實(shí)驗(yàn) 電子束的電偏轉(zhuǎn).doc

電子束的電偏轉(zhuǎn)、磁偏轉(zhuǎn)研究 示波器中用來(lái)顯示電信號(hào)波形的示波管和電視機(jī)里顯示圖像的顯象管及雷達(dá)指示管、電子顯微鏡等電子器件的外形和功用雖各不相同，但有其共同點(diǎn)：都有產(chǎn)生電子束的系統(tǒng)和對(duì)電子加速的系統(tǒng)；為了使電子束在熒光屏上清晰地成象，還有聚焦、偏轉(zhuǎn)和強(qiáng)度控制等系統(tǒng)。因此統(tǒng)稱它們?yōu)殡娮邮€管。電子束的聚焦和偏轉(zhuǎn)可以通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)電子的作用來(lái)實(shí)現(xiàn)，前者稱為電聚焦和電偏轉(zhuǎn)，后者稱為磁聚焦和磁偏轉(zhuǎn)。本實(shí)驗(yàn)研究電子束的電偏轉(zhuǎn)和磁偏轉(zhuǎn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，將使我們加深對(duì)電子在電場(chǎng)及磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理解，有助于了解示波器和顯象管的工作原理。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1研究帶電粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的規(guī)律。 2了解電子束線管的結(jié)構(gòu)和原理。 實(shí)驗(yàn)原理 1電子束的電偏轉(zhuǎn) 電子在兩偏轉(zhuǎn)板之間穿過(guò)時(shí)，如果兩板間電位差為零，電子則筆直地穿過(guò)偏轉(zhuǎn)板打在熒屏中央（假定電子槍瞄準(zhǔn)了中心）形成一個(gè)小亮斑。如果在兩塊Y（或X）偏轉(zhuǎn)板上加有電壓，電子就會(huì)受電場(chǎng)力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。 在圖5-1中，設(shè)兩板相距為d，電位差為Vd，可看做平行板電容器，則兩板間的電場(chǎng)強(qiáng)度是 電子受電場(chǎng)力 的作用，產(chǎn)生加速度 電子在Z方向上沒(méi)有加速度，故從Y板左端運(yùn)動(dòng)到右端的時(shí)間是再?gòu)挠叶诉\(yùn)動(dòng)到屏的時(shí)間是電子離開(kāi)板右端時(shí)的垂直位移是在同一點(diǎn)的垂直速度 電子離開(kāi)板右端時(shí)不再受電場(chǎng)力的作用，作勻速直線運(yùn)動(dòng)，到達(dá)屏上的垂直位移是電子在屏上總位移 令，又因?yàn)殡娮釉诩铀匐妷旱淖饔孟?，加速?chǎng)對(duì)電子所做的功全部轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)能，則 （1）代入上式，并由式（1）消去vz最后得，板中心至屏的距離， （2）式（2）表明，偏轉(zhuǎn)板的電壓Vd越大，屏上光點(diǎn)的位移也越大，兩者是線性關(guān)系。比例常數(shù)在數(shù)值上等于偏轉(zhuǎn)電壓為1V時(shí)，屏上光點(diǎn)位移的大小，稱為示波管的電偏轉(zhuǎn)靈敏度S，即 （3） 顯然，對(duì)X偏轉(zhuǎn)板也有相應(yīng)的電偏轉(zhuǎn)靈敏度，即（4）但式中l(wèi)，d，L等應(yīng)理解為與X偏轉(zhuǎn)板相關(guān)的幾何量。X1，X2與Y1，Y2兩對(duì)金屬偏轉(zhuǎn)板一前一后地安裝，其他條件相同時(shí)，遠(yuǎn)離熒光屏（L較大）的一對(duì)偏轉(zhuǎn)板的靈敏度較大。 式（3）表明，電偏轉(zhuǎn)靈敏度S與l及L成正比，與d及V2成反比。其意義是，l增大時(shí)，電子在兩偏轉(zhuǎn)板間受電場(chǎng)力作用時(shí)間增長(zhǎng)，獲得的偏轉(zhuǎn)速度vy就大，偏轉(zhuǎn)距離隨之增大。而vy一定時(shí)，偏轉(zhuǎn)板至屏的距離L增大，電子通過(guò)L的時(shí)間就增長(zhǎng)，所以偏轉(zhuǎn)位移Dy也同時(shí)增大。