實驗二十三電子射線的電聚焦與磁聚焦

1、實驗二十三電子射線的電聚焦與磁聚焦一、實驗?zāi)康?. 掌握帶電粒子在電場和磁場中的運動規(guī)律，學習電聚焦 和磁聚焦的基本原理和實驗方法；2. 掌握利用磁聚焦法測定電子荷質(zhì)比的基本方法。二、實驗裝置TH-EB型電子束實驗儀；米尺，游標卡尺三、實驗原理1. 電聚焦原理電子束電聚焦原理如 圖1所示，在示波管中，陰 極K經(jīng)燈絲加熱發(fā)射電子， 第一陽極A1加速電子，使 電子束通過柵極G的空隙， 由于柵極電位與第一陽極 電位不等，在它們之間的空 間便產(chǎn)生電場，這個電場的 曲度像一面透鏡，它使由陰 極表面不同點發(fā)出的電子在柵極前方匯聚，形成一個電子聚焦點。由第一 陽極和第二陽極組成的電聚焦系統(tǒng)， 就把上述聚焦點

2、成像在示波管的熒光 屏上。由于該系統(tǒng)與凸透鏡對光的會聚作用相似，所以通常稱之為電子透鏡。電子束通過電子透鏡能否聚焦在熒光屏上，與第一陽極 “1和第二陽 極VA2的單值無關(guān)，僅取決于它們之間的比值 F。改變第一陽極和第二陽極 的電位差，相當于改變電子透鏡的焦距，選擇合適 VA1與“2的比值，就可 以使電子束的成像點落在示波管的熒光屏上。圖2 電子束磁聚焦原理在實際示波管內(nèi)，由于第二陽極的特點 結(jié)構(gòu)，使之對電子直接起加速作用，所以稱 為加速極。第一陽極主要是用來改變“1與“2比值，便于聚焦，故又稱聚焦 極。改變 “2也能改變比值 VA1/VA2,故第二 陽極又能起輔助聚焦作用。2. 磁聚焦原理電子

3、束磁聚焦的原理見圖2所示，設(shè)一速度為V,在一磁感應(yīng)強度為 B的均勻磁場中運動的電子，電子將受到洛侖茲力的作用，將v分解成與B平行的分量和與B垂直的分量Vh,電子沿著B的方向運動時不受力，故 沿B的方向作勻速直線運動。電子在垂直于B的方向運動時電子所受的洛 侖茲力為：f的方向與u h垂直，故該力只改變電子運動的方向， 不改變電子速度 的大小，結(jié)果使電子在垂直于B的平面內(nèi)以半徑為R的圓作勻速圓周運動。 根據(jù)牛頓第二定律可知：式中m為電子的質(zhì)量，R為電子作圓周運動時的軌道半徑，可以表示為：mvhR J(3)eB電子旋轉(zhuǎn)周所需的時間為：由此可知，當B保持不變，電子的速度Vh不同時，電子作圓周運動的 半

4、徑是不同的，但是電子旋轉(zhuǎn)一周所需的時間（周期）相同，與電子的速 度無關(guān)。v垂直于B時電子的運動軌跡如圖2所示。從圖2可知，如果有 很多電子都從磁場中的同一點出發(fā)，各電子運動速度 Vh 的數(shù)值各不相同，但經(jīng)過T時 間后，都同時回到同一點?？紤]由同一點發(fā)出的一束電子，假設(shè)各個電子的速度在垂直于B的平面上的分量u h各不相同，而各電子的速圖3電子束在聚焦磁場中的螺旋軌跡度在B的方向上的分量Vp彼此相等，那末電子經(jīng)過距離I后（按上面的分 析，每個電子在沿B方向運動時經(jīng)過一個螺距 h后電子又重聚于一點，這種現(xiàn)象稱為磁場聚焦作用，且 匸nh , n為正整數(shù)（n=1, 2, 3, 4 ）。 為了便于想象電子

5、在磁場中的運動情況，圖 3表示一束Vp相同，u h在一定范圍內(nèi)變化的電子在 用下運動軌跡圖。螺距 示為：2 mh Tv p=vpp eB pe 2Vpm Bh p磁場作可以表（5）在電子束實驗儀中，示波管的軸線方向有一均勻分布的磁場，在陰極 K和陽極A之間加上一定的電壓 V,將會使陰極發(fā)射的電子加速，設(shè)陰極 發(fā)射出來的電子在脫離陰極時，沿磁場運動的初速度為零，經(jīng)陰極K與陽極A之間的電場加速后，速度為u p,由能量守恒定律可知，電子動能的 增加應(yīng)等于電場力對它所作的功，即只要加速電壓V是確定的，電子沿磁場方向的速度分量 u p就是確定式（6）代入式（5）中，則從上式可以看出，h是B和V的函數(shù)，調(diào)

