实验十一 电子束线的偏转.docx

实验十一 电子束线的偏转实验目的l•研究带电粒子在电场和磁场中偏转的规律； 2．了解电子束线管的结构和原理．仪器和用具示波管、毫伏表、电子束线管测试板、直流电源、安培表和万用电表.实验原理示波器中用来显示电信号波形的示波管和电视机里显示图像的显象管都属于电子束线 管，尽管它们的型号和结构不全相同，但都有产生电子束的系统和对电子加速的系统；为了 使电子束在荧光屏上清晰地成像，还要有 聚焦、偏转和强度控制等系统•早期的电 子束管没有聚焦功能，采用管外线圈产生 的纵向磁场实现聚焦•本实验仅讨论电子 束线的偏转特性及其测量方法.图C.11.1电场偏转1•电子束在电场中的偏转 假定由阴极发射出的电子其平均初速 近似为零，在阳极电压作用下，沿Z方向 作加速运动，则其最后速度 v 可根据功能1_mv 22zz 原理求出来，即eU移项后得到C.11.1)2eUv 2 Azme式中U A为加速阳极相对于阴极的电势， 为电子的电荷与质量之比（简称比荷，又称荷Am质比）.如果在垂直于z轴的y方向上设置一个匀强电场，那么以v速度飞行的电子将在yz方向上发生偏转，如图C.11.1所示.若偏转电场由一个平行板电容器构成，板间距离为d ,极间电势差为U，则电子在电容器中所受到的偏转力为eUF = eE =— yd根据牛顿定律eUF = m y = yd因此C.11.2)e Uy = mdC.11.3)即电子在电容器的 y 方向上作匀加速运动，而在 z 方向上作匀速运动，电子横越电容器的时间为lt =-vzC.11.4)当电子飞出电容器后，由于受到的合外力近似为零，于是电子几乎作匀速直线运动，直打到荧光屏上，如图C.ll.l里的F点.整理以上各式可得到电子偏离z轴的距离C.11.5)UN = KEU式中LlK = 1 +E 2 d （ 2 L 丿是一个与偏转系统的几何尺寸有关的常量.所以电场偏转的特点是：电子束线偏离z轴（即荧光屏中心）的距离与偏转板两端的电压成正比，与加速极的加速电压成反比．2. 电子束在磁场中的偏转如果在垂直于z轴的x方向上设置一个由亥姆霍兹线圈所产生的恒定均匀磁场，那么以速度v飞越的电子在y方向上也将发生偏转，如图C.11.2所示.假定使电子偏转的磁 z场在l范围内均匀分布，则电子受到的洛伦兹力大小不变，方向与速度垂直，因而电子作匀 速圆周运动，洛伦兹力就是向心力，所以电子旋转的半径mvR = 一eBC.11.6)当电子飞到 A 点时将沿着切线方向飞出，直射荧光屏，由于磁场由亥姆霍兹线圈产生，因 此磁场强度B = kIC.11.7)式中k是与线圈半径等有关的常量，I为通过线圈的电流值.将（C.ll.l）、（C.11.7）式代人（C.11.6）式，再根据图C.11.2的几何关系加以整理和化简，可得到电于偏离z轴的距离N = KM v'UAC.11.8)式中Llkl \任1 + —— V2 ( 2L丿也是一个与偏转系统几何尺寸有关的常量.所以磁场偏转的特点是：电子束的偏转距离 与加速电压的平方根成反比，与偏转电流成正比.实验过程、研究和验证示波音中电场偏转的规律检验：①加速电压不变时，偏转距离与偏转电压是否成正比,②偏转电压不变时，偏转距离与加速电压是否成反比.实验线路板如图C.11.3所示.