電子束的電偏轉(zhuǎn)研究00

電子束的電偏轉(zhuǎn)、磁偏轉(zhuǎn)研究示波器中用來(lái)顯示電信號(hào)波形的示波管和電視機(jī)里顯示圖像的顯象管及雷達(dá)指示管、電子顯微鏡等電子器件的外形和功用雖各不相同，但有其共同點(diǎn)：都有產(chǎn)生電子束的系統(tǒng)和對(duì)電子加速的系統(tǒng)；為了使電子束在熒光屏上清晰地成象，還有聚焦、偏轉(zhuǎn)和強(qiáng)度控制等系統(tǒng)。因此統(tǒng)稱它們?yōu)殡娮邮€管。電子束的聚焦和偏轉(zhuǎn)可以通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)電子的作用來(lái)實(shí)現(xiàn)，前者稱為電聚焦和電偏轉(zhuǎn)，后者稱為磁聚焦和磁偏轉(zhuǎn)。本實(shí)驗(yàn)研究電子束的電偏轉(zhuǎn)和磁偏轉(zhuǎn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，將使我們加深對(duì)電子在電場(chǎng)及磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理解，有助于了解示波器和顯象管的工作原理。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．研究帶電粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的規(guī)律。2．了解電子束線管的結(jié)構(gòu)和原理。二、實(shí)驗(yàn)原理1、示波管圖（一）圖（一）1、示波管包括有：（1）一個(gè)電子槍，它發(fā)射電子，把電子加速到一定速度，并聚焦成電子束；（2）一個(gè)由兩對(duì)金屬板組成的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)；（3）一個(gè)在管子末端的熒光屏，用來(lái)顯示電子束的轟擊點(diǎn)。所有部件全都密封在一個(gè)抽空的玻璃外殼里，目的是為了避免電子與氣體分子碰撞而引起電子束散射。接通電源后，燈絲發(fā)熱，陰極發(fā)射電子。柵極加上相對(duì)于陰極的負(fù)電壓，它有兩個(gè)作用：一方面調(diào)節(jié)柵極電壓的大小控制陰極發(fā)射電子的強(qiáng)度，所以柵極也叫控制極；另一方面柵極電壓和第一陽(yáng)極電壓構(gòu)成一定的空間電位分布，使得由陰極發(fā)射的電子束在柵極附近形成一交叉點(diǎn)。第一陽(yáng)極和第二陽(yáng)極的作用一方面構(gòu)成聚焦電場(chǎng)，使得經(jīng)過(guò)第一交點(diǎn)又發(fā)散了的電子在聚焦場(chǎng)作用下又會(huì)聚起來(lái)；另一方面使電子加速，電子以高速打在熒光屏上，屏上的熒光物質(zhì)高速電子轟擊下發(fā)出熒光，熒光屏上的發(fā)光亮度取決于到達(dá)熒光屏的電子數(shù)目和速度，改變柵壓及加速電壓的大小都可控制光點(diǎn)的亮度。水平、垂直偏轉(zhuǎn)板是互相垂直的平行板，偏轉(zhuǎn)板上加以不同的電壓，用來(lái)控制熒光屏上亮點(diǎn)的位置。2、電子的加速和電偏轉(zhuǎn)為了描述電子的運(yùn)動(dòng)，我們選用一個(gè)直角坐標(biāo)系，其z軸沿示波管管軸，x軸是示波管正面所在平面上的水平線，y軸是示波管正面所在平面上的豎直線。從陰極發(fā)射出來(lái)通過(guò)電子槍各個(gè)小孔的一個(gè)電子，它在從陽(yáng)極A2射出時(shí)在z方向上具有速Vz度；Vz的值取決于K和A2之間的電位差V2=VB+VC（圖二）電子從K移動(dòng)到A2；位能降低了eV2；因此，如果電子逸出陰極時(shí)的初始動(dòng)能可以略不計(jì)，那么它從射出時(shí)的動(dòng)能就由下式確定：（1）圖（二）此后，電子再通過(guò)偏轉(zhuǎn)板之間的空間。如果偏轉(zhuǎn)板之間沒(méi)有電位差，那么電子將筆直地通過(guò)。最后打在熒光屏的中心（假定電子槍描準(zhǔn)了中心）形成一個(gè)小亮點(diǎn)。但是，如果兩個(gè)垂直偏轉(zhuǎn)板（水平放置的一對(duì)）之間加有電位差Vd，使偏轉(zhuǎn)板之間形成一個(gè)橫向電場(chǎng)Ey，那么作用在電子上的電場(chǎng)力便使電子獲得一個(gè)橫向速度Vy，但卻不改變它的軸向速度分量VZ，這樣，電子在離開(kāi)偏轉(zhuǎn)板時(shí)運(yùn)動(dòng)的方向?qū)⑴cZ軸成一個(gè)夾角，而這個(gè)角由下式?jīng)Q定：(2)如圖（三）所示。