實(shí)驗(yàn)十四電子束線的電聚焦與磁聚焦

圖4—18—1圖4—18—圖4—18—1圖4—18—3電力線7實(shí)驗(yàn)?zāi)康难芯繋щ娏Ｗ釉陔妶?chǎng)和磁場(chǎng)中聚焦的規(guī)律。了解電子束線管的結(jié)構(gòu)和原理。掌握測(cè)量電子荷質(zhì)比的一種方法。實(shí)驗(yàn)儀器SJ—SS—2型電子束實(shí)驗(yàn)儀。實(shí)驗(yàn)原理1.電聚焦原理從示波管陰極發(fā)射的電子在第一陽(yáng)極A］的加速電場(chǎng)作用下先會(huì)聚于控制柵孔附近一點(diǎn)（圖4—18—1中O點(diǎn)），往后，電子束又散射開(kāi)來(lái)。為了在示波管熒光屏上得到一個(gè)又亮又小的光點(diǎn)，必須把散射開(kāi)來(lái)的電子束會(huì)聚起來(lái)，與光學(xué)透鏡對(duì)光束的聚焦作用相似，由第一陽(yáng)極4和第二陽(yáng)極a2組成電聚焦系統(tǒng)M］、a2是兩個(gè)相鄰的同軸圓筒，在氣、A2上分別加上不同的電壓匕、*，當(dāng)匕＞站時(shí)，在氣、M2之間形成一非均勻電場(chǎng)，電場(chǎng)分布情況如圖4—18—2所示，電場(chǎng)對(duì)Z軸是對(duì)稱分布的。電子束中某個(gè)散離軸線的電子沿軌跡S進(jìn)入聚焦電場(chǎng)，圖4—18—3畫出了這個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)軌跡。在電場(chǎng)的前半?yún)^(qū)，這個(gè)電子受到與電力線相切方向的作用力*。F可分解為垂直指向軸線的分力Fr與平行于軸線的分力FZ。Fr的作用使電子向軸線靠攏，F(xiàn)Z的作用使'電子淺軸得到加速度。電子到達(dá)電場(chǎng)后半?yún)^(qū)時(shí)，受到的作用力’可分解為相應(yīng)的匕和FZ兩個(gè)分量。弓分力仍使電子沿Z軸方向加速，而F分力卻使r電子離開(kāi)軸線。但因?yàn)樵谡麄€(gè)電場(chǎng)區(qū)域里電子都受到同方向的波軸的作用力（FZ和F），由于在后半?yún)^(qū)的軸向速度比在前半?yún)^(qū)的大

得多。因此，在后半?yún)^(qū)電子受F：的作用時(shí)間短得多。這樣，電子在前半?yún)^(qū)受到的拉向軸線的作用大于在后半?yún)^(qū)受到離開(kāi)軸線的作用，因此總效果是使電子向軸線靠攏，最后會(huì)聚到軸上某一點(diǎn)。調(diào)節(jié)陽(yáng)極41和A2的電壓可以改變電極間的電場(chǎng)分布，使電子束的會(huì)聚點(diǎn)正好與熒光屏重合，這樣就實(shí)現(xiàn)了電聚焦。磁聚焦原理將示波管的第一陽(yáng)極41，第二陽(yáng)極42，水平，垂直偏轉(zhuǎn)板全連在一起，相對(duì)于陰極板加一電壓匕，這樣電子一進(jìn)入41后，就在零電場(chǎng)中作勻速運(yùn)動(dòng)這時(shí)來(lái)自交叉點(diǎn)（圖4-18-1中0點(diǎn)）的發(fā)散的電子束將不再會(huì)聚，而在熒光屏上形成一個(gè)面積很大的光斑。