電子束地偏轉(zhuǎn)與聚焦現(xiàn)象

1、交6.3V丫1S丫2U2600-1000V+JU1GK GK在示波管中，陰極被加熱發(fā) 同時又受柵極產(chǎn)生的負電場柵極 G的電壓一般要比陰大學物理實驗報告學生： 陽學號:6110116158專業(yè)班級： 電子165實驗時間:第九 周星期:一座位號:40電子束的偏轉(zhuǎn)與聚焦現(xiàn)象一、實驗目的1、了解示波管的構(gòu)造和工作原理，分析電子束在勻強電場和勻強磁場作用 下的偏轉(zhuǎn)情況；2、學會使用數(shù)字萬能表和聚焦法測量電子荷質(zhì)比的方法。二、實驗原理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，主要包括三個部分：前端為熒光屏，（S,其用來將電子束的動能變?yōu)楣猓?中間為偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)（

2、丫：垂直偏轉(zhuǎn)板，X :水平偏轉(zhuǎn)板），后端為電子槍（K:陰極,極，A1 :聚焦陽極，A2 :第二陽極，A3:前加速陽極）。燈絲HG:柵流供電，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。 射電子，電子受陽極產(chǎn)生的正電場作用而加速運動, 作用只有一部分電子能夠通過柵極小孔而飛向陽極。極K的電壓低20100V,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控制射向熒光屏的電子數(shù)，從而控制熒光屏上的輝度。 當柵極上的電壓負到一定的程度時

3、，可使電子射線截止，輝度為0。加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能。令Z軸沿示波管的管軸方向從燈絲位置指 向熒光屏；同時，從熒光屏上看，令 X軸為水平方向向右，丫軸為垂直方向向 上。假定電

4、子從陰極逸出是初速度忽略不計，則電子經(jīng)過電勢差為U的空間后，電場力做的功eU應等于電子獲得的動能eU1 2(1)(L顯然，電子沿Z軸運動的速度Vz與第二陽極A2的電壓U2的平方根成正比,(2)若在電子運動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。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,則熒光屏上光點 的橫向偏轉(zhuǎn)量D由下式給出：圖2由式（3）可知，當U2不變時，偏轉(zhuǎn)量 D隨Ud的增加而線性增加。所以，根 據(jù)屏上光點位移與偏轉(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

5、改變加速電壓U2,適當調(diào)節(jié)U1到最佳聚焦，可以測定D-Ud直線隨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方向外加一個均勻磁場，那么以速度 v 飛越子電子在丫方向上也會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖所示。1p 篤/屏JLD7電子束0:叮 :« *-« *一 * + *L 圖3由于電子受洛倫茲力F=eBv作用，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動，洛倫茲力就是向心力，即有 eBv=mv2/R, 所以(4)mv,eB電子離開磁場后將沿圓切線方向飛出,直射到達熒光屏。在偏轉(zhuǎn)角©較小的情況下，近似的有tanl_DRL(5)

6、式中，I為磁場寬度，D為電子在熒光屏上亮點的偏轉(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)系為實驗中的外加橫向磁場由一對載流線圈產(chǎn)生，其大小為B K 0nl式中，°為真空中的磁導率，n為單位長度線圈的匝數(shù)，I為線圈中的勵磁電流,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與勵磁電流I、加速電壓U2等的關(guān)系為(8)當勵磁電流I （即外加磁場B）確定時，電子束在橫向磁場中的偏轉(zhuǎn)量 D與 加速電壓U2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

7、量之一 測定荷質(zhì)比的方法很多，本實驗采用磁聚焦法。當示波管放置在一個通電螺旋管時，沿示波管軸線方將有以均勻分布的磁場，其磁感應強度為B。經(jīng)陽極小孔射出的細電子束流將沿軸線作勻速直線運動。 電子運動方向與磁場平行，故磁場對電子運動不產(chǎn)生影響。 電子流的軸線速率為v2ea(9)式中，e， m分別為電子電荷量和質(zhì)量。若在一對偏轉(zhuǎn)極板 丫上加一個幅值不大的交變電壓，則電子流通過 丫后就獲得一個與管軸垂直分量v。如暫不考慮電 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動，即該力起著向心力的作用，F(xiàn)=ev B=mv2/R，由此可得到電子運動

