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文檔簡介

1、 實驗3.6 電子束的磁偏轉(zhuǎn)及磁聚焦【實驗?zāi)康摹?學(xué)習(xí)示波管中電子束的磁偏轉(zhuǎn)及磁聚焦原理,觀察電子束在磁場中偏轉(zhuǎn)和聚焦現(xiàn)象,進一步認識電子束在磁場中運動的規(guī)律。2測定示波管磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的靈敏度。3利用縱向磁場聚焦測定電子的荷質(zhì)比(即電子的電荷與其質(zhì)量的比值)?!緦嶒瀮x器】EB-III型電子束實驗儀?!緦嶒炘怼繄D3-17 電子束的磁偏轉(zhuǎn)電子從電子槍以速度射出(推導(dǎo)見實驗“電子束的電偏轉(zhuǎn)和電聚焦”),進入勻強磁場,將受洛侖茲力的作用。1磁偏轉(zhuǎn)加橫向磁場(即B電子槍的軸線)使電子束發(fā)生側(cè)向偏轉(zhuǎn)。如圖3-17所示,設(shè)一磁感應(yīng)強度為B的均勻磁場,方向垂直紙面,由里指向外。電子以速度垂直磁場射入,受洛侖茲

2、力的作用總是在垂直電子運動的方向上,不做功,因而電子的動能不變,在磁場區(qū)域作軌道半徑為R的勻速圓周運動。由牛頓第二運動定律,可得:(3-29)于是,則得:(3-30)設(shè)偏轉(zhuǎn)角不很大,近似得:由以上兩式,得磁偏轉(zhuǎn)位移為(3-31)是經(jīng)過電場加速得到的,因此由可得(3-32)將式(3-32)代入式(3-31)中,消去vz,可得:(3-33)上式表明,光點的磁偏轉(zhuǎn)位移y與磁感應(yīng)強度B成正比,與加速電壓V2的平方根成反比。對于有限長螺線管內(nèi)部磁感應(yīng)強度B的大小由下式給出,即 (3-34)式中,K是一個與線圈的樣式等因素有關(guān)的常數(shù),n0為線圈的單位長度上的線匝數(shù),I為勵磁電流。將式(3-34)代入式(3

3、-33)中,可得:(3-35)像定義電偏轉(zhuǎn)靈敏度一樣,定義線圈內(nèi)以單位勵磁電流時所引起電子束在光屏上的偏位移量為磁偏轉(zhuǎn)靈敏度,即(3-36)2磁聚焦及電子荷質(zhì)比的測定縱向磁場(即B電子槍的軸線)對從電子槍射出電子的洛侖茲力為零(因為此時電子速度為Z,沒有垂直B的速度分量)。但是通過加有偏轉(zhuǎn)電壓的X偏轉(zhuǎn)板后,電子獲得了垂直于B的橫向速度分量vx,將受洛侖茲力的作用,在垂直于B的平面內(nèi)做勻速率圓周運動。電子做圓周運動的同時,還在加速電壓V2影響下沿Z軸方向做勻速(速度為Z)直線運動,兩運動合成的結(jié)果是電子沿B的方向作螺旋線運動,如圖3-18所示。則電子做螺旋線運動的回旋半徑R和周期T分別為(3-3

4、7)(3-38)由此可知,電子的回旋半徑R與vx成正比,與B成反比;周期T與B成反比而與vx無關(guān)。它表明vx大的電子繞半徑大的軌道運動,vx小的電子繞半徑小的軌道運動,但它們運動一周的時間都相等。電子做螺旋線運動的螺距為(3-39)雖然它們的初始軸向速度也是不一樣的,但它們的螺距是相等的,也就是經(jīng)過一個周期后,同時從電子槍發(fā)射出來但運動方向不同的電子,又交匯在同一點(見圖3-18),這就是磁聚焦作用。而且每經(jīng)過一個周期(一個螺距),有一個聚焦點。圖3-18 電子束的磁聚焦調(diào)整磁場的B來改變螺距h,可使電子槍出口到熒光屏的距離L為h的整數(shù)倍,這樣我們就可以觀察到多次磁聚焦現(xiàn)象。利用磁聚集現(xiàn)象可以