下面介紹用磁聚焦的方法使電子束聚焦的原理圖4-18-4在示波管外套一載流長(zhǎng)螺線管在Z軸方向即產(chǎn)生一均勻磁場(chǎng)，電子離開(kāi)電子束交叉點(diǎn)進(jìn)入第一陽(yáng)極41后，即在一均勻磁堀（電場(chǎng)為零）中運(yùn)動(dòng)，如圖4-圖4-18-4在示波管外套一載流長(zhǎng)螺線管在Z軸方向即產(chǎn)生一均勻磁場(chǎng)，電子離開(kāi)電子束交叉點(diǎn)進(jìn)入第一陽(yáng)極41后，即在一均勻磁堀（電場(chǎng)為零）中運(yùn)動(dòng)，如圖4-18-4所示。u可分解為平行B的分量u〃和垂直于B的分量七，磁場(chǎng)對(duì)u〃分量沒(méi)有作用力，七分量使電子沿8方向作勻速直線運(yùn)動(dòng);匕分量受洛侖茲力的作用，使電子繞軸作勻速圓周運(yùn)動(dòng)。因此，電子的合成運(yùn)動(dòng)軌道是螺旋線（見(jiàn)圖一18—4），螺旋線的半徑為mV1

eB(4-18-1)式中m是電子的質(zhì)量，e是電子的電荷量。電子作圓周運(yùn)動(dòng)的周期為e2兀R2兀mT=—U1(4-18-2)eB從（4-18-2）式看出，T與u【無(wú)關(guān)，即在同一磁場(chǎng)下，不同速度的電子繞圓一周所需的時(shí)間是相等的，只不過(guò)速度大的電子繞的圓周大，速度小的電子繞的圓周小而已。螺旋線的螺距為h=K〃=2兀mueB〃(4-18-3)u〃=ucos0Au在示波管中，由電子束交叉點(diǎn)射入均勻磁場(chǎng)中的一束電子流中各電子與Z軸的夾角9是不同的，但是夾御都很小。則u1u〃=ucos0Au由于u【不同，在磁場(chǎng)的作用下，各電子將沿不同半徑的螺旋線前進(jìn)見(jiàn)4-18-1）式），但由于各電子的"〃分量近似相等，其大小由陽(yáng)極所加的電壓^決定，因?yàn)?/p>

mv2=eV即v='2eVA〃A〃所以各螺旋線的螺距是相等的（見(jiàn)4^18-3）式）。這樣，由同一點(diǎn)0出發(fā)的各電子沿不同半徑的螺旋線，經(jīng)過(guò)同一距離汽后，又重新會(huì)聚在軸線上的一點(diǎn)如圖4-18-5所示。調(diào)節(jié)磁場(chǎng)g的大小，使l/h=nf為一整數(shù)（1是示波管中電子束交叉點(diǎn)到熒光屏的距離會(huì)聚點(diǎn)就正好與熒光屏重合，這就是磁聚焦。圖4圖4-18-5,,e,、電子何質(zhì)上一的測(cè)定m利用磁聚焦系統(tǒng)，調(diào)節(jié)磁場(chǎng)g，當(dāng)螺旋線的螺距：正好等于示波管中電子束交叉點(diǎn)到熒光屏之間的距離l時(shí)，在屏上將得到一個(gè)亮點(diǎn)（聚焦點(diǎn)）這時(shí)l^2兀mv2兀m[2eVeBegm即得(4-18-4)e8兀2V—=2m12B2式中1、B由每臺(tái)實(shí)驗(yàn)儀器給出數(shù)據(jù)。其中聚焦線圈中的平均磁場(chǎng)由公式(4-18-5)1C、B=2旦罪（cosa—cosP）求出（見(jiàn)實(shí)驗(yàn)十三圖4—13—2）。式中的/為流過(guò)磁聚焦線圈的電流，n為單位長(zhǎng)度螺線管圈數(shù)，B的單位為特斯拉。為了減小的測(cè)量誤差，可利用一次、二次、三次聚焦時(shí)對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流求平場(chǎng)，因?yàn)榈谝淮尉劢箷r(shí)的電流為1，二次聚焦的電流為2I]，即磁場(chǎng)強(qiáng)一倍，相應(yīng)電子在示波器內(nèi)綁軸轉(zhuǎn)兩圈。