电子束偏转实验

PAGEPAGE125实验十电子束实验Experiment10Electronbeamexperiment随着近代科学技术的发展，电子技术的应用已深入到各个领域，例如电子射线在电磁场中偏转和聚焦的规律，已在示波器、显像管、扫描电子显微镜等仪器设备中广泛应用。带电粒子在电场和磁场中运动规律，已成为掌握现代科学技术必不可少的基础知识。本实验研究电子在各种电场和磁场中的运动规律，了解电子束实验仪的结构和原理。实验目的Experimentalpurpose了解电场对电子加速的原理，掌握电子束在横向均匀电场作用下偏转的规律。了解电子束在横向磁场作用下偏转原理及规律。掌握高压万用表及电子束实验仪的使用方法。实验原理Experimentalprinciple示波器和电视机中用来显示图象的示波管都属于电子束管，都有产生电子束的系统和对电子束进行加速、聚焦、偏转和强度控制等系统。本实验分别讨论电子束的偏转特性及测量方法。示波管简介Briefintroductionoscillometer示波管的内部构造如图1所示，玻璃壳里抽成真空。接通电源后，灯丝发热，阴极发射电子。栅极加上相对于阴极的负电压，其作用有：一是调节栅压的大小以便控制阴极发射电子的强度，所以栅极也叫控制极；二是栅极电压和第一阳极电压构成一定的空间电位分布，使得由阴极发射的电子束在栅极附近形成一交叉点（实际是最一小截面），图中F为灯丝，K为阴极，G为栅极，A1、A2分别为第一、第二阳极，第一、第二阳极的作用一方面构成聚焦电场，使得由阴极发射的电子在聚焦电场的作用下又会聚起来；另一方面使电子加速。电子以高速打在荧光屏上使其发光，光亮度取决于达到荧光屏的电子数目和电子速度，改变栅压及加速电压的大小都可控制光点的亮度。图1示波管的结构纵、横偏转板Y、X图1示波管的结构电子束在电场中的加速和偏转Electronicbeamsaccelerateanddeflectintheelectricfield电子从阴极发射出来认为其初速度为零，经加速电场（其加速电压为U2）加速后,电子从电子枪“枪口”（最后一个加速电极A2的小孔）射出时的速度为，由下式确定：（1）在示波管的两块偏转板加上电压时，通过两板之间的电子束将受电场力的作用，电子束的运动方向发生偏转，现只研究偏转板上所加电压Ud与电子束射到屏上光点在纵向位移距离之间关系（X偏转板类同）。如图所示，令Z轴沿阴极射线管的轴线方向，从荧光屏看X轴为水平方向，Y轴为垂直方向。PAGEPAGE130设偏转板两板间距为，电位差为Ud。可将偏转板看作是平行板电容器，则两板间的电场强度是：（2）电子以速度沿Z轴方向垂直射入电场Ey中，则电子受电场力的作用，产生加速度：（3）由于电子在Z轴方向上不受力的作用，所以电子在垂直于电场方向上作匀速直线运动，电子从Y板左端运动到右端的时间为，再从右端运动到屏的时间是：。电子在平行于电场方向是初速为零的匀加速运动，所以，电子离开板的右端时的垂直位移： （4）在A点的垂直向下速度为：（5）电子离开板的右端时不再受电场力的作用，作匀速直线运动，到达屏上的垂直位移是=（6）电子在屏上的总位移：（7）令（为板的中心到屏的距离），由于，所以：（8）此式表明，偏转量S随Ud增加而增加，还与L成正比，与d成反比。U2增大时增大，偏转场作用时间减小，偏转量S随就减小。电偏转灵敏度定义：在偏转板上作用单位偏转电压，所引起的电子束在荧光屏上光点偏转的距离大小，即：（9）图3偏转的磁场一般以mm/v为单位。与加速电压U2成反比，要获得较高的灵敏度，应使U2较小，一般加速电压U2取1~2kV。图3偏转的磁场电子束在磁场中的偏转Electronicbeamsdeflectinthemagneticfield如果在垂直于z轴的x方向上设置一个恒定的均匀磁场B，那么以速度飞行的电子y方向也将发生偏转，如图3所示。