試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根本原理 和實驗方法；2. 掌握利用磁聚焦法測定電子荷質(zhì)比的根本方法。、實驗裝置三、實驗原理TH-EB型電子束實驗儀；米尺，游標卡尺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 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，它使由陰極外表不同點發(fā)出的電 子在柵極前方會聚，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)， 就把上述聚焦點成像

2、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Vai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，選擇適宜VA1與VA2的比值，就可以使電子束的成像點落在示波管的熒光屏上。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:2 mvh f =e h B =R式中m為電子的質(zhì)量，R為電子作圓周運動時的軌道半徑，可以表示為:mvheB電子旋轉(zhuǎn)一周所需的時間為:2R 2 mT =琳 eB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

4、的半徑是不同的，但是電子旋轉(zhuǎn)周所需的時間周期相同，與電子的速度無關(guān)。 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v垂直于B時電子的運動軌跡如圖 2所示。從圖2可知,圖3電子束在聚焦磁場中的螺旋軌跡距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)變化的電子在磁場作用下運動軌跡圖。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A2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Ai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2 mvp2=eV只要加速電壓 V是確定的，電子沿磁場方向的速度分量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 = gd或h=：3d，相應(yīng)地可在熒光屏上看到第二次聚焦、7適當變換，可得第三次聚焦，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，將式出:(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I計算出來，對于有限長的螺線管,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為螺線管長度，no為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，式中各量米用國際單位制。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)n。.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

8、下方。6將“勵磁電流調(diào)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VA1和VA2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)式聚焦的現(xiàn)象。

9、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丨1、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1 TH-EB型電子束實驗數(shù)據(jù)表 d = N = D = L =注：d=hV2V勵磁電流/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

10、算值和標稱值e/m= 1.757 X 10 CX kg-進行比擬，計算誤差。五、考前須知1同電子束偏轉(zhuǎn)實驗。2當勵磁電流較大時，及時記錄聚焦電流防止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. 計算三個不同“陽極電壓的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。實驗儀主要由兩大局部組成，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8SJ-31J，下面分別對各局部加以簡要說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：V1和“為處于示波管中-上下的兩塊金屬板，在極板上施加適當電壓后構(gòu)成垂直方向 的橫向電場。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± 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為低壓補償開關(guān)，當市電電壓W200V時可短接R),以提升陽極電壓。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 1000