电子束示波器实验

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1、电子束示波器综合实验 电子束示波器综合实验 【实验目的】【实验目的】 1. 研究电子在横向电场及横向磁场中的运动规律。 2. 用纵向磁场聚焦法测电子荷值比。 【实验仪器】【实验仪器】 WS-JD-DZS电子束示波器综合实验仪、直流稳压电源、低压电表、直流毫安表。电子束示波器综合实验仪、直流稳压电源、低压电表、直流毫安表。 【实验原理】【实验原理】 1示波管示波管 实验中用到的主要仪器是示波管，图 1 是示波管的结构原理图。它包括有：(1)一个电子枪， 它发射电子，把这些电子加速到一定的速度并聚焦成电子束。(2)一个由两对金属板组成的偏转系统， 分别叫做x 偏转板和y偏转板。(3)一个在管子末端

2、的荧光屏，在电子的轰击下可发出可见光，用来显示电子束 的轰击点。 图图 1 示波管的结构原理图示波管的结构原理图 电子枪的结构如图2所示，自左至右分别是灯丝、阴极K、控制栅极G、第二栅极加速极A2、第一 阳极A1，和第二阳极A2。阴极表面涂有锶和钡的氧化物，阴极通过灯丝加热至1200K时将会在其表 面逸出自由电子(热电子)。控制栅极G的工作电位低于阴极约3570V，只有那些能量足以克服这一 电位产生的电场作用的电子才能穿过控制栅极。因此，改变这个电位，便可以限制通过栅极的电子图图2 电子枪的结构如图电子枪的结构如图 数量，即控制电子束的强度或屏上光点的亮度。第二栅极A2和第二阳极A2相连，它们

3、对阴极的电位约为+1kV左右，用于加速阴极发出的电子。第一阳极A1位于A2和A2之间，它的工作电位V1低于 A2和A2的工作电位V2，A1与A2、A1与A2间的电场构成电子透镜，它的作用是把从控制栅极G发 射出来的不同方向的电子聚集，选取适当的V1、V2值，使从控制栅极G发射出来的不同方向的电子 在荧光屏上聚集成一个小点。通常将V2固定，通过改变V1实现聚集，所以A1电极被称为聚焦电极， 电子枪内部各电极电位的高低顺序如下： 偏转板上所加的电压为偏转电压，当电子束经过两板间时便会在偏转电场的作用下发生电偏 转。电子枪的各电极均由金属镍材料制成，它既能屏蔽电场，又能屏蔽磁场。 2电致偏转电致偏转

4、 从阴极发射出来的电子，在第二阳极A2射出时在z方向具有速度z，z值取决于阴极K和第二 阳极之间的电位差V2。如果电子逸出阴极时的初始动能可以忽略不计，那么电子从第二阳极A2射出 时的动能 就由下式确定： （1.1） 下面讨论电子通过偏转板的行为，见图2。进入偏转板的电子，在y方向作初速为零的匀加速运 动。设偏转板上所加电压为Vy、板长为、板间距为d、板间场强为Ey、板右端至屏的距离为L，则 式中t电子通过的时间， t /z。 于是，电子在离开偏转板的时刻，y 方向的速度为 （1.2） 此刻电子的运动轨道与 z 方向的夹角为 考虑到（1.1）式，则 （1.3） 电子到屏上时，在 y 方向偏移量

5、为 （1.4） 上述结果表明， 光点在屏上的偏移正比于偏转板上所加电压， 反比于加速电压。 这里要指出， 如果仔细考虑偏转板的结构与电子的运动情况，可以证明，在计算中，上式中的 L 取为偏转板中心 至屏的距离更为准确。 3磁致偏转磁致偏转 本节只讨论电子束在横向磁场中的偏转。 图 4 示出了电子在磁场中及离开磁场后的运动情况，是磁场范围，L是磁场右边缘至荧光屏的距离。设电子以速度z垂直射人一均匀磁场中，由于电 子运动的方向始终垂直于磁场，所以电子所受洛仑兹力的大小为 此时，电子沿圆弧轨道运动，其半径大小 R 从关系式 （1.6） 假设磁场引起的偏转角很小，则有sin，cos112 2/2。由图