對(duì)一定的偏轉(zhuǎn)電壓，當(dāng)d增大時(shí)，偏轉(zhuǎn)板間的電場(chǎng)強(qiáng)度變小，電子獲得的偏轉(zhuǎn)速度vy也就小了；同樣，加速電壓V2增大時(shí)，電子穿過(guò)兩板之間的時(shí)間減小，vy也變小，都導(dǎo)致偏轉(zhuǎn)位移減小。屏圖5-1 電偏轉(zhuǎn)原理圖 增加偏轉(zhuǎn)板的長(zhǎng)度l與縮小兩板的距離d固然可以增大示波管的靈敏度，但偏轉(zhuǎn)大的電子易被板端阻擋，或電子束經(jīng)過(guò)板邊緣的非均勻電場(chǎng)，以致DVd的線性關(guān)系遭到破壞。所以通常將兩偏轉(zhuǎn)板的出口端向外折開(kāi)成喇叭狀。屏上光點(diǎn)位移與偏轉(zhuǎn)電壓的線性關(guān)系，使示波管能被用來(lái)作測(cè)量電壓的工具。3電子束的磁偏轉(zhuǎn)電子束通過(guò)磁場(chǎng)時(shí)，在洛倫茲力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)。如圖5-2所示，設(shè)實(shí)線方框內(nèi)有均勻的磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，方向與紙面垂直，由紙面指向讀者，在方框外B=0。電子以速度vz垂直射入磁場(chǎng)，受洛倫茲力evzB的作用，在磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，軌道半徑為R。電子沿OC弧穿出磁場(chǎng)區(qū)域后變?yōu)樽鲃蛩僦本€運(yùn)動(dòng)，最后打在熒光屏的P點(diǎn)上，光點(diǎn)的位移為D。 由牛頓第二定律有于是得 （5）lZvzqqL圖5-2電子束的磁偏轉(zhuǎn)電子離開(kāi)磁場(chǎng)區(qū)域與OZ軸偏斜了q角度，由圖27-3中的幾何關(guān)系得電子束離開(kāi)磁場(chǎng)區(qū)域時(shí)，距離OZ的大小a是電子束在熒光屏上離開(kāi)OZ軸的距離為 設(shè)偏轉(zhuǎn)角q足夠小，近似有 和 則總偏轉(zhuǎn)距離 （6）式中，即磁場(chǎng)區(qū)域中心至屏的距離。再由式（1）消去vz得 （7） 式（7）表明光點(diǎn)的偏轉(zhuǎn)位移D與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成線性關(guān)系，與加速電壓V2的平方根成反比。將式（7）與式（3）相比較可以看出，提高加速電壓對(duì)磁偏轉(zhuǎn)靈敏度降低的影響，比對(duì)電偏轉(zhuǎn)靈敏度的影響小。因此，使用磁偏轉(zhuǎn)時(shí)，提高陰極射線管中電子束的加速電壓來(lái)增強(qiáng)屏上圖象的亮度水平比用電偏轉(zhuǎn)有利。而且，磁偏轉(zhuǎn)便于電子束的大角度偏轉(zhuǎn)，更適合于大屏面的需要。因此顯象管往往采用磁偏轉(zhuǎn)。但是，偏轉(zhuǎn)線圈的電感與較大的分布電容，不利于高頻使用，而且體積和重量較大，都不及電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。所以示波管往往采用電偏轉(zhuǎn)。 怎樣才能得到上述那種磁場(chǎng)?也就是說(shuō)要在一定區(qū)域內(nèi)磁場(chǎng)是均勻的，該區(qū)域之外磁 場(chǎng)為零，可用磁偏轉(zhuǎn)線圈來(lái)實(shí)現(xiàn)。磁偏轉(zhuǎn)線圈有兩種形式，一種是在陰極射線管管頸外套一個(gè)磁環(huán)線圈，如圖5-3所示。磁環(huán)上繞兩組導(dǎo)線線圈，串聯(lián)后通以電流。電流在環(huán)內(nèi)產(chǎn)生的磁力線方向相反，從環(huán)的直徑方向穿過(guò)，各自形成閉合線，此處磁力線方向相同，在管內(nèi)獲得偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。若改變線圈電流(用毫安表讀數(shù))，則磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨之改變，屏上光點(diǎn)的偏轉(zhuǎn)位移D也隨之改變。另一種磁偏轉(zhuǎn)線圈的示意圖如圖5-4所示。其偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是由緊貼于管頸兩側(cè)的兩組線圈串聯(lián)后通過(guò)電流而獲得的。