電子束的電偏轉(zhuǎn)與電子荷質(zhì)比的測定張志林

1、HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY物理實驗報告實 驗 題 目： 電子束的電偏轉(zhuǎn)與電子荷質(zhì)比的測定 姓 名： 張志林 物理實驗教學(xué)中心實 驗 報 告一、實驗題目：電子束的電偏轉(zhuǎn)與電子荷質(zhì)比的測定二、實驗?zāi)康模?.了解示波管的基本結(jié)構(gòu)和電聚焦的原理；2.測量示波管的電偏轉(zhuǎn)靈敏度；3.了解電子束縱向磁聚焦的基本原理；4.觀察磁聚焦現(xiàn)象，學(xué)習(xí)用磁聚焦法測定電子比荷e/m。三、實驗儀器：電子束實驗儀、直流安培表、直流穩(wěn)壓電源、三用表三塊。四、實驗原理（原理圖、公式推導(dǎo)和文字說明）：1.示波管的基本結(jié)構(gòu)和靜電聚焦原理示波管由電子槍、偏轉(zhuǎn)板和熒光屏三部分組成，如圖12-1所示。其中電

2、子槍是示波管的核心部件。示波管的基本結(jié)構(gòu)圖H，H鎢絲加熱電極；FA聚焦電極；K陰極；A第二加速陽極；G控制柵極；XX水平偏轉(zhuǎn)板；A第一加速陽極；YY垂直偏轉(zhuǎn)板電子槍由陰極K、柵極G、第一加速陽極A、聚焦陽極FA和第二加速陽極A等同軸金屬圓筒（筒內(nèi)膜片的中心的限制小孔）組成。當(dāng)加熱電流從H，H通過鎢絲，陰極K被加熱后，筒端的鋇鍶氧化物涂層內(nèi)的自由電子獲得較高的動能，從表面逸出。因為第一加速陽極A具有（相對于陰極K）很高的電壓（例如1100V），在K - G - A之間形成強(qiáng)電場，故從陰極逸出的電子在電場中被加速，形成一束電子射線，最后打擊在屏的熒光物質(zhì)上，發(fā)出可見光，在屏背可以看見一個亮點(diǎn)。射線

3、中的電子從電子槍“槍口”（最后一個加速電極A的小孔）射出的速度v，由下面的能量關(guān)系決定式中，U為A對陰極K的電位差，電子的最后射出速度v是相同的，與電子在電子槍內(nèi)的電位起伏無關(guān)?？刂茤艠OG相對于陰極K負(fù)電位（見圖中電路），兩者相距很近，當(dāng)柵極G負(fù)的電位不很大時就足以把電子斥回，使電子束截止。用電位器R調(diào)節(jié)G對K的電壓，可以控制電子槍射出電子的數(shù)目，從而連續(xù)改變屏上光點(diǎn)的亮度。陰極發(fā)射的電子在電場的作用下，會聚于控制柵極小孔附近一點(diǎn)。在這里，電子束具有最小的截面，往后，電子束又散射開來。為了把散射開來的電子束會聚起來，采用如圖12-2所示的靜電場裝置（靜電透鏡）。其作用原理如下：圖12-2 電場

4、聚焦原理電子槍內(nèi)的聚焦電極FA與第二加速電極A組成一個靜電透鏡，其間的靜電場分布如圖12-2所示。虛線為等位線，實線為電力線，電場對Z軸是對稱分布的。電子束中某個散離軸線的電子沿軌道S進(jìn)入聚焦電場。在電場的前半?yún)^(qū)（左邊），這個電子受到與電力線相切方向的作用力f。f可分解為垂直指向軸線的分力fr與平行于軸線的分力fz（圖中A區(qū)）。fr的作用使電子運(yùn)動向軸線靠攏，起聚焦作用；fz的作用使電子沿Z軸線方向得到加速度。電子到達(dá)電場的后半?yún)^(qū)（右邊）時，受到的作用力f起散焦作用。考慮到電子在后半?yún)^(qū)的軸向速度比在前區(qū)的大得多，獲得的離軸速度比在前區(qū)獲得的向軸速度小，總的效果是電子向軸線靠攏，整個電場起聚焦作

