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1、1大 学 物 理 实 验 报 告姓名： 专业班级： 学 号： 指导老师：组别： 实验地点：070403 实验日期： 实验成绩：实验二 电子束的磁偏转与磁聚焦在近代科学技术应用中，带电粒子在电场和磁场中的运动，是许多领域中都经常遇到的一种物理现象。示波器中用来显示电信号波形的示波管，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。前者称为电聚焦和电偏转（上次实验） ，后者
2、称为磁聚焦和磁偏转（本次实验） 。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之中。【实验目的】1. 学习示波管中电子束的磁偏转及磁聚焦原理，观察电子束在磁场中偏转和聚焦现象，加深对电子束在磁场中运动规律的认识。2. 测定示波管磁偏转系统的灵敏度。3. 通过磁聚焦原理测量电子的荷质比。【实验仪器】DH4521 电子束测试仪【实验原理】1. 电子束实验仪的结构原理电子束实验仪的工作原理与示波管相同，它包括抽成真空的玻璃外壳、电子枪、偏转系统与荧光屏四个部分。A -第一阳极、A -第二阳极、f-灯丝G-栅极、K-阴极
3、、 X、 Y-偏转转板。图 1 电子射线示波管（1）电子枪电子枪的详细结构如图 1 所示。当加热电流通过灯丝时，阴极 被加热并发射电子，栅极 加上相KG对于阴极为负的电压，调节栅极电压的大小，可以控制阴极发射电子的多少，即控制光点的亮度。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G2AK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2A2U1A1U2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生改变，K1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，
4、使打在荧光屏上形成很小的一个U2光斑。聚焦程度的好坏主要取决于 和 的大小与比例。1U22（2）偏转系统 电偏转系统是由一对竖直偏转板和一对水平偏转板组成，每对偏转板是由两块平行板组成，每对偏转板之间都可以加电势差，使电子束向侧面偏转。磁偏转系统是由两个螺线管形成的。（3）荧光屏荧光屏是内表面涂有荧光粉的玻璃屏，受到电子束的轰击会发出可见光，显示出一个小光点。2电子束的磁偏转原理图 2 电 子 束 的 磁 偏 转 图 3 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 2 所示，设实线方框内有均强磁场，磁感强度 B 的方向与纸面垂直指向读者，方框外磁场为
5、零。电子以速度 垂直进入磁场 B 中，受洛仑兹力 作用，在磁场区域内作匀速圆周运动，半径为 R。zvF电子沿弧 AC 穿出磁场区后，沿 C 点的切线方向作匀速直线运动，最后打在荧光屏的 点。P电子进入磁场之前，其加速的电压为 ，有 2U221zemv(1)式中 e 为电子的电量；m 为电子的质量。该式忽略电子离开阴极 时的初动能。K电子以速度 垂直进入磁场 后，其所受的洛仑兹力 (2) zvB=zFevB据牛顿运动第二定律，有 2=zzveBmRzveB(3)在偏转角较小的情况下，近似有 tanlDL(4)由此可得偏转量 D 与外加磁场 B、加速电压 的关系为2U(5)2eDlBLm如果磁场是
6、由螺线管产生的，如图 3 所示，因为螺线管内的 B=0nI，其中 n 是单位长度线圈的圈数，I 是通过线圈的电流，所以(6)02eDnIlLmU02=meSnlLIU3Sm称为磁偏灵敏度，也是一个与偏转系统几何尺寸有关的常量，反映了磁偏转系统的灵敏度的高低。在国际单位制中，磁偏转灵敏度的单位为米每安培，记为mA -1。可见位移 与磁场电流 成正比，而与DI加速电压的平方根成反比，这与静电场的情况不同。3电子束的磁聚焦及荷质比测定原理在示波管外套一个同轴的螺线管，当给螺线管通以稳恒直流电时，其内部形成一个轴向磁场。置于长直螺线管中的示波管，在不受任何偏转电压的情况下，示波管正常工作时，调节亮度和
7、聚焦，可在荧光屏上得到一个小亮点。若第二加速阳极 A2 的电压为 ，则电子的轴向运动速度：2U(7) zevm图 4 电子作圆周运动 图 5 电子作螺旋运动 当给其中一对偏转板加上交变电压时，电子将获得垂直于轴向的分速度 ，此时荧光屏上便出现一rv条直线，随后给长直螺线管通一直流电流 I，于是螺线管内便产生磁场（若螺线管足够长，则可认为内部为匀强磁场） ，其磁感应强度用 B 表示。洛伦磁力使电子在垂直于磁场（即垂直于示波管轴）的平面内作圆周运动，如图 4，设其圆周运动的半径为 ，则有R(8)2=rrvemrvReB圆周运动的周期为(9)rTv电子既在轴线方向以速度 作匀速直线运动，又在垂直于轴