5、測定電子的荷質(zhì)比。第1次聚焦時,則有: (3-40)而,代入上式可得:(3-41)有限長螺線管中點的磁感應(yīng)強度為因此(3-42)其中,N為螺線管線圈總匝數(shù),L為電子束交叉點到熒光屏的距離,V2為加速電壓,為勵磁電流強度,為螺線管的長度(單位為m),為螺線管的直徑(單位為m)。N、L、l、D由實驗室給出,只要測出V2和I就可算出電子的荷質(zhì)比“e/m”(標(biāo)準(zhǔn)值:e/m = 1.759 × 1011C/Kg)。用磁聚焦法測電子的比荷有相當(dāng)明顯的誤差,產(chǎn)生誤差的原因較多,如示波管中電子槍的實際結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,電場和外磁場的場強不會是理想的勻強分布,所以很

6、難精確考慮,因此電子在場中的運動規(guī)律與實際有一定的偏離,反映在L不能準(zhǔn)確地確定上。此外,如果電子束的電流密度較大,加速電壓甚低,那么電子間的相互排斥作用更為顯著,造成電子束的擴張,這種效應(yīng)稱為空間電荷效應(yīng),不過,當(dāng)“亮度”較低,加速電壓很高時,空間電荷效應(yīng)很小,由它引起測量的系統(tǒng)誤差可以大大減小?!緦嶒瀮?nèi)容及操作】1電子在橫向磁場作用下的運動(磁偏轉(zhuǎn)實驗)(1)將儀器面板上的“示波管管腳”與相應(yīng)的“電源輸出端”相連接。具體接線如下:“示波管管腳”11 “電源輸出端” G“示波管管腳”8 “電源輸出端” H“示波管管腳”2 “電源輸出端” A“示波管管腳”9 “電源輸出端” B“示波管管腳”5

7、“電源輸出端” C“示波管管腳”3 “電源輸出端” D“示波管管腳”9 “電源輸出端” GND“示波管管腳”10 “電源輸出端” E“示波管管腳”7 “電源輸出端” F(2)將磁偏轉(zhuǎn)線圈A和B插入儀器面板左側(cè)中部的“磁偏轉(zhuǎn)線圈”插孔“(A)”和“(B)”。(3)調(diào)節(jié)儀器面板中部的單圈碳膜電位器(W3)(柵極電壓),輝度控制UG處在適當(dāng)位置,調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)模╓1)加速電壓UA和(W2)聚焦電壓UF,使示波管屏上光點聚成一個細點,光點不要太亮,以免燒壞熒光物質(zhì)。將儀器面板右下角“高壓測量轉(zhuǎn)換”開關(guān)置“UA”擋,記錄此時的加速電壓“UA”(從“高壓測量指示”數(shù)字表上讀出)。將“電壓測量轉(zhuǎn)換”開關(guān)分別置于

8、“UdX”和“UdY”擋,調(diào)節(jié)“VdX” 電位器(W4)和“VdY”電位器(W5),使“UdX”和“UdY”均指示“00.0”,調(diào)節(jié) “輔助調(diào)零”電位器(W6)(X調(diào)零)和電位器(W7)(Y調(diào)零),使光點的位置在示波管坐標(biāo)板的中心點(原點)。(4)將“電壓電流測量轉(zhuǎn)換”波段開關(guān)置“Im”擋。(5)將儀器面板右下方的“勵磁恒流源-電流調(diào)節(jié)”電位器逆時針旋到底,接通儀器面板右下角的“恒流源”開關(guān)。此時“電壓電流顯示”數(shù)字表顯示“00.0”,然后順時針緩慢調(diào)節(jié)“勵磁恒流源-電流調(diào)節(jié)”電位器,記錄相應(yīng)的電流值“Im”和偏移距離“D”(“Im”從儀器面板上的“電壓電流顯示”數(shù)字表中讀出,D從坐標(biāo)板刻度盤

