TH-EB型電子束實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

PAGE電子束實(shí)驗(yàn)帶電粒子在電場和磁場作用下的運(yùn)動是電學(xué)組成的基礎(chǔ)。帶電粒子通常包括質(zhì)子、離子、和自由電子等，其中電子具有極大的荷質(zhì)比和極高的運(yùn)動速度。因此，在各種分支學(xué)科中得到了極其廣泛的應(yīng)用。眾所周知，快速運(yùn)動的電子會在陰極射線管的熒光屏上留下運(yùn)動的痕跡，可以利用觀察此光跡的方法來研究電子在電場和磁場中的運(yùn)動規(guī)律。本實(shí)驗(yàn)儀采用的陰極射線管為8SJ31J示波管。以此管中軸線為基準(zhǔn)線（Z軸方向），所施加的電場可分為縱向電場（可分加速電場和聚焦電場），橫向電場（可分水平和垂直偏轉(zhuǎn)電場，即X軸方向電場和Y軸方向電場）；所施加的磁場可分為縱向磁場（聚焦磁場）和橫向磁場（水平偏轉(zhuǎn)磁場）。通過對上述各電場與磁場的組合，實(shí)驗(yàn)儀可完成電聚焦特性的測定，水平電偏轉(zhuǎn)靈敏度的測定，垂直電偏轉(zhuǎn)靈敏度的測定，磁偏轉(zhuǎn)靈敏度的測定，截止柵偏壓的測定等實(shí)驗(yàn)。利用縱向磁場聚焦法可測定電子荷質(zhì)比e/m，同時(shí)還可觀察在縱向磁場的作用下，電子束旋轉(zhuǎn)式前進(jìn)并聚焦的特性。目錄實(shí)驗(yàn)一電子束的電偏轉(zhuǎn)與磁偏轉(zhuǎn)….…….…….…….…….…….……實(shí)驗(yàn)二電子束的電聚焦與磁聚焦及電子荷質(zhì)比e/m的測定…….…附錄TH-EB型電子束實(shí)驗(yàn)儀使用說明書…….…….…….…….…實(shí)驗(yàn)一電子束的電偏轉(zhuǎn)與磁偏轉(zhuǎn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．了解陰極射線管內(nèi)燈絲F、陰極K、柵極G、第一陽極（聚焦極）A1和第二陽極（加速極）A2、水平偏轉(zhuǎn)板H1、H2、垂直偏轉(zhuǎn)板V1、V2的結(jié)構(gòu)與作用。2．掌握電子束在外加電場和磁場作用下偏轉(zhuǎn)的原理和方式。3．觀察電子束的電偏轉(zhuǎn)和磁偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，測定電偏轉(zhuǎn)靈敏度、磁偏轉(zhuǎn)靈敏度、截止柵偏壓。三、實(shí)驗(yàn)儀器TH-EB型電子束實(shí)驗(yàn)儀。示波管組件。0~30V可調(diào)直流電源（帶輸出顯示）。數(shù)字萬用表。三、實(shí)驗(yàn)原理電偏轉(zhuǎn)原理（電子的加速和偏轉(zhuǎn)）電子束電偏轉(zhuǎn)原理如圖（1）所示。我們把電子看成帶有單位負(fù)電荷的經(jīng)典粒子，在電場中要受到電場力（服從庫侖定律）的作用，好比物體在重力場中要受到重力（服從牛頓萬有引力定律）的作用一樣。如果電子的運(yùn)動方向和電場方向相反，如在加速電極上加正電壓，那么電子將被加速。如果電子的運(yùn)動方向和電場方向垂直，如加上偏轉(zhuǎn)電壓，那么電子將被偏轉(zhuǎn)。我們選取直角坐標(biāo)系來研究電子的運(yùn)動。圖（1）電子束電偏轉(zhuǎn)原理設(shè)電子剛從陰極逸出時(shí)速度很小，其動能可忽略不計(jì)。但在加速電場作用下，動能不斷增大，根據(jù)能量守恒定律，動能的增量應(yīng)等于它在加速電場中位能的減小，它應(yīng)滿足下列能量關(guān)系：（1）則（2）式中e為電子電量，VA為加速電壓，m為電子質(zhì)量，v為電子從加速極射出的速度。通常在示波管的偏轉(zhuǎn)板上加偏轉(zhuǎn)電壓V，當(dāng)加速后的電子以速度v沿x方向進(jìn)入偏轉(zhuǎn)板后，受到偏轉(zhuǎn)電場E（y軸方向）的作用，電場方向和運(yùn)動方向垂直，電子一方面仍然以v速度繼續(xù)向前作勻速運(yùn)動，另一方面受電場力FE的作用（3）式中E為偏轉(zhuǎn)電場強(qiáng)度，d為偏轉(zhuǎn)板兩板之間距離。