電子束測荷質(zhì)比實(shí)驗(yàn)

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物理試驗(yàn)報(bào)告

實(shí)驗(yàn)題目：電子束的電偏轉(zhuǎn)與電子荷質(zhì)比的測定

姓名：張志林

物理試驗(yàn)教學(xué)中心

實(shí)驗(yàn)報(bào)告

一、試驗(yàn)題目：電子束的電偏轉(zhuǎn)與電子荷質(zhì)比的測定

二、試驗(yàn)?zāi)康模?/p>

1.了解示波管的基本結(jié)構(gòu)和電聚焦的原理；

2.測量示波管的電偏轉(zhuǎn)靈敏度；

3.了解電子束縱向磁聚焦的基本原理；

4.觀看磁聚焦現(xiàn)象，學(xué)習(xí)用磁聚焦法測定電子比荷e/m。

三、試驗(yàn)儀器：

電子束試驗(yàn)儀、直流安培表、直流穩(wěn)壓電源、三用表三塊。

四、試驗(yàn)原理（原理圖、公式推導(dǎo)和文字說明）：

1.示波管的基本結(jié)構(gòu)和靜電聚焦原理

示波管由電子槍、偏轉(zhuǎn)板和熒光屏三部分組成，如圖12-1所示。其中電子槍是示波管的核心部件。

示波管的基本結(jié)構(gòu)圖

H，H′—鎢絲加熱電極；FA—聚焦電極；K—陰極；A—第二加速2

陽極；G—掌握柵極；XX—水平偏轉(zhuǎn)板；A—第一加速陽極；121

YY—垂直偏轉(zhuǎn)板12

電子槍由陰極K、柵極G、第一加速陽極A、聚焦陽極FA和1

第二加速陽極A等同軸金屬圓筒（筒內(nèi)膜片的中心的限制小孔）組2

成。當(dāng)加熱電流從H，H′通過鎢絲，陰極K被加熱后，筒端的鋇鍶氧化物涂層內(nèi)的自由電子獲得較高的動能，從表面逸出。因?yàn)榈谝患铀訇枠OA具有（相對于陰極K）很高的電壓（例如1100V），在1

K-G-A之間形成強(qiáng)電場，故從陰極逸出的電子在電場中被加速，1

形成一束電子射線，最終打擊在屏的熒光物質(zhì)上，發(fā)出可見光，在屏背可以觀察一個(gè)亮點(diǎn)。

射線中的電子從電子槍“槍口”（最終一個(gè)加速電極A的小孔）2

射出的速度v，由下面的能量關(guān)系打算z

12mvz?eV22

22z式中，U為A對陰極K的電位差，電子的最終射出速度v是相同

的，與電子在電子槍內(nèi)的電位起伏無關(guān)。

掌握柵極G相對于陰極K負(fù)電位（見圖中電路），兩者相距很近，當(dāng)柵極G負(fù)的電位不很大時(shí)就足以把電子斥回，使電子束截止。用電位器R調(diào)整G對K的電壓，可以掌握電子槍射出電子的數(shù)目，1

從而連續(xù)轉(zhuǎn)變屏上光點(diǎn)的亮度。

陰極放射的電子在電場的作用下，會聚于掌握柵微小孔四周一點(diǎn)。在這里，電子束具有最小的截面，往后，電子束又散射開來。為了把散射開來的電子束會聚起來，采納如圖12-2所示的靜電場裝置（靜電透鏡）。其作用原理如下：

圖12-2電場聚焦原理

電子槍內(nèi)的聚焦電極FA與第二加速電極A組成一個(gè)靜電透2

鏡，其間的靜電場分布如圖12-2所示。虛線為等位線，實(shí)線為電力線，電場對Z軸是對稱分布的。電子束中某個(gè)散離軸線的電子沿軌

道S進(jìn)入聚焦電場。在電場的前半?yún)^(qū)（左邊），這個(gè)電子受到與電力線相切方向的作用力f。f可分解為垂直指向軸線的分力fr與平行于軸線的分力fz（圖中A區(qū)）。fr的作用使電子運(yùn)動向軸線靠攏，起聚焦作用；fz的作用使電子沿Z軸線方向得到加速度。電子到達(dá)電場的后半?yún)^(qū)（右邊）時(shí)，受到的作用力f′起散焦作用?？紤]到電子在后半?yún)^(qū)的軸向速度比在前區(qū)的大得多，獲得的離軸速度比在前區(qū)獲得的向軸速度小，總的效果是電子向軸線靠攏，整個(gè)電場起聚焦作用。聚焦作用的強(qiáng)弱是由圖中“聚焦”電位器R2，即轉(zhuǎn)變FA與A2之間的電位差，從而轉(zhuǎn)變其間的電場強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)的。

2.電子束的電偏轉(zhuǎn)

在示波管的兩塊Y（或X）偏轉(zhuǎn)板加上電壓時(shí)，受電場力的作用，通過兩板之間的電子束的方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖12-3所示。

圖12-3電子束的電偏轉(zhuǎn)示意圖

y?bLVy2dV2

該式表明，偏轉(zhuǎn)板的電壓Uy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Sy，其倒數(shù)稱為偏轉(zhuǎn)因數(shù)，即

Sy?ybL?Vy2dV2

明顯，對X偏轉(zhuǎn)板也有相應(yīng)的電偏轉(zhuǎn)靈敏度Sx和偏轉(zhuǎn)因數(shù)，即

xbL

Sx??Vx2dV2

由于X1,X2與Y1Y2兩對金屬偏轉(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）的一對偏轉(zhuǎn)板的靈敏度較大。增加偏轉(zhuǎn)板的長度b與縮小兩板距離d當(dāng)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)過板邊緣的非勻稱電場，以致y∝Uy的線性關(guān)系遭到破壞。所以通常將兩偏轉(zhuǎn)板的出口向外折開成喇叭狀。

屏上光點(diǎn)位移與偏轉(zhuǎn)電壓的線性關(guān)系，使示波管成為測量電壓的重要工具之一。

3.電子束的縱向磁聚焦和電子比荷的測定電子比荷即電子的電量和質(zhì)量之比e，它是描述電子性質(zhì)的重m

要物理量。1897年J.J.湯姆遜在英國劍橋卡文迪許試驗(yàn)室首先測出了電子比荷(當(dāng)時(shí)稱電子荷質(zhì)比)。本試驗(yàn)就是利用電子束在磁場中的縱向磁聚焦現(xiàn)象來測量電子比荷，這是一種測量荷質(zhì)比的簡便方法。

將示波管置于一個(gè)用導(dǎo)線繞制的載流直長螺線管的勻稱磁場里，并使示波管內(nèi)電子束的方向和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向平行。此時(shí)，作用于電子的洛倫茲力為零。電子以vz速度沿Z向作勻速直線運(yùn)動，最終打在屏的0點(diǎn)上（圖12-4）。

圖12-4電子束的