电子速度由能量关系得到（10）假定使电子偏转的磁场在范围内均匀分布，则电子受到的洛伦兹力大小不变，方向垂直于速度，因而，电子做匀速圆周运动，洛伦兹力就是向心力，所以电子旋转的半径，（11）当电子飞到A点时，将沿着切线方向飞出，直射荧光屏，该直线与原来所沿轴线方向的夹角为，根据几何关系，可得偏转量S等于 （12）将（10）式代入得（13）可由亥姆霍兹线圈产生稳恒磁场。磁感应强度B为：（14） 式中k是与线圈半径等有关的常量；I为通过线圈的电流值。（14）代入（13）式得 （15） 也是一个与偏转系统几何尺寸有关的常量。此式说明，电子束的偏转量S与激励（偏转）电流I成正比，而与加速电压的平方根成反比，这一点与静电场偏转的情况不同，这是由于磁场力本身又于速度有关的缘故。磁偏转灵敏度定义为:（16）单位为mm/A。与加速电压平方根成反比，当U2增加时，要比减小得要小，故磁偏转灵敏度较高。实验仪器Experimentaldevice电子束实验仪（EB─2S型），直流稳压电源（WYK-303B2型），毫安表(C59-1000mA)，万用表（MODEL500A型）。实验内容和要求experimentalcontentandassignment研究电子在电场中的偏转规律Studythelawelectronicbeamsdeflectintheelectricfield保持加速电压V2和聚焦电压V1不变,测量偏转量S随偏转电压Ud的变化。测量从偏转电极中心到荧光屏的距离L。画出S(或)随Ud的变化曲线。该曲线为何形状，为什么？注意记录下U1,U2数值。万用表的使Usemultimeter旋转右边旋钮至，用万用表测量直流高压时，将红表笔插在2500插孔，负表笔插在负插孔，旋转左边旋钮至2.5V量限位置上测量。实验步骤Experimentalstep按图4的要求接好导线。接插线：A1V1,A2⊥,,,(仪器已接好)接通电源开关：电源开关向上拨，示波管灯丝亮。调焦：把聚焦开关置于“点”的位置，辉度控制在适当位置，调节聚焦电压，使屏上光点聚成一细点。光点不要太亮，以免烧坏荧光屏。测量加速电压U2：用万用表2500V档，负表笔接“K”，正表笔接“A2”。测偏转电压Ud：用万用表50V档，红插在“+”孔，黑表笔插在“-”孔。右边旋钮调至。负表笔接“Y1”，正表笔接“Y2”(如需测X偏转灵敏度，只需将Y1,Y2换成x1，X2即可)。图4电子束实验仪面板光点调零：用万用表测Ud，调节Udy（或Udx）使Ud为0，这时光点在Y轴（或X轴）的中心原点，若不在则调节Udy（或Udx）即调节Y调零（或X图4电子束实验仪面板调节“偏转电压”，使光点在荧光屏上向Y方向偏转，每增加2mm的距离，读取相应的偏转电压值Ud填入表1中。并画出UdS图线。验证理论值（8）式，作图比较。表1偏转距离S(mm)246810121416偏转电压Ud（V）、研究电子在磁场中的偏转规律Studythelawelectronicbeamsdeflectinthemagneticfield加速电压U2固定情况下（U2=1000V），测定偏转量S与I的变化关系，给出相应的曲线。实验步骤Experimentalstep机外直流稳压电源和接量程为1000mA的安培表串接，再接到本机的“外共磁场电源”，两制偏转线圈分别插入示波管两侧磁场线圈插孔。接通仪器电源开关，将栅极电压V0调至适当，将调节V2，V1找出光点最佳聚焦。保持辉度适中，调节X、Y位移，使光点位于坐标原点（仪器应南北方向放置）。接通“直流稳压电源”，调节调压旋钮，改变激励电流I，测量偏转量S与激励电流I，记录U2值（测孔：A2—K）。填入表3。表2测试条件加速电压U2=1000V向上偏转偏转量S/mm0/mm20/mm激励电流I/mA思考题Exercises什么叫做电偏转灵敏度、磁偏转灵敏度？各