微波布拉格实验

k(k 0,1,2,)
时，两束波干涉加强，得到各级极大值。当
(2k 1) (k 0,1,2,) 2
时，两束波干涉减弱，得到各级极小值。 当可动反射板移动距离 L，两束波的程差改变了 2L。若从某一极小值 开始移动可动反射板，使接收喇叭收到的信号 N 个极小值，即微安表指示 出现 N 个极小值，读出移动的距离 L，则
微波振荡器的匹配调节如下，图 2 中体效应二极管的插入深度是可调 的。调节方法是在上下两个螺钉中先松开一个，调紧另一个。反复调节直 至微波发生器的发射功率最大。在旋进螺钉时切勿用力过猛而挤碎二极管。 微波振荡器从固定端到二极管的长度是由设计者确定的，是微波的波导波 长的 1/4，这样的装置中谐振频率是一定的。体效应二极管在出厂前，厂 家已将其工作电压，输出效率与输出功率等数据给出。购置体效应二极管 时要注意选择输出频率与谐振腔的谐振频率相近的。保护好体效应二极管 十分重要。螺纹电极应接负，切勿接错。其工作电压必须小于最大电压。 要防止偏置回路中产生低频振荡。
微波实验
微波技术是近代发展起来的一门尖端科学技术，它不仅在通讯、原子 能技术、空间技术、量子电子学以及农业生产等方面有着广泛的应用，在 科学研究中也是一种重要的观测手段，微波的研究方法和测试设备都与无 线电波的不同。从图 1 可以看出，微波的频率范围是处于光波和广播电视 所采用的无线电波之间，因此它兼有两者的性质，却又区别于两者。与无 线电波相比，微波有下述几个主要特点
微波接收器装置如图所示。它是由检波二极管 2、接收喇叭 4 和衰减器 3 组成。接收喇叭将 TEM 波转变为 TE10 波在波导中传播。衰减器的腔内 有一舌形薄片，片上涂有吸收微波的薄膜，调节舌形薄片插入波导的深度， 可以控制微波通过量。在波导管的宽边中以同轴结构将检波二极管置于波 导内构成检波器。常用的检波二极管是 2DV14C 型的硅二极管。接收器的 尾端装一调谐短路活塞 1，作调谐用。调谐短路活塞要很好地与波导管壁 接触，避免出现火花。
1. 学习微波的基本知识； 2. 了解微波在波导中传播的特点，掌握微波基本测量技术； 3. 学习用微波作为观测手段来研究物理现象。
微波基本知识
一、电磁波的基本关系 描写电磁场的基本方程是：
D ，
B 0
E B
，
t
⑴
和
D E ，
B H ，
本仪器发出的微波波长为 32.02cm。 1．微波的特性 微波是电磁波频谱中极为重要的一个波段，波长在 1mm~1m 之间，频
率为 3108 ~ 31011Hz。其特点为： ①波长短。具有直线传播和良好的反射特性，在通讯、雷达、导航等
方面得到广泛应用。 ②频率高。周期和电子在电子管内部的电极间渡越时间相近，必须采
图 1 电Байду номын сангаас波的分类
1．波长短(1m —1mm)：具有直线传播的特性，利用这个特点，就能 在微波波段制成 方向性极好的天线系统，也可以收到地面和宇宙空间各种物体反射回来的 微弱信号，从而 确定物体的方位和距离，为雷达定位、导航等领域提供了广阔的应用。
2．频率高：微波的电磁振荡周期(10-9 一 10-12s)很短，已经和电子管中 电子在电极间的飞越时间(约 10-9s)可以比拟，甚至还小，因此普通电子管 不能再用作微波器件(振荡器、放大器和检波器)中，而必须采用原理完全 不同的微波电子管(速调管、磁控管和行波管等)、微波固体器件和量子器 件来代替。另外，微波传输线、微波元件和微波测量设备的线度与波长具 有相近的数量级，在导体中传播时趋肤效应和辐射变得十分严重，一般无 线电元件如电阻，电容，电感等元件都不再适用，也必须用原理完全不同 的微波元件(波导管、波导元件、谐振腔等)来代替。
实验：微波干涉和布拉格衍射
一、 实验目的 1、 进一步熟悉迈可尔逊干涉原理。 2、 了解微波的布拉格衍射。 3、 测量微波布拉格衍射的波长。 二、 实验仪器 1、 微波分光计。 2、 模拟晶体点阵架。 3、 反射板。 三、 微波简介
0
