電子束的偏轉(zhuǎn)與聚焦實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、南昌大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱:普通物理實(shí)驗(yàn)（2）實(shí)驗(yàn)名稱:電子束的偏轉(zhuǎn)與聚焦學(xué)院:專業(yè)班級(jí):學(xué)號(hào):學(xué)生姓名:實(shí)驗(yàn)地點(diǎn):座位號(hào):實(shí)驗(yàn)時(shí)間:實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、了解示波管的構(gòu)造和工作原理。2、定量分析電子束在勻強(qiáng)電場(chǎng)作用下的偏轉(zhuǎn)情況和在均勻磁場(chǎng)作用 下的偏轉(zhuǎn)情況。3、學(xué)會(huì)規(guī)范使用數(shù)字多用表。4、學(xué)會(huì)磁聚焦法測(cè)量電子比荷的方法。實(shí)驗(yàn)儀器:EB-m電子束實(shí)驗(yàn)儀、直流穩(wěn)壓電源 30V, 2A、數(shù)字多用表。實(shí)驗(yàn)原理:1示波管的結(jié)構(gòu)示波管又稱為陰極射線管，其密封在高真空的玻璃殼之中，它的構(gòu)造如圖1所示，主要包括三個(gè)部分：前端為熒光屏，（S,其用來(lái)將電子束的動(dòng)能變?yōu)楣猓?中間為偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)（丫：垂直偏轉(zhuǎn)板，X:水平偏

2、轉(zhuǎn)板），后端為電子槍（K:陰極， G:柵極，A1:聚焦陽(yáng)極，A2:第二陽(yáng)極，A3:前加速陽(yáng)極）。燈絲H用6.3V交流 供電，其作用是將陰極加熱，使陰極發(fā)射電子，電子受陽(yáng)極的作用而加速。轉(zhuǎn)電ffi圖卜）亮斑圖甲圖乙2、電聚焦原理在示波管中，陰極被加熱發(fā) 同時(shí)又受柵極產(chǎn)生的負(fù)電場(chǎng) 柵極G的電壓一般要比陰極K電子射線束的聚焦是電子束管必須解決的問(wèn)題。射電子，電子受陽(yáng)極產(chǎn)生的正電場(chǎng)作用而加速運(yùn)動(dòng)， 作用只有一部分電子能夠通過(guò)柵極小孔而飛向陽(yáng)極。的電壓低20100V,由陰極發(fā)射電子，受到柵極與陰極間減速電場(chǎng)的作用，初速度 小的電子被阻擋，而那些初速度大的電子可以通過(guò)柵極射向熒光屏。 所以調(diào)節(jié)柵 極電壓的

3、高低可以控制射向熒光屏的電子數(shù)， 從而控制熒光屏上的輝度。當(dāng)柵極 上的電壓負(fù)到一定的程度時(shí)，可使電子射線截止，輝度為 0。力卩速電極的電壓比陰極電位高幾百伏至上千伏。前加速陽(yáng)極，聚焦陽(yáng)極和第二陽(yáng)極是由同軸的金屬圓筒組成。 由于各電極上的電壓不同，在它們之間形成了 彎曲的等勢(shì)面、電場(chǎng)線。這樣就使電子束的路徑發(fā)生彎曲， 這類似光線通過(guò)透鏡 那樣產(chǎn)生了會(huì)聚和發(fā)散，這種電器組合稱為電子透鏡。改變電極間的電壓分布， 可以改變等勢(shì)面的彎曲程度，從而達(dá)到電子束的聚焦。3、電偏轉(zhuǎn)原理在示波管中，電子從被加熱的陰極K逸出后，由于受到陽(yáng)極電場(chǎng)的加速作用, 使電子獲得沿示波管軸向的動(dòng)能。電場(chǎng)力做的功 eU應(yīng)等于電子

4、獲得的動(dòng)能eU 2mv2(1)顯然，電子沿Z軸運(yùn)動(dòng)的速度VZ與第二陽(yáng)極A2的電壓U2勺平方根成正比，即Vz 再 U2 m(2)電子在該電場(chǎng)作用下將發(fā)生橫向偏若在電子運(yùn)動(dòng)的垂直方向加一橫向電場(chǎng)， 轉(zhuǎn)，如圖2所示。若偏轉(zhuǎn)板板長(zhǎng)為I、偏轉(zhuǎn)板末端到屏的距離為L(zhǎng)、偏轉(zhuǎn)電極間距離為d軸向 加速電壓（即第二陽(yáng)極A2電壓）為U2,橫向偏轉(zhuǎn)電壓為Ud,貝U熒光屏上光點(diǎn)的橫 向偏轉(zhuǎn)量D由下式給出：由式（3）可知，當(dāng)U2不變時(shí)，偏轉(zhuǎn)量D隨Ud勺增加而線性增加。所以，根據(jù) 屏上光點(diǎn)位移與偏轉(zhuǎn)電壓的線性關(guān)系， 可以將示波管做成測(cè)量電壓的工具。 若改 變加速電壓U2,適當(dāng)調(diào)節(jié)U1到最佳聚焦，可以測(cè)定D-Udft線隨U2改

