電子束的偏轉(zhuǎn)與聚焦實驗報告

1、南昌大學(xué)物理實驗報告 課程名稱： 普通物理實驗（2） 實驗名稱: _ 電子束的偏轉(zhuǎn)與聚焦 _ 學(xué)院： _ 專業(yè)班級: _ 學(xué)生姓名： _ 學(xué)號： _ 實驗地點： _ 座位號： _ 實驗時間： _ 一、 實驗?zāi)康? 1、了解示波管的構(gòu)造和工作原理。 2、定量分析電子束在勻強電場作用下的偏轉(zhuǎn)情況和在均勻磁場作用 下的偏轉(zhuǎn)情況。 3、 學(xué)會規(guī)范使用數(shù)字多用表。 4、 學(xué)會磁聚焦法測量電子比荷的方法。 二、實驗儀器: EB-ni電子束實驗儀、直流穩(wěn)壓電源30V, 2A、數(shù)字多用表。 二、實驗原理: 1、示波管的結(jié)構(gòu) 示波管又稱為陰極射線管，其密封在高真空的玻璃殼之中，它的構(gòu)造如圖1所示，主要 包括三個

2、部分：前端為熒光屏，（S,其用來將電子束的動能變?yōu)楣猓?，中間為偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)（Y:垂 直偏轉(zhuǎn)板，X:水平偏轉(zhuǎn)板），后端為電子槍（K:陰極，G:柵極，A1：聚焦陽極， A2:第二陽極，A3:前加速陽極）。燈絲H用6.3V交流供電，其作用是將陰極加熱，使陰極發(fā) 射電子，電子受陽極的作用而加速。 2、 電聚焦原理 電子射線束的聚焦是電子束管必須解決的問題。在示波管中，陰極被加熱發(fā)射電子，電子 受陽極產(chǎn)生的正電場作用而加速運動，同時又受柵極產(chǎn)生的負(fù)電場作用只有一部分電子能夠通 過柵極小孔而飛向陽極。柵極G勺電壓一般要比陰極K的電壓低20100V,由陰極發(fā) 射電子， 受到柵極與陰極間減速電場的作用，初速度小的

3、電子被阻擋，而那些初速度大的電子可以通過 柵極射向熒光屏。所以調(diào)節(jié)柵極電壓的高低可以控制射向熒光屏的電子數(shù)，從而控制熒光屏上 的輝度。當(dāng)柵極上的電壓負(fù)到一定的程度時，可使電子射線截止，輝度 為0。 加速電極的電壓比陰極電位高幾百伏至上千伏。前加速陽極，聚焦陽極和第二陽極是由同 軸的金屬圓筒組成。由于各電極上的電壓不同，在它們之間形成了彎曲的等勢面、電場線。這 樣就使電子束的路徑發(fā)生彎曲，這類似光線通過透鏡那樣產(chǎn)生了會聚和發(fā)散，這種電器組合稱 為電子透鏡。改變電極間的電壓分布，可以改變等勢面的彎曲程度，從而達(dá)到電子束的聚焦。 3、 電偏轉(zhuǎn)原理 在示波管中，電子從被加熱的陰極K逸出后，由于受到陽極

4、電場的加速作用，使電子獲得 沿示波管軸向的動能。電場力做的功elf等于電子獲得的動能 1 2 eU mv2 （1） 2 顯然，電子沿Z軸運動的速度vz與第二陽極A2的電壓U2的平方根成正比，即 v_眷（2） 若在電子運動的垂直方向加一橫向電場，電子在該電場作用下將發(fā)生橫向偏轉(zhuǎn)， 如圖2 所示。 若偏轉(zhuǎn)板板長為I、偏轉(zhuǎn)板末端到屏的距離為L、偏轉(zhuǎn)電極間距離為d、軸向加速電壓（即 第二陽極A2電壓）為U2,橫向偏轉(zhuǎn)電壓為Ud,則熒光屏上光點的橫向偏轉(zhuǎn)量D由下式給出： （3） 由式（3）可知，當(dāng)U2不變時，偏轉(zhuǎn)量D隨Ud的增加而線性增加。所以，根據(jù)屏上光點 位移與偏轉(zhuǎn)電壓的線性關(guān)系，可以將示波管做成測

