實(shí)驗(yàn)十二電子束偏轉(zhuǎn)與聚焦

實(shí)驗(yàn)十二電子束偏轉(zhuǎn)與聚焦第一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

1.了解示波管的基本結(jié)構(gòu)和原理。

2.研究帶電粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的規(guī)律。

3.研究帶電粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中聚焦的規(guī)律。

4.通過磁聚焦原理測(cè)量電子的荷質(zhì)比.儀器和用具：

HLD-EB-IV型電子束實(shí)驗(yàn)儀

第二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二

HH—鎢絲的熱電極K—陰極—控制柵極

—第一加速陽級(jí)—加速柵級(jí)—第二加速陽級(jí)

—水平偏轉(zhuǎn)板—垂直偏轉(zhuǎn)板實(shí)驗(yàn)原理一、示波管的基本結(jié)構(gòu)及原理圖：第三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二HLD-EB-IV型電子束實(shí)驗(yàn)儀第四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二1、加速電壓V2：改變電子束的加速電壓的大小2、V2電壓表指示:0～1300V。3、聚焦電壓V1：用以調(diào)節(jié)聚焦極A1上的電壓以調(diào)節(jié)電極附近區(qū)域的電場(chǎng)分布，從而調(diào)節(jié)電子束的聚焦和散焦。4、V1電壓指示：150～400V。5、柵極電壓VG（輝度）：用以調(diào)節(jié)加在示波管控制柵極上的電壓大小，以控制陰極發(fā)射的電子數(shù)量，從而控制熒光屏上光點(diǎn)的輝度。6、VG電壓指示：0～－80V。7、VdX偏轉(zhuǎn)電壓調(diào)節(jié)：－80V～80V。8、調(diào)零X：用來調(diào)節(jié)光點(diǎn)水平距離；9、Vdy偏轉(zhuǎn)電壓調(diào)節(jié)：-80～80V。10、調(diào)零Y：用來調(diào)節(jié)光點(diǎn)上下距離。11、偏轉(zhuǎn)電壓指示：用來顯示VdX、Vdy數(shù)值。12、VdX、Vdy轉(zhuǎn)換開關(guān)：當(dāng)打到VdX檔調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)電壓VdX，表頭即可顯示；當(dāng)打到VdY檔調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)電壓VdY，表頭即可顯示。第五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二13、200mA、2A轉(zhuǎn)換開關(guān)。14、200mA、2A勵(lì)磁電流數(shù)值：可顯示0～200mA、0～2A。15、200mA電流調(diào)節(jié)：用來改變勵(lì)磁電流大小。16、2A電流調(diào)節(jié)：用來改變勵(lì)磁電流大小。17、電源開關(guān)：用來接通電源指示，使儀器工作。18、點(diǎn)、線轉(zhuǎn)換開關(guān)：用來轉(zhuǎn)換點(diǎn)、線顯示，打到“線”檔即可出現(xiàn)一條橫線。19、示波管后靠背：用來接通示波管，可將示波管插入使用。20、8SJ31J示波管。21、磁偏轉(zhuǎn)線圈：用來做磁偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。22、螺線管線圈：用來做磁聚焦實(shí)驗(yàn)。23、換向開關(guān)：用以改變偏轉(zhuǎn)線圈電流方向來控制磁偏轉(zhuǎn)的方向（向上、向下）。24、0～2A輸出插座：用來接通標(biāo)準(zhǔn)螺線管勵(lì)磁電流。第六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二

