電子束偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)

PAGEPAGE125實(shí)驗(yàn)十電子束實(shí)驗(yàn)Experiment10Electronbeamexperiment隨著近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)的應(yīng)用已深入到各個(gè)領(lǐng)域，例如電子射線在電磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)和聚焦的規(guī)律，已在示波器、顯像管、掃描電子顯微鏡等儀器設(shè)備中廣泛應(yīng)用。帶電粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)規(guī)律，已成為掌握現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)必不可少的基礎(chǔ)知識(shí)。本實(shí)驗(yàn)研究電子在各種電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，了解電子束實(shí)驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)和原理。實(shí)驗(yàn)?zāi)康腅xperimentalpurpose了解電場(chǎng)對(duì)電子加速的原理，掌握電子束在橫向均勻電場(chǎng)作用下偏轉(zhuǎn)的規(guī)律。了解電子束在橫向磁場(chǎng)作用下偏轉(zhuǎn)原理及規(guī)律。掌握高壓萬(wàn)用表及電子束實(shí)驗(yàn)儀的使用方法。實(shí)驗(yàn)原理Experimentalprinciple示波器和電視機(jī)中用來(lái)顯示圖象的示波管都屬于電子束管，都有產(chǎn)生電子束的系統(tǒng)和對(duì)電子束進(jìn)行加速、聚焦、偏轉(zhuǎn)和強(qiáng)度控制等系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)分別討論電子束的偏轉(zhuǎn)特性及測(cè)量方法。示波管簡(jiǎn)介Briefintroductionoscillometer示波管的內(nèi)部構(gòu)造如圖1所示，玻璃殼里抽成真空。接通電源后，燈絲發(fā)熱，陰極發(fā)射電子。柵極加上相對(duì)于陰極的負(fù)電壓，其作用有：一是調(diào)節(jié)柵壓的大小以便控制陰極發(fā)射電子的強(qiáng)度，所以柵極也叫控制極；二是柵極電壓和第一陽(yáng)極電壓構(gòu)成一定的空間電位分布，使得由陰極發(fā)射的電子束在柵極附近形成一交叉點(diǎn)（實(shí)際是最一小截面），圖中F為燈絲，K為陰極，G為柵極，A1、A2分別為第一、第二陽(yáng)極，第一、第二陽(yáng)極的作用一方面構(gòu)成聚焦電場(chǎng)，使得由陰極發(fā)射的電子在聚焦電場(chǎng)的作用下又會(huì)聚起來(lái)；另一方面使電子加速。電子以高速打在熒光屏上使其發(fā)光，光亮度取決于達(dá)到熒光屏的電子數(shù)目和電子速度，改變柵壓及加速電壓的大小都可控制光點(diǎn)的亮度。圖1示波管的結(jié)構(gòu)縱、橫偏轉(zhuǎn)板Y、X圖1示波管的結(jié)構(gòu)電子束在電場(chǎng)中的加速和偏轉(zhuǎn)Electronicbeamsaccelerateanddeflectintheelectricfield電子從陰極發(fā)射出來(lái)認(rèn)為其初速度為零，經(jīng)加速電場(chǎng)（其加速電壓為U2）加速后,電子從電子槍“槍口”（最后一個(gè)加速電極A2的小孔）射出時(shí)的速度為，由下式確定：（1）在示波管的兩塊偏轉(zhuǎn)板加上電壓時(shí)，通過(guò)兩板之間的電子束將受電場(chǎng)力的作用，電子束的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，現(xiàn)只研究偏轉(zhuǎn)板上所加電壓Ud與電子束射到屏上光點(diǎn)在縱向位移距離之間關(guān)系（X偏轉(zhuǎn)板類同）。如圖所示，令Z軸沿陰極射線管的軸線方向，從熒光屏看X軸為水平方向，Y軸為垂直方向。