5、量電壓的工具。若改變加速電壓 U2,適 當(dāng)調(diào)節(jié)到最佳聚焦，可以測定D-Uc直線隨U2改變而使斜率改變的情況。4、磁偏轉(zhuǎn)原理 電子通過A2后，若在垂直Z軸的X方向外加一個均勻磁場，那么以速度y飛越子電子在Y 方向上也會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖所示。 由于電子受洛倫茲力F=eBV乍用，F(xiàn)的大小不變，方向與速度方向垂直，因此電子在F的作 用下做勻速圓周運動，洛倫茲力就是向心力，即有eBv=mv2/R所以 （4） 電子離開磁場后將沿圓切線方向飛出，直射到達(dá)熒光屏。在偏轉(zhuǎn)角 較小的情況下, 近似的有 式中，I為磁場寬度，D為電子在熒光屏上亮點的偏轉(zhuǎn)量（忽略熒光屏的微小彎曲）， L 為從橫向磁場中心到熒光屏的距離。

6、 由此可得偏轉(zhuǎn)量D與外加磁場B.加速電壓U2等的關(guān)系為 二 I BL 實驗中的外加橫向磁場由一對載流線圈產(chǎn)生，其大小為 B 二 K%nl （7） 式中，為真空中的磁導(dǎo)率， n為單位長度線圈的匝數(shù)，I為線圈中的勵磁電流，K為 線圈產(chǎn)生磁場公式的修正系數(shù)（0 ： ： ： K乞1） 由此可得偏轉(zhuǎn)量D與勵磁電流I、加速電壓U2等的關(guān)系為 D = nI1L （2mU （8） 當(dāng)勵磁電流I （即外加磁場B）確定時，電子束在橫向磁場中的偏轉(zhuǎn)量D與加速電壓IL的 平方根成反比。 5、磁聚焦和電子荷質(zhì)比的測量原理 帶點粒子的電量與質(zhì)量的比值叫荷質(zhì)比，是帶電微觀粒子的基本參量之一。測定荷質(zhì) 比的 方法很多，本實驗

7、采用磁聚焦法。 電子運動方向與磁場平行，故磁場對電子運動不產(chǎn)生影響。電子流的軸線速率為 式中，e, m分別為電子電荷量和質(zhì)量。若在一對偏轉(zhuǎn)極板丫上加一個幅值不大的交變電壓，則電子流通過丫后就獲得一個與管軸垂直分量v_。如暫不考慮電子軸向速度分量V 的影 響，則電子在磁場的洛倫茲力F的作用下(該力與垂直)，在垂直于軸線的平面上作圓周 運動，即該力起著向心力的作用，F(xiàn)二ev_B二mv/R,由此可得到電子運動的軌道半徑 R V , v越大軌道半徑亦越大，電子運動一周所需要的時間(即周期)為 Be/ m e =2TT/ - B (10) / m 這說明電子的旋轉(zhuǎn)周期與軌道半徑及速率無關(guān)。若再考慮V/的

8、存在，電子的運動軌 跡應(yīng)為一螺旋線。在一個周期內(nèi)，電子前進(jìn)距離(稱螺距)為 1 Q 2TI ；2mQ z h 二 v L 一- (11) B V e 由于不同時刻電子速度的垂直分量V度不同，故在磁場的作用下，各電子將沿不同半 徑的螺線前進(jìn)。然而，由于他們速度的平行分量 V均相同，所以電子在做螺線運動時，它 們從同一點出發(fā)，盡管各個電子的V_各不相同，但經(jīng)過一個周期后，它們又會在距離岀發(fā) 點相距一個螺距的地方重新相遇，這就是磁聚焦的基本原理。由式( 11)可得 二 8 二 U . hB (12) 長直螺線管的磁感性強度B,町以由下式計算： -上。NI_ ( I TV 將式(13)代入式(12),

