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文檔簡介
實驗十二電子束偏轉(zhuǎn)與聚焦第一頁,共三十四頁,編輯于2023年,星期二實驗?zāi)康模?/p>
1.了解示波管的基本結(jié)構(gòu)和原理。
2.研究帶電粒子在電場和磁場中偏轉(zhuǎn)的規(guī)律。
3.研究帶電粒子在電場和磁場中聚焦的規(guī)律。
4.通過磁聚焦原理測量電子的荷質(zhì)比.儀器和用具:
HLD-EB-IV型電子束實驗儀
第二頁,共三十四頁,編輯于2023年,星期二
HH—鎢絲的熱電極K—陰極—控制柵極
—第一加速陽級—加速柵級—第二加速陽級
—水平偏轉(zhuǎn)板—垂直偏轉(zhuǎn)板實驗原理一、示波管的基本結(jié)構(gòu)及原理圖:第三頁,共三十四頁,編輯于2023年,星期二HLD-EB-IV型電子束實驗儀第四頁,共三十四頁,編輯于2023年,星期二1、加速電壓V2:改變電子束的加速電壓的大小2、V2電壓表指示:0~1300V。3、聚焦電壓V1:用以調(diào)節(jié)聚焦極A1上的電壓以調(diào)節(jié)電極附近區(qū)域的電場分布,從而調(diào)節(jié)電子束的聚焦和散焦。4、V1電壓指示:150~400V。5、柵極電壓VG(輝度):用以調(diào)節(jié)加在示波管控制柵極上的電壓大小,以控制陰極發(fā)射的電子數(shù)量,從而控制熒光屏上光點的輝度。6、VG電壓指示:0~-80V。7、VdX偏轉(zhuǎn)電壓調(diào)節(jié):-80V~80V。8、調(diào)零X:用來調(diào)節(jié)光點水平距離;9、Vdy偏轉(zhuǎn)電壓調(diào)節(jié):-80~80V。10、調(diào)零Y:用來調(diào)節(jié)光點上下距離。11、偏轉(zhuǎn)電壓指示:用來顯示VdX、Vdy數(shù)值。12、VdX、Vdy轉(zhuǎn)換開關(guān):當(dāng)打到VdX檔調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)電壓VdX,表頭即可顯示;當(dāng)打到VdY檔調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)電壓VdY,表頭即可顯示。第五頁,共三十四頁,編輯于2023年,星期二13、200mA、2A轉(zhuǎn)換開關(guān)。14、200mA、2A勵磁電流數(shù)值:可顯示0~200mA、0~2A。15、200mA電流調(diào)節(jié):用來改變勵磁電流大小。16、2A電流調(diào)節(jié):用來改變勵磁電流大小。17、電源開關(guān):用來接通電源指示,使儀器工作。18、點、線轉(zhuǎn)換開關(guān):用來轉(zhuǎn)換點、線顯示,打到“線”檔即可出現(xiàn)一條橫線。19、示波管后靠背:用來接通示波管,可將示波管插入使用。20、8SJ31J示波管。21、磁偏轉(zhuǎn)線圈:用來做磁偏轉(zhuǎn)實驗。22、螺線管線圈:用來做磁聚焦實驗。23、換向開關(guān):用以改變偏轉(zhuǎn)線圈電流方向來控制磁偏轉(zhuǎn)的方向(向上、向下)。24、0~2A輸出插座:用來接通標(biāo)準(zhǔn)螺線管勵磁電流。第六頁,共三十四頁,編輯于2023年,星期二
當(dāng)電流通過鎢絲陰極K被加熱后,筒端的鋇與鍶氧化物涂層內(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(相對陰極K)很高的電壓(如1000伏),在K-G-A1之間形成強電場,故從陰極逸出的電子在電場中的加速運動,穿過G的小孔(直徑約1mm),以高速穿過G2、A1及A2筒內(nèi)的限制孔,形成一束電子射線,電子最后打到熒光屏上,這上面涂有一滿層的特殊熒光物質(zhì),在電子的轟擊下發(fā)出可見光。第七頁,共三十四頁,編輯于2023年,星期二二、電子束的聚焦與輝度的控制:人們最初想把極板上的圓孔做成足夠小可得任意細(xì)小的電子束,然而電子向不同方向離開加熱陰極,只能有很小部分的電子正好向著陽極小孔方向運動,大多數(shù)電子不能達(dá)到熒光屏。不過,我們可以利用適當(dāng)形狀的電場來改變初速度不在管軸方向的那些電子的方向,從而得到比較強的電子束和比較亮的光點。在電子槍內(nèi)的第一加速陽極與第二加速陽極之間形成一個靜電透鏡,可解決上述問題。其作用的原理如下:第八頁,共三十四頁,編輯于2023年,星期二