5、用。聚焦作用的強(qiáng)弱是由圖中“聚焦”電位器R2，即改變FA與 A之間的電位差，從而改變其間的電場強(qiáng)度來實現(xiàn)的。2.電子束的電偏轉(zhuǎn)在示波管的兩塊Y（或X）偏轉(zhuǎn)板加上電壓時，受電場力的作用，通過兩板之間的電子束的方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖12-3所示。圖12-3 電子束的電偏轉(zhuǎn)示意圖該式表明，偏轉(zhuǎn)板的電壓Uy越大，屏上光點(diǎn)的位移也越大，兩者是線性關(guān)系。比例常數(shù)在數(shù)值上等于偏轉(zhuǎn)電壓為1V時，屏上光點(diǎn)位移的大小，稱為示波管的電偏轉(zhuǎn)靈敏度Sy，其倒數(shù)稱為偏轉(zhuǎn)因數(shù)，即顯然，對X偏轉(zhuǎn)板也有相應(yīng)的電偏轉(zhuǎn)靈敏度Sx和偏轉(zhuǎn)因數(shù)，即由于X1,X2與Y1Y2兩對金屬偏轉(zhuǎn)板一前一后地安裝，其他條件相同時，遠(yuǎn)離熒光屏（L較大）的一

6、對偏轉(zhuǎn)板的靈敏度較大。增加偏轉(zhuǎn)板的長度b與縮小兩板距離d固然可以增大示波管的靈敏度，但偏轉(zhuǎn)大的電子易被板端阻擋，或電子束經(jīng)過板邊緣的非均勻電場，以致yUy的線性關(guān)系遭到破壞。所以通常將兩偏轉(zhuǎn)板的出口向外折開成喇叭狀。屏上光點(diǎn)位移與偏轉(zhuǎn)電壓的線性關(guān)系，使示波管成為測量電壓的重要工具之一。3.電子束的縱向磁聚焦和電子比荷的測定電子比荷即電子的電量和質(zhì)量之比，它是描述電子性質(zhì)的重要物理量。1897年J.J.湯姆遜在英國劍橋卡文迪許實驗室首先測出了電子比荷(當(dāng)時稱電子荷質(zhì)比)。本實驗就是利用電子束在磁場中的縱向磁聚焦現(xiàn)象來測量電子比荷，這是一種測量荷質(zhì)比的簡便方法。將示波管置于一個用導(dǎo)線繞制的載流直長

7、螺線管的均勻磁場里，并使示波管內(nèi)電子束的方向和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向平行。此時，作用于電子的洛倫茲力為零。電子以vz速度沿Z向作勻速直線運(yùn)動，最后打在屏的0點(diǎn)上（圖12-4）。圖12-4 電子束的縱向磁聚焦示意圖現(xiàn)在，在水平偏轉(zhuǎn)板X1,X2間加上直流電壓Ux，電子穿過兩極板間的電場后，獲得一個橫向速度vz，方向垂直于B，于是電子在洛倫茲力的作用下，逆Z軸的方向看去，電子作逆時針方向的圓周運(yùn)動。圓周運(yùn)動的軌道半徑為圓周運(yùn)動的周期為但是，電子作圓周運(yùn)動的同時，還有Z軸方向的勻速直線運(yùn)動（vz）。兩個運(yùn)動合成的結(jié)果，電子軌道是螺線形的，軌道螺距h為對于從第一聚焦點(diǎn)出發(fā)的不同電子，雖然徑向速度vr不同，所

8、走的圓半徑也不同，但只要軸向速度vz相等，它們將沿不同的螺旋線軌道運(yùn)動，經(jīng)過距離h后，又重新會聚在一點(diǎn)。如果這點(diǎn)正好位于熒光屏上，則屏上將呈現(xiàn)一個亮點(diǎn)。這就是電子射線的磁聚焦原理。設(shè)定某個U2（通過調(diào)節(jié)加速電壓可改變vz的大小），選擇合適的磁感應(yīng)強(qiáng)度B (調(diào)節(jié)螺線管勵磁電流I大?。?，恰好使螺距h等于從第一聚焦點(diǎn)到熒光屏的距離L，熒光屏上的亮斑將變成亮點(diǎn)，這時經(jīng)整理后得到螺線管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度五、實驗數(shù)據(jù)處理（整理表格、計算過程、結(jié)論1、測量示波管的電偏轉(zhuǎn)靈敏度Sy數(shù)據(jù)記錄表y/cm-2.0-1.00.01.02.0V2=900 VVy/V-19.3-9.609.418.9V2=1100VVy/V-22.8-11.7011.822.82、觀察磁聚焦現(xiàn)象3、測定電子荷質(zhì)比數(shù)據(jù)記錄表L=0.196m l=0.218m N=1160 D1=0.090m D2=0.095m序V2/V磁場電流I/A正向I/A反向I/A19000.5310.5592100