9、可得電子荷質(zhì)比為： e m = 8 U (LD:)(%Nlh) = (14) (15) 式中 本實驗使用的電子束實驗儀, 四、實驗內(nèi)容： m* 8r= (L2+D0 k 2 (帥(1) 開啟電子束實驗儀電源開關(guān)將“電子束一荷質(zhì)比”選擇開關(guān)打向“電子束”位置，面板上一切可調(diào)旋鈕都旋至中 部, 此時在熒光屏上能看到一亮斑。適當(dāng)調(diào)節(jié)輝度，并調(diào)節(jié)聚焦，使屏上光點聚成一圓點。 (注：光點不能太亮，以免燒壞熒光屏) (2) 光點調(diào)零 X軸調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)“ X軸調(diào)節(jié)”和“ X軸調(diào)零”旋鈕，使光點位于X軸的中心圓點，且左、右 偏轉(zhuǎn)的最大距離都接近于滿格。丫軸調(diào)節(jié)用數(shù)字萬能表電壓檔接近于“ 丫偏電壓表” +、一兩 端

10、，緩慢調(diào)節(jié)“丫軸調(diào)節(jié)”旋鈕使數(shù)字萬能表讀數(shù)為0,然后調(diào)節(jié)“丫軸調(diào)零”旋鈕 使光點位于 丫軸的中心原點。 (3) 測量隨的變化 調(diào)節(jié)陽極電壓旋鈕，取定陽極電壓 ，用數(shù)字萬能表分別測出 時的(垂直電壓)值列表記錄。 再取 ，再測 為上述值 時的值記錄表中。 (4)測量偏轉(zhuǎn)量隨磁偏轉(zhuǎn)電流的變化 使亮光點回到丫軸的中心原點，取 ，用數(shù)字萬用表的 檔 測 量 磁 偏 轉(zhuǎn) 電 流 。 列 表記錄 時的磁偏轉(zhuǎn)電流值，然后改變磁偏轉(zhuǎn)電流方向，再測 時的磁偏轉(zhuǎn)電流值。再取 ，重復(fù)前面的測量。 (5) 電子荷質(zhì)比的測量 把直流穩(wěn)壓電源的輸出端接到勵磁電流的接線柱上，電流值調(diào)到 0,將“電子束一荷質(zhì) 比”開關(guān)置于“

11、荷質(zhì)比”位置，此時熒光屏上出現(xiàn)一條直線，陽極電壓調(diào)到 700 乂此時若 線較暗，則可將“輝度”旋鈕順時針增大至剛好能看清豎直亮線為止； 在增大“陽極電壓” 至1000V位置。若能達(dá)到1000V位置，則可固定“輝度”旋鈕，開始正式測量。逐漸加大 勵磁 電流使熒光屏上的直線一邊旋 轉(zhuǎn)一邊縮短，直到變成一個小亮點，讀取電流值，然后將將電流調(diào)回零。再將電流換向開關(guān)板 到另一方，重新從零開始增加電流使屏上直線反方向旋轉(zhuǎn)縮短，直到再得到一個小亮點，讀取電 流值。取其平均值，以消除地磁等的影響。改變陽極電壓為 800V, 900V, 1000V, 重復(fù)上述步驟。 五、實驗數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析處理: 1、電偏轉(zhuǎn) 7

12、50 V -19. 64 -14. 55 -9. 38 -4. 62 0 4. 92 9. 22 14. 75 19. 56 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 900 V -22. 59 -16. 59 -11.56 -5. 49 0 5. 52 12. 08 17. 58 23. 38 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 繪制 圖:當(dāng)陽極電壓為750V,電偏轉(zhuǎn)靈敏度 當(dāng)陽極電壓為900V,電偏轉(zhuǎn)靈敏度 。 結(jié)論：與電偏轉(zhuǎn)靈敏度為線性關(guān)系，且陽極電壓越高，電偏轉(zhuǎn)靈敏度越高 2 磁 偏 轉(zhuǎn) 750 V 78.2 61.2 40. 7 18. 05 0 -

13、18. 30 -37. 5 -56.0 -77.4 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 900 V 86.6 66.2 44.4 23. 45 0 -19.2 -40. 6 -58.2 -81.4 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 繪制圖: 當(dāng)陽極電壓為750V,電偏轉(zhuǎn)靈敏度 當(dāng)陽極電壓為900V,電偏轉(zhuǎn)靈敏度 。 結(jié)論：與磁偏轉(zhuǎn)靈敏度為線性關(guān)系，且陽極電壓越高，電偏轉(zhuǎn)靈敏度越低 3、電子比荷（ 的公認(rèn)值： ） 750V 800V 900V 1000V 正 1.48 1.54 1. 68 1. 77 反 1.49 1.57 1. 66 1. 77 1.485 1.