如圖C給出了靜電透鏡聚焦作用的幾何示意圖,這是假定電子在兩聚焦電極之間的區(qū)域的路程遠(yuǎn)小于電子的總路程時電子運動的軌跡簡化形式。假定從第一加速極出來的那些電子具有相同的軸向分量,但具有不同的徑向速度分量。第九頁,共三十四頁,編輯于2023年,星期二
在圖C中任取一點P,電子在該處是總會沿著F與之間的某一方向運動,分析不同的點同樣可得出電子的運動的軌跡如圖c所示,達(dá)到電聚焦的作用。若軸向分量不同,只是打到熒光屏的時間不同,但也可與前面或后面運動的電子在熒光屏上重合,但不能與同時出發(fā)的電子在熒光屏上同時重合。聚焦作用的強弱可以通過改變之間的電壓,從而改變其間的場強來實現(xiàn)的。第十頁,共三十四頁,編輯于2023年,星期二三、電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)1、偏轉(zhuǎn)電場的形成與簡化在兩排平行板間加電壓就可以形成電場。當(dāng)平行板間的距離d比長度L小得多時,可以認(rèn)為它形成的空間電場是均勻的,且在平行板的界外電場為零。2、電偏轉(zhuǎn)的原理電子在均勻電場內(nèi)以從平行于板的方向進(jìn)入電場,在電場力的作用下,在y方向(垂直方向)產(chǎn)生偏離位移。第十一頁,共三十四頁,編輯于2023年,星期二
——偏轉(zhuǎn)電壓(平行板間電位差)——板間距離——板長電子離開電場后不受電場力作用,將作勻速直線運動,等效直接從A點(板中點位置)直接射出(如圖b所示),故
第十二頁,共三十四頁,編輯于2023年,星期二令有
如果加速電壓為U2
則故示波管的Y方向電偏轉(zhuǎn)靈敏度:在X方向同理得第十三頁,共三十四頁,編輯于2023年,星期二四:磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng):
第十四頁,共三十四頁,編輯于2023年,星期二加速場對電子所做的功等于點自動能的增量為電子受洛倫茲力為根據(jù)洛倫茲力的性質(zhì),是一個向心力,則第十五頁,共三十四頁,編輯于2023年,星期二電子偏轉(zhuǎn)的軌道半徑為在偏轉(zhuǎn)角較小的情況下,近似的有由此可得偏轉(zhuǎn)量D與外加磁場B、加速電壓U2等的關(guān)系為第十六頁,共三十四頁,編輯于2023年,星期二實驗中的外加橫向磁場由一對載流線圈產(chǎn)生,其大小為由此有當(dāng)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。磁偏轉(zhuǎn)靈敏度:第十七頁,共三十四頁,編輯于2023年,星期二五:磁聚焦原理:在示波管外套一個同軸的螺線管,當(dāng)給螺線管通以穩(wěn)恒直流電時,其內(nèi)部形成一個軸向磁場。若螺線管足夠長,則可認(rèn)為內(nèi)部為勻強磁場。電子進(jìn)入勻強磁場后,將會以軸向速度作勻速直線運動。同時以徑向速度作勻速圓周運動。其合運動是一個螺旋線運動。第十八頁,共三十四頁,編輯于2023年,星期二
由于勻速圓周運動周期與無關(guān)。故只要電子的軸向速度相同,經(jīng)過整數(shù)周期后會聚焦于熒光屏上的一點,這就是磁聚焦。電子作螺旋運動的螺距:第十九頁,共三十四頁,編輯于2023年,星期二六.電子荷質(zhì)比測量
從前面的談?wù)摽芍?電子的軸向速度由加速電壓決定(電子離開陰極時的初速度相對來說很小,可以忽略),固有即有第二十頁,共三十四頁,編輯于2023年,星期二可見電子在勻強磁場中運動時,具有相同的軸向速度,但由于電子發(fā)射方向各異,導(dǎo)致徑向速度不同。因此他們在磁場中將作半徑不同但螺距相同的螺線運動,經(jīng)過時間T后,在相同的地方聚焦。圖4-18-5h第二十一頁,共三十四頁,編輯于2023年,星期二調(diào)節(jié)磁場B的大小,使螺距正好等于電子束交叉點到熒光屏的距離L0,這時熒光屏上的光斑就匯聚成一個小點。由于:故電子的荷質(zhì)比為:第二十二頁,共三十四頁,編輯于2023年,星期二實驗用螺線管可近似為薄螺線管,按薄螺線管計算公式有:式中:n為螺線管單位長度線圈匝數(shù)第二十三頁,共三十四頁,編輯于2023年,星期二設(shè)螺線管的長度為L,螺線管平均直徑為D,并認(rèn)為電子束聚焦磁場均勻,則有設(shè)螺線管的線圈總匝數(shù)為N,則實驗計算電子荷質(zhì)比公式為:各實驗參數(shù)由實驗室給出第二十四頁,共三十四頁,編輯于2023年,星期二D—螺線管線圈平均直徑,D=0.0945m;L—螺線管線圈長度,L=0.233m;N—螺線管線圈匝數(shù),N=1340;L0—電子束從柵極G交叉至熒光屏的距離,即電子束在均勻磁場中聚焦的焦距;L0—0.199mI—為光斑進(jìn)行三次聚焦時對應(yīng)的勵磁電流的加權(quán)平均值;第二十五頁,共三十四頁,編輯于2023年,星期二六:實驗內(nèi)容:
