转换角度。利用步进电机固有定位准确的特性，简单的开环控制即可达到所需精度的控制。
步进电机：常州微特电机总厂，型号42BYG。
α探测器：北京261厂，型号GM-5，α粒子打到探测器上，会产生脉冲信号，输出电荷量和α粒子的能量成正比。
前置放大器：清华能源公司，型号TN1050，放大来自α探测器的信号，和探测器装配成一体，放置在真空室中。
低压电源：北京261厂，型号BH1222，为前置放大器和其他单元供电。
偏置电源：清华能源公司，型号TN1027，为α探测器提供偏置电压。
线性放大器：北京261厂，型号BH1218，对前置放大器的输出信号进一步放大成形。
计数器：清华能源公司，型号TN1026，对来自线性放大器的信号进行计数。