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)生姓名：學(xué)號(hào)：實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：座位號(hào)：實(shí)驗(yàn)時(shí)間：一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、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。二、實(shí)驗(yàn)儀器：EB-IH電子束實(shí)驗(yàn)儀、直流穩(wěn)壓電源30V,2A、數(shù)字多用表。三、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,其用來將電子束的動(dòng)能變?yōu)楣猓?，中間為偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)（Y:垂直偏轉(zhuǎn)板，X

2、:水平偏轉(zhuǎn)板），后端為電子槍（K:陰極，G:柵極，A1:聚焦陽極，A2:第二陽極，A3:前加速陽極）。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，電子受陽極的作用而加速。2、電聚焦原理電子射線束的聚焦是電子束管必須解決的問題。在示波管中，陰極被加熱發(fā)射電子，電子受陽極產(chǎn)生的正電場(chǎng)作用而加速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又受柵極產(chǎn)生的負(fù)電場(chǎng)作用只有一部分電子能夠通過柵極小孔而飛向陽極。柵極G勺電壓一般要比陰極K的電壓低20500V，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柵極射向熒光屏。所以調(diào)節(jié)柵極電壓的高低可以控制射向熒光屏的電子數(shù)，從而

3、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00加速電極的電壓比陰極電位高幾百伏至上千伏。前加速陽極，聚焦陽極和第二陽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儂出后，由于受到陽極電場(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elE等于電子獲得的動(dòng)能1 2eU-mv2（1）2顯然，電子沿Z軸運(yùn)動(dòng)的速

4、度vz與第二陽極A2的電壓U2勺平方根成正比，即Vz2e 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l、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（即第二陽極A2電壓）為U2,橫向偏*$電壓為Ud,則熒光屏上光點(diǎn)的橫向偏轉(zhuǎn)量或下式給出：(L2)U122d由式（3）可知，當(dāng)U緋變時(shí)，偏轉(zhuǎn)量DffiUcfi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U改變而使斜率改變的情況。4、磁偏轉(zhuǎn)原理電子通過A

5、2/t,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YTJ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(4)myeB電子離開磁場(chǎng)后將沿圓切線方向飛出，直射到達(dá)熒光屏。在偏轉(zhuǎn)角小較小的情況下，近似的有tan(5)式中，l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)量叫外加磁場(chǎng)B、加速電壓U冷的關(guān)系為eDlBL；-2mU(6)實(shí)驗(yàn)中的外加橫向磁場(chǎng)由一對(duì)載流線圈產(chǎn)生，具大小為BK0

6、nI式中，。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)（0K1）由此可得偏轉(zhuǎn)量M勵(lì)磁電流I、加速電壓U冷的關(guān)系為eDKonllL；-V2mU(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DMf加速電壓U的的平方根成反比。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2eU2m(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Y上加一個(gè)幅值不大的交變電壓

7、，則電子流通過Y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=evB=nv2/R,由此可得到電子運(yùn)動(dòng)的軌道半徑Rv,v越大軌道半Be/m徑亦越大，電子運(yùn)動(dòng)一周所需要的時(shí)間（即周期）為T2-R2e-B（10）v.m這說明電子的旋轉(zhuǎn)周期與軌道半徑及速率v無關(guān)。若再考慮v的存在，電子h V/T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(11)由于不同時(shí)刻電子速度的垂直分量v度不同，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

8、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e m長(zhǎng)直螺線管的磁感性強(qiáng)度B將式（13）代入式（12）2U2h2B2(12)B,可以由下式計(jì)算:oNI(13)可得電子荷質(zhì)比為:U2e/m82U2（L2D2）/（NIh）2（14）(15)式中8 2(l5 D2)(oNh)2(16)本實(shí)驗(yàn)使用的電子束實(shí)驗(yàn)儀，k=4.8527108四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：（1）開啟電子束實(shí)驗(yàn)儀電源開關(guān)將“電子束一荷質(zhì)比”選擇開關(guān)打向“電子束”位置，面板上一切可調(diào)旋鈕都旋至中部，此時(shí)在熒

9、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。Y軸調(diào)節(jié)用數(shù)字萬能表電壓檔接近于“Y偏電壓表”+、兩端，緩慢調(diào)節(jié)“Y軸調(diào)節(jié)”旋鈕使數(shù)字萬能表讀數(shù)為0,然后調(diào)節(jié)“Y軸調(diào)零”旋鈕使光點(diǎn)位于Y軸的中心原點(diǎn)。(3)測(cè)量回隨閃的變化調(diào)節(jié)陽極電壓旋鈕，取定陽極電壓田=75叫,用數(shù)字萬能表分別測(cè)出D=土鼠10、15、20n】m|時(shí)的陽(垂直電壓)值列表記錄。再取吐啊1再測(cè)目為上述值時(shí)的悶值記錄表中。(4)測(cè)量偏轉(zhuǎn)量臼隨磁偏轉(zhuǎn)電流口的變

10、化使亮光點(diǎn)回到Y(jié)軸的中心原點(diǎn)，取匹三畫1用數(shù)字萬用表的畫檔測(cè)量磁偏轉(zhuǎn)電流。列表記錄口=5、15,20m皿時(shí)的磁偏轉(zhuǎn)電流值,然后改變磁偏轉(zhuǎn)電流方向，冉測(cè)|D=-5、-10、-20】畫時(shí)的磁偏轉(zhuǎn)電流值。再取39叫,重復(fù)前面的測(cè)量。(5)電子荷質(zhì)比0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，陽極電壓調(diào)到700V。此時(shí)若線較暗，則可將“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“陽極電壓”至1000V位置。若能達(dá)到1000V位置，則可固定“輝度”旋鈕，開始正式測(cè)量。逐漸加大勵(lì)磁電流使熒光屏上的直線一

11、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。再將電流換向開關(guān)板到另一方，重新從零開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:1、電偏轉(zhuǎn)750V-19.64-14.55-9.38-4.6204.929.2214.7519.56|Vmm20151050-5-10-15-20900V-22.59-16.59-11.56-5.4905.5212.0817.5823.38|口in】|20151050-5-10-15-20繪制叱陶?qǐng)D:、

12、1,Eg4l上上D/t/j=1.029x10m/l/當(dāng)陽極電壓為750V,電偏轉(zhuǎn)靈敏度2_LI;I3當(dāng)陽極電壓為900V,電偏轉(zhuǎn)靈敏度P/%=87。X-m”。結(jié)論：叫與電偏轉(zhuǎn)靈敏度為線性關(guān)系，且陽極電壓越高，電偏轉(zhuǎn)靈敏度越高2、磁偏轉(zhuǎn)750|/mA|78.261.240.718.050-18.30-37.5-56.0-77.4V口門irn20151050-5-10-15-2090086.666.244.423.450-19.2-40.6-58.2-81.4V|D/門ini20151050-5-10-15-20繪制上|圖:當(dāng)陽極電壓為750V,電偏轉(zhuǎn)靈敏度=25697乂10一%/司;當(dāng)陽極電壓為900V,電偏轉(zhuǎn)靈敏度=23838X10。結(jié)論：H與磁偏轉(zhuǎn)靈敏度為線性關(guān)系，且陽極電壓越高，電偏轉(zhuǎn)靈敏度越低3、電子比荷（國(guó)I的公認(rèn)值：際=L758819X10“可）750V800V900V1000V1.481.541.681.771.491.571.661.77，小01.4851.5551.671.77國(guó)x1O111.650