6、4可见，在电子离开磁场区的时刻，电子轨道的切线与原入射方向间的夹角 （1.7） 电子离开磁场时刻，横向偏转 （1.8） 电子到达屏上引起光点的横向偏转量 DLtan+L+ （1.9） 将（1.7）式与（1.8）式代入（1.9）式，得 （1.10） 考虑到加速电压V2和电子速度的关系,由（图 1.1）式，得 （1.11） 上式表明，磁场引起的横偏移量与磁感应强度成正比，与加速电压的平方根成反比。式中的磁 场可以是电流的磁场，也可以是地磁场。 4电子荷质比电子荷质比 若将示波管的加速电极第一阳极A, 2A1连在一起， 并相对于阴极K加一电压V2(即加速电压)， 这 样，电子一进入加速电极就在零电场

7、中作匀速运 动。这时来自电子束交叉点F1(见图 5)发散的电子 束将不再会聚，而在荧光屏上形成一个光斑。 图 5图 5 为了能使电子束聚焦，可在示波管外套一螺线管，并通以电流，使在电子束前进的方向 产生一均匀磁场B。在我们所用的示波管中，栅极和加速电极很靠近，只有 18mm左右，因 此，可以认为离开电子束交叉点F1后电子立即进入电场为零的均匀磁场中运动。对于均匀磁 场B(电场为零)中以速度运动的电子，将受到洛仑兹力F的作用，即 FeB (1.12) 当和 B 同向时，力 F 等于零，电子的运动不受磁场的影响。 当和 B 垂直时，力 F 垂直于速度和B，电子在垂直于B的平面内作匀速圆周运动， 维

8、持电子作匀速圆周运动的力就是洛仑兹力，即 或 (1.13) 式中，R 为电子轨道半径。 电子旋转周期 T 为 由式(1.14)可见：周期 T 与电子速度无关，即在同一磁场强度下，不同速度的电子绕圆一周所 需的时间是相同的。只是速度越大的电子所绕的圆周的半径也越大。这一结论很重要，它是磁聚焦 的理论根据。 在一般情况下，电子的速度和磁场 B 间成一角度，这时可将分解为与 B 平行的 轴向速度 和与 B 垂直的径向速度 两部分，如图 6 所示, 且 保持不变，即电子沿管轴方向作匀速运动。 图 6 电子在均匀磁场中的运动 图 7 螺线管中磁场计算 图 6 电子在均匀磁场中的运动 图 7 螺线管中磁场

9、计算 由于 的存在，电子受到洛仑兹力作用，又要绕轴作圆周运动，则合成的电子运动的 轨迹将为一条螺旋线，如图 7 所示。其螺距为 （1.15） 由此可见，从同一个电子束交叉点F1出发的每个电子，虽然径向速度 各不相同，以 及所走的螺旋轨道半径也各不相同，但只要轴向速度 相等，并选择合适的轴向速度 和磁场B(改变 的大小可通过调节加速电极的电压U2来达到；改变B的大小可调节 产生磁场B的螺线管中的励磁电流I来达到)的大小，使电子在经过(从电子束交叉点F1到荧 光屏的距离)长的路程正好为整数个螺距h，这时电子束又将在荧光屏上会聚成一点，显示为 一亮点，这就是电子射线的纵向磁场聚焦原理。 下面介绍用电

10、子束的纵向磁场聚焦法测电子荷值比。 从前面的讨论我们知道，电子的轴向速度 应是由加速电压U2决定（因为电子离开阴 极时的初速相对来说很小，可以忽略） ，故有 所以 可见电子在均匀磁场中运动时，具有相同的轴向速度，但由于角不同，径向速度将 不同。因此它们将作半径不同、螺距相同的螺旋线运动，经过时间 T 后，在 的地方聚焦。调节磁场B的大小，使螺距正好等于电子束交叉点F1到荧光屏之间的距离，这 时荧光屏上的光斑就聚焦成一个小亮点。由于 故电子荷值比为 （1.16） 严格的说，螺线管的磁场应按多层密绕螺线管的磁场公式计算。但为简单起见，仍用薄螺线管公式计算，即有 （1.17） 式中,0410 7N/