PAGEPAGE130設(shè)偏轉(zhuǎn)板兩板間距為，電位差為Ud?？蓪⑵D(zhuǎn)板看作是平行板電容器，則兩板間的電場(chǎng)強(qiáng)度是：（2）電子以速度沿Z軸方向垂直射入電場(chǎng)Ey中，則電子受電場(chǎng)力的作用，產(chǎn)生加速度：（3）由于電子在Z軸方向上不受力的作用，所以電子在垂直于電場(chǎng)方向上作勻速直線運(yùn)動(dòng)，電子從Y板左端運(yùn)動(dòng)到右端的時(shí)間為，再?gòu)挠叶诉\(yùn)動(dòng)到屏的時(shí)間是：。電子在平行于電場(chǎng)方向是初速為零的勻加速運(yùn)動(dòng)，所以，電子離開(kāi)板的右端時(shí)的垂直位移： （4）在A點(diǎn)的垂直向下速度為：（5）電子離開(kāi)板的右端時(shí)不再受電場(chǎng)力的作用，作勻速直線運(yùn)動(dòng)，到達(dá)屏上的垂直位移是=（6）電子在屏上的總位移：（7）令（為板的中心到屏的距離），由于，所以：（8）此式表明，偏轉(zhuǎn)量S隨Ud增加而增加，還與L成正比，與d成反比。U2增大時(shí)增大，偏轉(zhuǎn)場(chǎng)作用時(shí)間減小，偏轉(zhuǎn)量S隨就減小。電偏轉(zhuǎn)靈敏度定義：在偏轉(zhuǎn)板上作用單位偏轉(zhuǎn)電壓，所引起的電子束在熒光屏上光點(diǎn)偏轉(zhuǎn)的距離大小，即：（9）圖3偏轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)一般以mm/v為單位。與加速電壓U2成反比，要獲得較高的靈敏度，應(yīng)使U2較小，一般加速電壓U2取1~2kV。圖3偏轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)電子束在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)Electronicbeamsdeflectinthemagneticfield如果在垂直于z軸的x方向上設(shè)置一個(gè)恒定的均勻磁場(chǎng)B，那么以速度飛行的電子y方向也將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖3所示。電子速度由能量關(guān)系得到（10）假定使電子偏轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)在范圍內(nèi)均勻分布，則電子受到的洛倫茲力大小不變，方向垂直于速度，因而，電子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力就是向心力，所以電子旋轉(zhuǎn)的半徑，（11）當(dāng)電子飛到A點(diǎn)時(shí)，將沿著切線方向飛出，直射熒光屏，該直線與原來(lái)所沿軸線方向的夾角為，根據(jù)幾何關(guān)系，可得偏轉(zhuǎn)量S等于 （12）將（10）式代入得（13）可由亥姆霍茲線圈產(chǎn)生穩(wěn)恒磁場(chǎng)。磁感應(yīng)強(qiáng)度B為：（14） 式中k是與線圈半徑等有關(guān)的常量；I為通過(guò)線圈的電流值。（14）代入（13）式得 （15） 也是一個(gè)與偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)幾何尺寸有關(guān)的常量。此式說(shuō)明，電子束的偏轉(zhuǎn)量S與激勵(lì)（偏轉(zhuǎn)）電流I成正比，而與加速電壓的平方根成反比，這一點(diǎn)與靜電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)的情況不同，這是由于磁場(chǎng)力本身又于速度有關(guān)的緣故。磁偏轉(zhuǎn)靈敏度定義為:（16）單位為mm/A。與加速電壓平方根成反比，當(dāng)U2增加時(shí)，要比減小得要小，故磁偏轉(zhuǎn)靈敏度較高。實(shí)驗(yàn)儀器Experimentaldevice電子束實(shí)驗(yàn)儀（EB─2S型），直流穩(wěn)壓電源（WYK-303B2型），毫安表(C59-1000mA)，萬(wàn)用表（MODEL500A型）。