微波波长范围：1mm-1cm 的电磁波（ 108 1010 A ），不可见光。
3．微波在研究方法上不像无线电那样去研究电路中的电压和电流，而 是研究微波系统中的电磁场，以波长、功率、驻波系数等作为基本测量参 量。
4．量子特性：在微波波段，电磁波每个量子的能量范围大约是 10-6～ 10-3eV，而许多原子和分子发射和吸收的电磁波的波长也正好处在微波波 段内。人们利用这一特点来研究分子和原子的结构，发展了微波波谱学和 量子电子学等尖端学科，并研制了低噪音的量子放大器和准确的分子钟， 原子钟。(北京大华无线电仪器厂)
（1）调整模拟晶体 （2）改变角度 （3）测量 （4）比较 七、 数据记录 1、 测量微波波长
次数
1
2
3
4
5
量
L0 (mm )
L5 (mm)
2、 验证布拉格方程
( 0 c) I (A)
八、 数据处理 1、 测量微波波长
tp
5
(i )2
n1
n(n 1)
Er
100%
E
2、验证布拉格方程
2L 2(k N ) 1 (2k 1)
2
2
N
2L N
由此式可以求出微波的波长 。
固定反射板 半透射板
发射喇叭
接收喇叭 图4 微波干涉示意图
移动反射板
2、 微波的布拉格衍射 （1）晶体简介 （2）点阵常数 d （3）晶胞 （4）晶角 （5）100 面 （6）X 射线
X 射线的波长与晶格常数在同一数量级（108 cm ）；1895 年伦琴发现
用电磁场和电磁波理论的方法来研究它。低频中以集中参数表示的元件， 如电阻、电容、电感对微波已不适用，要改用分布参数表征的波导管、谐 振腔等微波元件来代替。
③穿透性，微波可以穿透地球周围的电离层而不被反射，不同于短波 的反射特性，可广泛用于宇宙通讯、卫星通信等方面。
④量子特性，在微波波段，单个量子的能量约为 10-6~10-3eV，刚好处 于原子或分子发射或吸收的波长范围内。为研究原子和分子结构提供了有 力的手段。
5．能穿透电离层：微波可以畅通无阻地穿越地球上空的电离层，为卫 星通讯，宇宙通讯和射电天文学的研究和发展提供了广阔的前途。
综上所述微波具有自己的特点，不论在处理问题时运用的概念和方法 上，还是在实际应用的微波系统的原理和结构上，都与普通无线电不同。 微波实验是近代物理实验的重要组成部分。
实 验目的
当
2d sin k(k 1,2,3)
时，两列波加强。此式为布拉格公式。 六、 实验内容与步骤 1、 微波波长的测量 （1）布图 （2）接通电源 （3）调节衰减器使最大电流不超过微安表的满度值（100 微安） （4）将移动反射板移到读数机构的一端，在此附近找出一个极小值的 位置，即微安表指在零或零的附近，记下读数机构上的读数。 （5）然后移动反射板，从微安表上测出 4 个极小值的位置，记录读数 机构上相应的数值。 （6）重复测量 5 次。 （7）计算波长。 2、 微波布拉格衍射强度分布的测量
2．微波的产生和测量 微波信号不能用类似无线电发生器的器件产生，产生微波需要采用微 波谐振腔和微波电子管或微波晶体管。 1) 谐振腔通常为其内表面用良导体制成的一个闭合的腔体。为提高品 质因数 Q，要求表面光洁并镀银。谐振频率取决于腔体的形状和大小。 2) 体效应二极管为利用砷化镓、砷化铟、磷化铟等化合物制成的半导 体固体振荡器。载流子在半导体的内部运动有两种能态，由于器件总有边
X 射线；并因此获得 1901 年的首届诺贝尔奖。 （7）为什么用微波可以代替 X 射线进行模拟 我们用的微波波长为 3cm，模拟晶体晶格常数为 4 cm，数量相当，满
足衍射条件。
d=2 a (110平面群)
Q
P
R
N
M
d=a (100平面群)
T S
图5 布拉格衍射示意图
（8）布拉格公式
由图知 PQ Q R 2d sin
检波器的阻抗匹配调节方法是通过调节检波二极管插入的深度及短路 活塞的位置来实现的。以经过二极管检波后的微安表指示最大为准，因这 时的微波转换效率最高。调好后将检波二极管的位置锁定。）
五、 实验原理 1、 微波波长的测量 利用迈可尔逊原理。如图。
