实验十二 电子束偏转与聚焦

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,实 验 十 二,电子束的偏转与聚焦,实验目的,：,1.,了解示波管的基本结构和原理。,2.,研究带电粒子在电场和磁场中偏转的规律。,3.,研究带电粒子在电场和磁场中聚焦的规律。,4.,通过磁聚焦原理测量电子的荷质比,.,仪器和用具：,HLD-EB-IV,型电子束实验仪,HH,钨丝的热电极,K,阴极,控制栅极,第一加速阳级,加速栅级,第二加速阳级,水平偏转板,垂直偏转板,实验原理,一、示波管的基本结构及原理图：,HLD-EB-IV,型电子束实验仪,1,、加速电压,V2,：改变电子束的加速电压的大小,2,、,V2,电压表指示,:0,1300V,。,3,、聚焦电压,V1,：用以调节聚焦极,A1,上的电压以调节电极附近区域的电场分布，从而调节电子束的聚焦和散焦。,4,、,V1,电压指示：,150,400V,。,5,、栅极电压,VG,（辉度）：用以调节加在示波管控制栅极上的电压大小，以控制阴极发射的电子数量，从而控制荧光屏上光点的辉度。,6,、,VG,电压指示：,0,80V,。,7,、,VdX,偏转电压调节：,80V,80V,。,8,、调零,X,：用来调节光点水平距离；,9,、,Vdy,偏转电压调节：,-80,80V,。,10,、 调零,Y,：用来调节光点上下距离。,11,、偏转电压指示：用来显示,VdX,、,Vdy,数值。,12,、,VdX,、,Vdy,转换开关：当打到,VdX,档调节偏转电压,VdX,，表头即可显示；当打到,VdY,档调节偏转电压,VdY,，表头即可显示。,13,、,200mA,、,2A,转换开关。,14,、,200mA,、,2A,励磁电流数值：可显示,0,200mA,、,0,2A,。,15,、,200mA,电流调节：用来改变励磁电流大小。,16,、,2A,电流调节：用来改变励磁电流大小。,17,、电源开关：用来接通电源指示，使仪器工作。,18,、点、线转换开关：用来转换点、线显示，打到“线”档即可出现一条横线。,19,、示波管后靠背：用来接通示波管，可将示波管插入使用。,20,、,8SJ31J,示波管。,21,、磁偏转线圈：用来做磁偏转实验。,22,、螺线管线圈：用来做磁聚焦实验。,23,、换向开关：用以改变偏转线圈电流方向来控制磁偏转的方向（向上、向下）。,24,、,0,2A,输出插座：用来接通标准螺线管励磁电流。,当电流通过钨丝阴极,K,被加热后，筒端的钡与锶氧化物涂层内的自由电子获得较高的动能，从表面逸出。因为第一加速阳极,A,具有（相对阴极,K,）很高的电压（如,1000,伏），在,K-G-A,1,之间形成强电场，故从阴极逸出的电子在电场中的加速运动，穿过,G,的小孔（直径约,1mm,）,以高速穿过,G,2,、,A,1,及,A,2,筒内的限制孔，形成一束电子射线，电子最后打到荧光屏上，这上面涂有一满层的特殊荧光物质，在电子的轰击下发出可见光。,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。不过，我们可以利用适当形状的电场来改变初速度不在管轴方向的那些电子的方向，从而得到比较强的电子束和比较亮的光点。,在电子枪内的第一加速阳极 与第二加速阳极 之间形成一个静电透镜,可解决上述问题。其作用的原理如下：,如图,C,给出了,静电透镜聚焦作用的几何示意图,，这是假定电子,在两聚焦电极之间的区,域的路程远小于电子的,总路程时电子运动的轨,迹简化形式。假定从第,一加速极出来的那些电,子具有相同的轴向分量 ，但具有不同的径向速度分量。,在图,C,中任取一点,P,，电子在该处是总会沿着,F,与 之间的某一方向运动，分析不同的点同样可得出电子的运动的轨迹如图,c,所示，达到电聚焦的作用。