圖（三）如果知道了偏轉(zhuǎn)電位差和偏轉(zhuǎn)板的尺寸，那么以上各個(gè)量都能計(jì)算出來(lái)。設(shè)距離為d的兩個(gè)偏轉(zhuǎn)板之間的電位差Vd在其中產(chǎn)生一個(gè)橫向電場(chǎng)Ey=Vd/d，從而對(duì)電子作用一個(gè)大小為Fy=eEy=eVd/d的橫向力。在電子從偏轉(zhuǎn)板之間通過(guò)的時(shí)間△t內(nèi)，這個(gè)力使電子得到一個(gè)橫向動(dòng)量mVy，而它等于力的沖量，即(3)于是（4）然而，這個(gè)時(shí)間間隔，也就是電子以軸向速度通過(guò)距離（等于偏轉(zhuǎn)板的長(zhǎng)度）所需要的時(shí)間，因此。由這個(gè)關(guān)系式解出，代入沖量一動(dòng)量關(guān)系式結(jié)果得（5）這樣，偏轉(zhuǎn)角就由下式給出：(6)再把能量關(guān)系式（1）代入上式，最后得到（7）這個(gè)公式表明，偏轉(zhuǎn)角隨偏轉(zhuǎn)電位差的增加而增大，而且，偏轉(zhuǎn)角也隨偏轉(zhuǎn)板長(zhǎng)度的增大而增大，偏轉(zhuǎn)角與成反比，對(duì)于給定的總電位差來(lái)說(shuō)，兩偏轉(zhuǎn)板之間距離越近，偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)就越強(qiáng)。最后，降低加速電位差B也能增大偏轉(zhuǎn)，這是因?yàn)檫@樣就減小了電子的軸向速度，延長(zhǎng)了偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)對(duì)電子的作用時(shí)間。此外，對(duì)于相同的橫向速度，軸向速度越小，得到的偏轉(zhuǎn)角就越大。電子束離開(kāi)偏轉(zhuǎn)區(qū)域以后便又沿一條直線行進(jìn)，這條直線是電子離開(kāi)偏轉(zhuǎn)區(qū)域那一點(diǎn)的電子軌跡的切線。這樣，熒光屏上的亮點(diǎn)會(huì)偏移一個(gè)垂直距離，而這個(gè)距離由關(guān)系式確定；這里是偏轉(zhuǎn)板到熒光屏的距離，如果更詳細(xì)地分析電子在兩個(gè)偏轉(zhuǎn)板之間的運(yùn)動(dòng)，我們會(huì)看到：這里的應(yīng)從偏轉(zhuǎn)板的中心量到熒光屏。于是我們有（8）（3）電子的磁偏轉(zhuǎn)原理在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的一個(gè)電子會(huì)受到一個(gè)力加速，這個(gè)力的大小與垂直于磁場(chǎng)方向的速度分量成正比，而方向總是垂直于磁場(chǎng)又垂直于瞬時(shí)速度從與方向之間的這個(gè)關(guān)系可以直接導(dǎo)出一個(gè)重要的結(jié)果：由于粒子總是沿著與作用在它上面的力相垂直的向運(yùn)動(dòng)，磁場(chǎng)力決不對(duì)粒子作功，由于這個(gè)原因，在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的粒子保持動(dòng)能不變，因而速率也不變。當(dāng)然，速度的方向可以改變。在本實(shí)驗(yàn)中，我們將觀測(cè)在垂直于束流方向的磁場(chǎng)作用下電子束的偏轉(zhuǎn)；圖（四）電子從電子槍發(fā)射出來(lái)時(shí)，其速度由下面能量關(guān)系式?jīng)Q定：圖（四）電子束進(jìn)入長(zhǎng)度為的區(qū)域，這里有一個(gè)垂直于紙面向外的均勻磁場(chǎng)，由此引起的磁場(chǎng)力的大小為，而且它始終垂直于速度，此外，由于這個(gè)力所產(chǎn)生的加速度在每一瞬間都垂直于，此力的作用只是改變的方向而不改變它的大小。也就是說(shuō)：粒子以恒定的速率運(yùn)動(dòng)。電子在磁場(chǎng)力的影響下作圓弧運(yùn)動(dòng)。因?yàn)閳A周運(yùn)動(dòng)的向心加速為，而產(chǎn)生這個(gè)加速度的力（有時(shí)稱為向心力）必定為即。