結(jié)果是拋物線運(yùn)動，這就象平拋物體運(yùn)動一樣，使電子的運(yùn)動軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)。假定偏轉(zhuǎn)電場在偏轉(zhuǎn)板l范圍內(nèi)是均勻的，電子將作拋物線運(yùn)動。當(dāng)電子離開偏轉(zhuǎn)板后，即在偏轉(zhuǎn)板外，電場為零，電子不受力，作勻速直線運(yùn)動。當(dāng)電子離開偏轉(zhuǎn)板時(shí)，設(shè)它的運(yùn)動方向和x軸成φ角，則（4）式中vE為電子離開偏轉(zhuǎn)板時(shí)在y軸方向的速度。電子在偏轉(zhuǎn)板之間穿過時(shí)，假定所用時(shí)間為t，在t時(shí)間內(nèi)電子在電場E的作用下，動量增加mvE，根據(jù)動量定理，應(yīng)等于FE的沖量，則（5）即（6）由于t是電子以速度穿過偏轉(zhuǎn)板所用的時(shí)間，則（7）將（6）、（7）式代入（4）式，得（8）將（2）式代入（6）式，解得（9）將（9）式代入（8）式，得（10）當(dāng)電子從偏轉(zhuǎn)板出來后沿直線運(yùn)動，直線的傾角φ就是電子離開偏轉(zhuǎn)區(qū)后的運(yùn)動方向。當(dāng)偏轉(zhuǎn)電壓V=0時(shí)，電子束受偏轉(zhuǎn)電場力作用應(yīng)打在屏的中心，當(dāng)V≠0時(shí)，電子打在屏上的距離為D，則（11）式中L為偏轉(zhuǎn)板中心與屏的距離（忽略熒光屏的微小彎曲）。將（10）式代入（11）式，解得：（12）令，則熒光屏上電子束的偏轉(zhuǎn)距離D可以表示為(13)式中V為偏轉(zhuǎn)電壓，VA為加速電壓，是一個(gè)與示波管結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，稱為電偏轉(zhuǎn)常數(shù)。為了反映電偏轉(zhuǎn)的靈敏程度，定義(14)稱為電偏轉(zhuǎn)靈敏度，用mm/V為單位。越大，電偏轉(zhuǎn)的靈敏度越高。從（14）式中可知，因ke為常數(shù)，則電偏轉(zhuǎn)靈敏度與加速電壓VA成反比（VA大，電子動量大，速度快，經(jīng)過偏轉(zhuǎn)時(shí)間t短，偏轉(zhuǎn)量?。?。則（15）從（15）式中可知，V越大，偏轉(zhuǎn)距離D越大，當(dāng)VA為某定值時(shí)，D與V的關(guān)系是線性關(guān)系。在本實(shí)驗(yàn)儀中，電子束在縱向電場（VA2加速電壓）的作用下，向熒光屏方向（Z方向）運(yùn)動，在聚焦電壓（VA1）的作用下，在熒光屏上聚成一亮點(diǎn)。在水平方向（X方向）的橫向電場作用下，電子束向橫向電場的反方向偏轉(zhuǎn)。由上面的推導(dǎo)可知，在熒光屏上，光點(diǎn)的移動距離與H1、H2之間的電壓（橫向電場）成正比，與縱向電場成反比。H1、H2之間單位電壓產(chǎn)生的位移為水平電偏轉(zhuǎn)靈敏度。同理，在垂直方向（Y方向）的橫向電場的作用下，電子束向橫向電場的反方向偏轉(zhuǎn)。由上面的推導(dǎo)可知，在熒光屏上，光點(diǎn)的移動距離與V1、V2之間的電壓（橫向電場）成正比，與縱向電場成反比。V1、V2之間單位電壓產(chǎn)生的位移為垂直電偏轉(zhuǎn)靈敏度。磁偏轉(zhuǎn)原理電子束磁偏轉(zhuǎn)原理如圖（2）所示。通常在示波管瓶頸的兩側(cè)加上一均勻橫向磁場，假定在l范圍內(nèi)是均勻的，在其他范圍都為零。當(dāng)加速后的電子以速度v沿x方向垂直射入磁場時(shí)，將受到洛侖茲力作用，在均勻磁場B內(nèi)作勻速圓周運(yùn)動，電子穿出磁場后，則做勻速直線運(yùn)動，圖（2）電子束磁偏轉(zhuǎn)原理最后打在熒光屏上。磁偏轉(zhuǎn)的距離可以表示為：（16）式中I是偏轉(zhuǎn)線圈的勵磁電流，單位為安培（A）；是一個(gè)與示波管結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)稱為磁偏常數(shù)。為了反映磁偏轉(zhuǎn)的靈敏程度，定義（17）稱為磁偏轉(zhuǎn)靈敏度，用mm/A為單位。越大，表示磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)靈敏度越高。