5、變而使斜率改 變的情況。4、磁偏轉(zhuǎn)原理電子通過(guò)A2后，若在垂直Z軸的X方向外加一個(gè)均勻磁場(chǎng)，那么以速度 V飛越 子電子在Y方向上也會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖所示。由于電子受洛倫茲力F=eBV乍用，F(xiàn)的大小不變，方向與速度方向垂直，因此電子 在F的作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力就是向心力，即有 eBv=mv2/R所以電子離開(kāi)磁場(chǎng)后將沿圓切線方向飛出，直射到達(dá)熒光屏。在偏轉(zhuǎn)角較小的情況下，近似的有tan(5)式中，I為磁場(chǎng)寬度，D為電子在熒光屏上亮點(diǎn)的偏轉(zhuǎn)量（忽略熒光屏的微小 彎曲），L為從橫向磁場(chǎng)中心到熒光屏的距離。由此可得偏轉(zhuǎn)量與外加磁場(chǎng)B、加速電壓U2等的關(guān)系為實(shí)驗(yàn)中的外加橫向磁場(chǎng)由一對(duì)載流線圈產(chǎn)生，

6、其大小為B K 0nl式中，0為真空中的磁導(dǎo)率，n為單位長(zhǎng)度線圈的匝數(shù)，I為線圈中的勵(lì)磁電流，K為線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)公式的修正系數(shù)（0 K 1）由此可得偏轉(zhuǎn)量與勵(lì)磁電流I、加速電壓U2等的關(guān)系為(8)當(dāng)勵(lì)磁電流I （即外加磁場(chǎng)B）確定時(shí)，電子束在橫向磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)量 D與加 速電壓U2的平方根成反比。5、磁聚焦和電子荷質(zhì)比的測(cè)量原理帶點(diǎn)粒子的電量與質(zhì)量的比值叫荷質(zhì)比，是帶電微觀粒子的基本參量之一。 測(cè)定荷質(zhì)比的方法很多，本實(shí)驗(yàn)采用磁聚焦法。電子運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)平行，故磁場(chǎng)對(duì)電子運(yùn)動(dòng)不產(chǎn)生影響。 率為電子流的軸線速V/(9)式中，e，m分別為電子電荷量和質(zhì)量。若在一對(duì)偏轉(zhuǎn)極板丫上加一個(gè)幅值不大的交變電壓，

7、則電子流通過(guò)丫后就獲得一個(gè)與管軸垂直分量V 。如暫不考慮電子軸向速度分量V/的影響，則電子在磁場(chǎng)的洛倫茲力F的作用下（該力與V垂直），在垂直于軸線的平面上作圓周運(yùn)動(dòng)，即該力起著向心力的作用，F(xiàn)=ev B=nv2/R，由此可得到電子運(yùn)動(dòng)的軌道半徑R 詰，v越大軌道半徑亦越大，電子運(yùn)(15)(16)本實(shí)驗(yàn)使用的電子束實(shí)驗(yàn)儀,k=4.8527 108動(dòng)一周所需要的時(shí)間（即周期）為T 2/eBvm(10)這說(shuō)明電子的旋轉(zhuǎn)周期與軌道半徑及速率 v無(wú)關(guān)。若再考慮v的存在，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)為一螺旋線。在一個(gè)周期內(nèi)，電子前進(jìn)距離（稱螺距）為hvT2 pmU百Vh(11)由于不同時(shí)刻電子速度的垂直分量 v度不同

8、，故在磁場(chǎng)的作用下，各電子將沿不同半徑的螺線前進(jìn)。然而，由于他們速度的平行分量v均相同，所以電子在做螺線運(yùn)動(dòng)時(shí)，它們從同一點(diǎn)出發(fā)，盡管各個(gè)電子的v各不相同，但經(jīng)過(guò)一個(gè)周期后，它們又會(huì)在距離出發(fā)點(diǎn)相距一個(gè)螺距的地方重新相遇，這就是磁聚焦的基本原理。由式（11）可得(12)2Ujh2B2長(zhǎng)直螺線管的磁感性強(qiáng)度B，可以由下式計(jì)算:oNI(13)將式（13）代入式e/m:12)8 2U2(L2D2)/( oNIh)2，可得電子荷質(zhì)比為:(14)式中U28 2( L2D2)(oNH2四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:（1）開(kāi)啟電子束實(shí)驗(yàn)儀電源開(kāi)關(guān)將“電子束一荷質(zhì)比”選擇開(kāi)關(guān)打向“電子束”位置，面板上一切可調(diào)旋鈕 都旋至中部

