电子束实验讲义.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流电子束实验讲义.精品文档.电子在电磁场中运动规律的研究【实验目的】1、了解带电粒子在电磁场中的运动规律，电子束的电偏转、电聚焦、磁偏转、磁聚焦的原理；2、学习测量电子荷质比的一种方法。【实验原理】1、示波管的简单介绍： 示波管结构如图1所示示波管包括有：（1）一个电子枪，它发射电子，把电子加速到一定速度，并聚焦成电子束；（2）一个由两对金属板组成的偏转系统；（3）一个在管子末端的荧光屏，用来显示电子束的轰击点。所有部件全都密封在一个抽成真空的玻璃外壳里，目的是为了避免电子与气体分子碰撞而引起电子束散射。接通电源后，灯丝发热，阴极发射电子。栅极加上相对于阴极的负电压，它有两个作用： 一方面调节栅极电压的大小控制阴极发射电子的强度，所以栅极也叫控制极； 另一方面栅极电压和第一阳极电压构成一定的空间电位分布，使得由阴极发射的电子束在栅极附近形成一个交叉点。第一阳极和第二阳极的作用一方面构成聚焦电场，使得经过第一交叉点又发散了的电子在聚焦场作用下又会聚起来；另一方面使电子加速，电子以高速打在荧光屏上，屏上的荧光物质在高速电子轰击下发出荧光，荧光屏上的发光亮度取决于到达荧光屏的电子数目和速度，改变栅压及加速电压的大小都可控制光点的亮度。水平偏转板和垂直偏转板是互相垂直的平行板，偏转板上加以不同的电压，用来控制荧光屏上亮点的位置。2、电子的加速和电偏转： 为了描述电子的运动，我们选用了一个直角坐标系，其轴沿示波管管轴，轴是示波管正面所在平面上的水平线，轴是示波管正面所在平面上的竖直线。从阴极发射出来通过电子枪各个小孔的一个电子，它在从阳极射出时在方向上具有速度；的值取决于和之间的电位差（图2）。电子从移动到，位能降低了；因此，如果电子逸出阴极时的初始动能可以忽略不计，那么它从射出时的动能 就由下式确定： （1）此后，电子再通过偏转板之间的空间。如果偏转板之间没有电位差，那么电子将笔直地通过。最后打在荧光屏的中心（假定电子枪描准了中心）形成一个小亮点。但是，如果两个垂直偏转板（水平放置的一对）之间加有电位差，使偏转板之间形成一个横向电场，那么作用在电子上的电场力便使电子获得一个横向速度，但却不改变它的轴向速度分量，这样，电子在离开偏转板时运动的方向将与z轴成一个夹角，而这个角由下式决定： （2） 如图3所示。果知道了偏转电位差和偏转板的尺寸，那么以上各个量都能计算出来。 设距离为的两个偏转板之间的电位差在其中产生一个横向电场，从而对电子作用一个大小为的横向力。在电子从偏转板之间通过的时间内，这个力使电子得到一个横向动量 ，而它等于力的冲量，即 （3）于是： （4） 然而，这个时间间隔，也就是电子以轴向速度通过距离(等于偏转板的长度）所需要的时间，因此。 由这个关系式解出，代入冲量一动量关系式结果得： （5）这样，偏转角 就由下式给出： （6）再把能量关系式（1）代入上式，最后得到： （7）这个公式表明，偏转角随偏转电位差的增加而增大，而且，偏转角也随偏转板长度的增大而增大，偏转角与成反比，对于给定的总电位差来说，两偏转板之间距离越近，偏转电场就越强。最后，降低加速电位差也能增大偏转，这是因为这样就减小了电子的轴向速度，延长了偏转电场对电子的作用时间。此外，对于相同的横向速度，轴向速度越小，得到的偏转角就越大。 电子束离开偏转区域以后便又沿一条直线行进，这条直线是电子离开偏转区域那一点的电子轨迹的切线。这样，荧光屏上的亮点会偏移一个垂直距离，而这个距离由关系式确定；这里是偏转板到荧光屏的距离（忽略荧光屏的微小的曲率），如果更详细地分析电子在两个偏转板之间的运动，我们会看到：这里的应从偏转板的中心量到荧光屏。于是我们有： （8）3、电聚焦原理：图4显示了电子枪各个电极的截面，加速场和聚焦场主要存在于各电极之间的区域。