(一)電子束的電聚焦和輝度控制1、將示波管插入儀器左邊的后靠背,將坐標(biāo)板放入示波管與光屏前面,接通電源。2、將VdX、Vdy轉(zhuǎn)換開關(guān)打到VdX檔,調(diào)節(jié)Vdx旋鈕,進(jìn)行偏轉(zhuǎn)電壓調(diào)零。3、將VdX、Vdy轉(zhuǎn)換開關(guān)打到VdY檔,調(diào)節(jié)VdY旋鈕,進(jìn)行偏轉(zhuǎn)電壓調(diào)零。4、示波管將顯示出一個亮點,如果沒有顯示將柵極電壓亮度稍微調(diào)高一點,然后調(diào)節(jié)調(diào)零電位器X、Y,使示波管熒屏顯示出一個亮點調(diào)為中心。5、第一聚焦調(diào)節(jié)條件:V1<V2,檢驗第一聚焦條件,改變V1和VK,使熒光屏上亮點達(dá)到最佳聚焦?fàn)顟B(tài),測量V1和V2。6、加速電壓對亮度的影響,將柵極電壓調(diào)到適當(dāng)位置,改變加速電壓觀察示波管熒屏上亮度的變化。第二十六頁,共三十四頁,編輯于2023年,星期二(二)電子束電偏轉(zhuǎn)實驗1、在電聚焦實驗基礎(chǔ)上開始實驗。2、調(diào)節(jié)加速電壓為1000V,調(diào)節(jié)聚焦電壓,使示波管熒屏亮點聚焦。將VdX、Vdy轉(zhuǎn)換開關(guān)打到VdX檔,調(diào)節(jié)Vdx旋鈕,看示波管亮點,以每一大格(5mm)記錄一次偏轉(zhuǎn)電壓VdX的數(shù)值,做D與V曲線,進(jìn)行分析。3、調(diào)節(jié)加速電壓為1000V,調(diào)節(jié)聚焦電壓,使示波管熒屏亮點聚焦。將VdX、Vdy轉(zhuǎn)換開關(guān)打到VdY檔,調(diào)節(jié)VdY旋鈕,看示波管亮點,以每一大格(5mm)記錄一次偏轉(zhuǎn)電壓VdY的數(shù)值,做D與V曲線。4、比較X方向和Y方向的電偏轉(zhuǎn)靈敏度(并分析原因)。第二十七頁,共三十四頁,編輯于2023年,星期二(三)電子束磁偏轉(zhuǎn)實驗1、在實驗(一)基礎(chǔ)上進(jìn)行儀器調(diào)整,做磁偏轉(zhuǎn)實驗。2、調(diào)節(jié)加速電壓為1000V,調(diào)節(jié)聚焦電壓,使示波管熒屏亮點聚焦。將VdX、Vdy轉(zhuǎn)換開關(guān)打到VdX檔,調(diào)節(jié)Vdx旋鈕,看示波管亮點調(diào)到坐標(biāo)板中心,將磁偏轉(zhuǎn)線圈插入示波管兩側(cè),將2A和200mA轉(zhuǎn)換開關(guān)打到200mA檔、調(diào)節(jié)200mA旋鈕以每以大格(5mm)記錄一次偏轉(zhuǎn)電流I的數(shù)值,做D與I的曲線,并進(jìn)行分析。第二十八頁,共三十四頁,編輯于2023年,星期二(四)電子束的螺旋運動及電子荷質(zhì)比測定1、將螺線管線圈套入示波管上,將2A電流接通螺線管。2、在實驗(一)基礎(chǔ)上進(jìn)行電子的螺旋運動及電子荷質(zhì)比測定。3、調(diào)節(jié)加速電壓為1000V,調(diào)節(jié)聚焦電壓為300-400V。柵極電壓(即亮度)到適當(dāng)位置。第二十九頁,共三十四頁,編輯于2023年,星期二4、將2A、200mA轉(zhuǎn)換開關(guān)打到2A檔,調(diào)節(jié)2A旋鈕進(jìn)行實驗。逐漸增大勵磁電流,從熒光屏上第一次聚焦時開始,記下每一次聚焦時的勵磁電流,繼續(xù)增大電流,分別記錄三次聚焦時的電流I,計算加權(quán)平均值5、代入公式(15)和(14),求得電子荷質(zhì)比,與理論值e/m=1.757×1011c/Kg,求出百分比誤差。第三十頁,共三十四頁,編輯于2023年,星期二[注意事項]1.本儀器使用時,周圍應(yīng)無其他強磁場及鐵磁物質(zhì),儀器應(yīng)南北方向放置以減小地磁場對測量精度的影響。2.螺線管不要長時間通以大電流,以免線圈過熱。3.改變加速電壓后,亮點的亮度會改變,應(yīng)重新調(diào)節(jié)亮度,勿使亮點過亮,一則容易損壞熒光屏,同時亮點過亮,聚焦好壞也不易判斷,調(diào)節(jié)亮度后,加速電壓值也可能有了變化,再調(diào)到規(guī)定的電壓值即可。第三十一頁,共三十四頁,編輯于2023年,星期二實驗指導(dǎo)一:實驗操作技巧:本實驗采用套裝
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