实验十一 电子束线的偏转

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1、实验十一电子束线的偏转实验目的l．研究带电粒子在电场和磁场中偏转的规律；2．了解电子束线管的结构和原理．仪器和用具示波管、毫伏表、电子束线管测试板、直流电源、安培表和万用电表．实验原理示波器中用来显示电信号波形的示波管和电视机里显示图像的显象管都属于电子束线管，尽管它们的型号和结构不全相同，但都有产生电子束的系统和对电子加速的系统；为了使电子束在荧光屏上清晰地成像，还要有聚焦、偏转和强度控制等系统．早期的电子束管没有聚焦功能，采用管外线圈产生的纵向磁场实现聚焦．本实验仅讨论电子束线的偏转特性及其测量方法．1．电子束在电场中的偏转假定由阴极发射出的电子其平均初速近似为零，在阳极电压作用

2、下，沿z方向作加速运动，则其最后速度vz可根据功能原理求出来，即eUA图C.11.l电场偏转?12mvz2移项后得到vz?22eUmA（C.11.1）式中UA为加速阳极相对于阴极的电势，em为电子的电荷与质量之比（简称比荷，又称荷质比）．如果在垂直于z轴的y方向上设置一个匀强电场，那么以vz速度飞行的电子将在y方向上发生偏转，如图C.11.l所示．若偏转电场由一个平行板电容器构成，板间距离为d，极间电势差为U，则电子在电容器中所受到的偏转力为Fy?eE?eUd（C.11.2）根据牛顿定律??Fy?m?yeUd因此???yeUmd（C.11.3）即电子在电容器的y方向上作匀加速运动，而

3、在z方向上作匀速运动，电子横越电容器的时间为t?lvz（C.11.4）当电子飞出电容器后，由于受到的合外力近似为零，于是电子几乎作匀速直线运动，一直打到荧光屏上，如图C.11.l里的F点．整理以上各式可得到电子偏离z轴的距离R图C.11.2磁场偏转N?KEUUA（C.11.5）式中KE?Ll?l??1??2d?2L?是一个与偏转系统的几何尺寸有关的常量．所以电场偏转的特点是：电子束线偏离z轴（即荧光屏中心）的距离与偏转板两端的电压成正比，与加速极的加速电压成反比．2．电子束在磁场中的偏转如果在垂直于z轴的x方向上设置一个由亥姆霍兹线圈所产生的恒定均匀磁场，那么以速度vz飞越的电子在y

4、方向上也将发生偏转，如图C.11.2所示．假定使电子偏转的磁场在l范围内均匀分布，则电子受到的洛伦兹力大小不变，方向与速度垂直，因而电子作匀速圆周运动，洛伦兹力就是向心力，所以电子旋转的半径R?mvzeB（C.11.6）当电子飞到A点时将沿着切线方向飞出，直射荧光屏，由于磁场由亥姆霍兹线圈产生，因此磁场强度B?kI（C.11.7）式中k是与线圈半径等有关的常量，I为通过线圈的电流值．将（C.11.1）、（C.11.7）式代人（C.11.6）式，再根据图C.11.2的几何关系加以整理和化简，可得到电于偏离z轴的距离N?KMIA（C.11.8）式中KM?Llk?l?1???2L?2?em

5、也是一个与偏转系统几何尺寸有关的常量．所以磁场偏转的特点是：电子束的偏转距离与加速电压的平方根成反比，与偏转电流成正比．实验过程一、研究和验证示波音中电场偏转的规律检验：①加速电压不变时，偏转距离与偏转电压是否成正比，②偏转电压不变时，偏转距离与加速电压是否成反比．实验线路板如图C.11.3所示．图中f、f为示波管灯丝引出端，K为阴极，G为栅极，也称调制极，与.1100V电源直接相连，A1、A2和A3分别为第一、第二和第三阳极，其中A1与A3已在示波管的管内连接好，X1、X2和Y1、Y2为X方向和Y方向偏转板．由WK、W1、W2和W3等组成了电源分压器，分压器的S1、S2和SE以及f

6、、f等端f?E6.3f钮分别与的滑动端K图C.11.3电场偏转接线图度的作用，W2与A2相连，可改变第二阳极电位，而使荧光屏上的光斑聚焦成细小的亮点，W1与A1、A3相连，可改变第一、第三阳极电势，同样起聚焦的作用，W3与Y1相连，可改变Y偏转板间的电势，使电子束偏转．注意，示波管与实验线路板之间通过导线连接，用接插件互通．偏转距离可根据荧光屏前有机玻璃板上的刻度数读出，UA是A3和K间的加速电势差，用高阻抗直流高压表测量，U为偏转电压、用万用表直流电压档测量，即测量偏转板与地之间的电势差．1．测量在仪器允许围内取4至5个不同的加速电压UA，对每一UA测量偏转为.4、.3、.2、.1

7、、0、1、2、3、4格的偏转电压（UX或UY）．2．数据处理为了检验①，取偏转距离N（格）为div横坐标，偏转电压（UX或UY）为纵坐标作图C.11.4Ux?N关系曲线图线（图C.11.4），如果对每一UA均为直线，则可认为加速电压不变时，偏转距离与偏转电压间是线性关系．为了检验②，应将图C.11.4中坐标原点由O移到O?点，作如下变换N??N?NO??UX?UXO（C.11.9）UX因而（C.11.5）式变为N??KE?UXUA和NO?KEUXOUA（C