9、上讀出,每格5mm)。(6)將儀器面板右下方的“勵磁恒流源-電流調(diào)節(jié)”電位器逆時針旋到底,切換儀器面板左側(cè)中部的“磁場換向”開關(guān)(即將流過磁偏轉(zhuǎn)線圈A和B的電流換向,使磁場方向發(fā)生改變),然后順時針緩慢調(diào)節(jié)“勵磁恒流源-電流調(diào)節(jié)”電位器,記錄相應(yīng)的電流值“Im”和偏移距離“D”。(7)將儀器面板右下方的“勵磁恒流源-電流調(diào)節(jié)”電位器逆時針旋到底。(8)調(diào)節(jié)電位器(W1),改變加速電壓UA,調(diào)節(jié)電位器(W2),改變加速電壓UF,使光點聚焦,記錄此時的加速電壓UA,重新進行數(shù)據(jù)測量。測量不同加速電壓“UA”時(至少3組)的D Im直線。(9)將面板右下角的“恒流源開關(guān)”置“OFF”,即關(guān)閉恒流源,

10、然后拔下磁偏轉(zhuǎn)線圈A和B。(10)將面板右下角的“電源開關(guān)”置“OFF”,即關(guān)閉電源。(11)將記錄的相應(yīng)數(shù)據(jù),填入表3-4,對數(shù)據(jù)進行處理,計算出磁偏轉(zhuǎn)靈敏度Sm。表3-4電子束的磁偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)D(mm) Im(mA) UA(V)2520151050510152025靈敏度Sm2電子在縱向磁場作用下的運動(螺旋運動,磁聚焦-電子荷質(zhì)比的測定)(1)將儀器面板上的“示波管管腳”與相應(yīng)的“電源輸出端”相連接。具體接線如下:“示波管管腳”11 “電源輸出端” B“示波管管腳”8 “電源輸出端” B“示波管管腳”2 “電源輸出端” A“示波管管腳”9 “電源輸出端” B“示波管管腳”5 “電源

11、輸出端” B“示波管管腳”3 “電源輸出端” B“示波管管腳”9 “電源輸出端” GND“示波管管腳”10 “電源輸出端” E“示波管管腳”7 “電源輸出端” F(2)松開坐標(biāo)板的固定螺釘,取下坐標(biāo)板。(3)將磁聚焦線圈套在示波管上,將紅黑兩根連接線接上儀器面板左下角的“磁聚焦線圈插座”。(4)將儀器面板右下方的“勵磁恒流源-電流調(diào)節(jié)”電位器逆時針旋到底。(5)開啟面板右下角的“電源”開關(guān)和“恒流源”開關(guān)。(6)將“電壓測量轉(zhuǎn)換”開關(guān)分別置于“UdX”和“UdY”擋,調(diào)節(jié)“VdX”電位器(W4)和“VdY”電位器(W5),使“UdX”和“UdY”均指示“00.0”。(7)將“高壓測量轉(zhuǎn)換”波段

12、開關(guān)置“UA”,“電壓電流測量轉(zhuǎn)換”波段開關(guān)置“IM”擋。(8)將“恒流源電流調(diào)節(jié)”電位器逆時針旋到底,此時電流“.000”,調(diào)節(jié)電位器(W1),選擇適當(dāng)?shù)募铀匐妷篣A,調(diào)節(jié)電位器(W3),選擇適當(dāng)?shù)臇艠O電壓,使光點不要太亮,調(diào)節(jié)柵極電壓之后,加速電壓和聚焦電壓也會有變化,因此應(yīng)再次細調(diào)高壓,使高壓達到需要的值;然后順時針緩慢調(diào)節(jié)“恒流源-電流調(diào)節(jié)”電位器,記錄光點第1次聚焦時相應(yīng)的電流值“IM”(I1),繼續(xù)順時針緩慢調(diào)節(jié)“恒流源電流調(diào)節(jié)”電位器,記錄光點第2次和第3次聚焦時相應(yīng)的電流值“IM”(I2.I3)。(9)將“恒流源-電流調(diào)節(jié)”電位器逆時針旋到底。(10)切換儀器面板左側(cè)中部的“磁

