实验二十三电子射线的电聚焦与磁聚焦.pdf

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1、实验二十三电子射线的电聚焦与磁聚焦一、实验目的1.掌握带电粒子在电场和磁场中的运动规律,学习电聚焦和磁聚焦的基本原理和实验方法;2.掌握利用磁聚焦法测定电子荷质比的基本方法。二、实验装置TH-EB型电子束实验仪;米尺,游标卡尺三、实验原理1.电聚焦原理电子束电聚焦原理如图1所示,在示波等位面VA2VA1管中,阴极K经灯丝加热发射电子,第一阳屏电子轨迹极A1加速电子,使电子束通过栅极G的空隙,6.3V由于栅极电位与第一阳极电位不等,在它们FK之间的空间便产生电场,这个电场的曲度像Z一面透镜,它使由阴极表面不同点发出的电GA1A2子在栅极前方汇聚,形成一个电子聚焦点。图1电子束电

2、聚焦原理由第一阳极和第二阳极组成的电聚焦系统,就把上述聚焦点成像在示波管的荧光屏上。由于该系统与凸透镜对光的会聚作用相似,所以通常称之为电子透镜。电子束通过电子透镜能否聚焦在荧光屏上,与第一阳极VA1和第二阳极VA2的单值无关,仅取决于它们之间的比值F。改变第一阳极和第二阳极的电位差,相当于改变电子透镜的焦距,选择合适VA1与VA2的比值,就可以使电子束的成像点落在示波管的荧光屏上。在实际示波管内,由于第二阳极的特点结构,使之对yvh电子直接起加速作用,所以称为加速极。第一阳极主要是x用来改变VA1与VA2比值,便于聚焦,故又称聚焦极。改变VA2也能改vh变比值VA1/VA2

3、,故第二阳极又能起辅助聚焦作用。2.磁聚焦原理图2电子束磁聚焦原理电子束磁聚焦的原理见图2所示,设一速度为v,在一磁1/7感应强度为B的均匀磁场中运动的电子,电子将受到洛仑兹力的作用,将v分解成与B平行的分量和与B垂直的分量vh,电子沿着B的方向运动时不受力,故沿B的方向作匀速直线运动。电子在垂直于B的方向运动时电子所受的洛仑兹力为:fevhB(1)f的方向与υh垂直,故该力只改变电子运动的方向,不改变电子速度的大小,结果使电子在垂直于B的平面内以半径为R的圆作匀速圆周运动。根据牛顿第二定律可知:2mvhfehB=(2)R式中m为电子的质量,R为电子作圆周运动时的轨道半径,可

4、以表示为:mvhR(3)eB电子旋转一周所需的时间为:2R2mT(4)heB由此可知,当B保持不变,电子的速度vh不同时,电子作圆周运动的半径是不同的,但是电子旋转一周所需的时间(周期)相同,与电子的速度无关。v垂直于B时电子的运动轨迹如图2所示。从图2可知,如果有很多电子都从磁场中的同一点出发,各电子运动速度vh的数值各不相同,但经过T时间后,都同时回到同一点。考虑由同一点发出的一束电子,假设各个vhv电子的速度在垂直于B的平面上的分量υh各不相同,而各电子的速度在B的方向上的分量vpvphh彼此相等,那末电子经过距离l后(按上面的图3电子束在聚焦磁场中的螺旋轨迹分析,每个

5、电子在沿B方向运动时经过一个螺距h后电子又重聚于一点,这种现象称为磁场聚焦作用,且l=nh,n为正整数(n=1,2,3,4⋯⋯)。为了便于想象电子在磁场中的运动情况,图3表示一束vp相同,υh在一定范围内变化的电子在磁场作用下2m运动轨迹图。螺距h可以表示为:hTvp=vpeBe2vp(5)mBh在电子束实验仪中,示波管的轴线方向有一均匀分布的磁场,在阴极K和阳极A2之间加上一定的电压V,将会使阴极发射的电子加速,设阴极发射出来的电子在脱离阴极时,沿磁场运动的初速度为零,经阴极K与阳极A1之间的电场加速后,速度为υp,由能量守恒定律可知,电子动能的增加应等于电场力对2/7它所

6、作的功,即122mvpeV(6)只要加速电压V是确定的,电子沿磁场方向的速度分量υp就是确定的,将式(6)代入式(5)中,则2n2eVheBm-(7)从上式可以看出,h是B和V的函数,调节V和B的大小,可以使电子束在磁场方向上的任意位置聚焦。当h刚好等于示波管的阳极到荧光屏之间的距离d时,可以看到电子束在荧光屏上聚成一小亮点(电11子已聚焦),当B值增加到2~3倍时,会使h2d或h3d,相应地可在荧光屏上看到第二次聚焦、第三次聚焦,当h不等于这些值时,只能看到圈套的光斑,电子束不会聚焦,将式(7)适当变换,可得2e8V出:m22(8)hBV、B均可通过测量得出,代入上式即可求

7、得电子荷质比。上式中B是螺线管中部磁场的平均值,可通过测量励磁电流I计算出来,对于有限长的螺线管,B的值为:7LB410n0I(9)22LD由式(8)和式(9),可得:22eVLD1410Ckg(10)2222m2hn0IL式中D为螺线管直径,L为螺线管长度,n0为螺线管单位长度的匝数,h为螺距,I为螺线管流过的直流电流,式中各量采用国际单位制。四、实验步骤1.准备工作1)测量励磁线圈直径D,励磁线圈长度L,线圈的线径为0.29mm,计算螺线管单位长度的匝数n0,测量示波管第二阳极到荧光的距离d(注:从

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