電子束的偏轉(zhuǎn)與聚焦試驗(yàn)報(bào)告

1、v1.0可編輯可修改南昌大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱： 普通物理實(shí)驗(yàn)（2）實(shí)驗(yàn)名稱：電子束的偏轉(zhuǎn)與聚焦學(xué)院：專業(yè)班級(jí)：學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：座位號(hào)：實(shí)驗(yàn)時(shí)間：一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、了解示波管的構(gòu)造和工作原理。2、定量分析電子束在勻強(qiáng)電場作用下的偏轉(zhuǎn)情況和在均勻磁場作用 下的偏轉(zhuǎn)情況。3、學(xué)會(huì)規(guī)范使用數(shù)字多用表。4、學(xué)會(huì)磁聚焦法測量電子比荷的方法。實(shí)驗(yàn)儀器:EB-m電子束實(shí)驗(yàn)儀、直流穩(wěn)壓電源 30V, 2A、數(shù)字多用表三、實(shí)驗(yàn)原理:1、示波管的結(jié)構(gòu)示波管又稱為陰極射線管，其密封在高真空的玻璃殼之中，它的構(gòu)造如圖1所示，主要包括三個(gè)部分：前端為熒光屏，（S，其用來將電子束的動(dòng)能變?yōu)楣猓?中間為偏轉(zhuǎn)系

2、統(tǒng)（丫：垂直偏轉(zhuǎn)板，X:水平偏轉(zhuǎn)板），后端為電子槍（K:陰極, G:柵極，A1：聚焦陽極，A2:第二陽極，A3:前加速陽極）。燈絲H用交流供電， 其作用是將陰極加熱，使陰極發(fā)射電子，電子受陽極的作用而加速。2、電聚焦原理電子射線束的聚焦是電子束管必須解決的問題。在示波管中，陰極被加熱發(fā) 射電子，電子受陽極產(chǎn)生的正電場作用而加速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又受柵極產(chǎn)生的負(fù)電場作用只有一部分電子能夠通過柵極小孔而飛向陽極。柵極G勺電壓一般要比陰極K的電壓低20T00V,由陰極發(fā)射電子，受到柵極與陰極間減速電場的作用， 初速度 小的電子被阻擋，而那些初速度大的電子可以通過柵極射向熒光屏。 所以調(diào)節(jié)柵 極電壓的高低可以

3、控制射向熒光屏的電子數(shù)， 從而控制熒光屏上的輝度。當(dāng)柵極 上的電壓負(fù)到一定的程度時(shí)，可使電子射線截止，輝度為0。力卩速電極的電壓比陰極電位高幾百伏至上千伏。前加速陽極，聚焦陽極和第 二陽極是由同軸的金屬圓筒組成。由于各電極上的電壓不同，在它們之間形成了 彎曲的等勢面、電場線。這樣就使電子束的路徑發(fā)生彎曲， 這類似光線通過透鏡 那樣產(chǎn)生了會(huì)聚和發(fā)散，這種電器組合稱為電子透鏡。改變電極間的電壓分布， 可以改變等勢面的彎曲程度，從而達(dá)到電子束的聚焦。3、電偏轉(zhuǎn)原理在示波管中，電子從被加熱的陰極K逸出后，由于受到陽極電場的加速作用, 使電子獲得沿示波管軸向的動(dòng)能。電場力做的功 el應(yīng)等于電子獲得的動(dòng)能

4、eU(1)顯然，電子沿Z軸運(yùn)動(dòng)的速度vz與第二陽極A2的電壓U2的平方根成正比，即Vz嚴(yán) U2（ 2） m若在電子運(yùn)動(dòng)的垂直方向加一橫向電場，電子在該電場作用下將發(fā)生橫向偏轉(zhuǎn)，如圖2所示。D (LUd IU2 2d若偏轉(zhuǎn)板板長為I、偏轉(zhuǎn)板末端到屏的距離為L、偏轉(zhuǎn)電極間距離為d、軸向 加速電壓（即第二陽極A2電壓）為U2,橫向偏轉(zhuǎn)電壓為Ud,貝U熒光屏上光點(diǎn)的橫 向偏轉(zhuǎn)量D由下式給出：(3)由式（3）可知，當(dāng)U2不變時(shí)，偏轉(zhuǎn)量隨Ud勺增加而線性增加。所以，根據(jù) 屏上光點(diǎn)位移與偏轉(zhuǎn)電壓的線性關(guān)系， 可以將示波管做成測量電壓的工具。 若改 變加速電壓U2,適當(dāng)調(diào)節(jié)U1到最佳聚焦，可以測定D-Udft