13、場換向”開關(guān)(即將流過磁聚焦線圈電流換向,使磁場方向發(fā)生改變),然后重復(fù)步驟“8”的操作。(11)將儀器面板右下方的“勵磁恒流源-電流調(diào)節(jié)”電位器逆時針旋到底。(12)改變加速電壓UA,進行數(shù)據(jù)測量。(13)將面板右下角的“恒流源開關(guān)”置“OFF”,即關(guān)閉恒流源。將面板右下角的“電源開關(guān)”置“OFF”,即關(guān)閉電源。(14)將記錄的相應(yīng)數(shù)據(jù),填入表3-5,對數(shù)據(jù)進行處理,代入式(3-42)計算荷質(zhì)比“e/m”,并與公認值e/m = 1.759 × 1011C/kg進行比較,計算實驗誤差。(3-43)表3-5電子束的點聚焦數(shù)據(jù)表格加速電壓UA(V)

14、850900950100010501100聚焦電流I(A)B+BB+BB+BB+BB+BB+Be/m(×1011C/kg)實驗誤差(15)如果做電子束線在縱向磁場中的聚焦實驗,則需要將儀器面板中部的“AC20V交流電壓”(點線轉(zhuǎn)換)的兩個輸出孔分別連接到示波管的第9腳(即A1.A3)插孔和示波管的第10腳(即X1偏轉(zhuǎn)板)插孔,然后進行實驗。數(shù)據(jù)處理用縱向磁場聚焦法測定電子荷質(zhì)比數(shù)據(jù)記錄(螺線管線圈的參數(shù)見螺線管銘牌)螺線管線圈總匝數(shù)N: 匝螺線管的長度l: (單位:m)螺線管的直徑D: (單位:m)電子束交叉點到熒光屏的距離L: (單位:m)表3-6電子束的線聚焦數(shù)據(jù)表格加速電壓UA

15、(V)850900950100010501100聚焦電流I(A)B+BB+BB+BB+BB+BB+Be/m(×1011C/kg)實驗誤差【注意事項】1儀器面板中部的“高壓保護指示燈”為高壓保護指示。如果燈泡亮,則表明儀器內(nèi)部電源高壓部分出現(xiàn)故障,請立即關(guān)閉儀器電源,檢查電源高壓部分并進行維修。2實驗過程中有時會出現(xiàn)找不到光點(光斑)的情況,可能的原因和解決的辦法如下:(1)亮度不夠。解決的辦法是適當(dāng)增加亮度;(2)已經(jīng)加有較大的電偏電壓(x方向或y方向),使光點偏出示波器的屏幕。此時應(yīng)通過調(diào)節(jié)電偏轉(zhuǎn)旋鈕,使偏轉(zhuǎn)電壓降為零。3示波管的亮度不要長時間打得太亮,否則,熒光屏易老化,影響顯示效果。4由于本實驗的電壓有的達到1000V,故特別要注意安全。5做磁聚焦和磁偏轉(zhuǎn)實驗時,采集完數(shù)據(jù)后,應(yīng)將勵磁恒流源的電流調(diào)節(jié)電位器逆時針旋到底,盡量不要讓線圈長時間的通大電流(因為線圈隨著電流的增大,其熱量也隨之增大,其阻值也增加,所以相應(yīng)的電流會逐漸減小

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