為實(shí)現(xiàn)磁偏轉(zhuǎn)，示波管的兩側(cè)安裝一對亥姆霍茲線圈。這一對亥姆霍茲線圈具有相同的參數(shù)，因此順向串接后施加直流電流，具有順向且大小相等的水平磁場（橫向磁場）。電子束在縱向電場（VA2加速電壓）的作用下，在熒光屏方向運(yùn)動，在聚焦電壓（VA1）的作用下，在熒光屏上聚成一亮點(diǎn)，在水平方向（X方向）的橫向磁場作用下，按照右手螺旋法則和右手定則，電子束將向垂直方向（Y方向）移動，單位磁偏轉(zhuǎn)電流所產(chǎn)生的為磁偏轉(zhuǎn)靈敏度。截止柵偏壓原理示波管的電子束流通常是通過調(diào)節(jié)負(fù)柵壓UGK來控制的，調(diào)節(jié)UGK即調(diào)節(jié)“輝度調(diào)節(jié)”電位器，可調(diào)節(jié)熒光屏上光點(diǎn)的輝度。UGK是一個(gè)負(fù)電壓，通常在-35V~-45V之間，負(fù)柵壓越大，電子束電流越小，光點(diǎn)的輝度越暗。使電子束流截止的負(fù)柵壓UGK0稱為截止柵偏壓。四、實(shí)驗(yàn)步驟1．準(zhǔn)備工作用專用電纜線連接電子束實(shí)驗(yàn)儀和示波管支架上的兩個(gè)插座。將實(shí)驗(yàn)箱面板上的“電聚焦/磁聚焦”選擇開關(guān)置于“電聚焦”。將與第一陽極對應(yīng)的鈕子開關(guān)置于上方，其余的鈕子開關(guān)均置于下方。將實(shí)驗(yàn)儀后面的勵磁電流開關(guān)置于“關(guān)”。5）將“磁聚焦調(diào)節(jié)”旋鈕旋至最小位置。為減小地磁場對實(shí)驗(yàn)的影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)盡量將示波管組件東西方向放置，即螺線管線圈在東西方向上。7）開啟電源開關(guān)，調(diào)節(jié)“陽極電壓調(diào)節(jié)”電位器，使“陽極電壓”數(shù)顯表顯示為800V，適當(dāng)調(diào)節(jié)“輝度調(diào)節(jié)”電位器，此時(shí)示波器上出現(xiàn)光斑，使光斑亮度適中，然后調(diào)節(jié)“電聚焦調(diào)節(jié)”電位器，使光斑聚焦，成一小圓點(diǎn)狀光點(diǎn)。2．電偏轉(zhuǎn)靈敏度的測定1）令“陽極電壓”顯示為800V，在光斑聚焦的狀態(tài)下，將H1對應(yīng)的鈕子開關(guān)單獨(dú)置于上方，此時(shí)熒光屏上會出現(xiàn)一條由光點(diǎn)出發(fā)的水平射線，方向向左；將H2對應(yīng)的鈕子開關(guān)單獨(dú)置于上方，此時(shí)熒光屏上會出現(xiàn)一條由光點(diǎn)出發(fā)的水平射線，方向向右。將H1、H2對應(yīng)的鈕子開關(guān)均置于上方，此時(shí)熒光屏上會出現(xiàn)一條水平亮線，這是因?yàn)樗狡D(zhuǎn)極板上感應(yīng)有50Hz交流電壓之故。測量時(shí)在水平偏轉(zhuǎn)極板H1和H2之間接通0～30V直流偏轉(zhuǎn)電壓，H1接正極，H2接負(fù)極，由小到大調(diào)節(jié)直流電壓輸出，應(yīng)能看到光點(diǎn)向右偏轉(zhuǎn)，分別記錄電壓為0V、10V、20V時(shí)光點(diǎn)位置偏移量，然后改變偏轉(zhuǎn)電壓的極性，重復(fù)上述步驟，列表記錄數(shù)據(jù)。2）將H1、H2對應(yīng)的鈕子開關(guān)均置于下方。將V1對應(yīng)的鈕子開關(guān)單獨(dú)置于上方，此時(shí)熒光屏上會出現(xiàn)一條由光點(diǎn)出發(fā)的水平射線，方向向上；將V2對應(yīng)的鈕子開關(guān)單獨(dú)置于上方，此時(shí)熒光屏上會出現(xiàn)一條由光點(diǎn)出發(fā)的水平射線，方向向下。將V1、V2對應(yīng)的鈕子開關(guān)均置于上方，此時(shí)熒光屏上會出現(xiàn)一條水平亮線，這是因?yàn)榇怪逼D(zhuǎn)極板上感應(yīng)有50Hz交流電壓之故。