5、線隨U2改變而使斜率改 變的情況。4、磁偏轉(zhuǎn)原理電子通過A2后，若在垂直Z軸的X方向外加一個(gè)均勻磁場，那么以速度 v飛越 子電子在Y方向上也會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖所示。由于電子受洛倫茲力F=eBV乍用，F(xiàn)的大小不變，方向與速度方向垂直，因此電子 在F的作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力就是向心力，即有 eBv=mv2/R所以電子離開磁場后將沿圓切線方向飛出，直射到達(dá)熒光屏。在偏轉(zhuǎn)角©較小的情況下，近似的有tan(5)式中，I為磁場寬度，D為電子在熒光屏上亮點(diǎn)的偏轉(zhuǎn)量（忽略熒光屏的微小 彎曲），L為從橫向磁場中心到熒光屏的距離。由此可得偏轉(zhuǎn)量D與外加磁場B、加速電壓U2等的關(guān)系為2mU實(shí)驗(yàn)中的外

6、加橫向磁場由一對(duì)載流線圈產(chǎn)生，其大小為B K onl（ 7）式中，0為真空中的磁導(dǎo)率，n為單位長度線圈的匝數(shù)，I為線圈中的勵(lì)磁電 流，K為線圈產(chǎn)生磁場公式的修正系數(shù)（0 K 1）由此可得偏轉(zhuǎn)量D與勵(lì)磁電流I、加速電壓U2等的關(guān)系為KonI11爲(wèi)(8)12當(dāng)勵(lì)磁電流I （即外加磁場B）確定時(shí)，電子束在橫向磁場中的偏轉(zhuǎn)量 D與加 速電壓U的平方根成反比。5、磁聚焦和電子荷質(zhì)比的測量原理帶點(diǎn)粒子的電量與質(zhì)量的比值叫荷質(zhì)比，是帶電微觀粒子的基本參量之一。 測定荷質(zhì)比的方法很多，本實(shí)驗(yàn)采用磁聚焦法。電子運(yùn)動(dòng)方向與磁場平行，故磁場對(duì)電子運(yùn)動(dòng)不產(chǎn)生影響。電子流的軸線速 率為(9)丫上加一個(gè)幅值不v 。如暫不

7、考慮電式中，e， m分別為電子電荷量和質(zhì)量。若在一對(duì)偏轉(zhuǎn)極板大的交變電壓，則電子流通過丫后就獲得一個(gè)與管軸垂直分量 子軸向速度分量v的影響，則電子在磁場的洛倫茲力F的作用下（該力與v垂直），在垂直于軸線的平面上作圓周運(yùn)動(dòng)，即該力起著向心力的作用,F=ev B=nv2 /R，由此可得到電子運(yùn)動(dòng)的軌道半徑 RvBe/ m越大軌道半2 Rv徑亦越大，電子運(yùn)動(dòng)一周所需要的時(shí)間（即周期）為(10)這說明電子的旋轉(zhuǎn)周期與軌道半徑及速率 v無關(guān)。若再考慮v/的存在，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)為一螺旋線。在一個(gè)周期內(nèi)，電子前進(jìn)距離（稱螺距）為hvT2_B：2mU(11)由于不同時(shí)刻電子速度的垂直分量 v度不同，故在磁場

8、的作用下，各電子將 沿不同半徑的螺線前進(jìn)。然而，由于他們速度的平行分量v均相同，所以電子在 做螺線運(yùn)動(dòng)時(shí)，它們從同一點(diǎn)出發(fā)，盡管各個(gè)電子的 V各不相同，但經(jīng)過一個(gè)周期后，它們又會(huì)在距離出發(fā)點(diǎn)相距一個(gè)螺距的地方重新相遇，這就是磁聚焦的基本原理。由式（11）可得e m 8 2U2 h2B2（ 12）長直螺線管的磁感性強(qiáng)度B,可以由下式計(jì)算:(13)_°NI_L2D2將式（13）代入式（12），可得電子荷質(zhì)比為:e,U2k2 ( 15)mI式中k8 2( L2D2)(16)2(oNh)本實(shí)驗(yàn)使用的電子束實(shí)驗(yàn)儀，k=e m 8 2U2(L2D2).( 0NIh)2(14)四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：（1）