设微波的波长为 ，经固定反射板反射到接收喇叭的波束与从可移动 反射板反射到接收喇叭的波束的波程差为 ，则当
射线对某一晶面族的 Bragg 衍射公式为
2d sin k(k 1,2,3)
其中，d 为相邻晶面间的距离， 为微波的波长， 为射线与晶面的 掠射角。
测量掠射角度为 20.0～60.0时模拟晶体衍射微波强度，求出模拟晶 体（100）晶面微波强度与掠射角度的关系曲线，由曲线求出模拟晶体（100） 晶面的 1 级（k=1）和 2 级（k=2）掠射角 1、2，利用实验中测量的波长 值，计算理论值 1、2。比较理论与实验值。其中 d100=a0。测量从 20 度 开始，对称地转动双臂，间隔每 1°纪录一次数据。步骤：
波导与喇叭内表面要反射微波，为了减少漫反射，加工要平整而光洁。
各微波元件连接处也要求平整。内表面因要通过面电流，故要镀银。为防 银氧化，再镀以金。
微波振荡器与检波器都可以看作一个同轴波导转换器。前者是把同轴 线内的振荡转换为波导内的电磁振荡。后者是把波导内的电磁波转换到同 轴线上。波导的阻抗与同轴结构的阻抗若不相同，在微波转换处会出现一 个反射界面，引起微波的反射，使转换效率变低。若转换处阻抗近乎均匀 过渡，则可防止电磁波的反射，从而提高微波的转换效率。
界面，且晶体杂质浓度不均匀，当外加电场为某一值时，会出现不稳定性， 即产生微波振荡。
3) 微波信号的检测，需要高频响应微波二极管。在微波范围内，二极 管的结电容对整流后的信号滤波，从而在二极管两端得到一直流电压，可 用微安表测量，其大小取决于微波信号的振幅。
四、 仪器介绍 微波分光计：用来观察、测量微波反射、折射、干涉、衍射的仪器。 主要由四部分组成：
接收
发射
图 1 微波分光计
1、发射部分：由固态振荡器产生的微波信号经过衰减器送至发射喇叭 天线，向外发射单一波长的微波信号。（相当于单色光）。
2、接收部分：接受喇叭天线、晶体检波器、微安表组成。 3、分度盘：测量转角。平台可以放置元件。 4、附件：用来做布拉格衍射、微波波长测量、单缝、双缝衍射的零件。 实验仪器——微波分光计 微波分光计是仿光学分光计设计的，如图 1。主要部分包括： 1）微波发生器 M 和发射喇叭 D，发出单一波长 的微波束。 2）简立方模拟晶体 C，晶格常量为 4.00cm。即用厚 4cm 的聚苯乙烯 泡沫板在表面嵌入 16 个金属球组成一方阵，相邻球间距离 4cm，并将四块 板叠成由 64 个金属球组成的简立方模拟晶体。 3）微波接收喇叭 T 和微安表 A，将接收到的微波信号转变为直流电 流，并由微安表显示信号的强弱。 4）晶体支架 B，用于安放模拟晶体，支架可绕中心轴旋转，周边有指 示旋转角度的刻度。 5）刻度盘 A，上面刻度用作指示入射波与反射波的方向，以确定角度
值。为防止仪器底座对微波的干扰，将发射喇叭 D 和接收喇叭 T 以及模 拟晶体高悬于支架之上。
微波发生器装置如图所示。（仅供参考：它是由一个微波振荡器和一个 喇叭形天线 4 组成。微波振荡器由一个三厘米波段矩形截面的波导管作谐 振腔 3 和一只体效应二极管 2 组成。谐振腔的一端通过一φ4~6mm 的圆孔 与一腔体可调的圆柱形稳频腔连通。接通电源后，体效应二极管在外加电 场作用下产生电流振荡。若匹配恰当，在谐振腔内的振荡产生 TE10 波的驻 波（横电波）。经过三公分波段的矩形波导，引出 TE10 波的行波。经发射 喇叭变为 TEM 波（横电磁波）。
(1) 理论值
s in 1
2d
，1
，1
sin 2
2 2d
，2
，2
（2）实验值
1 ，1
2 ， 2
（3）结论 九、 注意事项 1、 在测试之前，先定性观察，将电流值衰减至极大值不超过满度值
100 A 。
2、 注意头部在接收喇叭后面读数。相对稳定。 3、 注意区分衍射角（掠角）与入射角。 十、 思考题 1、 微波的干涉与光的干涉和衍射有何差异？ 2、 除干涉仪外，还有什么方法能测量微波的波长？ 3、 布拉格衍射有何用途？ 4、 如何减小测量误差？