9、，此時(shí)在熒光屏上能看到一亮斑。適當(dāng)調(diào)節(jié)輝度，并調(diào)節(jié)聚焦，使屏 上光點(diǎn)聚成一圓點(diǎn)。（注：光點(diǎn)不能太亮，以免燒壞熒光屏）（2）光點(diǎn)調(diào)零丫軸調(diào)節(jié)用數(shù)字萬(wàn)能表電壓檔接近 “丫軸調(diào)節(jié)”旋鈕使數(shù)字萬(wàn)能表讀數(shù)為0, 丫軸的中心原點(diǎn)。X軸調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)“ X軸調(diào)節(jié)”和“ X軸調(diào)零”旋鈕，使光點(diǎn)位于X軸的中心圓 點(diǎn)，且左、右偏轉(zhuǎn)的最大距離都接近于滿格。 于“丫偏電壓表” +、-兩端，緩慢調(diào)節(jié) 然后調(diào)節(jié)“ 丫軸調(diào)零”旋鈕使光點(diǎn)位于（3）測(cè)量D隨Ud的變化U2 = 750V，用數(shù)字萬(wàn)能表分別測(cè)出D =調(diào)節(jié)陽(yáng)極電壓旋鈕，取定陽(yáng)極電壓5、10、 15、 20mm時(shí)的Ud （垂直電壓）值列表記錄。再取6 = 900V,再測(cè)D為

10、上述值時(shí)的Ud值記錄表中。（4）測(cè)量偏轉(zhuǎn)量D隨磁偏轉(zhuǎn)電流I的變化使亮光點(diǎn)回到丫軸的中心原點(diǎn)，取U2 = 750V，用數(shù)字萬(wàn)用表的mA檔測(cè)量磁偏轉(zhuǎn)電流。列表記錄D= 5、10、15、20mm時(shí)的磁偏轉(zhuǎn)電流值，然后改變磁偏轉(zhuǎn)電流方向，再測(cè)D = -5、10、15、- 20mm時(shí)的磁偏轉(zhuǎn)電流值。再取U2 =900V，重復(fù)前面的測(cè)量。（5）電子荷質(zhì)比e?m的測(cè)量把直流穩(wěn)壓電源的輸出端接到勵(lì)磁電流的接線柱上，電流值調(diào)到0，將“電子束一荷質(zhì)比”開(kāi)關(guān)置于“荷質(zhì)比”位置，此時(shí)熒光屏上出現(xiàn)一條直線，陽(yáng)極電 壓調(diào)到700V。此時(shí)若線較暗，貝U可將“輝度”旋鈕順時(shí)針增大至剛好能看清豎直 亮線為止；在增大“陽(yáng)極電壓”

11、至1000V位置。若能達(dá)到1000V位置，則可固定 “輝度”旋鈕，開(kāi)始正式測(cè)量。逐漸加大勵(lì)磁電流使熒光屏上的直線一邊旋 轉(zhuǎn)一邊縮短，直到變成一個(gè)小亮點(diǎn)，讀取電流值，然后將將電流調(diào)回零。再將電 流換向開(kāi)關(guān)板到另一方，重新從零開(kāi)始增加電流使屏上直線反方向旋轉(zhuǎn)縮短，直到再得到一個(gè)小亮點(diǎn)，讀取電流值。取其平均值，以消除地磁等的影響。改變陽(yáng) 極電壓為800V,900V,1000V,重復(fù)上述步驟。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析處理:繪制？? ?圖:當(dāng)陽(yáng)極電壓為750V,電偏轉(zhuǎn)靈敏度？?/?= 1.029 X10-2 ?/?1、電偏轉(zhuǎn)750?勿?？-19.64-14.55-9.38-4.6204.929.2214.

12、7519.56VD/mm20151050-5-10-15-20900?勿?？-22.59-16.59-11.56-5.4905.5212.0817.5823.38VD/mm20151050-5-10-15-20當(dāng)陽(yáng)極電壓為900V,電偏轉(zhuǎn)靈敏度？?/?= 8.70 X10-3 ?/?2結(jié)論：？?與電偏轉(zhuǎn)靈敏度為線性關(guān)系，且陽(yáng)極電壓越高，電偏轉(zhuǎn)靈敏度越高。2、磁偏轉(zhuǎn)750I/mA78.261.240.718.050-18.30-37.5-56.0-77.4VD/mm20151050-5-10-15-20900I/mA86.666.244.423.450-19.2-40.6-58.2-81.4VD/mm20151050-5-10-15-20繪制?- ?圖:3、電子比荷（啲公認(rèn)值：? 1.758819 X1011 ?/?750V800V900V1000V?正/?1.481.541.681.77?/? 反f1.491.571.661.77?1.4851.5551.671.77?/?1 . 6504 X10111. 6055 X10111 . 5660 X10111 . 5489 X1011?1 . 5927 X1011?%)9.44%1、測(cè)量電偏轉(zhuǎn)和磁偏轉(zhuǎn)時(shí)，人眼觀察的光點(diǎn)的位置與實(shí)際光點(diǎn)的位置，存在誤差。2、測(cè)量電偏轉(zhuǎn)