9、開啟電子束實(shí)驗(yàn)儀電源開關(guān)將“電子束一荷質(zhì)比”選擇開關(guān)打向“電子束”位置，面板上一切可調(diào)旋鈕 都旋至中部，此時(shí)在熒光屏上能看到一亮斑。適當(dāng)調(diào)節(jié)輝度，并調(diào)節(jié)聚焦，使屏 上光點(diǎn)聚成一圓點(diǎn)。（注：光點(diǎn)不能太亮，以免燒壞熒光屏）（2）光點(diǎn)調(diào)零X軸調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)“ X軸調(diào)節(jié)”和“ X軸調(diào)零”旋鈕，使光點(diǎn)位于X軸的中心圓 點(diǎn)，且左、右偏轉(zhuǎn)的最大距離都接近于滿格。丫軸調(diào)節(jié)用數(shù)字萬能表電壓檔接近 于“丫偏電壓表” +、兩端，緩慢調(diào)節(jié)“丫軸調(diào)節(jié)”旋鈕使數(shù)字萬能表讀數(shù)為0, 然后調(diào)節(jié)“ 丫軸調(diào)零”旋鈕使光點(diǎn)位于丫軸的中心原點(diǎn)。（3）測量隨的變化調(diào)節(jié)陽極電壓旋鈕，取定陽極電壓 - 汽，用數(shù)字萬能表分別測出J 1 - .&#

10、39;. .'丨八'd_iiI時(shí)的*I （垂直電壓）值列表記錄。再取虹況訶，再測1；為上述值時(shí)的值記錄表中。（4）測量偏轉(zhuǎn)量D隨磁偏轉(zhuǎn)電流丨的變化使亮光點(diǎn)回到丫軸的中心原點(diǎn)，取* J用數(shù)字萬用表的2檔測量磁偏轉(zhuǎn)電流。列表記錄門一心-時(shí)的磁偏轉(zhuǎn)電流值，然后改變磁偏轉(zhuǎn)電流方向，再測：1一 二.時(shí)的磁偏轉(zhuǎn)電流值。再取I J "，重復(fù)前面的測量。（5）電子荷質(zhì)比'的測量把直流穩(wěn)壓電源的輸出端接到勵(lì)磁電流的接線柱上，電流值調(diào)到0，將“電子束一荷質(zhì)比”開關(guān)置于“荷質(zhì)比”位置，此時(shí)熒光屏上出現(xiàn)一條直線，陽極電 壓調(diào)到700V。此時(shí)若線較暗，貝U可將“輝度”旋鈕順時(shí)針增大至剛

11、好能看清豎直 亮線為止；在增大“陽極電壓”至1000V位置。若能達(dá)到1000V位置，則可固定 “輝度”旋鈕，開始正式測量。逐漸加大勵(lì)磁電流使熒光屏上的直線一邊旋 轉(zhuǎn)一邊縮短，直到變成一個(gè)小亮點(diǎn)，讀取電流值，然后將將電流調(diào)回零。再將電 流換向開關(guān)板到另一方，重新從零開始增加電流使屏上直線反方向旋轉(zhuǎn)縮短，直到再得到一個(gè)小亮點(diǎn)，讀取電流值。取其平均值，以消除地磁等的影響。改變陽 極電壓為800V,900V,1000V,重復(fù)上述步驟。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析處理:1、電偏轉(zhuǎn)7500VD/mm20151050-5-10-15-20900Ud/V0VD/mm20151050-5-10-15-20繪制D -比

12、圖:當(dāng)陽極電壓為750V,電偏轉(zhuǎn)靈敏度L-/.II '.!;當(dāng)陽極電壓為900V,電偏轉(zhuǎn)靈敏度2弋圧F結(jié)論：U”與電偏轉(zhuǎn)靈敏度為線性關(guān)系，且陽極電壓越高，電偏轉(zhuǎn)靈敏度越高2、磁偏轉(zhuǎn)7501/mA0VD/mm20151050-5-10-15-209001/mA0VD/mn20151050-5-10-15-20繪制L 圖:當(dāng)陽極電壓為750V,電偏轉(zhuǎn)靈敏度丨一 <當(dāng)陽極電壓為900V,電偏轉(zhuǎn)靈敏度I丨2 .y I 一 I. /結(jié)論：I與磁偏轉(zhuǎn)靈敏度為線性關(guān)系，且陽極電壓越高，電偏轉(zhuǎn)靈敏度越低3、電子比荷（丫 的公認(rèn)值：二II：_）750V800V900V1000V正刈1廈/ATe/m1. 6504 * W111. 6055 * 10111