測量時(shí)在垂直偏轉(zhuǎn)極板V1和V2之間依次接通0V、10V、20V直流偏轉(zhuǎn)電壓，分別記錄光點(diǎn)位置偏移量，然后改變偏轉(zhuǎn)電壓的極性，重復(fù)上述步驟，列表記錄數(shù)據(jù)。3）將“陽極電壓”分別調(diào)至1000V、1200V，按實(shí)驗(yàn)步驟1的方法使光斑重新聚焦后，按實(shí)驗(yàn)步驟2中1）、2）的方法重復(fù)以上測量，列表記錄數(shù)據(jù)。計(jì)算不同陽極電壓下的水平電偏轉(zhuǎn)靈敏度和垂直電偏轉(zhuǎn)靈敏度。3．磁偏轉(zhuǎn)靈敏度的測定1）準(zhǔn)備工作與“電偏轉(zhuǎn)靈敏度的測定”完全相同。為了計(jì)算亥姆霍茲線圈（磁偏轉(zhuǎn)線圈）中的電流，必須事先用數(shù)字萬用表測量線圈的電阻值，并記錄。2）令“陽極電壓”數(shù)顯表顯示為800V，在光斑聚焦的狀態(tài)下，接通亥姆霍茲線圈（磁偏轉(zhuǎn)線圈）的勵磁電壓0～10V，分別記錄電壓為0V、2V、4V、6V、8V時(shí)熒光屏上光點(diǎn)位置偏移量，然后改變勵磁電壓的極性，重復(fù)以上步驟，列表記錄數(shù)據(jù)。3）調(diào)節(jié)“陽極電壓調(diào)節(jié)”電位器，使陽極電壓分別為1000V、1200V，重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟2），列表記錄數(shù)據(jù)。4)計(jì)算不同陽極電壓下的磁偏轉(zhuǎn)靈敏度。截止柵偏壓的測定1)準(zhǔn)備工作與“電偏轉(zhuǎn)靈敏度的測定”完全相同，但為了測量陰極和柵極之間的電壓VGK，需將與陰極K和柵極G相對應(yīng)的鈕子開關(guān)均置于上方。2)令“陽極電壓”數(shù)顯表顯示為800V，在光斑聚焦的狀態(tài)下，用數(shù)字萬用表直流電壓檔測量柵極與陰極之間的電壓VGK，為負(fù)值，調(diào)節(jié)“輝度調(diào)節(jié)”電位器，記錄熒光屏上光點(diǎn)剛消失時(shí)的VGK值。3)調(diào)節(jié)“陽極電壓調(diào)節(jié)”電位器，使陽極電壓分別為1000V、1200V，重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟2），記錄相應(yīng)的VGK值。五、安全注意事項(xiàng)1．實(shí)驗(yàn)前必須仔細(xì)閱讀電子束實(shí)驗(yàn)儀使用說明書。2．本儀器內(nèi)示波管電路和勵磁電路均存在高壓，在儀器插上電源線后，切勿觸及印刷板、示波器管座、勵磁線圈的金屬部分，以免電擊危險(xiǎn)。3．本儀器的電源線應(yīng)插在標(biāo)準(zhǔn)的三芯電源插座上。電源的火線，零線和地線應(yīng)按國家標(biāo)準(zhǔn)接法之規(guī)定接在規(guī)定的位置上。4．在將實(shí)驗(yàn)儀面板上H1、H2對應(yīng)的鈕子開關(guān)均置于上方的情況下，水平偏轉(zhuǎn)板H2和地G之間存在陽極高壓，在水平偏轉(zhuǎn)極板H1和H2之間接通0—30V直流偏轉(zhuǎn)電壓時(shí)，千萬不要把兩手接觸到H2和地GND之間，以免電擊危險(xiǎn)。5．在將實(shí)驗(yàn)儀面板上V1、V2對應(yīng)的鈕子開關(guān)均置于上方的情況下，水平偏轉(zhuǎn)板V1和地G之間存在陽極高壓，在水平偏轉(zhuǎn)極板V1和V2之間接通0—30V直流偏轉(zhuǎn)電壓時(shí)，千萬不要把兩手接觸到V1和地GND之間，以免電擊危險(xiǎn)。六、思考題1．電偏轉(zhuǎn)、磁偏轉(zhuǎn)的靈敏度是怎樣定義的，它與哪些參數(shù)有關(guān)？2．在不同陽極電壓下，為什么偏轉(zhuǎn)靈敏度會不同？3．何謂截止柵偏壓？七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1．計(jì)算不同陽極電壓下的水平電偏轉(zhuǎn)靈敏度和垂直電偏轉(zhuǎn)靈敏度。2．試分析電偏轉(zhuǎn)靈敏度與哪些實(shí)驗(yàn)參數(shù)有關(guān)。3．試分析在同等偏置條件下，為什么垂直電偏轉(zhuǎn)靈敏度會大于水平電偏轉(zhuǎn)靈敏度。