電子束的偏轉(zhuǎn)和聚焦實(shí)驗(yàn)報(bào)告

./XX大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱：普通物理實(shí)驗(yàn)〔2實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：座位號：實(shí)驗(yàn)時(shí)間：實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、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(qiáng)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(huì)規(guī)范使用數(shù)字多用表。4、學(xué)會(huì)磁聚焦法測量電子比荷的方法。實(shí)驗(yàn)儀器：EB—Ⅲ電子束實(shí)驗(yàn)儀、直流穩(wěn)壓電源30V,2A、數(shù)字多用表。實(shí)驗(yàn)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(gè)部分：前端為熒光屏,〔S,其用來將電子束的動(dòng)能變?yōu)楣?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(yùn)動(dòng),同時(shí)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的電壓一般要比陰極K的電壓低20~100V,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(shí),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(huì)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,由于受到陽極電場的加速作用,使電子獲得沿示波管軸向的動(dòng)能。電場力做的功eU應(yīng)等于電子獲得的動(dòng)能 〔1顯然,電子沿Z軸運(yùn)動(dòng)的速度vz與第二陽極A2的電壓U2的平方根成正比,即 〔2若在電子運(yùn)動(dòng)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l、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(diǎn)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(shí),偏轉(zhuǎn)量D隨Ud的增加而線性增加。所以,根據(jù)屏上光點(diǎn)位移與偏轉(zhuǎn)電壓的線性關(guān)系,可以將示波管做成測量電壓的工具。若改變加速電壓U2,適當(dāng)調(diào)節(jié)U1到最佳聚焦,可以測定D-Ud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(gè)均勻磁場,那么以速度v飛越子電子在Y方向上也會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn),如圖所示。由于電子受洛倫茲力F=eBv作用,F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(yùn)動(dòng),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φ較小的情況下,近似的有 〔5式中,l為磁場寬度,D為電子在熒光屏上亮點(diǎn)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。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 〔6實(shí)驗(yàn)中的外加橫向磁場由一對載流線圈產(chǎn)生,其大小為 〔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(lì)磁電流,K為線圈產(chǎn)生磁場公式的修正系數(shù)〔由此可得偏轉(zhuǎn)量D與勵(lì)磁電流I、加速電壓U2等的關(guān)系為 〔8當(dāng)勵(lì)磁電流I〔即外加磁場B確定時(shí),電子束在橫向磁場中的偏轉(zhuǎn)量D與加速電壓U2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(diǎn)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(shí)驗(yàn)采用磁聚焦法。電子運(yùn)動(dòng)方向與磁場平行,故磁場對電子運(yùn)動(dòng)不產(chǎn)生影響。電子流的軸線速率為 〔9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Y上加一個(gè)幅值不大的交變電壓,則電子流通過Y后就獲得一個(gè)與管軸垂直分量。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(yùn)動(dòng),即該力起著向心力的作用,F=eB=m/R,由此可得到電子運(yùn)動(dòng)的軌道半徑,越大軌道半徑亦越大,電子運(yùn)動(dòng)一周所需要的時(shí)間〔即周期為 〔10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//的存在,電子的運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)為一螺旋線。在一個(gè)周期內(nèi),電子前進(jìn)距離〔稱螺距為 〔11由于不同時(shí)刻電子速度的垂直分量度不同,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(yùn)動(dòng)時(shí),它們從同一點(diǎn)出發(fā),盡管各個(gè)電子的各不相同,但經(jīng)過一個(gè)周期后,它們又會(huì)在距離出發(fā)點(diǎn)相距一個(gè)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 〔12長直螺線管的磁感性強(qiáng)度B,可以由下式計(jì)算： 〔13將式〔13代入式〔12,可得電子荷質(zhì)比為： 〔14 〔15式中 〔16本實(shí)驗(yàn)使用的電子束實(shí)驗(yàn)儀,k=4.8527108實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：〔1開啟電子束實(shí)驗(yàn)儀電源開關(guān)將"電子束—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(shí)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(diǎn)聚成一圓點(diǎn)?！沧ⅲ汗恻c(diǎn)不能太亮,以免燒壞熒光屏〔2光點(diǎn)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(diǎn)位于X軸的中心圓點(diǎn),且左、右偏轉(zhuǎn)的最大距離都接近于滿格。Y軸調(diào)節(jié)用數(shù)字萬能表電壓檔接近于"Y偏電壓表"+、－兩端,緩慢調(diào)節(jié)"Y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)"Y軸調(diào)零"旋鈕使光點(diǎn)位于Y軸的中心原點(diǎn)?！?測量D隨Ud調(diào)節(jié)陽極電壓旋鈕,取定陽極電壓U2=750V,用數(shù)字萬能表分別測出D=±5、±10、±15、±20mm時(shí)的〔4測量偏轉(zhuǎn)量D隨磁偏轉(zhuǎn)電流I的變化使亮光點(diǎn)回到Y(jié)軸的中心原點(diǎn),取U2=750V,用數(shù)字萬用表的mA檔測量磁偏轉(zhuǎn)電流。列表記錄D=5、10、〔5電子荷質(zhì)比em把直流穩(wěn)壓電源的輸出端接到勵(lì)磁電流的接線柱上,電流值調(diào)到0,將"電子束—荷質(zhì)比"開關(guān)置于"荷質(zhì)比"位置,此時(shí)熒光屏上出現(xiàn)一條直線,陽極電壓調(diào)到700V。此時(shí)若線較暗,則可將"輝度"旋鈕順時(shí)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(lì)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(gè)小亮點(diǎn),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(gè)小亮點(diǎn),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。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析處理：1、電偏轉(zhuǎn)750VU-19.64-14.55-9.38-4.6204.929.2214.7519.56D/mm20151050-5-10-15-20900VU-22.59-16.59-11.56-5.4905.5212.0817.5823.38D/mm20151050-5-10-15-20繪制D-Ud圖 當(dāng)陽極電壓為750V,電偏轉(zhuǎn)靈敏度D/ 當(dāng)陽極電壓為900V,電偏轉(zhuǎn)靈敏度D/結(jié)論:Ud與電偏轉(zhuǎn)靈敏度為線性關(guān)系,且 2、磁偏轉(zhuǎn)750VI/mA78.261.240.718.050-18.30-37.5-56.0-77.4D/mm20151050-5-10-15-20900VI/mA86.666.244.423.450-19.2-40.6-58.2-81.4D/mm20151050-5-10-15-20繪制D-I圖： 當(dāng)陽極電壓為750V,電偏轉(zhuǎn)靈敏度D/I=2.5697×10 當(dāng)陽極電壓為900V,電偏轉(zhuǎn)靈敏度D/I=2.3838×10結(jié)論:I與磁偏轉(zhuǎn)靈敏度為線性關(guān)系,且陽極電壓越高, 3、電子比荷〔e/m的公認(rèn)值：e/m750V800V900V1000VI1.481.541.681.77I1.491.571.661.77I1.4851.5551.671.77e/m1．65