本實(shí)驗(yàn)采用的是第二種形式。不管線圈的形式如何，所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B均與電流強(qiáng)度及線圈匝數(shù)成正比，可用式子BKnI表示，常數(shù)K由線圈的樣式及磁環(huán)物質(zhì)的磁性常數(shù)決定，n為螺線管單位長(zhǎng)度的匝數(shù)，I為流過(guò)的電流。將B=KnI代入式（7）可得 （8） 由上式可知，當(dāng)加速電壓V2一定時(shí)，位移D與I成線性關(guān)系，這就滿足了偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的線性要求。為此，定義磁偏轉(zhuǎn)靈敏度Sm描述這一特性 圖5-3 磁偏轉(zhuǎn)線圈圖 (一) 圖5-4磁偏轉(zhuǎn)線圈圖（二） （9） Sm越大，表示磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的靈敏度越高。對(duì)于特定的陰極射線管和偏轉(zhuǎn)線圈，在加速電壓一定時(shí)，Sm是常數(shù)。改變加速電壓時(shí)，Sm與成正比。實(shí)驗(yàn)儀器區(qū) ZKYDZS1型電子束實(shí)驗(yàn)儀，主要用于研究和驗(yàn)證電子束在不同的電場(chǎng)和磁場(chǎng)條件下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。電源區(qū)：二、儀器面板說(shuō)明： 1電源插座（注意接地要良好）。 2電源開(kāi)關(guān)：撥向“開(kāi)”位置，儀器接通電源。 3電源指示燈：電源接通亮。 4保險(xiǎn)管座：0.5安培保險(xiǎn)絲。高壓區(qū)： 1電壓定義：加速電壓V2：(VA2)VK； 聚焦電壓V1：VA1VK； 柵壓（輝度）VG：VGVK；參考點(diǎn)VK。2旋鈕及接線孔：加速電壓旋鈕：可用于調(diào)節(jié)VK對(duì)地電壓（1100-1250V）； 聚焦旋鈕（500850V）：可用于調(diào)節(jié)VA1對(duì)VK的電聚焦電壓。 柵壓（輝度）：可用于調(diào)節(jié)VG對(duì)VK電壓，控制熒光屏上光點(diǎn)的亮度。 VK、VG、VA1：為插線孔或測(cè)量孔。注意：做電偏轉(zhuǎn)，電聚焦，磁偏轉(zhuǎn)三個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，VA1A1，(VA2)A2。X、Y偏轉(zhuǎn)區(qū)： 1包括四個(gè)電位器及四個(gè)接線孔。X調(diào)零、Y調(diào)零、Vd.x偏轉(zhuǎn)、Vd.y偏轉(zhuǎn)，分別調(diào)節(jié)VX1、VY1、Vd.X、Vd.y四個(gè)插線孔對(duì)地電壓。 2調(diào)零及X、Y偏轉(zhuǎn)接線：VX1X1，Vd.XX2，VY1Y1，Vd.yY2。 注意：光點(diǎn)調(diào)零時(shí)，VX1X1，VY1Y1必須連接。管腳接線區(qū)： 1第一陽(yáng)極A1插孔接示波管5腳A1（聚焦電極）。 2第二陽(yáng)極A2插孔接示波器9腳（加速極FA，輸助了聚焦極A2及屏蔽極） 3X1、X2、Y1、Y2插孔分別接示波管11、10、7、8管腳，分別為示波管的X、Y方向四個(gè)偏轉(zhuǎn)電極板。8SJ31J型示波管結(jié)構(gòu)、引腳圖實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟 一研究和驗(yàn)證電子束線管中電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)的規(guī)律 1 V2一定時(shí)，考察D與Vdx（或Vdy）是否成正比 （1）接插線：（電偏轉(zhuǎn)及調(diào)零接線）VX1X1，VdXX2，VY1Y1，VdyY2。（高壓接線）（VA2）A2，VA1A1 “掃描方式”開(kāi)關(guān)置于“點(diǎn)”。 （2）接通電源，示波管亮。 （3）調(diào)焦：調(diào)節(jié)柵壓VG旋鈕，將輝度控制在適當(dāng)位置；調(diào)節(jié)聚焦電壓旋鈕，使熒光屏上光點(diǎn)聚成一細(xì)點(diǎn)，光點(diǎn)不要太亮，以免燒壞熒光物質(zhì)。