Transcript 电子束的偏转与聚焦

聊城大学基础物理实验
电子束的偏转特性研究
实验目的
1、了解示波管的基本结构。
2、了解不均匀电场对电子束的聚焦作用。
3、掌握电偏转、磁偏转规律，测量示波管的
偏转的灵敏度。
实验原理
一. 示波管的结构
电子枪
H
偏转板
X2
Y2
K
荧
光
6.3V H
UG G1 G2 A1
U1
U2
A2
屏
Y1 X1
图a
HH—钨丝的热电极
K—阴极
A1 —第一加速阳级
X 1 X 2 —水平偏转板
G2 —加速栅级
Y1Y2 —垂直偏转板
G1—控制栅极
A2
—第二加速阳级
二、 电子束的聚焦与辉度的控制：
人们最初想把极板上的圆孔做成足够小可得任
意细小的电子束，然而电子向不同方向离开加热阴
极，只能有很小部分的电子正好向着阳极小孔方向
运动，大多数电子不能达到荧光屏。
利用适当形状的电场来控制电子束的运动轨迹，
在屏上得到比较强的电子束和比较亮的光点。
在电子枪内的第一阳极A1与第二阳极A2之间形成
一个静电透镜,可解决上述问题。
A2
A1
A2
改变V1，V2相当于改变透镜焦距
三、电偏转系统
1、偏转电场的形成与简化
d<<l时，电场近似均匀，且
在平行板的界外电场为零。
2、电偏转的原理
Y
1 2 1 eE z 2
at 
( )
2
2 m v
dY
Vl

V
dZ xl 2V2 d
E
VlL
d
S
1
S
2V2 d
mv 2  eV 2
tg 
2
L
加速电压一定时，偏转距离与偏转电压成正比。
S
lL



电偏转灵敏度： 电
单位: 毫米/伏
V 2V2 d
VZ 2
Y
4V2 d
tg 
电偏转的应用：示波器测电压的原理。
四：磁偏转系统：
1：偏转磁场的形成及其简化
把管内作为匀强磁场，管外磁感应强度作为零，
达到简化的目的。
2：磁偏转原理：
S  Ltg    L sin   R(1  cos )
 L  R 2 sin
2
2
 L  R
2
2
l R l2
l
l
L 
 (L  )
2
R 2 R
R
2
mv
1
e V2一定时，偏转距离
R
mv 2  eV 2
S  kI s lL
eB
2
2mV2 与励磁电流成正比。
B  kI s
S
e
磁偏转的应用：
   klL
单位:毫米/安培
电视机显像原理
Is
2mV 2
五：磁聚焦系统：
若螺线管相当长，认为内部为匀强磁场。
B
0 nIL
L D
2
2

0 NI
L2  D 2
电子的运动是一个螺旋线运动，
荧光屏上表现为：

设：S为螺旋运动的起点到荧光屏的距离
eB S
eB



2S
m v //
m

2m
h  v //T 
v //
eB
h
e 2v //

m
hB
v // 
e 2V2
 2
 2 ( )
m S
B
B
0 NI
L2  D 2
2eV2
m
e 2V2  2 2V2 L2  D 2
 2
 2 ( )  2  2 2 ( )
m S
B
IS
S
0 N
方法1: 根据=2时，s=h，计算电子比荷，实
验证明不同的磁聚焦过程对应不同的螺距。
Ua
e
L2  D 2

 2
2 2
14
m 2 N h 10
I
(1)等电场法
S1
A1A2等电位
(2)电场偏转法
电子枪
H
偏转板
Y2
K
X2
荧
光
6.3V H
UG
G1 G2 A1
U1
U2
A2
Y1 X1
屏
图a
螺距应取偏x转板
至荧光屏的距离。
方法2:根据螺旋线测量电子荷质比 。
e 2V2 L2  D 2
 2
 2  2 2 (
)
m S
I S
0 N
先描绘螺旋线，在螺旋线上选几个特殊值：