图5是和这个区域放大了的截面图，其中画出了一些等位面截线和一些电力线。从 出来的横向速度分量为的具有离轴倾向的电子，在进入和之间的区域后，被电场的横向分量推向轴线。与此同时, 电场的轴向分量使电子加速；当电子向运动，进入接近的区域时，那里的电场的横向分量有把电子推离轴线的倾向。但是由于电子在这个区域比前一个区域运动得更快，向外的冲量比前面的向内的冲量要小，所以总的效果仍然是使电子靠拢轴线。 4、电子的磁偏转原理：在磁场中运动的一个电子会受到一个力加速，这个力的大小与垂直于磁场方向的速度分量成正比，而方向总是既垂直于磁场又垂直于瞬时速度。从与方向之间的这个关系可以直接导出一个重要的结果：由于粒子总是沿着与作用在它上面的力相垂直的向运动，磁场力不对粒子作功，由于这个原因，在磁场中运动的粒子保持动能不变，因而速率也不变。当然，速度的方向可以改变。在本实验中，我们将观测到在垂直于电子束方向的磁场作用下电子束的偏转；图6电子从电子枪发射出来时，其速度由下面能量关系式决定：电子束进入长度为的区域，这里有一个垂直于纸面向外的均匀磁场，由此引起的磁场力的大小为，而且它始终垂直于速度，此外，由于这个力所产生的加速度在每一瞬间都垂直于，此力的作用只是改变的方向而不改变它的大小，也就是说。粒子以恒定的速率运动。电子在磁场力的影响下作圆弧运动。因为圆周运动的向心加速为，而产生这个加速度的力（有时称为向心力）必定为，所以圆弧的半径很容易计算出来。向心力等于，因而即。电子离开磁场区域之后，重新沿一条直线运动，最后，电子束打在荧光屏上某一点，这一点相对于没有偏转的电子束的位置移动了一段距离。5、磁聚焦和电子荷质比的测量原理：置于长直螺线管中的示波管，在不受任何偏转电压的情况下，示波管正常工作时，调节亮度和聚焦，可在荧光屏上得到一个小亮点。若第二加速阳极的电压为，则电子的轴向运动速度用表示，则有 （9）当给其中一对偏转板加上交变电压时，电子将获得垂直于轴向的分速度（用表示），此时荧光屏上便出现一条直线，随后给长直螺线管通一直流电流，于是螺线管内便产生磁场，其磁场感应强度用表示。众所周知，运动电子在磁场中要受到罗伦磁力的作用（方向受力为零），这个力使电子在垂直于磁场（也垂直于螺线管轴线）的平面内作园周运动，设其园周运动的半径为，则有： 即 （10）圆周运动的周期为： （11）电子既在轴线方面作直线运动，又在垂直于轴线的平面内作园周运动。它的轨道是一条螺旋线，其螺距用表示，则有： （12）从（11）、（12）两式可以看出，电子运动的周期和螺距均与无关。虽然各个点电子的径向速度不同，但由于轴向速度相同，由一点出发的电子束，经过一个周期以后，它们又会在距离出发点相距一个螺距的地方重新相遇，这就是磁聚焦的基本原理，由（12）式可得 （13）长直螺线管的磁感应强度，可以由下式计算： （14）将（14）代入（13），可得电子荷质比为： (15)为真空中的磁导率亨利/米【实验仪器】型电子束实验仪（仪器面板功能分布见下图）图中： 1阳极电压表 2实验仪面板 3聚焦电压表 4Y轴偏转极板插座 5X轴偏转极板插座 6电偏转电压表 7励磁电流表 8电偏转电压输入插座 9、11励磁电流输出插座 10保险丝管座 12磁偏转与磁聚焦电流量程转换按钮 13磁偏转与磁聚焦电流调节旋钮 14电子束与示波器功能转换开关（K2） 15电子束X偏转电压调节 16电子束X轴光点调零 17电子束Y偏转电压调节 18电子束Y轴光点调零 19电子束与示波器功能转换开关（K1） 20阳极高压调节 21聚焦调节 22示波管亮度调节 23磁聚焦电流输入插座 24磁聚焦电流换向开关 25磁聚焦螺线管 26磁偏转线圈 27线圈安装面板 28示波管 29有机玻璃防护罩 30示波管安装座 31机箱 32磁偏转电流输入插座型电子束实验仪主要参数如下：螺线管的长度：，螺线管的线圈匝数：，螺线管的直径：，螺距：（偏转板至荧光屏距离），（偏转板至荧光屏距离）。