若轴向分量 不同,只是打到荧光屏的时间不同，但也可与前面或后面运动的电子在荧光屏上重合，但不能与同时出发的电子在荧光屏上同时重合。聚焦作用的强弱可以通过改变 之间的电压，从而改变其间的场强来实现的。,三、电偏转系统,1,、偏转电场的形成与简化,在两排平行板间加电压就可以形成电场。当平行板间的距离,d,比长度,L,小得多时，可以认为它形成的空间电场是均匀的，且在平行板的界外电场为零。,2,、电偏转的原理,电子在均匀电场内以 从平行于板的方向进入电场，在电场力的作用下,在,y,方向（垂直 方向）产生偏离位移。,偏转电压（平行板间电位差）,板间距离,板长,电子离开电场后不受电场力作用,将作匀速直线运动，等效直接从,A,点（板中点位置）直接射出（如图,b,所示），故,令 有,如果加速电压为,U,2,则,故,示波管的,Y,方向电偏转灵敏度 ：,在,X,方向同理得,四：磁偏转系统：,加速场对电子所做的功等于点自动能的增量为,电子受洛伦兹力为,根据洛伦兹力的性质，是一个向心力，则,电子偏转的轨道半径为,在偏转角较小的情况下，近似的有,由此可得偏转量,D,与外加磁场,B,、加速电压,U,2,等的关系为,实验中的外加横向磁场由一对载流线圈产生，其大小为,由此有,当励磁电流,I,（即外加磁场,B,）确定时，电子束在横向磁场中的偏转量,D,与加速电压,U,2,的平方根成反比。,磁偏转灵敏度：,五：磁聚焦原理：,在示波管外套一个同轴的螺线管，当给螺线管通以稳恒直流电时，其内部形成一个轴向磁场。若螺线管足够长，则可认为内部为匀强磁场。,电子进入匀强磁场后，将会以轴向速度作匀速直线运动。同时以径向速度 作匀速圆周运动。其合运动是一个螺旋线运动。,由于匀速圆周运动周期 与,无关。故只要电子的轴向速度相同，经过,整数周期后会聚焦于,荧光屏上的,一点，这就是磁聚焦。,电子作螺旋运动的螺距：,六,.,电子荷质比测量,从前面的谈论可知,电子的轴向速度 由加速电压决定,(,电子离开阴极时的初速度相对来说很小,可以忽略,),固有,即有,可见电子在匀强磁场中运动时，具有相同的轴向速度，但由于电子发射方向各异，导致径向速度不同。因此他们在磁场中将作半径不同但螺距相同的螺线运动，经过时间,T,后,在相同的地方聚焦。,图,4,18,5,h,调节磁场,B,的大小，使螺距正好等于电子束交叉点到荧光屏的距离,L,0,这时荧光屏上的光斑就汇聚成一个小点。由于：,故电子的荷质比为：,实验用螺线管可近似为薄螺线管，按薄螺线管计算公式有：,式中：,n,为螺线管单位长度线圈匝数,设螺线管的长度为,L,，螺线管平均直径为,D,，并认为电子束聚焦磁场均匀，则有,设螺线管的线圈总匝数为,N,，则实验计算电子荷质比公式为：,各实验参数由实验室给出,D,螺线管线圈平均直径，,D=0.0945m,；,L,螺线管线圈长度，,L=0.233m;,N,螺线管线圈匝数，,N,1340,；,L,0,电子束从栅极,G,交叉至荧光屏的距离，即电子束在均匀磁场中聚焦的焦距；,L,0,0.199m,I,为光斑进行三次聚焦时对应的励磁电流的加权平均值；,六：实验内容：,（,一）电子束的电聚焦和辉度控制,1、将示波管插入仪器左边的后靠背，将坐标板放入示波管与光屏前面，接通电源。,2、将V,dX,、V,dy,转换开关打到V,dX,档，调节V,dx,旋钮，进行偏转电压调零。,3、将V,dX,、V,dy,转换开关打到V,dY,档，调节V,dY,旋钮，进行偏转电压调零。,4、示波管将显示出一个亮点，如果没有显示将栅极电压亮度稍微调高一点，然后调节调零电位器X、Y，使示波管荧屏显示出一个亮点调为中心。,5、第一聚焦调节条件：V,1,V,2,检验第一聚焦条件，改变V,1,和V,K,，使荧光屏上亮点达到最佳聚焦状态，测量V,1,和V,2,。