4．計(jì)算不同陽極電壓下的磁偏轉(zhuǎn)靈敏度。5．試分析磁偏轉(zhuǎn)靈敏度與哪些實(shí)驗(yàn)參數(shù)有關(guān)。6．試分析柵壓為什么必需是負(fù)電壓，截止柵偏壓與第二陽極電壓VA2有何關(guān)系。實(shí)驗(yàn)二電子射線的電聚焦與磁聚焦一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆諑щ娏Ｗ釉陔妶龊痛艌鲋械倪\(yùn)動規(guī)律，學(xué)習(xí)電聚焦和磁聚焦的基本原理和實(shí)驗(yàn)方法；掌握利用磁聚焦法測定電子荷質(zhì)比的基本方法。二、實(shí)驗(yàn)裝置1．TH-EB型電子束實(shí)驗(yàn)儀。2．示波管組件。3．?dāng)?shù)字萬用表。4．米尺，游標(biāo)卡尺。三、實(shí)驗(yàn)原理1．電聚焦原理電子束電聚焦原理如圖（3）所示，在示波管中，陰極K經(jīng)燈絲F加熱發(fā)射電子，第一陽極A1加速電子，使電子束通過柵極G的空隙，由于柵極電位與第一陽極電位不等，在它們之間的空間便產(chǎn)生電場，這個(gè)電場的曲度像一面透鏡，它使由陰極表面不同點(diǎn)發(fā)出的電子在柵極前方匯聚，形成一個(gè)電子聚焦點(diǎn)。由第一陽極和第二陽極組成的電聚焦系統(tǒng)，把上述聚焦點(diǎn)成圖（3）電子束電聚焦原理像在示波管的熒光屏上。由于該系統(tǒng)與凸透鏡對光的會聚作用相似，所以通常稱之為電子透鏡。電子束通過電子透鏡能否聚焦在熒光屏上，與第一陽極VA1和第二陽極VA2的單值無關(guān)，僅取決于它們之間的比值F。改變第一陽極和第二陽極的電位差，相當(dāng)于改變電子透鏡的焦距，選擇合適VA1與VA2的比值，就可以使電子束的成像點(diǎn)落在示波管的熒光屏上。在實(shí)際示波管內(nèi)，由于第二陽極的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)，使之對電子直接起加速作用，所以稱為加速極。第一陽極主要是用來改變VA1與VA2比值，便于聚焦，故又稱聚焦極。改變VA2也能改變比值VA1/VA2，故第二陽極又能起輔助聚焦作用。從第二陽極和第一陽極的結(jié)構(gòu)可知，在實(shí)現(xiàn)電子束在熒光屏上聚焦時(shí)，兩個(gè)縱向電場的電壓比值大致為一常數(shù)。示波管8SJ31J的VA1/VA2值約為20%。2．磁聚焦原理電子束磁聚焦的原理如圖（4）所示。圖（4）電子束磁聚焦原理設(shè)一電子速度為v，在一磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的均勻磁場中運(yùn)動，將v分解成與B平行的分量和與B垂直的分量，電子沿著B的方向運(yùn)動時(shí)不受力，故沿B的方向作勻速直線運(yùn)動。電子在垂直于B的方向運(yùn)動時(shí)將受到洛侖磁力的作用，所受的洛侖茲力為：（1）f的方向與垂直，故該力只改變電子運(yùn)動的方向，不改變電子速度的大小，結(jié)果使電子在垂直于B的平面內(nèi)以半徑為R的圓作勻速圓周運(yùn)動。根據(jù)牛頓第二定律可知：（2）式中m為電子的質(zhì)量，R為電子作圓周運(yùn)動時(shí)的軌道半徑，由（2）式可得：（3）電子旋轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間為：（4）由此可知，當(dāng)B保持不變，電子的速度vh不同時(shí)，電子作圓周運(yùn)動的半徑R是不同的，但是電子旋轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間T（周期）相同，與電子的速度無關(guān)。v垂直于B時(shí)電子的運(yùn)動軌跡如圖（4）所示。從圖（4）可知，如果有很多電子都從磁場中的同一點(diǎn)出發(fā)，各電子運(yùn)動速度vh的數(shù)值各不相同，但經(jīng)過T時(shí)間后，都同時(shí)回到同一點(diǎn)?？