【实验内容及步骤】1、电聚焦实验：（1）在主机机箱后部接入220V市电，主机与示波管之间用专用导线连接,其它不必连线，开启主机箱后面的电源开关，将“电子束荷质比”选择开关向下拨到“电子束”位置，适当调节示波管辉度。调节聚焦，使示波管显示屏上光点聚焦成一细点，注意：光点不要太亮，以免烧坏荧光屏，缩短示波管寿命。（2）光点调零，通过调节“偏转”和“偏转”旋钮，使光点位于、轴的中心。（3）分别调节阳极电压，调节聚焦电压旋钮（改变聚焦电压）使光点一次次达到最佳的聚焦效果，在此情况下，测量并记录各不同阳极电压时对应的电聚焦电压。（4）求出 的比值。2、电偏转实验：（1）接线图见图7 图7 电偏转实验接线图（仅标出水平偏转接线）（2）开启电源开关，将“电子束荷质比”功能选择开关及都打到“电子束”位置。适当调节亮度旋钮，使示波管辉度适中，调节聚焦，使示波管显示屏上光点聚成一细点，（注意：光点不能太亮，以免烧坏荧光屏。）（3）光点调零，如图7所示，用导线将偏转板插座与电偏转电压表的输入插座相连接（电源负极内部已连接），调节“偏转板”的“偏转电压”旋钮，使电偏转电压表的指示为“零”，再调节“偏转板”的“光点调零”旋钮，把光点移动到示波管垂直中线上。（4）测量光点移动距离随偏转电压大小的变化（轴）：调节阳极电压旋钮，使阳极电压固定在。改变并测量电偏转电压值和对应的光点的位移量值，每隔3伏测一组、值，把数据一一记录到表格2-1中。然后调节到，重复以上实验步骤。（5）把电偏转电压表改接到“Y偏转板”，同“偏转板”一样的操作方法，即可测量轴方向光点的位移量与电偏转电压的关系即的变化规律。把数据一一记录到表格2-2中。3、磁偏转实验：图8 磁偏转实验接线图（1）开启电源开关，将“电子束荷质比”选择开关K1及K2打向“电子束”位置，适当调节亮度旋钮，使示波管辉度适中，调节聚焦，使示波管显示屏上光点聚成一细点。（2）光点调零，在磁偏转输出电流为零时,通过调节“X偏转”和“偏转”旋钮，使光点位于轴的中心原点。（3）测量偏转量随磁偏电流的变化，给定=，按图8所示接线，按下“电流转换”按钮，“00.25A”档指示灯亮，调节“电流调节”旋钮（改变磁偏电流的大小），每测量一组值，改变()，再测一组数据，分别记录于表3-1、3-2中。4、磁聚焦和电子荷质比的测量： （1）按图9所示接线（2）把主机 “励磁电流输出”两插座与螺线管前面板 “励磁电流输入”的两插座用导线连接，把“电流调节”旋钮逆时针旋到底。（3）开启电子束测试仪电源开关，“电子束-荷质比”转换开关K1置于“荷质比”位置，K2置于“电子束”位置，此时荧光屏上出现一条直线，把阳极电压调到。（4） “释放电流转换”按钮，“03.5A”档指示灯亮，顺时针转动“电流调节”旋图9 磁聚焦和电子荷质比的测量接线图钮，逐渐加大电流使荧光屏上的直线一边旋转一边缩短，直到变成一个小光点。读取电流值，然后将电流值调为零。再将螺线管前面板上的电流换向开关扳到另一方，再从零开始增加电流使屏上的直线反方向旋转并缩短，直到再一次得到一个小光点，读取电流值并记录到表格-1中。通过计算，求得电子荷质比。（5）改变阳极电压为，重复步骤（4）。(6) 实验结束，请先把励磁电流调节旋钮逆时针旋到底。【数据记录和处理】1、电聚焦：记录不同下的数值，求出。2、电偏转（1）水平方向 阳极电压时，轴数据记录表2-1 作 图，求出曲线斜率得电偏转灵敏度值。（2）电偏转（垂直方向）： 阳极电压时，轴数据记录表2-2 作 图，求出曲线斜率得电偏转灵敏度值。3、磁偏转：（1）电压为，数据表3-1（2）作图，求曲线斜率得磁偏转灵敏度。（3）电压为，数据表3-2（4）作图，求曲线斜率得磁偏转灵敏度。4磁聚焦和电子荷质比的测量：表4-1 电 压电 流电子荷质比（）