,6、加速电压对亮度的影响，将栅极电压调到适当位置，改变加速电压观察示波管荧屏上亮度的变化。,（二）电子束电偏转实验,1,、在电聚焦实验基础上开始实验。,2,、调节加速电压为,1000V,，调节聚焦电压，使示波管荧屏亮点聚焦。将,V,dX,、,V,dy,转换开关打到,V,dX,档，调节,V,dx,旋钮，看示波管亮点，以每一大格（,5mm,）记录一次偏转电压,V,dX,的数值，做,D,与,V,曲线，进行分析。,3,、调节加速电压为,1000V,，调节聚焦电压，使示波管荧屏亮点聚焦。将,V,dX,、,V,dy,转换开关打到,V,dY,档，调节,V,dY,旋钮，看示波管亮点，以每一大格,(5mm),记录一次偏转电压,V,dY,的数值，做,D,与,V,曲线。,4,、比较,X,方向和,Y,方向的电偏转灵敏度（并分析原因）。,（三）电子束磁偏转实验,1,、在实验,(,一,),基础上进行仪器调整，做磁偏转实验。,2,、调节加速电压为,1000V,，调节聚焦电压，使示波管荧屏亮点聚焦。将,V,dX,、,V,dy,转换开关打到,V,dX,档，调节,V,dx,旋钮，看示波管亮点调到坐标板中心，将磁偏转线圈插入示波管两侧，将,2A,和,200mA,转换开关打到,200mA,档、调节,200mA,旋钮以每以大格（,5mm,）记录一次偏转电流,I,的数值，做,D,与,I,的曲线，并进行分析。,（四）电子束的螺旋运动及电子荷质比测定,1,、将螺线管线圈套入示波管上，将,2A,电流接通螺线管。,2,、在实验（一）基础上进行电子的螺旋运动及电子荷质比测定。,3,、调节加速电压为,1000V,，调节聚焦电压为,300,400V,。栅极电压（即亮度）到适当位置。,4,、将,2A,、,200mA,转换开关打到,2A,档，调节,2A,旋钮进行实验。逐渐增大励磁电流，从荧光屏上第一次聚焦时开始，记下每一次聚焦时的励磁电流，继续增大电流，分别记录三次聚焦时的电流,I,，计算加权平均值,5,、代入公式（,15,）和（,14,），求得电子荷质比，与理论值,e/m,1.75710,11,c/Kg,求出百分比误差。,注意事项,1,本仪器使用时，周围应无其他强磁场及铁磁物质，仪器应南北方向放置以减小地磁场对测量精度的影响。,2,螺线管不要长时间通以大电流，以免线圈过热。,3,改变加速电压后，亮点的亮度会改变，应重新调节亮度，勿使亮点过亮，一则容易损坏荧光屏，同时亮点过亮，聚焦好坏也不易判断，调节亮度后，加速电压值也可能有了变化，再调到规定的电压值即可。,实验指导,一：实验操作技巧：,本实验采用套装仪器，故只要将有关原理弄清楚,再熟悉仪器的有关操作,知道实验操作的内容。这样有的放矢地进行操作，很容易完成本实验这么多的任务。,二：实验操作时注意事项：,1,：由于本实验的电压有的达到,1000,伏，故特别要注意安全。,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。,常见问题与解答,1.,实验过程中有时会出现找不到光点（光斑）的情况，可能的原因和解决的办法如下：,（,1,）亮度不够。解决的办法是适当增加亮度。,（,2,）已经加有较大的电偏电压（,x,方向或和,y,方向），使光点偏出示波器的屏幕。此时应通过调节电偏转旋钮，使偏转电压降为零。,2 .,电偏转实验时光点轨迹与,x,（或,y,方向）有夹角，解决办法：,旋转示波管，消除夹角,布置作业,一：分析与思考：,1,：为什么偏转板末端是向外张开的，而不是完全平行的？,2,：电子受到的重力在电场偏转中有重要影响吗？,二：创新设计：,试设计一个可控制电子的偏转与电子不偏转的电路，以及可控制电子的正向偏转与反向偏转的电路。,三：课后任务：,1,：预习下一实验，并撰写预习实验报告。,2,：完成本实验的实验报告。,