紤]由同一點(diǎn)發(fā)出的一束電子，假設(shè)各個(gè)電子的速度在垂直于B的平面上的分量υh各不相同，而各電子的速度在B的方向上的分量vp彼此相等，那么電子經(jīng)過距離l后按上面的分析，每個(gè)電子在沿B方向運(yùn)動時(shí)經(jīng)過一個(gè)螺距h后電子又重聚于一點(diǎn)，這種現(xiàn)象稱為磁場聚焦作用，且l=nh，n為正整數(shù)（n=1，2，3，4……）。為了便于想象電子在磁場中的運(yùn)動情況，圖（5）圖（5）電子束在聚焦磁場中的螺旋軌跡表示一束vp相同，υh在一定范圍內(nèi)變化的電子在磁場作用下運(yùn)動軌跡圖。螺距h可以表示為：則（5）在電子束實(shí)驗(yàn)儀中，示波管的軸線方向有一均勻分布的磁場，在陰極K和陽極A2之間加上一定的電壓V，將會使陰極發(fā)射的電子加速，設(shè)陰極發(fā)射出來的電子在脫離陰極時(shí)，沿磁場運(yùn)動的初速度為零，經(jīng)陰極K與陽極A1之間的電場加速后，速度為，由能量守恒定律可知，電子動能的增加應(yīng)等于電場力對它所作的功，即（6）只要加速電壓V是確定的，電子沿磁場方向的速度分量υp就是確定的，將式（6）代入式（5）中，則（7）從上式可以看出，h是B和V的函數(shù)，調(diào)節(jié)V和B的大小，可以使電子束在磁場方向上的任意位置聚焦。當(dāng)h剛好等于示波管的第二陽極到熒光屏之間的距離d時(shí)，可以看到電子束在熒光屏上聚成一小亮點(diǎn)(電子束已聚焦)，當(dāng)B值增加到2~3倍時(shí)，會使，相應(yīng)地可在熒光屏上看到第二次聚焦、第三次聚焦，當(dāng)h不等于這些值時(shí)，只能看到圓圈的光斑，電子束不會聚焦，將式（7）適當(dāng)變換，可得出：（8）V、B均可通過測量得出，代入上式即可求得電子荷質(zhì)比。上式中B是螺線管中部磁場的平均值，可通過測量勵磁電流I計(jì)算出來。對于有限長的螺線管，根據(jù)畢奧—沙伐爾定律，B的值為：（9）由式(8)和式（9），可得：（10）式中D為螺線管直徑，L為螺線管長度，為螺線管單位長度的線圈匝數(shù)，h為螺距，I為螺線管流過的直流電流，式中各量采用國際單位制。四、實(shí)驗(yàn)步驟1．準(zhǔn)備工作1)測量螺線管直徑D（D=82.5mm=8.25m），螺線管長度L（L=246mm=2.46m），線圈的直徑為0.29mm=2.9m，計(jì)算螺線管單位長度的線圈匝數(shù)，測量示波管第二陽極到熒光屏的距離d（注：從第二陽極圓筒的中點(diǎn)到熒光屏（典型值為180mm=1.8m））。2）用專用電纜線連接電子束實(shí)驗(yàn)儀和示波管支架上的兩個(gè)插座。3）將實(shí)驗(yàn)箱面板上的“電聚焦/磁聚焦”選擇開關(guān)置于“電聚焦”或“磁聚焦”。4)電聚焦時(shí)，將第一陽極A1對應(yīng)的鈕子開關(guān)置于上方，其它電極（7個(gè)）對應(yīng)的鈕子開關(guān)均置于下方。 5）磁聚焦時(shí)，將所有電極(8個(gè))對應(yīng)的鈕子開關(guān)均置于下方。6）電聚焦時(shí)，將實(shí)驗(yàn)儀后面的勵磁電流開關(guān)置于“關(guān)”。7）磁聚焦時(shí)，將實(shí)驗(yàn)儀后面的勵磁電流開關(guān)置于“開”。8）將“磁聚焦調(diào)節(jié)”旋鈕旋至最小位置。9）為減小地磁場對實(shí)驗(yàn)的影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)盡量將示波管組件東西方向放置，即螺線管線圈在東西方向上。2．電聚焦特性的測定1）將實(shí)驗(yàn)箱面板上的“電聚焦/磁聚焦”選擇開關(guān)置于“電聚焦”，將第一陽極對應(yīng)的鈕子開關(guān)置于上方，其它電極（7個(gè)）對應(yīng)的鈕子開關(guān)均置于下方，將實(shí)驗(yàn)儀后面的勵磁電流開關(guān)置于“關(guān)”。2）令“陽極電壓”指示為800V，使光斑在聚焦的狀態(tài)下，用數(shù)字萬用表直流電壓高量程檔分別測A1、A2點(diǎn)和地之間的電壓，記下此時(shí)的VA1和VA2值。3）分別調(diào)節(jié)“陽極電壓”至1000V和1200V，并使光斑聚焦，分別記下同一“陽極電壓”下的VA1和VA2值。4)計(jì)算三個(gè)不同“陽極電壓”下的VA1/VA2值，并作8SJ31J示波管的電聚焦特性曲線。