图中f、f为示波管灯丝引出端，K为阴极，G为栅极,也称调制极，与.1100V电源直接相连，A、A和A 分别为第一、第二和第三阳极，其1 2 3中A与A已在示波管的管内连接好，X、X和Y、Y为X方向和Y方向偏转板.1 3 1 2 1 2由W、W、W和W等组成了电源分压器，分压器的S、S和S以及f、f等端K 1 2 3 1 2 E度的作用，W与A相连，可改变第二阳极电位，而使荧光屏上的光斑聚焦成细小的亮点,22W与A、A相连，可改变第一、第三阳极电势，同样起聚焦的作用，W与Y相连，可1 1 3 3 1改变Y偏转板间的电势，使电子束偏转.注意，示波管与实验线路板之间通过导线连接， 用接插件互通.偏转距离可根据荧光屏前有机玻璃板上的刻度数读出，U是A和K间的加速电A3势差，用高阻抗直流高压表测量， U 为偏转电压、用万用表直流电压档测量，即测量偏转 板与地之间的电势差.1 .测量C.11.9)C.11.10)点作O 'N '轴的平行线,交 O U 、A1A2O U 诸线于 P 、P 、„ A512P 点，如5图线（图C.11.4）,如果对每一U均为直线，则可认为加速电压不变时，偏转距离与偏转 A电压间是线性关系．为了检验②，应将图C.11.4中坐标原点由O移到O，点，作如下变换N' = N — NOU '二 U — UX X X O因而（C.11.5）式变为N '二 K 总和 N = K xoE U O E UAA为了验证N'与丄成正比，在U ON坐标的O'U'轴上任取一点，例如U'，过U'UA1 A12 A2=N'U5 A5=常量C.11.11)果关系式成立，就验证了（C.11.10）式.二、研究和验证显象管中磁场偏转的规律距离与加速电压的平方根成反比.0+500 VR—K1GA A10.0 Q图 C.11.4 磁场偏转的线路图检验：①加速电压不变时，偏转距离与偏转电流成正比.②偏转电流不变时，偏转实验线路如图C.11.5所示.图中f、f为显象管灯丝引出端，K为阴极，G为栅 极.A、A和A分别为第一、第二和第三阳极，S、S为偏转线圈，它是亥姆霍兹线1 2 3 1 2圈的变形，紧固在显象管玻璃壳外的颈部；S与S相互串联，并再串一只10.0Q的电阻,12然后接到12 V 交流电源上.用交流电压表测量电阻两端的电压就可算出流过偏转线圈的电 流值.为了在显象管内产生、加速和聚焦电子束，还必须在它的灯丝f、f两端加上12V交 流电压，调节W 可改变荧光屏上光点的亮度，调节W使光点聚焦，特别是第四阳极的电K2压U起加速电子向荧光屏飞行的作用.由于电压较高，接线比较麻烦，容易跳火又不安全,A因此显象管及其附属电源和偏转电压（或电流）供给部分全部都接好在仪器内，同学们可打 开电子束线管测试仪器盖，在断开电源时仔细辨认几个组成部分.偏转距离N，可用透明薄膜制成的软尺在荧光屏上量度，加速电压U由电于束线测试 A仪的高压表直接读出，或者用高阻抗电压表（例如Q3-V型高压静电表）测量，但这种表价 格昂贵，要特别注意安全.偏转电流是通过DA 一 16型晶体管电压表来测量10.0Q两端的 电压，然后算出.测量某一加速电压U时，偏转1.0、2.0、3.0、…格对应的电流I （mA ），此可在5A000〜1000 V间取几个值.以偏转格数N为横坐标，电流I为纵坐标，作各种U时的I - N图线，仿电场偏A转的数据处理，验证①和②。

