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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
2、点落在示波管的荧光屏上。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 h运动时电子所受的洛仑兹力为：f 二 ev B(1)hf的方向与u 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 h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：mv2f 二 eu B =(2)h 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，可以表示为：mvR 二 h
3、eB电子旋转一周所需的时间为：(4)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h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，各图 3 电子束在聚焦磁场中的螺旋轨迹电子运动速度vh的数值各不相同，但经过T时 h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U h各不 h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，每个电子在沿B方向运动时经过一个螺 距h后电子又重聚于一点
4、，这种现象称为磁场聚焦作用，且l=nh, n为正整数(n=l, 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，U 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:h = Tv =p2兀mveB p(5)e 2兀= v m Bh p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A之间的电场加速后，速度为U，由能量守恒定律可知，电子动能的增加应等于电场力对 1p它所作的功，即(6)i mv 2 = eV
5、2p只要加速电压V是确定的，电子沿磁场方向的速度分量u就是确定的，将式（6）代入式（5）中，则 Ph =皿 J 汆v（7）eB m-（ 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h = 1d或h = id，相应地可在荧光屏上看到第二次聚焦、 23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：甘=（8）m h2 B2V、B均可通过测量得出，代入上式即可求得电子荷质比
6、。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：B = 4n x 10-7n Ix .（9）0+ D 2由式（8）和式（9）,可得：=V L+ D2 x 1014 （c/kg）（10）m 2h2n212 （ L 丿 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n,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
7、）用专用电缆线联接实验仪示波管支架上的两个插座。3）将实验箱面板上的“电聚焦/磁聚焦”选择开关置于“电聚焦”或“磁聚焦”。4）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YA?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“阳极电压”下的VA1 和 V 值。A23磁聚焦现象的观察1）将实验箱面
8、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1 000V ， “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 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00V,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、I2、I3，
9、 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1 TH-EB型电子束实验数据表d=N=D=L=（注：d=h）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
10、算三个不同“阳极电压”的VA/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TH-EB 型电子束实验仪具有体积小，重量轻，结构紧凑，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。FFKGA1A2VV H H图
11、1示波管各电极结构与分布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。1 示波管结构：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之间。使加速电子向荧光屏运动，可称加速极，第二阳极a2：圆筒结构，施加的电压形成一纵向高压电场, 加速电压通常为1000V以上。第一阴极：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：vi和v2为
12、处于示波管中一上下的两块金属板，在极板上施加适当电压后构成垂直方向 的横向电场。水平偏转极板：H1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T输出600V电压，经倍压整流滤波后，能输出321400V的直流电源，经分压后提供给示波器的各电极所需电压。人为低压补偿开关，当市电电压W200V时可短接R,以提升阳极电压。D为隔离二极管。防止：因8W-E/C和SW-A换操作而引起的高压负载短9 18 1路, R3和R21为使放电阻防止，栅极和聚焦极电荷积累。此处，电路中I
13、V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RV电压器计数应能显示780V至1400V；54. 调整调压器TR2，电流表读数应能显示1200mA和0mA；5. 调整调压器RV，并将示波管阳极电压分别置于800V、1000V和1200V时，光斑应能聚焦。46. 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。7旋转示波管，使HH2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。
