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1、PE电子线 WWW.DGMSDZ.COM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，在示波管中，阴极 K经灯丝加热发射电子，第一阳极 A1加速电子，使电子束通过栅极 G的空隙，由于栅极电位与第一阳极电位不等，在它们之间的空间便产生电场，这个电场的曲度像一面透镜，它使由阴极表面不同点发出的电子在栅极前方汇聚，形成一个电子聚焦点。由第一阳极和第二阳极组成的电聚焦系统
2、，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6.3VF KGVA1A1 A2VA2Z图 1 电子束电聚焦原理PE电子线 WWW.DGMSDZ.COM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，使之对电子直接起加速作用，所以称为加速极。第一阳极主要是用来改变VA1与 VA2比值，便于聚焦，故又称聚
3、焦极。改变 VA2也能改变比值 VA1/VA2，故第二阳极又能起辅助聚焦作用。2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：f的方向与 h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：式中 m为电子的质量，R 为电子作圆周运动时的轨道半径，可以表示为：电子旋转
4、一周所需的时间为：(3) eBvhxyvhvh图 2 电子束磁聚焦原理PE电子线 WWW.DGMSDZ.COM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，假设各个电子的速度在垂直于 B的平面上的分量 h各不相同，而各电子的速度在 B的方向上的分量 vp彼此相等，那末电子经过距离 l后（按上面的分析，每个电子在
5、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， h在一定范围内变化的电子在磁场作用下运动轨迹图。螺距 h可以表示为：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 p，由能量守恒定律可知，电子动能的增加应等于电场力对它所作的功，即只要加速电压 V是确定的，电子沿磁场方向
6、的速度分量 p就是确定的，将 式（6）代入式（5）中，则(5)B2meT p vh hvpvvh 图 3 电子束在聚焦磁场中的螺旋轨迹 2meBnhPE电子线 WWW.DGMSDZ.COM-（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(电子已聚焦)，当 B值增加到 23倍时，会使 或 ，相应地可在荧光屏上d2131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，可得出： （8）2BhVm
7、eV、B 均可通过测量得出，代入上式即可求得电子荷质比。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：由式(8)和式（9） ，可得：式中 D为螺线管直径，L 为螺线管长度，n 0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：从第二阳极圆筒的中点到荧光屏（典型值为 180mm）)。2）用专用电缆线联接实验仪示波管支架上的两个插座。3）将实验箱
8、面板上的“电聚焦/磁聚焦”选择开关置于“电聚焦”或“磁聚焦” 。(9) LIn10427D(1)10 n2Vme420 kgCIPE电子线 WWW.DGMSDZ.COM4）电聚焦时，将聚焦极对应的钮子开关置于上方，其它的电极（6 个）对应的开关均置于下方。5）磁聚焦时，将所有电极(8 个)对应的钮子开关均置于下方。6）将“励磁电流调节”旋至最小。2电聚焦特性的测定1) 令“阳极电压”指示为 800V，使光点在聚焦的状态下，用数字万用表直流电压高量程档测 A1点和地之间的电压，记下此时的 VA1和 VA2值。2)分别调节“阳极电压”至 1000V和 1200V，并使光点聚焦，分别记下同一“阳极电
