电子束的电偏转和磁偏转研究

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1、大学物理实验讲义电子束的电偏转和磁偏转研究示波器中用来显示电信号波形的示波管和电视机、摄像机里显示图像的显像管、摄像管都属于电子束线管，虽然它们的型号和结构不完全相同，但都有产生电子束的系统和电子加速系统，为了使电子束在荧光屏上清晰的成像，还要设聚焦、偏转和强度控制系统。对电子束的聚焦和偏转，可以利用电极形成的静电场实现，也可以用电流形成的恒磁场实现。前者称为电聚焦或电偏转。随着科技的发展，利用静电场或恒磁场使电子束偏转、聚焦的原理和方法还被广泛地用于扫描电子显微镜、回旋加速器、质谱仪等许多仪器设备的研制之中。本实验

2、在了解电子束线管的结构基础上，讨论电子束的偏转特性及其测量方法。【实验目的】1.了解示波管的构造和工作原理，研究静电场对电子的加速作用。2.定量分析电子束在横向匀强电场作用下的偏转情况。3.研究电子束在横向磁场作用下的运动和偏转情况。【实验原理】1.小型电子示波管的构造电子示波管的构造如图1所示。包括下面几个部分：图1示波管结构图F-灯丝K-阴极G1，G2-控制栅极A1-第一阳极A2-第二阳极Y-竖直偏转板X-水平偏转板(1)电子枪，它的作用是发射电子，把它加速到一定速度并聚成一细束；(2)偏转系统，由两对平板电极构

3、成。一对上下放置的轴偏转板(或称垂直偏转板)，一对左右放置的轴偏转板(或称水平偏转板)；(3)荧光屏，用以显示电子束打在示波管端面的位置。8大学物理实验讲义以上这几部分都密封在一只玻璃壳之中。玻璃壳内抽成高真空，以免电子穿越整个管长时与气体分子发生碰撞，故管内的残余气压不超过大气压。电子枪的内部构造如图2所示。电子源是阴极，图中用字母表示。它是一只金属圆柱筒，里面装有加热用的灯丝，两者之间用陶瓷套管绝缘。当灯丝通电时可把阴极加热到很高温度。在圆柱筒端部涂有钡和锶氧化物，此材料中的电子在加热时较容易逸出表面，并能在阴极

4、周围空间自由运动，这种过程叫热电子发射。与阴极共轴布置着的还有四个圆筒状电极，电极离阴极最近，称为控制栅，正常工作时加有相对于阴极大约-5～-20伏的负电压，它产生的电场是要把阴极发射出来的电子推回到阴极去。改变控制栅极的电势可以改变穿过上小孔出去的电子数目，从而可以控制电子束的强度。电极与联在一起，两者相对于有约几百伏到几千伏的正电压。它产生了一个很强的电场使电子沿电子枪轴线方向加速。因此电极对的电压又称加速电压。用表示。而电极对的电压则与不同。由于与、与之间电势不相等，因此使电子束在电极筒内的纵向速度和横向速度发

5、生改变，适当地调整和的电压比例，可使电子束聚焦成很细的一束电子流，使打在荧光屏上形成很小的一个光斑。聚焦程度的好坏主要取决于和的大小与比例。电子束从图1中两对偏转电极间穿过。每一对电极加上的电压产生的横向电场分别可使电子束在方向或方向发生偏转。图3电子束的电偏转图2电子枪内部构造2.电子束的加速和电偏转原理在示波管中，电子从被加热的阴极逸出后，由于受到阳极电场的加速作用，使电子获得沿示波管轴向的动能。为以下研究问题方便起见，先引入一个直角坐标，令轴沿示波管的管轴方向从灯丝位置指向荧光屏，从荧光屏看，轴为水平方向向右，

6、轴为垂直方向向上。假定电子从阴极逸出时初速度忽略不计，则由功能原理可知，电子经过电势差为的空间，电场力做的功应等于电子获得的动能：(1)显然，电子轴向速度与阳极加速电压的平方根成正比。由于示波管有两个阳极和，所以实际上示波管中电子束最后的轴向速度由第2阳极的电压决定，即：8大学物理实验讲义或(2)如果在电子运动的垂直方向加一个横向电场，电子将在该电场作用下发生横向偏转。如图3所示：若偏转板长，偏转板末端至屏距离为，偏转电极间距离为，轴向加速电压为，横向偏转电压，则根据电学和力学的有关推导，可以推导出荧光屏上亮斑的横向

7、偏转量与其它量的关系为：(3)(式中)在实际的示波管中，偏转电极并非一对平行板，而是呈喇叭口形状，这是为了扩大偏转板的边缘效应，增大偏转板的有效长度。式3表明，当不变时电子束的偏转量随偏转电压成正比，的这一关系可以通过实验验证。这里需要研究的是：电偏转的灵敏度与第二阳极的加速电压间存在何种关系？从前面的式2我们可知电子束沿方向的速度，而电子方向运动的速度越大则表示它通过偏转极板所需时间越短，因而横向偏转电场对其作用时间也越短，导致偏转灵敏度越低。事实上，式3中电子束的偏转量的关系已说明了此关系。本实验中若改变加速电压

8、（为便于对比，在可能的范围内尽可能把分别调至最大或最小），适当调节到最佳聚焦，可以测定直线随改变而使斜率改变的情况。3．电子束的磁偏转原理图4电子束的磁偏转图5偏转磁场的设置电子束运动遇外加横向磁场时，在洛仑兹力作用下要发生偏转。如图4所示，设实线方框内有均强磁场，磁感强度的方向与纸面垂直指向读者，方框外磁场为零。若电子以速度垂直进入磁场中,受