電子離開(kāi)磁場(chǎng)區(qū)域之后，重新沿一條直線運(yùn)動(dòng)，最后，電子打在熒光屏上某一點(diǎn)，這一點(diǎn)相對(duì)于沒(méi)有偏轉(zhuǎn)的電子束的位置移動(dòng)了一段距離。電子束的電偏轉(zhuǎn)、磁偏轉(zhuǎn)研究示波器中用來(lái)顯示電信號(hào)波形的示波管和電視機(jī)里顯示圖像的顯象管及雷達(dá)指示管、電子顯微鏡等電子器件的外形和功用雖各不相同，但有其共同點(diǎn)：都有產(chǎn)生電子束的系統(tǒng)和對(duì)電子加速的系統(tǒng)；為了使電子束在熒光屏上清晰地成象，還有聚焦、偏轉(zhuǎn)和強(qiáng)度控制等系統(tǒng)。因此統(tǒng)稱它們?yōu)殡娮邮€管。電子束的聚焦和偏轉(zhuǎn)可以通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)電子的作用來(lái)實(shí)現(xiàn)，前者稱為電聚焦和電偏轉(zhuǎn)，后者稱為磁聚焦和磁偏轉(zhuǎn)。本實(shí)驗(yàn)研究電子束的電偏轉(zhuǎn)和磁偏轉(zhuǎn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，將使我們加深對(duì)電子在電場(chǎng)及磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理解，有助于了解示波器和顯象管的工作原理。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．研究帶電粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的規(guī)律。2．了解電子束線管的結(jié)構(gòu)和原理。二、實(shí)驗(yàn)原理(略)1、示波管圖（一）圖（一）三、實(shí)驗(yàn)儀器DZS－D型電子束測(cè)試儀四、實(shí)驗(yàn)步驟1、電偏轉(zhuǎn)（1）接線圖見(jiàn)圖（五）（2）開(kāi)啟電源開(kāi)關(guān)，將“電子束荷質(zhì)比”選擇開(kāi)關(guān)打向電子束位置，輝度適當(dāng)調(diào)節(jié)，并調(diào)節(jié)聚集，使屏上光點(diǎn)聚成一細(xì)點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)注意：光點(diǎn)不能太亮，以免燒壞熒光屏。（3）光點(diǎn)調(diào)零，將偏轉(zhuǎn)輸出的兩接線柱和電偏轉(zhuǎn)電壓表的兩輸入接線柱相連接，調(diào)節(jié)“調(diào)節(jié)”旋鈕，使電壓表的指示為零，再調(diào)節(jié)調(diào)零的旋鈕，使光點(diǎn)們于示波管垂直中線上。同調(diào)零一樣，將調(diào)節(jié)后，光點(diǎn)位于示波管的中心原點(diǎn)。（4）測(cè)量隨（軸）變化：調(diào)節(jié)陽(yáng)極電壓旋鈕，給定陽(yáng)極電壓（600）。將電偏轉(zhuǎn)電壓表并在電偏轉(zhuǎn)輸出的兩接線柱上測(cè)（垂直電壓），改變（第隔3伏）測(cè)一組值。改變（700）后再測(cè)變化。圖（五）（5）同軸一樣，測(cè)量軸的變化2、磁偏轉(zhuǎn)（1）接線圖見(jiàn)圖（六）圖（六）（2）開(kāi)啟電源開(kāi)關(guān)，將“電子束荷質(zhì)比”選擇開(kāi)關(guān)打向電子束位置，輝度適當(dāng)調(diào)節(jié)，并調(diào)節(jié)聚集，使屏上光點(diǎn)聚成一細(xì)點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)注意：光點(diǎn)不能太亮，以免燒壞熒光屏。（3）光點(diǎn)調(diào)零，在磁偏轉(zhuǎn)輸出電流為零時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)“偏轉(zhuǎn)”和“偏轉(zhuǎn)”旋鈕，使光點(diǎn)位于軸的中心原點(diǎn)。（4）測(cè)量偏轉(zhuǎn)隨磁偏電流的變化，給定（600），按圖（六）所示接線，調(diào)節(jié)磁偏電流調(diào)節(jié)旋鈕（改變磁偏電流的大小），每10測(cè)量一組值，改變（700），再測(cè)一組數(shù)據(jù)。五、數(shù)據(jù)記錄和處理（1）為600時(shí)，軸數(shù)據(jù)Vd(600)DVd(700)D（2）作圖，求出