8、的軌道半徑 r ，v越大軌道半Be / m徑亦越大，電子運動一周所需要的時間（即周期）為2 ReT2 B（ 10）vm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，電子的運動軌跡應為一螺旋線。在一個周期，電子前進距離（稱螺距）為h vT2"b2mU(11)由于不同時刻電子速度的垂直分量 v度不同，故在磁場的作用下，各電子將沿不同半徑的螺線前進。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動時，它們從同一點出發(fā)，盡管各個電子的 V各不相同，但經(jīng)過一個周期后，它們又會在距離出發(fā)點相距一個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

9、8 2U2 h2B2（ 12）長直螺線管的磁感性強度 B，可以由下式計算：(13)oNIL2D2將式（13）代入式（12），可得電子荷質(zhì)比為：(15)e m 8 2U2（L2D2） （ °Nlh）2（ 14）kU式中k8 2（ l2D2）（0Nh）2本實驗使用的電子束實驗儀，“527 108。三、實驗儀器EB 川電子束實驗儀、直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字萬能表、四、實驗步驟1、開啟電子束實驗儀電源開關(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，此時在熒光屏上能看到一亮斑。適當調(diào)節(jié)輝度，并調(diào)節(jié)聚焦，使屏 上光點聚成一圓點。（主：光點不能太亮，以免燒壞熒光屏）2

10、、光點調(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，使光點位于 X軸的中 心圓點，且左、右偏轉(zhuǎn)的最大距離都接近于滿格。Y軸調(diào)節(jié) 用數(shù)字萬能表電壓檔接近于“ Y偏電壓表” +、-兩端，緩慢調(diào) 節(jié)“ Y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 位于丫軸的中心原點。3、測量D隨Ud的變化調(diào)節(jié)陽極電壓旋鈕，取定陽極電壓U2=700V,用數(shù)字萬能表分別測出D= ±5, ± 10，± 15,±20mm時的Ud （垂直電壓）值列表記錄。再取 U2=900V，再測D 為上述值時的Ud值記錄表中。4、測量偏轉(zhuǎn)量D隨磁偏轉(zhuǎn)電流I的變化使亮光

11、點回到丫軸的中心原點，取U2=700V,用數(shù)字萬用表的mA檔測量 磁偏轉(zhuǎn)電流。列表記錄 D=5，10，15，20mm時的磁偏轉(zhuǎn)電流值，然后改變磁偏 轉(zhuǎn)電流方向，再測 D=-5，-10, -15, -20mm時的磁偏轉(zhuǎn)電流值。再取 U2=900V， 重復前面的測量。5、電子荷質(zhì)比的測量m把直流穩(wěn)壓電源的輸出端接到勵磁電流的接線柱上，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，此時熒光屏上出現(xiàn)一條直線，陽極電 壓調(diào)到700V。此時若線較暗，貝U可將“輝度”旋鈕順時針增大至剛好能看清豎 直亮線為止；在增大“陽極電壓”至1000V位置。若能達到1000V位置，則可固定“輝度”旋鈕，開始正

12、式測量。(1) 開始測量e/m，逐漸加大勵磁電流使熒光屏上的直線一邊旋轉(zhuǎn)一邊縮 短，直到變成一個小亮點，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，直到再得到一個小亮點，讀取電流值。取其平均值，以消除地磁等的影響。(2) 改變陽極電壓為800V,900V,1000V重復步驟(1)五、數(shù)據(jù)處理1、電偏轉(zhuǎn)700/VVd/v-16.54-12.64-8.41-4.3204.318.4313.0617.21D/mm20151050-5-10-15-20900/VVd/v-21.32-16.20-11.43-5.3405.3311.3916.