11、A2(真空中的磁导率)；n为螺线管单位长度线圈匝数。 设螺线管的长度为 A，螺线管的平均直径为 D，并认为电子束聚焦磁场均匀，且都与 螺线管轴线中点 M 的磁场强度相等，则式(1.17)可简化为(见图 3)。 （1.18） 设螺线管的线圈总匝数为 N，则得实验计算电子荷值比公式为 （1.19） 8SJ31J示波管阴极到荧光屏的距离、A、D、N等各值由实验室给出。实验时保持U2一定，测得 聚焦电流I，即可由式(1.19)计算电子比荷实验值。 【实验内容】【实验内容】 1准备(开机找光点)准备(开机找光点) (1)接通电子和场实验仪的电源开关。 (2)观察示波管荧光屏上有无光点，若无，则先把改变偏

12、转电压Vx和Vyx的旋钮置中间位置， 再把X、Y调零旋钮置中间位置(中间位置即该旋钮左右旋到头之一半位置)，然后调节栅极电压，直 到光点出现。 (3)调栅极电压，使光点亮度适中，调聚焦电压使电子束聚焦(光点最小)，光点越小越好定 位，偏暗一点较适合观察。 2电致偏转电致偏转 (1)将高压表接到仪器面板上的K和V2两点(K为阴极电位测点，约为1kV左右,V2为第二阳极电位检测 点)，改变阴极电位使加速电压为一较大值(注意需预留一小于 100V以上的较小值)即V2大。若此时光点的 聚焦和亮度发生了改变，则需重新调好。 (2)将偏转电压Vx和Vy，置零，然后用X、Y调零旋钮将光点调至屏的中心。偏转电

13、压调零和测偏 转电压均需把低电表的一支表笔接到V2点(电位为 0)，另一支表笔接到Vx和Vy的测量点上，偏转电压 (Vd)的变化范围是65V+65V，测量时应随时根据所测电压的正负而交换两表笔。 （V d 是两极板 的电压，比如 x和x 之间的电压） (3)当确定了电致偏转的方向后，用调该方向偏转电压的调节旋钮将光点调至测量的起点（一般 选在网格的左端，或上端处） ，测出其偏转电压（通常为一负值） ，然后改变偏转电压，待光点每改 变一格，测一次偏转电压值（V d ）至光点偏至 20 格为止，并将它们逐一记录在表 1 中。 （V d是偏转 电压，它是X或Y偏转板相对于V2的电压） 表表 1 数数

14、 据据 表表 (4)重新把高压表接人K、V2两点，改变阴极电位使加速电压为一较小值(V2小和V2大应相差 100V以 上)，重复以上步骤，完成电致偏转的第二组测量。 （5） 画DVd和D V2- Vd曲线。 绘曲线时要注意： 以Vd为横坐标； 若D=0.0 时的偏转电压Vd(0.0) 不为零，则在画曲线之前应先进行坐标变换，设Vd为测量数据，则变换公式为 Vd (i)= Vd(i)- Vd(0.0) （6）分析以上曲线，从中归纳出电子在横向电场中偏转的规律来。 3磁致偏转 3磁致偏转 (1)重复电致偏转步骤(1)，测大V2大。 (2)重复电致偏转步骤(2)，将Vx、Vy调零，然后将光点用X、Y零旋钮调至屏 (3)接通磁场线圈的供电电路，逐渐增大线圈电流Is，观察光点偏转的方向后将Is调回零。 (4)根据光点的偏移方向用Y置零旋钮把光点调至测量起点(屏的上方或下方)，然后逐步 增大Is，待光点每移两格记下相应的Is值到光点到 8 格为止，把相应的D和Is值记人表 2 中。 (5)取V2为一较小值V2小，重复以上步骤，完成磁致偏转实验的第二组测量并填人表2中。 表表 2 数数 据据 表表 (6) 总结出磁致偏转的规律来。 4、电子在纵向磁场中聚