9、压”下的 VA1和 VA2值。3磁聚焦现象的观察1） 将实验箱面板上的“电聚焦/磁聚焦”选择开关置于“磁聚焦”将其它钮子开关均置于下方。2） 调节“阳极调节”电位器使“阳极电压”数显表指示为1000V， “辉度调节”电位器使辉度适当，此时可察到荧光屏上的矩形光斑。3） 缓缓调节“磁聚焦调节”调压器，可观察到电子束在纵向磁场的作用下，旋PE电子线 WWW.DGMSDZ.COM转式聚焦的现象。4电子荷质比的测定1）开启电源开关，调节“阳极电压调节”电位器，使“阳极电压”数显表指示为 800V，适当调节“辉度调节”电位器，此时，示波管上出现方形光斑。然后调节“磁聚焦调节”调压器，可观察到方形光斑、边
10、旋转、边聚焦的现象，分别记录使电子束第一次聚焦，第二次聚焦，第三次聚焦的电流值 I1、I 2、I 3，然后改变励磁电流的方向，重复以上步骤。2）改变阳极电压至 1000V、1200V，重复上述步骤。表 1TH-EB型电子束实验数据表 dNDL（注：d=h）励磁电流/AV2(V)I1I2I3误差正反正反正kgCI14202 nhVme3216IIPE电子线 WWW.DGMSDZ.COM反3）将相关数据填入上表，并将计算值和标称值e/m1.75710 11Ckg-1进行比较，计算误差。五、注意事项1）同电子束偏转实验。2）当励磁电流较大时，及时记录聚焦电流避免长时间施加励磁电流。3）示波管亮度调节
11、适中，以免影响荧光屏的使用寿命。六、思考题1电聚焦与磁聚集的原理是什么？两者光斑收缩的情况是否相同？2在聚焦实验中，为什么反向聚焦时光点较暗？3在磁聚集实验中，当螺线管中电流 I逐渐增加，电子射线从一次聚焦到二次、三次聚集，荧光屏的亮暗如何变化，试解释。4你认为产生误差的因素有哪些？如何减小测量误差？七、实验报告要求1计算三个不同“阳极电压”的 VA1/VA2值，并作 8SJ31J示波管的聚焦特性曲线。2试分析阴极射线管的聚焦特性曲线为什么会是一条直线。附录TH-EB 型电子束实验仪电原理简介与调试说明PE电子线 WWW.DGMSDZ.COMTH-EB型电子束实验仪具有体积小，重量轻，结构紧凑
12、，操作界面美观，使用方便，可靠，测试数据精确等特点。实验仪主要由两大部分组成，一个是由螺线管及在螺线管内放置的示波管组成，螺线管通电流后给示波管加纵向磁场，另外在示波管两边加一对洛仑兹线圈产生一横向磁场，用于使电子束产生横向偏转；另一部分就是用于给示波管各极加适当电压。示波管采用 8SJ-31J，下面分别对各部分加以简要说明。1 示波管结构：示波管各电极结构与分布如图 1所示。各部件的作用如下：灯丝 F：加热阴极，6.3V 电压。阴极 K：筒外涂有稀土金属，被加热后能向外发射自由电子也可称发射极。栅极 G：施加适当电压（通常加负压）可控制电子束电流强度，可称控制栅，栅负压通常为-35V-45V
13、 之间。第二阳极 A2：圆筒结构，施加的电压形成一纵向高压电场，使加速电子向荧光屏运动，可称加速极，加速电压通常为 1000V以上。第一阴极 A1：为一圆盘结构，介于第二阴极的圆筒和圆盘之间，其作用相当于电子透镜，施加适当电压能使电子束恰好在荧光屏上聚焦，因此也称聚焦极，通常加数百伏正向电压。垂直偏转极板：V 1和 V2为处于示波管中上下的两块金属板，在极板上施加适当电压后构成垂直方向的横向电场。图 1 示波管各电极结构与分布FFK G A1A2V V H HPE电子线 WWW.DGMSDZ.COM水平偏转极板：H 1和 H2为处于示波管中一前后的两块金属板，在极板上施加适当电压后构成水平方向
14、的横向电场。2 螺线管和线圈参数3 控制电源箱仪器适用 50Hz，220V10%市电供电，变压器副绕组 T3输出600V电压，经倍压整流滤波后，能输出1400V 的直流电源，经分压后提供给示波器的各电极所需电压。K 1为低压补偿开关，当市电电压200V 时可短接 R9，以提升阳极电压。D 18为隔离二极管。防止：因 8W-E/C和 SW-A1换操作而引起的高压负载短路，R 3和 R21为使放电阻防止，栅极和聚焦极电荷积累。此处，电路中 1V数显表因作励磁电流指示，100mV 数显表用作阳极电压指示。各自配备完全独立的5V 直流电源。仪器箱和示波管支架之间的联结用 12芯电缆插头。调试说明：1校正 1V和 100mV数显表头；2校正 1000mA和 1000V电压、电流表；3调整阳极电压电位器 RV5电压器计数应能显示 780V至 1400V；4调整调压器 TR2，电流表读数应能显示 1200mA和 0mA；5调整调压器 RV4，并将示波管阳极电压分别置于 800V、1000V 和1200V时，光斑应能聚焦。6调整辉度电位器 RV3，示波器光斑应能有正常的高亮并能截止电子束电流。PE电子线 WWW.DGMSDZ.COM7旋转示波管，使 H1、H 2之间的水平偏转线保持水平垂直偏转线保持垂直。8完成全部实验。