思考题l. 电子束偏转的方法有几种？它们的规律各是什么？2•在电场偏转中，偏转板长短（即l ）对偏转距离有什么影响？示波管13SJ37在Y方 向的偏转灵敏度约为24 （V - cm -1 ），X方向偏转灵敏度约为25 （ V - cm -1 ）问；若X和Y 偏转板都加 300V 偏转电压，电子束在哪一个方向上偏得大？各偏多大距离？在示波管中， 哪一对偏转板更靠近荧光屏？为什么？3. 是否能用一只回电流线圈作为偏转线圈使电子束线随电流作线性偏转？欲使电子束 能达到荧光屏上任意一点，要几对偏转线圈？应怎样安放？4. 根据实验结果回答如下问题：1）在加速电压不变的条件下，偏转距离是否与偏转电压或者偏转电流成正比？（2）在偏转电压或者偏转电流不变的条件下，偏转距离与加速电压有什么关系？ 5．试比较两种偏转法的优缺点．可从以下二方面考虑：（1） 比较U （或U ） - N曲线与I - N曲线的直线性质；XY（2） 比较示波管与显象管的偏转角度e （见图c.ll.l和图C.11.2）. 6．怎样用电子束线管检查周围空间有否磁场？参考文献[1]曾贻伟、龚德纯、王书颖、汪顺义 普通物理实验教程 北京师范大学出版社，1989； [2]贾玉润、王公治、凌佩玲主编，《大学物理实验》，复旦大学出版社，1987；[3] 孟尔熹主编，《普通物理实验》，山东大学出版社，1988；[4] 梁灿彬主编，主编《电磁学》，高等教育出版社，1980.实验十四 电子束线的聚焦实验目的1 .研究带电粒子在电场和磁场中聚焦的规律；2. 了解电子束线管的结构和原理；3. 掌握测量电子比荷（又称荷质比）的一种方法.仪器和用具 示波管、电源、试验板、螺线管、螺线管用直流电源、直流电流表、高内阻高压量程电 压表.实验原理1 .示波管的构造 示波管是在抽空的玻璃外壳中装有一些电极，其内部结构可分为三部分：电子枪、偏转板和荧光屏.图C.12.1为示波管的外形，图C.12.2为其内部结构剖面图.丝极极板M板 灯阴栅4 Y4「X 14123589 匸、 、 、 6 0图 C.12.l 示波管外壳1）电子枪电子枪由灯丝（f、f）、阴极（K）、栅极（G，或调制极）、第一阳极（A ）、第二阳 1极（A2）、第三阳极（A3组成．一般示波管的 A 和 A31K2g-aY11、*,X图 C.12.3 交叉点的形成图 C.12.2 示波管的剖面内部已经连在一起．当灯丝两端加上6.3 V 电压时，靠近它的阴极便加热，由于 阴极表面涂有氧化物，所以当温度升高时， 阴极表面的电子很易脱出表面跑到周围的 真空空间里，成为游离状态的电子．电子枪 内的第一、三阳极都成圆筒形，而栅极和第 二阳极呈圆板形，中间有小圆孔．如果阴极、 栅极和第一阳极按图 C.12.3 所示的线路连 接，基于场的分布可以推出游离状态的电子 在非均匀电场力的作用下在 C 处形成交叉 点，（如果E 反接能否形成交叉点？）经过C点的电子在阳极电势作用下继续向荧光屏加KG速，最后在荧光屏形成一个圆形的光斑，光斑越小由它组成的波形越清晰，因此研究最小光 斑的条件和规律，即电子束线在荧光屏上的聚焦是很重要的．聚焦的方法有两种，电场会聚 法和磁场会聚法．（ 2 ）偏转板偏转板有两组，是平行板电容器（与板垂直的轴向剖面像喇叭口）的变形，如图C.12.2中的X - X为水平偏转板，Y - Y为垂直偏转板.当偏转板上加直流或交流电压时，电子束穿过时将产生偏转或振动，其偏转的大小和偏 转电压成比例.（3）荧光屏 示波管外壳的前端涂有发光物质，在受到高速电子轰击时，它将电子的动能转换成光能 辐射出来，在荧光屏上产生一小光斑.当电于束偏转或振动时，光斑也有相应的移动，或由 振动形成一亮线.2. 电场会聚法 电场会聚法的基本思想是根据非均匀电场使电子束形成交叉点的原理.电场会聚法的原理如图C.12.4所示，图中U > U 、U = U 为了说明散射A1K A 2K A1K A 3K:J /_1 ■ 2L3L4图 C.12.4 电了在电场中的受力分析电子束在非均匀电场中的受力情况，我们取 A 、 B 、 C 、 D 四处的运动电子进行受力分解分析，图的下面是。