2
,  ,2 ,3 ,4

时的IS进行测量，通过
计算e/m.
I S
方法3:探究实验 用交变磁场聚焦测电子荷质比 。
实验室没有输出足够大的交流信号源，可考虑利用
RLC串、并联谐振获得大电压或大电流.
实验内容
一、电偏转
1. 选定加速电压V2并保持不变，调聚焦电压V1达到最
佳聚焦状态，调零。测量x随Vx的变化，画出x随Vx变
化的曲线。
为什么？
2．改变V2的大小，再调节V1到最佳聚焦，调零。
重复观察x与Vx的关系，你能否预计这时曲线图形
与上次有何不同？
x(mm)
V2=700V Vx(V)
V2=1000V Vx(V)
V2=1200V Vx(V)
-20 -16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20

数据处理及结果分析：
1、V2一定时，画出x随Vx变化的曲线，形状如何，为什么？
2、改变V2，在同一坐标系下作Dx随Vx变化的曲线，分析V2对
曲线有何影响？为什么？
3、测出各种加速电压下的偏转灵敏度，说明随加速电压的
变化趋势，为什么？
二、磁偏转
1．选定加速电压V2，调栅压和聚焦电压V1达到最
佳聚焦状态，调零。测量偏转量D随励磁电流Is的
变化，绘出相应的曲线。你能事先估计出这种曲线
的形状吗？
为什么？
2．改变V2的大小，再调节V1到最佳聚焦，调零。
重复观察D与Is的关系，你能否预计这时曲线图形
与上次有何不同？
3. 至少对三个V2值进行重复测量，在同一坐标系上画出
Dx随Vx的变化曲线，并求出不同加速电压下的偏转灵
敏度。
数据处理及结果分析：
2
2
2
1、V2一定时，画出Dx随Vx变化的曲线，形状如何，为什么？
2、改变V2，在同一坐标系下作Dx随Vx变化的曲线，分析V2对
曲线有何影响？为什么？
3、测出各种加速电压下的偏转灵敏度，说明随加速电压的
变化趋势，为什么？
三、磁聚焦
1、等电位法测荷质比
（1）A1、A2都接地。将螺线管接入励磁电流电路。打到点聚。
（2）选取加速电压，调栅压至合适的亮度。
（3）打开励磁电源，调节励磁电流，观察聚焦情况，并记下一
次、两次聚焦的电流。使电流反向再测一遍(为什么？）。
（4）数据处理，与e/m＝1.757×1011C/kg进行比较，计算误差。
h＝230mm
1000V
1200V
N＝
D平均＝
L＝
e
m
2、电场偏转法测荷质比
（1）A1、A2都接地。将螺线管接入励磁电流电路。打到线聚。
（2）选取加速电压，调栅压至合适的亮度。
（3）接通励磁电流预热1分钟，调节励磁电流，观察由线到点
的聚焦情况，并记下一次聚焦的电流。使电流反向再测一遍。
（4）数据处理，与e/m＝1.757×1011C/kg进行比较，计算误差。
h＝149mm;
N＝
D＝
L＝
思考题：
1. 在磁聚焦实验中，当螺线管中电流I逐渐增加，电
子射线从一次聚焦到二次、三次聚焦，荧光屏的
亮暗如何变化，试解释。
3. 能否用交变磁场测量电子荷质比？
4. 你认为产生误差的因素有哪些？如何减小测量误
差？
 试验系统误差因素包括电源精确度，阴极管的质
量和管长的精确度等一系列试验仪器带来的误差。
实验误差为螺线管磁场的测量方向和准确度，对
电子束的偏转和聚焦的控制等。
注意事项
1、接通电源后，严禁用手触摸面板上的金属接线头，
以防高压电击。
2、示波管的亮度不要长时间打得太亮，否则，荧
光屏易老化，影响显示效果。
3、示波管要轻拿轻放，以防摔碎。
4、开启和关闭励磁电源前，必须将输出电压调为
零，以免自感电动势损坏稳压电源。励磁电流换向
前也应先调电流到零。
思考题
1、在电子束的偏转和聚焦实验中，如何消除地
磁场的影响？
2、加速电压和聚焦电压对螺距有何影响？
3、在偏转板上加交流信号时，会观察到什么现象？
4、比较电偏转和磁偏转的优缺点。
5、固定加速电压调焦时，聚焦电压改变是否会影响
电子枪出射电子的速度？
6、如何用该仪器测量地磁场的水平分量？