6、節(jié)V和B的大小，可以使電 子束在磁場方向上的任意位置聚焦。 當h剛好等于示波管的陽極到熒光屏 之間的距離d時,可以看到電子束在熒光屏上聚成一小亮點（電子已聚焦）， 當B值增加到23倍時，會使h ?d或h畀，相應(yīng)地可在熒光屏上看到第 二次聚焦、第三次聚焦，當h不等于這些值時，只能看到圈套的光斑，電 子束不會聚焦，將式（7）適當變換，可得出：m 獸（8）V、B均可通過測量得出，代入上式即可求得電子荷質(zhì)比。上式中 B是螺線管中部磁場的平均值,可通過測量勵磁電流線管，B的值為0：7n°lLI計算出來，對于有限長的螺（9）由式（8）和式（9）,可得:式巧D為螺線管直徑，1附為螺線管長度,no為

7、螺線管單位長度的匝數(shù),h為螺距，I為螺線管流過的直流電流，式中各量采用國際單位制四、實驗步驟1. 準備工作1）測量勵磁線圈直徑D,勵磁線圈長度L,線圈的線徑為0.29mm計 算螺線管單位長度的匝數(shù)no,測量示波管第二陽極到熒光的距離 d（注：從 第二陽極圓筒的中點到熒光屏（典型值為 180mm ）。2）用專用電纜線聯(lián)接實驗儀示波管支架上的兩個插座。3）將實驗箱面板上的“電聚焦/磁聚焦”選擇開關(guān)置于“電聚焦” 或“磁聚焦”。4）電聚焦時，將聚焦極對應(yīng)的鈕子開關(guān)置于上方， 其它的電極（6個)對應(yīng)的開關(guān)均置于下方。5) 磁聚焦時，將所有電極 (8 個) 對應(yīng)的鈕子開關(guān)均置于下方。6) 將“勵磁電流調(diào)

8、節(jié)”旋至最小。2電聚焦特性的測定1) 令“陽極電壓”指示為800V,使光點在聚焦的狀態(tài)下，用數(shù)字萬用表直流電壓高量程檔測 A點和地之間的電壓，記下此時的Vai和 5值。2) 分別調(diào)節(jié)“陽極電壓”至1000V和1200V,并使光點聚焦，分別記下同一“陽極電壓”下的 Vai和Va2值。3磁聚焦現(xiàn)象的觀察1) 將實驗箱面板上的“電聚焦 / 磁聚焦”選擇開關(guān)置于“磁 聚焦”將其它鈕子開關(guān)均置于下方。2) 調(diào)節(jié)“陽極調(diào)節(jié)”電位器使“陽極電壓”數(shù)顯表指示為1000V，“輝度調(diào)節(jié)”電位器使輝度適當，此時可察到熒光屏上的矩形光斑。3) 緩緩調(diào)節(jié)“磁聚焦調(diào)節(jié)”調(diào)壓器，可觀察到電子束在縱向磁場的作用下，旋轉(zhuǎn)式聚焦

9、的現(xiàn)象。4電子荷質(zhì)比的測定1）開啟電源開關(guān)，調(diào)節(jié)“陽極電壓調(diào)節(jié)”電位器，使“陽極電壓” 數(shù)顯表指示為800V,適當調(diào)節(jié)“輝度調(diào)節(jié)”電位器，此時，示波管上出現(xiàn) 方形光斑。然后調(diào)節(jié)“磁聚焦調(diào)節(jié)”調(diào)壓器，可觀察到方形光斑、邊旋轉(zhuǎn)、 邊聚焦的現(xiàn)象，分別記錄使電子束第一次聚焦，第二次聚焦，第三次聚焦 的電流值li、丨2、丨3，然后改變勵磁電流的方向，重復(fù)以上步驟。2）改變陽極電壓至1000V、1200V,重復(fù)上述步驟。表1TH-EB型電子束實驗數(shù)據(jù)表 d= N= » L=（注：d=h）V2(V)1勵磁電流/A11丨1丨2丨36|2 2eVL Dd n14.-”2 2沱10 Ckg m 2h n