同理，三次聚焦的電流應(yīng)為3I]…。所以有i=T1+12+13+…（4-18-6）即得(4-18-4)(4-18-5)1+2+3+...將7代入實(shí)驗(yàn)儀器給出的B計(jì)算式中，求出5。再將V2、1、B值代入公式4-18-4）中，即可求出不同加速電形時(shí)的電子荷質(zhì)業(yè)/m，與標(biāo)準(zhǔn)值相比較，即可求出相對(duì)誤差。對(duì)于SJ-SS-2型電子束實(shí)驗(yàn)儀，螺線管中心部分的磁場(chǎng)視為均勻的平均磁場(chǎng)，則有_4兀NIx10-7B、D2+L2eD2+LV=~^2m2l2N2x10-1412式中D為螺線管平均直徑，L為螺線管長(zhǎng)度，N為螺線管線圈匝數(shù)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容觀察電聚焦現(xiàn)象將“功能選擇”置于“電聚”位置，按"18—6插入導(dǎo)聯(lián)線。V——?jiǎng)駻——臬一U電源2書Y電源2X圖4—18—6接通“高壓電源開(kāi)”保持輝度適中(不可太亮，以免燒壞熒光屏置V2旋鈕于最大值，調(diào)節(jié)匕，使光點(diǎn)聚焦，讀取V2及匕的數(shù)值，求出電壓比V/*。保持V2、*旋鈕不變，調(diào)節(jié)“高壓調(diào)節(jié)”旋鈕，使、*同時(shí)按比例變化，觀察光點(diǎn)不應(yīng)散焦，并讀取不同組合聚焦時(shí)的2、V1數(shù)值，計(jì)算出相應(yīng)的電壓比。(4)數(shù)據(jù)記錄。加速極電壓V2(伏)15001400130012001100聚焦極電壓V](伏)電壓比V2/V12.觀察磁聚焦現(xiàn)象將“功能選擇”置于“磁聚”位置，按圖—18—7插入導(dǎo)聯(lián)線，并松開(kāi)示波管尾部導(dǎo)軌兩定位螺釘，將示波管往后拉到定位板處，使示波管處于螺線管中間位置。磁聚電源1磁偏V1A1AVY電源2XC二：Y電源2X磁聚電源1磁偏圖4—18—7接通“高壓電源開(kāi)”調(diào)節(jié)輝度，使熒光屏上出現(xiàn)稍暗的散焦光斑，調(diào)節(jié)Y位移旋鈕，將光斑移到坐標(biāo)中心，調(diào)節(jié)“高壓調(diào)節(jié)”及“輔助聚焦”旋鈕，咿最大。（3）檢查“勵(lì)磁電流”旋鈕，反時(shí)針復(fù)位到零，接通“勵(lì)磁電源開(kāi)順時(shí)針調(diào)節(jié)“勵(lì)磁電流”使熒光屏上光斑聚焦，并記下聚焦點(diǎn)位置。反時(shí)針調(diào)節(jié)“勵(lì)磁電流”降到零后，重調(diào)x、y位移，使光斑中心落于聚焦點(diǎn)位置上。（4）保持x、y位移不變，調(diào)節(jié)“勵(lì)磁電流”使光斑進(jìn)行第一次聚焦，并從一V表及kv表讀取4值及v2值。繼續(xù)增加勵(lì)磁電流使已聚焦的光點(diǎn)一散焦一聚焦一散焦一聚焦，并讀取相應(yīng)聚焦時(shí)的電流2、i3。（5）調(diào)節(jié)“輔助聚焦、”及“高壓調(diào)節(jié)”旋鈕，使＜2為V2N1000伏的另一數(shù)值，重復(fù)方法4，讀取相應(yīng)站時(shí)的聚焦電流1、12、13。（6）數(shù)據(jù)記錄：實(shí)驗(yàn)儀器編號(hào)：參數(shù)：l=、D=、L=、N=加速電壓（伏）150014001300