实验 电子束的电偏转

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1、电子束的电偏转、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里显示图像的显象管及雷达指示管、电子显微镜等电子器件的外形和功用虽各不相同,但有其共同点: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象,还有聚焦、偏转和强度控制等系统。因此统称它们为电子束线管。电子束的聚焦和偏转可以通过电场和磁场对电子的作用来实现,前者称为电聚焦和电偏转,后者称为磁聚焦和磁偏转。本实验研究电子束的电偏转和磁偏转。通过实验,将使我们加深对电子在电场及磁场中运动规律的理解,有助于了解示波器和显象管的工作原理。[

2、实验目的]1.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。[实验原理]1.电子束的电偏转电子在两偏转板之间穿过时,如果两板间电位差为零,电子则笔直地穿过偏转板打在荧屏中央(假定电子枪瞄准了中心)形成一个小亮斑。如果在两块Y(或X)偏转板上加有电压,电子就会受电场力的作用而发生偏转。在图5-1中,设两板相距为d,电位差为Vd,可看做平行板电容器,则两板间的电场强度是电子受电场力的作用,产生加速度电子在Z方向上没有加速度,故从Y板左端运动到右端的时间是再从右端运动到屏的时间是电子离开板右端时的垂直

3、位移是在同一点的垂直速度电子离开板右端时不再受电场力的作用,作匀速直线运动,到达屏上的垂直位移是电子在屏上总位移令,又因为电子在加速电压的作用下,加速场对电子所做的功全部转化为电子的动能,则(1)代入上式,并由式(1)消去vz最后得,板中心至屏的距离,(2)式(2)表明,偏转板的电压Vd越大,屏上光点的位移也越大,两者是线性关系。比例常数在数值上等于偏转电压为1V时,屏上光点位移的大小,称为示波管的电偏转灵敏度S,即(3)显然,对X偏转板也有相应的电偏转灵敏度,即(4)但式中l,d,L等应理解为与X偏转板相关的几何量。

4、X1,X2与Y1,Y2两对金属偏转板一前一后地安装,其他条件相同时,远离荧光屏(L较大)的一对偏转板的灵敏度较大。式(3)表明,电偏转灵敏度S与l及L成正比,与d及V2成反比。其意义是,l增大时,电子在两偏转板间受电场力作用时间增长,获得的偏转速度vy就大,偏转距离随之增大。而vy一定时,偏转板至屏的距离L增大,电子通过L的时间就增长,所以偏转位移Dy也同时增大。对一定的偏转电压,当d增大时,偏转板间的电场强度变小,电子获得的偏转速度vy也就小了;同样,加速电压V2增大时,电子穿过两板之间的时间减小,vy也变小,都导致

5、偏转位移减小。屏图5-1电偏转原理图增加偏转板的长度l与缩小两板的距离d固然可以增大示波管的灵敏度,但偏转大的电子易被板端阻挡,或电子束经过板边缘的非均匀电场,以致DµVd的线性关系遭到破坏。所以通常将两偏转板的出口端向外折开成喇叭状。屏上光点位移与偏转电压的线性关系,使示波管能被用来作测量电压的工具。3.电子束的磁偏转电子束通过磁场时,在洛伦兹力作用下发生偏转。如图5-2所示,设实线方框内有均匀的磁场,磁感应强度为B,方向与纸面垂直,由纸面指向读者,在方框外B=0。电子以速度vz垂直射入磁场,受洛伦兹力evzB的作用

6、,在磁场区域内作匀速圆周运动,轨道半径为R。电子沿OC弧穿出磁场区域后变为作匀速直线运动,最后打在荧光屏的P点上,光点的位移为D。由牛顿第二定律有于是得(5)lZvzqqL¢图5-2电子束的磁偏转电子离开磁场区域与OZ轴偏斜了q角度,由图27-3中的几何关系得电子束离开磁场区域时,距离OZ的大小a是电子束在荧光屏上离开OZ轴的距离为设偏转角q足够小,近似有和则总偏转距离(6)式中,即磁场区域中心至屏的距离。再由式(1)消去vz得(7)式(7)表明光点的偏转位移D与磁感应强度B成线性关系,与加速电压V2的平方根成反比。将

7、式(7)与式(3)相比较可以看出,提高加速电压对磁偏转灵敏度降低的影响,比对电偏转灵敏度的影响小。因此,使用磁偏转时,提高阴极射线管中电子束的加速电压来增强屏上图象的亮度水平比用电偏转有利。而且,磁偏转便于电子束的大角度偏转,更适合于大屏面的需要。因此显象管往往采用磁偏转。但是,偏转线圈的电感与较大的分布电容,不利于高频使用,而且体积和重量较大,都不及电偏转系统。所以示波管往往采用电偏转。怎样才能得到上述那种磁场?也就是说要在一定区域内磁场是均匀的,该区域之外磁场为零,可用磁偏转线圈来实现。磁偏转线圈有两种形式,一种是

8、在阴极射线管管颈外套一个磁环线圈,如图5-3所示。磁环上绕两组导线线圈,串联后通以电流。电流在环内产生的磁力线方向相反,从环的直径方向穿过,各自形成闭合线,此处磁力线方向相同,在管内获得偏转磁场。若改变线圈电流/(用毫安表读数),则磁感应强度B随之改变,屏上光点的偏转位移D也随之改变。另一种磁偏转线圈的示意图如图5-4所示。其偏转