當(dāng)電流通過鎢絲陰極K被加熱后，筒端的鋇與鍶氧化物涂層內(nèi)的自由電子獲得較高的動(dòng)能，從表面逸出。因?yàn)榈谝患铀訇枠OA具有（相對(duì)陰極K）很高的電壓（如1000伏），在K-G-A1之間形成強(qiáng)電場(chǎng)，故從陰極逸出的電子在電場(chǎng)中的加速運(yùn)動(dòng)，穿過G的小孔（直徑約1mm）,以高速穿過G2、A1及A2筒內(nèi)的限制孔，形成一束電子射線，電子最后打到熒光屏上，這上面涂有一滿層的特殊熒光物質(zhì)，在電子的轟擊下發(fā)出可見光。第七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二二、電子束的聚焦與輝度的控制：人們最初想把極板上的圓孔做成足夠小可得任意細(xì)小的電子束，然而電子向不同方向離開加熱陰極，只能有很小部分的電子正好向著陽極小孔方向運(yùn)動(dòng)，大多數(shù)電子不能達(dá)到熒光屏。不過，我們可以利用適當(dāng)形狀的電場(chǎng)來改變初速度不在管軸方向的那些電子的方向，從而得到比較強(qiáng)的電子束和比較亮的光點(diǎn)。在電子槍內(nèi)的第一加速陽極與第二加速陽極之間形成一個(gè)靜電透鏡,可解決上述問題。其作用的原理如下：第八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二

如圖C給出了靜電透鏡聚焦作用的幾何示意圖，這是假定電子在兩聚焦電極之間的區(qū)域的路程遠(yuǎn)小于電子的總路程時(shí)電子運(yùn)動(dòng)的軌跡簡化形式。假定從第一加速極出來的那些電子具有相同的軸向分量，但具有不同的徑向速度分量。第九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二

在圖C中任取一點(diǎn)P，電子在該處是總會(huì)沿著F與之間的某一方向運(yùn)動(dòng)，分析不同的點(diǎn)同樣可得出電子的運(yùn)動(dòng)的軌跡如圖c所示，達(dá)到電聚焦的作用。若軸向分量不同,只是打到熒光屏的時(shí)間不同，但也可與前面或后面運(yùn)動(dòng)的電子在熒光屏上重合，但不能與同時(shí)出發(fā)的電子在熒光屏上同時(shí)重合。聚焦作用的強(qiáng)弱可以通過改變之間的電壓，從而改變其間的場(chǎng)強(qiáng)來實(shí)現(xiàn)的。第十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二三、電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)1、偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)的形成與簡化在兩排平行板間加電壓就可以形成電場(chǎng)。當(dāng)平行板間的距離d比長度L小得多時(shí)，可以認(rèn)為它形成的空間電場(chǎng)是均勻的，且在平行板的界外電場(chǎng)為零。2、電偏轉(zhuǎn)的原理電子在均勻電場(chǎng)內(nèi)以從平行于板的方向進(jìn)入電場(chǎng)，在電場(chǎng)力的作用下,在y方向（垂直方向）產(chǎn)生偏離位移。第十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二

——偏轉(zhuǎn)電壓（平行板間電位差）——板間距離——板長電子離開電場(chǎng)后不受電場(chǎng)力作用,將作勻速直線運(yùn)動(dòng)，等效直接從A點(diǎn)（板中點(diǎn)位置）直接射出（如圖b所示），故

第十二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二令有

如果加速電壓為U2

則故示波管的Y方向電偏轉(zhuǎn)靈敏度：在X方向同理得第十三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二四：磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)：

第十四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二加速場(chǎng)對(duì)電子所做的功等于點(diǎn)自動(dòng)能的增量為電子受洛倫茲力為根據(jù)洛倫茲力的性質(zhì)，是一個(gè)向心力，則第十五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二電子偏轉(zhuǎn)的軌道半徑為在偏轉(zhuǎn)角較小的情況下，近似的有由此可得偏轉(zhuǎn)量D與外加磁場(chǎng)B、加速電壓U2等的關(guān)系為第十六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二實(shí)驗(yàn)中的外加橫向磁場(chǎng)由一對(duì)載流線圈產(chǎn)生，其大小為由此有當(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。磁偏轉(zhuǎn)靈敏度：第十七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二五：磁聚焦原理：在示波管外套一個(gè)同軸的螺線管，當(dāng)給螺線管通以穩(wěn)恒直流電時(shí)，其內(nèi)部形成一個(gè)軸向磁場(chǎng)。若螺線管足夠長，則可認(rèn)為內(nèi)部為勻強(qiáng)磁場(chǎng)。電子進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)后，將會(huì)以軸向速度作勻速直線運(yùn)動(dòng)。同時(shí)以徑向速度作勻速圓周運(yùn)動(dòng)。其合運(yùn)動(dòng)是一個(gè)螺旋線運(yùn)動(dòng)。第十八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二

