電子束的偏轉(zhuǎn)與聚焦試驗報告

1、南昌大學物理實驗報告課程名稱：普通物理實驗2實驗名稱：電子束的偏轉(zhuǎn)與聚焦學院：專業(yè)班級：學生姓名：學號：實驗地點：座位號：實驗時間：一、實驗目的：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、學會標準使用數(shù)字多用表.4、學會磁聚焦法測量電子比荷的方法.二、實驗儀器：EB-IH電子束實驗儀、直流穩(wěn)壓電源30V,2A、數(shù)字多用表.三、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,主要包括三個局部：前端為熒光屏,S,其用來將電子束的動能變?yōu)楣?中間為偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)Y:垂直偏轉(zhuǎn)板,X:水平偏轉(zhuǎn)

2、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6.3V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動,同時又受柵極產(chǎn)生的負電場作用只有一局部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)柵極電壓的上下可以限制射向熒光屏的電子數(shù),從而限制熒光屏上的輝

3、度.當柵極上的電壓負到一定的程度時,可使電子射線截止,輝度為00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,從而到達電子束的聚焦.3、電偏轉(zhuǎn)原理在示波管中,電子從被加熱的陰極3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.電場力做的功elE等于電子獲得的動能12eU=-mi112vz顯然,電子沿Z軸運動的速度vz與第二陽極

4、A2的電壓U2勺平方根成正比,即(2)假設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.假設偏轉(zhuǎn)板板長為l、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*$電壓為Ud,那么熒光屏上光點的橫向偏轉(zhuǎn)量或下式給出：(3)由式3可知,當U緋變時,偏轉(zhuǎn)量DSUd勺增加而線性增加.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.假設改變加速電壓U2,適當調(diào)節(jié)U1到最正確聚焦,可以測定D-Udft線隨U改變而使斜率改變的情況.4、磁偏轉(zhuǎn)原理電子通過A2/t,假設在垂直Z軸的X方向外加一個均勻磁場,那么

5、以速度v飛越子電子在YT向上也會發(fā)生偏轉(zhuǎn),如下圖.由于電子受洛倫茲力F=eBV乍用,F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)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)角小較小的情況下,近似的有(5)lDtan二=一RL式中,l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為從橫向磁場中央到熒光屏的距離.由此可得偏轉(zhuǎn)量叫外加磁場B、加速電壓U冷的關(guān)系為D=lBLe2mU(6)實驗中的外加橫向磁場由一對載流線圈產(chǎn)生,具大小為B=KViI7式中,為為真空中的磁導率,n為單位長度線圈的匝

6、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<KW1由此可得偏轉(zhuǎn)量叫勵磁電流I、加速電壓U冷的關(guān)系為那么1俏當勵磁電流I即外加磁場B確定時,電子束在橫向磁場中的偏轉(zhuǎn)量DW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,是帶電微觀粒子的根本參量之一.測定荷質(zhì)比的方法很多,本實驗采用磁聚焦法.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式中,e,m分別為電子電荷量和質(zhì)量.假設在一對偏轉(zhuǎn)極板Y上加一個幅值不大的交變電壓,那么電子流通過Y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,那么電子在

7、磁場的洛倫茲力F的作用下該力與v_l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=ev,B=nvj/R,由此可得到電子運動的軌道半徑R=v-L-,v|越大軌道半徑亦越大,電子運Be/m-動一周所需要的時間(即周期)為2二Rce-T=2n/B(10)v_m這說明電子的旋轉(zhuǎn)周期與軌道半徑及速率v,無關(guān).假設再考慮v的存在,電子的運動軌跡應為一螺旋線.在一個周期內(nèi),電子前進距離(稱螺距)為h=vT2二2mU(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

8、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,這就是磁聚焦的根本原理.由式(11)可得e/m=8n2U2/h2B2(12)長直螺線管的磁感性強度B,可以由下式計算:(13)將式(13)代入式(12),可得電子荷質(zhì)比為：e/m=8n2U2(L2D2)/(N0NIh)2(14)(15)式中8二2(L2D2)(0Nh)2(16)本實驗使用的電子束實驗儀,k=4.8527108四、實驗內(nèi)容:(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

9、上光點聚成一圓點.(注：光點不能太亮,以免燒壞熒光屏)(2)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軸的中央圓點,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)“Y軸調(diào)零旋鈕使光點位于Y軸的中央原點.(3)測量隨的變化調(diào)節(jié)陽極電壓旋鈕,取定陽極電壓,用數(shù)字萬能表分別測出、時的(垂直電壓)值列表記錄.再取,再測為上述值時的值記錄表中.(4)測量偏轉(zhuǎn)量隨磁偏轉(zhuǎn)電流的變化使亮光點回到Y(jié)軸的中央原點,取,用數(shù)字萬用表的檔測量磁偏轉(zhuǎn)電流.列表記錄、時的磁偏轉(zhuǎn)電流值,然后改變磁偏轉(zhuǎn)電流方向,

10、再測、時的磁偏轉(zhuǎn)電流值.再取,重復前面的測量.(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.此時假設線較暗,那么可將“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.假設能到達1000V位置,那么可固定“輝度旋鈕,開始正式測量.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

11、值,以消除地磁等的影響.改變陽極電壓為800V,900V,1000V,重復上述步驟.五、實驗數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析處理:口山當陽極電壓為750V,電偏轉(zhuǎn)靈敏度；1、電偏轉(zhuǎn)750-19.64-14.55-9.38-4.6204.929.2214.7519.56V20151050-5-10-15-20900-22.59-16.59-11.56-5.4905.5212.0817.5823.38V20151050-5-10-15-20繪制圖:當陽極電壓為900V,電偏轉(zhuǎn)靈敏度.結(jié)論：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)75078.261.240.718.050-18.30-37.5-56.0-77.4V20151050-5-10-15-2090086.666.244.423.450-19.2-40.6-58.2-81.4V20151050-5-10-15-20圖:繪制D-l加20oLA-2040儂Icbo當陽極電壓為750V,電偏轉(zhuǎn)靈敏度當陽極電壓為900V,電偏轉(zhuǎn)靈敏度結(jié)論：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、電子比荷的公認值：750V800V900V1000V正1.481.541.681.77反1.491.571.661.771.4