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求experimentalcontentandassignment研究電子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)規(guī)律Studythelawelectronicbeamsdeflectintheelectricfield保持加速電壓V2和聚焦電壓V1不變,測(cè)量偏轉(zhuǎn)量S隨偏轉(zhuǎn)電壓Ud的變化。測(cè)量從偏轉(zhuǎn)電極中心到熒光屏的距離L。畫(huà)出S(或)隨Ud的變化曲線。該曲線為何形狀，為什么？注意記錄下U1,U2數(shù)值。萬(wàn)用表的使Usemultimeter旋轉(zhuǎn)右邊旋鈕至，用萬(wàn)用表測(cè)量直流高壓時(shí)，將紅表筆插在2500插孔，負(fù)表筆插在負(fù)插孔，旋轉(zhuǎn)左邊旋鈕至2.5V量限位置上測(cè)量。實(shí)驗(yàn)步驟Experimentalstep按圖4的要求接好導(dǎo)線。接插線：A1V1,A2⊥,,,(儀器已接好)接通電源開(kāi)關(guān)：電源開(kāi)關(guān)向上撥，示波管燈絲亮。調(diào)焦：把聚焦開(kāi)關(guān)置于“點(diǎn)”的位置，輝度控制在適當(dāng)位置，調(diào)節(jié)聚焦電壓，使屏上光點(diǎn)聚成一細(xì)點(diǎn)。光點(diǎn)不要太亮，以免燒壞熒光屏。測(cè)量加速電壓U2：用萬(wàn)用表2500V檔，負(fù)表筆接“K”，正表筆接“A2”。測(cè)偏轉(zhuǎn)電壓Ud：用萬(wàn)用表50V檔，紅插在“+”孔，黑表筆插在“-”孔。右邊旋鈕調(diào)至。負(fù)表筆接“Y1”，正表筆接“Y2”(如需測(cè)X偏轉(zhuǎn)靈敏度，只需將Y1,Y2換成x1，X2即可)。圖4電子束實(shí)驗(yàn)儀面板光點(diǎn)調(diào)零：用萬(wàn)用表測(cè)Ud，調(diào)節(jié)Udy（或Udx）使Ud為0，這時(shí)光點(diǎn)在Y軸（或X軸）的中心原點(diǎn)，若不在則調(diào)節(jié)Udy（或Udx）即調(diào)節(jié)Y調(diào)零（或X圖4電子束實(shí)驗(yàn)儀面板調(diào)節(jié)“偏轉(zhuǎn)電壓”，使光點(diǎn)在熒光屏上向Y方向偏轉(zhuǎn)，每增加2mm的距離，讀取相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)電壓值Ud填入表1中。并畫(huà)出UdS圖線。驗(yàn)證理論值（8）式，作圖比較。表1偏轉(zhuǎn)距離S(mm)246810121416偏轉(zhuǎn)電壓Ud（V）、研究電子在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)規(guī)律Studythelawelectronicbeamsdeflectinthemagneticfield加速電壓U2固定情況下（U2=1000V），測(cè)定偏轉(zhuǎn)量S與I的變化關(guān)系，給出相應(yīng)的曲線。實(shí)驗(yàn)步驟Experimentalstep機(jī)外直流穩(wěn)壓電源和接量程為1000mA的安培表串接，再接到本機(jī)的“外共磁場(chǎng)電源”，兩制偏轉(zhuǎn)線圈分別插入示波管兩側(cè)磁場(chǎng)線圈插孔。接通儀器電源開(kāi)關(guān)，將柵極電壓V0調(diào)至適當(dāng)，將調(diào)節(jié)V2，V1找出光點(diǎn)最佳聚焦。保持輝度適中，調(diào)節(jié)X、Y位移，使光點(diǎn)位于坐標(biāo)原點(diǎn)（儀器應(yīng)南北方向放置）。接通“直流穩(wěn)壓電源”，調(diào)節(jié)調(diào)壓旋鈕，改變激勵(lì)電流I，測(cè)量偏轉(zhuǎn)量S與激勵(lì)電流I，記錄U2值（測(cè)孔：A2—K）。填入表3。表2測(cè)試條件加速電壓U2=1000V向上偏轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)量S/mm0/mm20/mm激勵(lì)電流I/mA思考題Exercises什么叫做電偏轉(zhuǎn)靈敏度、磁偏轉(zhuǎn)靈敏度？各