1、實(shí)驗(yàn)二十三電子射線的電聚焦與磁聚焦一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握帶電粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，學(xué)習(xí)電聚焦和磁聚焦的根本原理 和實(shí)驗(yàn)方法；2. 掌握利用磁聚焦法測(cè)定電子荷質(zhì)比的根本方法。、實(shí)驗(yàn)裝置三、實(shí)驗(yàn)原理TH-EB型電子束實(shí)驗(yàn)儀；米尺，游標(biāo)卡尺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(yáng) 極A1加速電子，使電子束通過(guò)柵極 G的空隙， 由于柵極電位與第一陽(yáng)極電位不等，在它們 之間的空間便產(chǎn)生電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)的曲度像 一面透鏡，它使由陰極外表不同點(diǎn)發(fā)出的電 子在柵極前方會(huì)聚，形成一個(gè)電子聚焦點(diǎn)。 由第一陽(yáng)極和第二陽(yáng)極組成的電聚焦系統(tǒng)， 就把上述聚焦點(diǎn)成像

2、在示波管的熒光屏上。由于該系統(tǒng)與凸透鏡對(duì)光的會(huì)聚作用相似，所以通常稱之為電 子透鏡。電子束通過(guò)電子透鏡能否聚焦在熒光屏上，與第一陽(yáng)極Vai和第二陽(yáng)極VA2的單值無(wú)關(guān)，僅取決于它們之間的比值F。改變第一陽(yáng)極和第二陽(yáng)極的電位差，相當(dāng)于改變電子透鏡的焦距，選擇適宜VA1與VA2的比值，就可以使電子束的成像點(diǎn)落在示波管的熒光屏上。在實(shí)際示波管內(nèi)，由于第二陽(yáng)極的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)，使之對(duì) 電子直接起加速作用，所以稱為加速極。第一陽(yáng)極主要是 用來(lái)改變VA1與VA2比值，便于聚焦，故又稱聚焦極。改變VA2也能改變比值VA1/VA2，故第二陽(yáng)極又能起輔助聚焦作用。2 磁聚焦原理電子束磁聚焦的原理見(jiàn)圖2所示，設(shè)一速度為

3、V,在一磁v分解成與B平行的分量和與B感應(yīng)強(qiáng)度為B的均勻磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的電子，電子將受到洛侖茲力的作用，將垂直的分量Vh,電子沿著B(niǎo)的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)不受力，故沿 B的方向作勻速直線運(yùn)動(dòng)。電子在垂直于B的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)。根據(jù)牛頓第二定律可知:2 mvh f =e h B =R式中m為電子的質(zhì)量，R為電子作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的軌道半徑，可以表示為:mvheB電子旋轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間為:2R 2 mT =琳 eB由此可知，當(dāng)B保持不變，電子的速度Vh不同時(shí)，電子作圓周運(yùn)動(dòng)

4、的半徑是不同的，但是電子旋轉(zhuǎn)周所需的時(shí)間周期相同，與電子的速度無(wú)關(guān)。 如果有很多電子都從磁場(chǎng)中的同一點(diǎn)出發(fā)，各 電子運(yùn)動(dòng)速度Vh的數(shù)值各不相同，但經(jīng)過(guò) T時(shí) 間后，都同時(shí)回到同一點(diǎn)。考慮由同一點(diǎn)發(fā)出的一束電子，假設(shè)各個(gè) 電子的速度在垂直于 B的平面上的分量u h各不 相同，而各電子的速度在 B的方向上的分量 Vp 彼此相等，那末電子經(jīng)過(guò)距離I后按上面的分析，每個(gè)電子在沿 B方向運(yùn)動(dòng)時(shí)經(jīng)過(guò)一個(gè)螺v垂直于B時(shí)電子的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖 2所示。從圖2可知,圖3電子束在聚焦磁場(chǎng)中的螺旋軌跡距h后電子又重聚于一點(diǎn)，這種現(xiàn)象稱為磁場(chǎng)聚焦作用，且l=nh , n為正整數(shù)n=1, 2, 3, 4。為了便于想象電子在

