实验十二 电子束偏转与聚焦

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

实验原理一、示波管的基本结构及原理图：电子枪 H 6.3V H K 偏转板

Y2

X2荧 光

UG G1 G2 A1 U1 U2 图a

A2

Y1

X1

屏

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

G1—控制栅极

G2—加速栅级

Y1Y2 —垂直偏转板

A2

—第二加速阳级

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-A1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G2、A1及A2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 A1 与第二加 速阳极 A2 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 A2 A1 在两聚焦电极之间的区 域的路程远小于电子的 F P 总路程时电子运动的轨 V 迹简化形式。假定从第 图C 一加速极出来的那些电 子具有相同的轴向分量 vZ ,但具有不同的 径向速度分量。

Z

在图C中任取一点P,电子在该处是总会 沿着F与 v 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， vZ ,只是 达到电聚焦的作用。若轴向分量 不同 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 A1 A2 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 v0 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 v0 方向)产生偏离位移。

eUl 2 2m v d 0 U ——偏转电压(平行板间电位差) d ——板间距离

1 2 eU l y at 2 2m d v0

2

l

——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 eU L vy l l l ' ' ' D L tg L L 2 2 vx 2 l ' eUl L 2 2 m dv0

m d v0 v0

l ' L L 令 2则

如果加速电压为U2

eUlL 有 D 2 m dv0d

L A

L

、

eU 2 1 mv0 2 2

故

D Sy

VX 图b VY

ULl 2U 2 d:

D

示波管的Y方向电偏转灵敏度

D lLU 2U 2d lL Uy U 2dU2

在X方向同理得

D lL Sx U x 2dU 2

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

1 2 eU 2 mvZ 2 电子受洛伦兹力为

为

F evz B 根据洛伦兹力的性质，是一个向心力，则

vz2 evz B m R

电子偏转的轨道半径为

mvz R eB 在偏转角较小的情况下，近似的有

l D tan R L 由此可得偏转量

D与外加磁场B、加速电压U2

等的关系为

e D lBL 2mU 2

实验中的外加横向磁场由一对载流线圈产生， 其大小为

B K 0nI由此有 D K 0 nIlLe 2mU 2

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U2的平 方根成反比。 D e 磁偏转灵敏度： Sm K 0 nlLI 2mU 2

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。

2 m 由于匀速圆周运动周期 T Be

与

v

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：2 mvZ h vZ T Be