（4）光點(diǎn)調(diào)零：用萬(wàn)用表監(jiān)測(cè)偏轉(zhuǎn)電壓Vd(X2，Y2對(duì)地電壓)，同時(shí)調(diào)節(jié)VdX、VdY旋鈕將X2，Y2對(duì)地電壓調(diào)整為零。此時(shí)光點(diǎn)若不在坐標(biāo)原點(diǎn)，可調(diào)整X調(diào)零（Y調(diào)零）旋鈕，使光點(diǎn)處于坐標(biāo)原點(diǎn)。（5）測(cè)加速電壓V2：用萬(wàn)用表直流2500V檔“+”（VA2），“-”K，調(diào)整面板右上方加速電壓旋鈕，選擇一定的加速電壓V2。（6）測(cè)偏轉(zhuǎn)電壓Vd：直流150V檔，“+”Y2，“-”。保持加速電壓V2及聚焦電壓V1不變，調(diào)節(jié)旋鈕VdY，記錄偏轉(zhuǎn)電壓Vd的數(shù)值及對(duì)應(yīng)的電偏量D（屏前坐標(biāo)系中光點(diǎn)位置）參考記錄表格：V2= （V）D(div)-10.0-8.0-6.0-4.0-2.002.04.06.08.010.0Vd(V)0 以Vd為橫標(biāo)，D為縱坐標(biāo)，作DVd圖線，若為過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，則驗(yàn)證了DVd，該直線斜率即為示波管的電偏轉(zhuǎn)靈敏度S。 2驗(yàn)證Vd一定時(shí)，D與V2的反比關(guān)系驗(yàn)證S與V2的反比關(guān)系 改變加速電壓V2（共取3-5個(gè)不同的V2值），仿照1，進(jìn)行測(cè)量和記錄，描出不同V2下的DVd直線，并求出各自的S值。以1/V2為橫軸，S為縱軸作S1/V2關(guān)系曲線，如果是一條過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，則驗(yàn)證了S1/V2。二研究和驗(yàn)證電子束線管中磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)的規(guī)律橫向磁場(chǎng)中加不同的加速電壓V2，描出磁偏量D與磁偏轉(zhuǎn)線圈電流I的關(guān)系圖線，從而驗(yàn)證D與I的正比關(guān)系，并進(jìn)而確定磁偏靈敏度Sm與加速電壓V2之間的關(guān)系。 （1）接插線：VX1X1，VY1Y1。（高壓接線）(VA2)A2,VA1A1 機(jī)外直流穩(wěn)壓電源串接毫安表，再接“外供磁場(chǎng)電源”接線柱，二只偏轉(zhuǎn)線圈分別插入示波器兩側(cè)。 （2）接通電源，同時(shí)調(diào)整聚焦旋鈕、柵壓旋鈕，使光點(diǎn)輝度、聚焦良好。 （3）將外供磁偏電流I調(diào)零，再調(diào)整X，Y調(diào)零旋鈕，使光點(diǎn)移至中心原點(diǎn)。 （4）調(diào)節(jié)加速電壓旋鈕，選擇一定的加速電壓V2。 （5）逐步增大磁偏電流I，記錄不同V2下磁偏量D及對(duì)應(yīng)I的數(shù)值（至少取三個(gè)不同的V2值）。 （6）撥動(dòng)“換向開(kāi)關(guān)”。同第5步測(cè)量Y軸反方向數(shù)據(jù)，并做記錄。 （7）以I為橫坐標(biāo)，D為縱坐標(biāo)，描出不同V2下的DI關(guān)系圖線，若各自為過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，則驗(yàn)證了DI。求得各直線的斜率，即為各加速電壓下的Sm。（8）作曲線，應(yīng)近似為一條過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，則得以驗(yàn)證。參考記錄表格：D(div)I(mA)V2(V)-10.0-8.0-6.0-4.0-2.002.04.06.08.010.0000注意事項(xiàng) 1實(shí)驗(yàn)中有1000V的高壓，必須先正確接線，再接通電源，以免損壞儀器，并確保人身安全。調(diào)節(jié)高壓時(shí)，要慢慢升壓。在更換測(cè)量項(xiàng)目或不用高壓，或結(jié)束實(shí)驗(yàn)前都應(yīng)先將高壓旋鈕旋至電壓最低。 2應(yīng)將儀器預(yù)熱幾分鐘后再開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。 3熒光屏上光點(diǎn)亮度不能調(diào)