8、线的平面内作匀速圆周运动。如图 5 所zv示，它的轨道是一条螺旋线，其螺距用 表示，则有h(10)2=zmUvTBe从(9)、(10)两式可以看出，电子运动的周期和螺距均与 无关。虽然各个电子的径向速度不同，但rv由于轴向速度相同，由一点出发的电子束，经过一个周期以后，它们又会在距离出发点相距一个螺距的地方重新相遇，这就是磁聚焦的基本原理，由(10)式可得(11)28emUhB长直螺线管的磁感应强度 B，可以由下式计算。(12)02=NILD式中螺丝管内的线圈匝数 N=5351（具体以螺线管上标注为准） ；螺线管的长度 L=0.235m；螺线管的直径 D0=0.092m；螺距（Y 偏转板至荧光
9、屏距离）h=0.135m ；I 为通过螺线管的励磁电流，可以从电子束实验仪上读出； 0=410-7 H/m=1.25710-6 H/m。4将(12)代入(11)，可得电子荷质比为：(13)22208emULDNhI【实验内容及步骤】1. 电子束的磁偏转依照图 6 完成以下步骤：图 6 磁偏转实验线路图（1）开启电源开关，将“电子束-荷质比”选择开关打向电子束位置，亮度适当调节，并调节聚焦，使屏上光点聚成一细点。注意：光点不能太亮，以免烧坏荧光屏。（2）光点调零，将面板上钮子开关打向 X 偏转电压显示，调节“X 调节”旋钮，使电压表的指针在零位，再调节 X 调零旋钮，使光点位于示波管垂直中线上；
10、同 X 调零一样，将面板上钮子开关打向 Y 偏转电压显示，将 Y 调节后，光点位于示波管的中心原点。（3）测量偏转量 D 随磁偏转电流 I 的变化，给定 ，将磁偏转电流输出与磁偏转电流输入相连，调2U节磁偏转电流调节旋钮（改变磁偏转线圈电流的大小）测量一组 D 值。改变磁偏转电流方向，再测一组D-I 值。改变 ，再测两组 D-I 数据。 （ ：600-1000V） 。通过换向开关改变磁偏转电流方向，再次实验。2U2（4）记录实验数据，做 D-I 图，用图解法测得磁偏转灵敏度 ，并解释为什么 不同， 不同。S磁 2US磁2. 磁聚焦和电子荷质比测量依照图 7 完成以下步骤：图 7 磁聚集与电子荷
11、质比测量实验线路图（1）开启电源开关，将“电子束-荷质比”选择开关打向荷质比方向，此时荧光屏上出现一条直线，阳极电压调到 700V。（2）将励磁电流部分的调节旋钮逆时针方向调节到头，并将励磁电流输出与励磁电流输入相连（螺线管） 。5（3）电流换向开关打向正向，调节输出调节旋钮，逐渐加大电流使荧光屏上的直线一边旋转一边缩短，直到出现第一个小光点，读取此时对应的电流值I 正 ，然后将电流调为零。再将电流换向开关打向反向（改变螺线管中磁场方向） ，重新从零开始增加电流使屏上的直线反方向旋转并缩短，直到再得到一个小光点，读取此时电流值I 反 。 （注意：调节过程中，光点亮度会增加，注意将亮度调暗，以免
12、烧坏仪器）（4）改变阳极电压为 800V，重复步骤 3，直到阳极电压调到 1000V 为止。（5）记录实验数据，通过（13）式，计算出电子荷质比 e/m，并与标准值比较。【实验数据记录、实验结果计算】1. 电子束的磁偏转D (mm) -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25I (mA）（ = 600V）2UI (mA）（ = 700V）作 与 的关系图，用图解法测得磁偏转灵敏度。 = 700V 时： = m/A； = 600V 时： = m/A。2UmS2UmS2. 磁聚焦和电子荷质比测量阳极电压励磁电流 700V 800V 900V 1000V(A)I正(A)反(
13、A)平 均荷质比 e/m (C/Kg)6荷质比 (C/Kg)me标准值 (C/Kg)相对误差【对实验过程及结果中的现象或问题进行分析、讨论】【实验注意事项】1.在实验过程中，光点不能太亮，以免烧坏荧光屏。2.改变阳极电压 后，亮点的亮度会改变，应重新调节亮度，勿使亮点过亮，一则容易损坏荧光屏，2U同时亮点过亮，聚焦好坏也不易判断，调节亮度后，阳极电压值有变化，再调到规定的电压值即可。3.在改变螺线管励磁电流方向或磁偏转电流方向时，应先将电流调到最小后再换向。4.仪器应南北方向放置以减小地磁场对测量精度的影响。5.切勿在通电的情况下拆卸面板对电路进行查看或维修，机箱内有高压，防止触电。6.不要将磁感线圈长时间停留在大电流工作，以免烧坏线圈。【实验心得体会】7