10、0IL誤差23正反正反正反3 ）將相關(guān)數(shù)據(jù)填入上表，并將計算值和標稱值e/m = 1.757 x 1011CX kg1進行比較，計算誤差。五、注意事項1）同電子束偏轉(zhuǎn)實驗。2）當勵磁電流較大時，及時記錄聚焦電流避免長時間施加勵磁電 流。3）示波管亮度調(diào)節(jié)適中，以免影響熒光屏的使用壽命。六、思考題1. 電聚焦與磁聚集的原理是什么？兩者光斑收縮的情況是否相同？2. 在聚焦實驗中，為什么反向聚焦時光點較暗？3. 在磁聚集實驗中，當螺線管中電流I逐漸增加，電子射線從一次 聚焦到二次、三次聚集，熒光屏的亮暗如何變化，試解釋。4. 你認為產(chǎn)生誤差的因素有哪些？如何減小測量誤差？七、實驗報告要求1. 計算三

11、個不同“陽極電壓”的 VA1/VA2值，并作8SJ31J示波管 的聚焦特性曲線。2. 試分析陰極射線管的聚焦特性曲線為什么會是一條直線。附錄 TH-EB型電子束實驗儀電原理簡介與調(diào)試說明TH-EB型電子束實驗儀具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，操作界面美 觀，使用方便，可靠，測試數(shù)據(jù)精確等特點。實驗儀主要由兩大部分組成， 一個是由螺線管及在螺線管內(nèi)放置的示波管組成，螺線管通電流后給示波管加縱向磁場，另外在示波管兩邊加一對洛侖茲線圈產(chǎn)生一橫向磁場，用 于使電子束產(chǎn)生橫向偏轉(zhuǎn)；另一部分就是用于給示波管各極加適當電壓。 示波管采用8SJ-31J，下面分別對各部分加以簡要說明。1. 示波管結(jié)構(gòu)：示波管各電

12、極結(jié)構(gòu)與分布如圖示。各部件的作用如下：燈絲F:加熱陰極，6.3V電壓。K g A1A2V V H H圖i示波管各電極結(jié)構(gòu)與分布陰極K:筒外涂有稀土金屬，被加熱后能向外發(fā)射自由電子也可稱發(fā) 射極。柵極G:施加適當電壓（通常加負壓）可控制電子束電流強度，可稱 控制柵，柵負壓通常為-35V-45V之間。第二陽極A:圓筒結(jié)構(gòu)，施加的電壓形成一縱向高壓電場，使加速電 子向熒光屏運動，可稱加速極，加速電壓通常為1000V以上。第一陰極A:為一圓盤結(jié)構(gòu)，介于第二陰極的圓筒和圓盤之間，其作 用相當于電子透鏡，施加適當電壓能使電子束恰好在熒光屏上聚焦，因此 也稱聚焦極，通常加數(shù)百伏正向電壓。垂直偏轉(zhuǎn)極板：Vi和

13、V2為處于示波管中-上下的兩塊金屬板，在極板 上施加適當電壓后構(gòu)成垂直方向的橫向電場水平偏轉(zhuǎn)極板：H和H2為處于示波管中一前后的兩塊金屬板，在極板 上施加適當電壓后構(gòu)成水平方向的橫向電場。2 螺線管和線圈參數(shù)3 控制電源箱儀器適用50Hz, 220V士 10%電供電，變壓器副繞組T3輸出600V電 壓，經(jīng)倍壓整流濾波后，能輸出1400V的直流電源，經(jīng)分壓后提供給示 波器的各電極所需電壓。Ki為低壓補償開關(guān)，當市電電壓W 200V時可短 接R,以提升陽極電壓。D18為隔離二極管。防止：因8W-E/C和SW-A換操 作而引起的高壓負載短路，F(xiàn)3和F2i為使放電阻防止，柵極和聚焦極電荷積 累。此處，電路中1V數(shù)顯表因作勵磁電流指示，100mV數(shù)顯表用作陽極電 壓指示。各自配備完全獨立的+ 5V直流電源。儀器箱和示波管支架之間的 聯(lián)結(jié)用 12 芯電纜插頭。調(diào)試說明：1. 校正1V和100mV數(shù)顯表頭；2. 校正1000mA和