5、磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況，圖3表示一束vp相同，u h在一定范圍內(nèi)變化的電子在磁場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)軌跡圖。螺距h可以表示為:h =T vp =2二 meBvp(5)2 二Bh在電子束實(shí)驗(yàn)儀中，示波管的軸線方向有一均勻分布的磁場(chǎng)，在陰極K和陽(yáng)極A2之間加上一定的電壓V將會(huì)使陰極發(fā)射的電子加速，設(shè)陰極發(fā)射出來(lái)的電子在脫離陰極時(shí)，沿磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的初速度為零，經(jīng)陰極K與陽(yáng)極Ai之間的電場(chǎng)加速后，速度為 u p,由能量守恒定律可知，電子動(dòng)能的增加應(yīng)等于電場(chǎng)力對(duì)它所作的功，即2 mvp2=eV只要加速電壓 V是確定的，電子沿磁場(chǎng)方向的速度分量2 二n eBu p就是確定的，將式6代入式5 中，那么7從上式可以看出，h是B和

6、V的函數(shù)，調(diào)節(jié) V和B的大小，可以使電子束在磁場(chǎng)方向上的任意位置聚焦。當(dāng)h剛好等于示波管的陽(yáng)極到熒光屏之間的距離d時(shí)，可以看到電子束在熒光屏上聚成一小亮點(diǎn)電子已聚焦，當(dāng)B值增加到23倍時(shí)，會(huì)使 h = gd或h=：3d，相應(yīng)地可在熒光屏上看到第二次聚焦、7適當(dāng)變換，可得第三次聚焦，當(dāng) h不等于這些值時(shí)，只能看到圈套的光斑，電子束不會(huì)聚焦，將式出:(8)V B均可通過(guò)測(cè)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(chǎng)的平均值，可通過(guò)測(cè)量勵(lì)磁電流I計(jì)算出來(lái)，對(duì)于有限長(zhǎng)的螺線管,B =4兀 xio= n0I 工 L L2 +D2由式8和式9,可得：九2 f EQ/kgB的值為:(9)V2

7、h2n212L2(10)m式中D為螺線管直徑，L為螺線管長(zhǎng)度，no為螺線管單位長(zhǎng)度的匝數(shù),h為螺距，I為螺線管流過(guò)的直流電流，式中各量米用國(guó)際單位制。四、實(shí)驗(yàn)步驟1. 準(zhǔn)備工作1測(cè)量勵(lì)磁線圈直徑 D,勵(lì)磁線圈長(zhǎng)度 L,線圈的線徑為0.29mm,計(jì)算螺線管單位長(zhǎng)度的匝數(shù)n。.測(cè)量示波管第二陽(yáng)極到熒光的距離d 注：從第二陽(yáng)極圓筒的中點(diǎn)到熒光屏典型值為180mm。2用專用電纜線聯(lián)接實(shí)驗(yàn)儀示波管支架上的兩個(gè)插座。3將實(shí)驗(yàn)箱面板上的“電聚焦 /磁聚焦選擇開(kāi)關(guān)置于“電聚焦或“磁聚焦4電聚焦時(shí)，將聚焦極對(duì)應(yīng)的鈕子開(kāi)關(guān)置于上方，其它的電極6個(gè)對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)均置于下方。5磁聚焦時(shí)，將所有電極8個(gè)對(duì)應(yīng)的鈕子開(kāi)關(guān)均置于

8、下方。6將“勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)旋至最小。2 .電聚焦特性的測(cè)定1令“陽(yáng)極電壓指示為 800V,使光點(diǎn)在聚焦的狀態(tài)下，用數(shù)字萬(wàn)用表直流電壓高量程檔測(cè)A點(diǎn)和地之間的電壓，記下此時(shí)的VA1和VA2值。2分別調(diào)節(jié)“陽(yáng)極電壓至 1000V和1200V,并使光點(diǎn)聚焦，分別記下同一“陽(yáng)極電壓下的VAi和VA2值。3 磁聚焦現(xiàn)象的觀察1將實(shí)驗(yàn)箱面板上的“電聚焦 /磁聚焦選擇開(kāi)關(guān)置于“磁聚焦將其它鈕子開(kāi)關(guān)均置于下方。2 調(diào)節(jié)“陽(yáng)極調(diào)節(jié)電位器使“陽(yáng)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(dāng)， 此時(shí)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(chǎng)的作用下，旋轉(zhuǎn)式聚焦的現(xiàn)象。