5）試分析陰極射線管的電聚焦特性曲線為什么會是一條直線。3．磁聚焦現(xiàn)象的觀察1）將實(shí)驗(yàn)箱面板上的“電聚焦/磁聚焦”選擇開關(guān)置于“磁聚焦”，將其它鈕子開關(guān)均置于下方，將實(shí)驗(yàn)儀后面的勵磁電流開關(guān)置于“開”，將示波管后面的“勵磁電流切換”鈕子開關(guān)打到“正向”。2）調(diào)節(jié)“陽極電壓調(diào)節(jié)”電位器使“陽極電壓”數(shù)顯表顯示為800V，“輝度調(diào)節(jié)”電位器使輝度適中，此時(shí)可觀察到熒光屏上的矩形光斑。3)緩緩調(diào)節(jié)“磁聚焦調(diào)節(jié)”旋鈕，可觀察到電子束在縱向磁場的作用下，旋轉(zhuǎn)式聚焦的現(xiàn)象，本實(shí)驗(yàn)儀可看到兩次或三次聚焦。4）將示波管后面的“勵磁電流切換”鈕子開關(guān)打到“反向”，改變勵磁電流的方向，重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟3）。5）分別調(diào)節(jié)“陽極電壓”至1000V和1200V，重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟2）、3）、4）。4．電子荷質(zhì)比的測定1）準(zhǔn)備工作與磁聚焦現(xiàn)象的觀察完全相同。2）開啟電源開關(guān)，調(diào)節(jié)“陽極電壓調(diào)節(jié)”電位器，使“陽極電壓”數(shù)顯表指示為800V，適當(dāng)調(diào)節(jié)“輝度調(diào)節(jié)”電位器，此時(shí)，示波管熒光屏上出現(xiàn)矩形光斑。然后調(diào)節(jié)“磁聚焦調(diào)節(jié)”旋鈕，可觀察到矩形光斑邊旋轉(zhuǎn)邊聚焦的現(xiàn)象，分別記錄使電子束第一次聚焦，第二次聚焦，第三次聚焦的電流值I1、I2、I3。3）將示波管后面的“勵磁電流切換”鈕子開關(guān)打到“反向”，改變勵磁電流的方向，重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟2）。4）改變陽極電壓至1000V、1200V，重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟2）、3）。5）將相關(guān)數(shù)據(jù)填入表1，并將計(jì)算值和標(biāo)稱值e/m＝1.757×1011C×kg-1進(jìn)行比較，計(jì)算誤差。需要說明，因普通示波器聚焦均采用電聚焦，極少使用磁聚焦，故普通示波管在磁聚焦項(xiàng)目上不作具體要求。使用TH-EB型電子束實(shí)驗(yàn)儀做“電子荷質(zhì)比的測定”實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)陽極電壓為800V時(shí)，由于示波管內(nèi)部陽極電壓相對較小，能量達(dá)不到，即使“輝度調(diào)節(jié)”電位器調(diào)到最大，使光斑輝度最亮，第三次磁聚焦仍有可能看不清或看不見，但磁聚焦做兩次聚焦就能滿足實(shí)驗(yàn)要求，相應(yīng)記錄電流值I1、I2，在表1中，將公式I=（I1+I2+I3）改為I=(I1+I2），計(jì)算可得同樣的結(jié)果。表1TH-EB型電子束實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表d＝180mm=1.8mD=82.5mm=8.25mL=246mm=2.46m（注：d=h）V(V)勵磁電流/A誤差I(lǐng)1I2I3正反正反正反式中D為螺線管直徑，L為螺線管長度，n0為螺線管單位長度的線圈匝數(shù)，h為螺距，d示波管第二陽極到熒光屏的距離（注：從第二陽極圓筒的中點(diǎn)到熒光屏（典型值為180mm=1.8m）），I為螺線管流過的直流電流，式中各量采用國際單位制。五、安全注意事項(xiàng)1．實(shí)驗(yàn)前必須仔細(xì)閱讀電子束實(shí)驗(yàn)儀使用說明書。2．本儀器內(nèi)示波管電路和勵磁電路均存在高壓，在儀器插上電源線后，切勿觸及印刷板、示波器管座、勵磁線圈的金屬部分，以免電擊危險(xiǎn)。