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1、电子束的电偏转、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里显示图像的显象管及雷达指示管、电子显微镜等电子器件的外形和功用虽各不相同,但有其共同点: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象,还有聚焦、偏转和强度控制等系统。因此统称它们为电子束线管。电子束的聚焦和偏转可以通过电场和磁场对电子的作用来实现,前者称为电聚焦和电偏转,后者称为磁聚焦和磁偏转。本实验研究电子束的电偏转和磁偏转。通过实验,将使我们加深对电子在电场及磁场中运动规律的理解,有助于了解示波器和显象管的工作原理。[

2、实验目的]1.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。[实验原理]1.电子束的电偏转电子在两偏转板之间穿过时,如果两板间电位差为零,电子则笔直地穿过偏转板打在荧屏中央(假定电子枪瞄准了中心)形成一个小亮斑。如果在两块Y(或X)偏转板上加有电压,电子就会受电场力的作用而发生偏转。在图5-1中,设两板相距为d,电位差为Vd,可看做平行板电容器,则两板间的电场强度是电子受电场力的作用,产生加速度电子在Z方向上没有加速度,故从Y板左端运动到右端的时间是再从右端运动到屏的时间是电子离开板右端时的垂直

3、位移是在同一点的垂直速度电子离开板右端时不再受电场力的作用,作匀速直线运动,到达屏上的垂直位移是电子在屏上总位移令,又因为电子在加速电压的作用下,加速场对电子所做的功全部转化为电子的动能,则(1)代入上式,并由式(1)消去vz最后得,板中心至屏的距离,(2)式(2)表明,偏转板的电压Vd越大,屏上光点的位移也越大,两者是线性关系。比例常数在数值上等于偏转电压为1V时,屏上光点位移的大小,称为示波管的电偏转灵敏度S,即(3)显然,对X偏转板也有相应的电偏转灵敏度,即(4)但式中l,d,L等应理解为与X偏转板相关的几何量。

4、X1,X2与Y1,Y2两对金属偏转板一前一后地安装,其他条件相同时,远离荧光屏(L较大)的一对偏转板的灵敏度较大。式(3)表明,电偏转灵敏度S与l及L成正比,与d及V2成反比。其意义是,l增大时,电子在两偏转板间受电场力作用时间增长,获得的偏转速度vy就大,偏转距离随之增大。而vy一定时,偏转板至屏的距离L增大,电子通过L的时间就增长,所以偏转位移Dy也同时增大。对一定的偏转电压,当d增大时,偏转板间的电场强度变小,电子获得的偏转速度vy也就小了;同样,加速电压V2增大时,电子穿过两板之间的时间减小,vy也变小,都导致

5、偏转位移减小。屏图5-1电偏转原理图增加偏转板的长度l与缩小两板的距离d固然可以增大示波管的灵敏度,但偏转大的电子易被板端阻挡,或电子束经过板边缘的非均匀电场,以致DµVd的线性关系遭到破坏。所以通常将两偏转板的出口端向外折开成喇叭状。屏上光点位移与偏转电压的线性关系,使示波管能被用来作测量电压的工具。3.电子束的磁偏转电子束通过磁场时,在洛伦兹力作用下发生偏转。如图5-2所示,设实线方框内有均匀的磁场,磁感应强度为B,方向与纸面垂直,由纸面指向读者,在方框外B=0。电子以速度vz垂直射入磁场,受洛伦兹力evzB的作用

6、,在磁场区域内作匀速圆周运动,轨道半径为R。电子沿OC弧穿出磁场区域后变为作匀速直线运动,最后打在荧光屏的P点上,光点的位移为D。由牛顿第二定律有于是得(5)lZvzqqL¢图5-2电子束的磁偏转电子离开磁场区域与OZ轴偏斜了q角度,由图27-3中的几何关系得电子束离开磁场区域时,距离OZ的大小a是电子束在荧光屏上离开OZ轴的距离为设偏转角q足够小,近似有和则总偏转距离(6)式中,即磁场区域中心至屏的距离。再由式(1)消去vz得(7)式(7)表明光点的偏转位移D与磁感应强度B成线性关系,与加速电压V2的平方根成反比。将

7、式(7)与式(3)相比较可以看出,提高加速电压对磁偏转灵敏度降低的影响,比对电偏转灵敏度的影响小。因此,使用磁偏转时,提高阴极射线管中电子束的加速电压来增强屏上图象的亮度水平比用电偏转有利。而且,磁偏转便于电子束的大角度偏转,更适合于大屏面的需要。因此显象管往往采用磁偏转。但是,偏转线圈的电感与较大的分布电容,不利于高频使用,而且体积和重量较大,都不及电偏转系统。所以示波管往往采用电偏转。怎样才能得到上述那种磁场?也就是说要在一定区域内磁场是均匀的,该区域之外磁场为零,可用磁偏转线圈来实现。磁偏转线圈有两种形式,一种是

8、在阴极射线管管颈外套一个磁环线圈,如图5-3所示。磁环上绕两组导线线圈,串联后通以电流。电流在环内产生的磁力线方向相反,从环的直径方向穿过,各自形成闭合线,此处磁力线方向相同,在管内获得偏转磁场。若改变线圈电流/(用毫安表读数),则磁感应强度B随之改变,屏上光点的偏转位移D也随之改变。另一种磁偏转线圈的示意图如图5-4所示。其偏转

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