13、2621.81D/mm20151050-5-10-15-20(1)當陽極電壓700V時的D Vd圖像如圖像如圖可知其斜率為-1.1789mm/v(2)當陽極電壓為900V時DAJcI圖像如圖可知斜率為-0.9193mm/v得出結(jié)論：陽極電壓U2越高，電偏轉(zhuǎn)靈敏度越低2、磁偏轉(zhuǎn)700/VI/mA76.855.736.7519.670-20.42-37.40-54.3-74.5D/mm20151050-5-10-15-20900/VI/mA87.665.946.322.30-20.65-40.8-60.3-81.2D/mm20151050-5-10-15-20(1)當陽極電壓700V時的D I/m

14、A圖像如圖Dl圖像如圖可知斜率為0.2669mm/mA(2)當陽極電壓900V時的D 1/mA圖像如圖如圖可知斜率為 0.2359mm/mA得出結(jié)論：陽極電壓越高，曲線的斜率越小。解釋：當U2更大時，電子獲得的速度越大，偏轉(zhuǎn)越小，即偏轉(zhuǎn)相同距離所 需的偏轉(zhuǎn)電壓越大，則圖像斜率越小。3、電子荷質(zhì)比(e/m=1.758819X1011C/kg)電壓電流700V800V900V1000VI正1.411.491.581.7I反1.391.481.591.67I平均1.401.4851.5851.685e/m/C/kg111.73311 1011/ c111.76044 10/ J11.73847 10

15、"111.70916 10e/m 平均 /C/kg111.735295 1011_/%1.34六、誤差分析1、儀器本身存在儀器誤差。2、調(diào)節(jié)D及肉眼讀數(shù)時存在誤差，且由于視線不水平誤差較大3、測量比荷時調(diào)節(jié)光點與以前一致存在誤差。七、思考題1、在測量荷質(zhì)比時，地磁場對測量結(jié)果有影響嗎？如果有，能否消除或?qū)?其影響減至最??？答：由于地球也存在磁場，電子的質(zhì)量非常小，因此地磁場對測量結(jié)果有影 響。本實驗是通過從兩個方向旋轉(zhuǎn)取平均值來消除地磁場的影響。2、電子束偏轉(zhuǎn)與聚焦實驗中，偏轉(zhuǎn)量的大小與光點的亮度是否有關(guān)？為什么? 答：有關(guān)，偏轉(zhuǎn)量會影響聚焦大小，也就是說電子打在熒光屏的數(shù)目和匯聚的

16、集中程度，從而影響光點的亮度。3、在電子束的偏轉(zhuǎn)與聚焦現(xiàn)象中為什么在接入萬用表之前光點不會移動 而轉(zhuǎn)動丫軸調(diào)節(jié)光點會上下移動答：因為萬用電表的mA檔測量磁偏電流時插入磁偏電流的孔， 相當于使產(chǎn) 生磁場的電路通路，這時調(diào)節(jié)磁偏調(diào)節(jié)光點才動。之前萬用電表V檔測Ud時，萬用電表接在X或丫正負兩端，產(chǎn)生磁場的電路斷開，不產(chǎn)生磁場調(diào)節(jié)磁偏調(diào) 節(jié)光點不動。八、實驗感悟這次的實驗我感覺自己收獲很多，同時也讓我發(fā)現(xiàn)自己有一些做實驗的不好 的習慣。對于一些基本要點還沒記牢，不過我很感謝老師發(fā)現(xiàn)了并指出我的錯誤， 畢竟在實驗這方面動手操作的機會還是很少的。這次的實驗原理比較易懂，由于在高中的時候?qū)W過相關(guān)的知識，主要是操作問題，以前只有理論，沒有操作，在 動手方面有點生疏，不過熟悉一下也就可以