9、4 .電子荷質(zhì)比的測(cè)定1 開(kāi)啟電源開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)“陽(yáng)極電壓調(diào)節(jié)電位器，使“陽(yáng)極電壓數(shù)顯表指示為800V,適當(dāng)調(diào)節(jié)“輝 度調(diào)節(jié)電位器，此時(shí)，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丨1、丨2、丨3,然后改變勵(lì)磁電流的方向，重復(fù)以上步驟。2改變陽(yáng)極電壓至 1000V、1200V,重復(fù)上述步驟。表1 TH-EB型電子束實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表 d = N = D = L =注：d=hV2V勵(lì)磁電流/A1e 春。3 m 2h nol 1 L丿f誤差I(lǐng) 1I 2I 3正反正反正反11 13將相關(guān)數(shù)據(jù)填入上表，并將計(jì)

10、算值和標(biāo)稱值e/m= 1.757 X 10 CX kg-進(jìn)行比擬，計(jì)算誤差。五、考前須知1同電子束偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。2當(dāng)勵(lì)磁電流較大時(shí)，及時(shí)記錄聚焦電流防止長(zhǎng)時(shí)間施加勵(lì)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？?jī)烧吖獍呤湛s的情況是否相同?2 在聚焦實(shí)驗(yàn)中，為什么反向聚焦時(shí)光點(diǎn)較暗？3在磁聚集實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)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(rèn)為產(chǎn)生誤差的因素有哪些？如何減小測(cè)量誤差？七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1. 計(jì)算三個(gè)不同“陽(yáng)極電壓的VAi/Va2值，并作8SJ31J示波管的聚焦特性曲線。2. 試分

11、析陰極射線管的聚焦特性曲線為什么會(huì)是一條直線。附錄 TH-EB型電子束實(shí)驗(yàn)儀電原理簡(jiǎn)介與調(diào)試說(shuō)明TH-EB型電子束實(shí)驗(yàn)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(cè)試數(shù)據(jù)精確等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)儀主要由兩大局部組成，一個(gè)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(chǎng)，另外在示波管兩邊加一對(duì)洛侖茲線圈產(chǎn)生一橫向磁場(chǎng)，用于使電子束產(chǎn)生橫向8SJ-31J，下面分別對(duì)各局部加以簡(jiǎn)要說(shuō)K G A1 A2 V V H H圖1示波管各電極結(jié)構(gòu)與分布偏轉(zhuǎn)；另一局部就是用于給示波管各極加適當(dāng)電壓。示波管采用 明。1 .示波管結(jié)構(gòu):示波管各電極結(jié)構(gòu)與分布如圖1所示。各部件的作

12、用如下：燈絲F:加熱陰極，6.3V電壓。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(dāng)電壓通常加負(fù)壓 可控制電子束電流強(qiáng)度，可稱控制柵，柵負(fù)壓通常為-35V-45V之間。第二陽(yáng)極圓筒結(jié)構(gòu)，施加的電壓形成一縱向高壓電場(chǎng)，使加速電子向熒光屏運(yùn)動(dòng)，可稱加速極，加速電壓通常為 1000V以上。第一陰極A :為一圓盤(pán)結(jié)構(gòu)，介于第二陰極的圓筒和圓盤(pán)之間，其作用相當(dāng)于電子透鏡，施加適當(dāng)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：V1和“為處于示波管中-上下的兩塊金屬板，在極板上施加適當(dāng)電壓后構(gòu)成垂直方向 的橫向電場(chǎng)。水平偏轉(zhuǎn)極板

13、：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(dāng)電壓后構(gòu)成水平方向的橫向電場(chǎng)。2 螺線管和線圈參數(shù)3 控制電源箱儀器適用50Hz, 220V± 10%市電供電，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)分壓后提供應(yīng)示波器的各電極所需電壓。Ki為低壓補(bǔ)償開(kāi)關(guān)，當(dāng)市電電壓W200V時(shí)可短接R),以提升陽(yáng)極電壓。D8為隔離二極管。防止：因8W-E/C和SW-Ai換操作而引起的高壓負(fù)載短路，R和Rai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(lì)磁電流指示，100mV數(shù)顯表用作陽(yáng)極電壓指示。各自配備完全獨(dú)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(shuō)明：1 .校正1V和100mV數(shù)顯表頭；2 .校正1000mA和 1000