由于勻速圓周運(yùn)動(dòng)周期與無關(guān)。故只要電子的軸向速度相同，經(jīng)過整數(shù)周期后會(huì)聚焦于熒光屏上的一點(diǎn)，這就是磁聚焦。電子作螺旋運(yùn)動(dòng)的螺距：第十九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二六.電子荷質(zhì)比測(cè)量

從前面的談?wù)摽芍?電子的軸向速度由加速電壓決定(電子離開陰極時(shí)的初速度相對(duì)來說很小,可以忽略),固有即有第二十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二可見電子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，具有相同的軸向速度，但由于電子發(fā)射方向各異，導(dǎo)致徑向速度不同。因此他們?cè)诖艌?chǎng)中將作半徑不同但螺距相同的螺線運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過時(shí)間T后,在相同的地方聚焦。圖4－18－5h第二十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二調(diào)節(jié)磁場(chǎng)B的大小，使螺距正好等于電子束交叉點(diǎn)到熒光屏的距離L0,這時(shí)熒光屏上的光斑就匯聚成一個(gè)小點(diǎn)。由于：故電子的荷質(zhì)比為：第二十二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二實(shí)驗(yàn)用螺線管可近似為薄螺線管，按薄螺線管計(jì)算公式有：式中：n為螺線管單位長度線圈匝數(shù)第二十三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二設(shè)螺線管的長度為L，螺線管平均直徑為D，并認(rèn)為電子束聚焦磁場(chǎng)均勻，則有設(shè)螺線管的線圈總匝數(shù)為N，則實(shí)驗(yàn)計(jì)算電子荷質(zhì)比公式為：各實(shí)驗(yàn)參數(shù)由實(shí)驗(yàn)室給出第二十四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二D—螺線管線圈平均直徑，D=0.0945m；L—螺線管線圈長度，L=0.233m;N—螺線管線圈匝數(shù)，N＝1340；L0—電子束從柵極G交叉至熒光屏的距離，即電子束在均勻磁場(chǎng)中聚焦的焦距；L0—0.199mI—為光斑進(jìn)行三次聚焦時(shí)對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流的加權(quán)平均值；第二十五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二六：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