3．本儀器的電源線應(yīng)插在標(biāo)準(zhǔn)的三芯電源插座上。電源的火線，零線和地線應(yīng)按國家標(biāo)準(zhǔn)接法之規(guī)定接在規(guī)定的位置上。避免長時(shí)間施加勵磁電流，當(dāng)勵磁電流較大時(shí)，及時(shí)記錄聚焦電流值，以免勵磁線圈過熱而燒壞。4．示波管輝度調(diào)節(jié)適中，以免影響熒光屏的使用壽命。六、思考題1．電聚焦與磁聚集的原理是什么？兩者光斑收縮的情況是否相同？2．在聚焦實(shí)驗(yàn)中，為什么反向聚焦時(shí)光點(diǎn)較暗？3．在磁聚集實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)螺線管中電流I逐漸增加，電子射線從一次聚焦到二次、三次聚集，熒光屏的亮暗如何變化，試解釋。4．你認(rèn)為產(chǎn)生誤差的因素有哪些？如何減小測量誤差？七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求計(jì)算三個(gè)不同“陽極電壓”的VA1/VA2值，并作8SJ31J示波管的聚焦特性曲線。2．試分析陰極射線管的聚焦特性曲線為什么會是一條直線。附錄TH-EB型電子束實(shí)驗(yàn)儀使用說明書實(shí)驗(yàn)儀由示波管組件和電源控制箱組成。示波管組件由示波管、磁偏轉(zhuǎn)線圈(亥姆赫茲線圈)、磁聚焦螺線管線圈等組成，示波管組件由有機(jī)玻璃封裝而成，學(xué)生可清晰的定性地了解各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)組成，而無高壓觸電的危險(xiǎn)；電源控制箱提供示波管燈絲所需的6.3V電源，加速陽極電壓(帶3位半數(shù)字顯示)，聚焦陽極電壓、柵極負(fù)壓和螺線管勵磁電流等，實(shí)驗(yàn)陽極電壓帶有低壓補(bǔ)償電路，即使在市電電壓較低的情況下仍然可以正常使用。通過切換面板上相應(yīng)開關(guān)可方便實(shí)現(xiàn)各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的切換。通過本實(shí)驗(yàn)，可進(jìn)一步理解和掌握電子束在電場和磁場中的偏轉(zhuǎn)和聚焦等特性。示波管結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡介：TH-EB型電子束實(shí)驗(yàn)儀具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，操作界面美觀，使用方便，可靠，測試數(shù)據(jù)精確等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)儀主要由兩大部分組成：一個(gè)是由螺線管及在螺線管內(nèi)放置的示波管組成，螺線管通電流后給示波管加縱向磁場，另外在示波管兩邊加一對洛侖茲線圈產(chǎn)生一橫向磁場，用于使電子束產(chǎn)生橫向偏轉(zhuǎn)；另一部分就是用于給示波管各極加適當(dāng)電壓。示波管采用8SJ-31J，下面分別對各部分加以簡要說明。示波管各電極結(jié)構(gòu)與分布如圖1所示。圖1示波管各電極結(jié)構(gòu)與分布各部件的作用如下：燈絲F：加熱陰極，加6.3V電壓。陰極K：圓筒外涂有稀土金屬，被加熱后能向外發(fā)射自由電子，也稱發(fā)射極。柵極G：施加適當(dāng)電壓（通常加負(fù)壓）可控制電子束電流強(qiáng)度，也稱控制柵，柵負(fù)壓通常在-35V~-45V之間。第二陽極A2：圓筒結(jié)構(gòu)，施加的電壓形成一縱向高壓電場，使加速電子向熒光屏運(yùn)動，也稱加速極，加速電壓通常為1000V以上。第一陽極A1：為一圓盤結(jié)構(gòu)，介于第二陽極的圓筒和圓盤之間，其作用相當(dāng)于電子透鏡，施加適當(dāng)電壓能使電子束恰好在熒光屏上聚焦，因此也稱聚焦極，通常加數(shù)百伏正向電壓。垂直偏轉(zhuǎn)極板：V1和V2為處于示波管中一上一下的兩塊金屬板，在極板上施加適當(dāng)電壓后構(gòu)成垂直方向的橫向電場。水平偏轉(zhuǎn)