（一）電子束的電聚焦和輝度控制1、將示波管插入儀器左邊的后靠背，將坐標(biāo)板放入示波管與光屏前面，接通電源。2、將VdX、Vdy轉(zhuǎn)換開關(guān)打到VdX檔，調(diào)節(jié)Vdx旋鈕，進(jìn)行偏轉(zhuǎn)電壓調(diào)零。3、將VdX、Vdy轉(zhuǎn)換開關(guān)打到VdY檔，調(diào)節(jié)VdY旋鈕，進(jìn)行偏轉(zhuǎn)電壓調(diào)零。4、示波管將顯示出一個(gè)亮點(diǎn)，如果沒有顯示將柵極電壓亮度稍微調(diào)高一點(diǎn)，然后調(diào)節(jié)調(diào)零電位器X、Y，使示波管熒屏顯示出一個(gè)亮點(diǎn)調(diào)為中心。5、第一聚焦調(diào)節(jié)條件：V1<V2,檢驗(yàn)第一聚焦條件，改變V1和VK，使熒光屏上亮點(diǎn)達(dá)到最佳聚焦?fàn)顟B(tài)，測(cè)量V1和V2。6、加速電壓對(duì)亮度的影響，將柵極電壓調(diào)到適當(dāng)位置，改變加速電壓觀察示波管熒屏上亮度的變化。第二十六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二（二）電子束電偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)1、在電聚焦實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上開始實(shí)驗(yàn)。2、調(diào)節(jié)加速電壓為1000V，調(diào)節(jié)聚焦電壓，使示波管熒屏亮點(diǎn)聚焦。將VdX、Vdy轉(zhuǎn)換開關(guān)打到VdX檔，調(diào)節(jié)Vdx旋鈕，看示波管亮點(diǎn)，以每一大格（5mm）記錄一次偏轉(zhuǎn)電壓VdX的數(shù)值，做D與V曲線，進(jìn)行分析。3、調(diào)節(jié)加速電壓為1000V，調(diào)節(jié)聚焦電壓，使示波管熒屏亮點(diǎn)聚焦。將VdX、Vdy轉(zhuǎn)換開關(guān)打到VdY檔，調(diào)節(jié)VdY旋鈕，看示波管亮點(diǎn)，以每一大格(5mm)記錄一次偏轉(zhuǎn)電壓VdY的數(shù)值，做D與V曲線。4、比較X方向和Y方向的電偏轉(zhuǎn)靈敏度（并分析原因）。第二十七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二（三）電子束磁偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)1、在實(shí)驗(yàn)(一)基礎(chǔ)上進(jìn)行儀器調(diào)整，做磁偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。2、調(diào)節(jié)加速電壓為1000V，調(diào)節(jié)聚焦電壓，使示波管熒屏亮點(diǎn)聚焦。將VdX、Vdy轉(zhuǎn)換開關(guān)打到VdX檔，調(diào)節(jié)Vdx旋鈕，看示波管亮點(diǎn)調(diào)到坐標(biāo)板中心，將磁偏轉(zhuǎn)線圈插入示波管兩側(cè)，將2A和200mA轉(zhuǎn)換開關(guān)打到200mA檔、調(diào)節(jié)200mA旋鈕以每以大格（5mm）記錄一次偏轉(zhuǎn)電流I的數(shù)值，做D與I的曲線，并進(jìn)行分析。第二十八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二（四）電子束的螺旋運(yùn)動(dòng)及電子荷質(zhì)比測(cè)定1、將螺線管線圈套入示波管上，將2A電流接通螺線管。2、在實(shí)驗(yàn)（一）基礎(chǔ)上進(jìn)行電子的螺旋運(yùn)動(dòng)及電子荷質(zhì)比測(cè)定。3、調(diào)節(jié)加速電壓為1000V，調(diào)節(jié)聚焦電壓為300－400V。柵極電壓（即亮度）到適當(dāng)位置。第二十九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二4、將2A、200mA轉(zhuǎn)換開關(guān)打到2A檔，調(diào)節(jié)2A旋鈕進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。逐漸增大勵(lì)磁電流，從熒光屏上第一次聚焦時(shí)開始，記下每一次聚焦時(shí)的勵(lì)磁電流，繼續(xù)增大電流，分別記錄三次聚焦時(shí)的電流I，計(jì)算加權(quán)平均值5、代入公式（15）和（14），求得電子荷質(zhì)比，與理論值e/m＝1.757×1011c/Kg,求出百分比誤差。第三十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二[注意事項(xiàng)]1．本儀器使用時(shí)，周圍應(yīng)無其他強(qiáng)磁場(chǎng)及鐵磁物質(zhì)，儀器應(yīng)南北方向放置以減小地磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量精度的影響。2．螺線管不要長時(shí)間通以大電流，以免線圈過熱。3．改變加速電壓后，亮點(diǎn)的亮度會(huì)改變，應(yīng)重新調(diào)節(jié)亮度，勿使亮點(diǎn)過亮，一則容易損壞熒光屏，同時(shí)亮點(diǎn)過亮，聚焦好壞也不易判斷，調(diào)節(jié)亮度后，加速電壓值也可能有了變化，再調(diào)到規(guī)定的電壓值即可。第三十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)一：實(shí)驗(yàn)操作技巧：本實(shí)驗(yàn)采用套裝