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1、实验二十三电子射线的电聚焦与磁聚焦实验二十三 电子射线的电聚焦与磁聚焦 一、实验目的 1 掌握带电粒子在电场和磁场中的运动规律，学习电聚焦和磁聚焦的基本原理 和实验方法； 2 掌握利用磁聚焦法测定电子荷质比的基本方法。 二、实验装置 TH-EB型电子束实验仪；米尺，游标卡尺 三、实验原理 1电聚焦原理 电子束电聚焦原理如等位面VA2VA1图1所示，在示波管中，阴屏极K经灯丝加热发射电子，电子轨迹第一阳极A1加速电子，使6.3V电子束通过栅极G的空隙，FK由于栅极电位与第一阳极Z电位不等，在它们之间的空GA1A2间便产生电场，这个电场的图1 电子束电聚焦原理 曲度像一面透镜，它使由阴极表面不同点
2、发出的电子在栅极前方汇聚，形成一个电子聚焦点。由第一阳极和第二阳极组成的电聚焦系统，就把上述聚焦点成像在示波管的荧光屏上。由于该系统与凸透镜对光的会聚作用相似，所以通常称之为电子透PE电子线 WWW.DGMSDZ.COM 镜。 电子束通过电子透镜能否聚焦在荧光屏上，与第一阳极VA1和第二阳极VA2的单值无关，仅取决于它们之间的比值F。改变第一阳极和第二阳极的电位差，相当于改变电子透镜的焦距，选择合适VA1与VA2的比值，就可以使电子束的成像点落在示波管的荧光屏上。 在实际示波管内，由于第二阳极的特点结构，使之对电子直接起加速作用，所以称为加速极。第一阳极主要是用来改变 VA1与VA2比值，便于
3、聚焦，故又称聚焦极。改变VA2也能改变比值VA1/VA2，故第二阳极又能起辅助聚焦作用。 yvhxvh图2 电子束磁聚焦原理 2磁聚焦原理 电子束磁聚焦的原理见图2所示，设一速度为v，在一磁感应强度为B的均匀磁场中运动的电子，电子将受到洛仑兹力的作用，将v分解成与B平行的分量和与B垂直的分量vh，电子沿着B的方向运动时不受力，故沿B的方向作匀速直线运动。电子在垂直于B的方向运动时电子所受的洛仑兹力为： f的方向与h垂直，故该力只改变电子运动的方向，不改变电子速度的大小，结果使电子在垂直于B的平面内以半径为R的圆作匀速圆周运动。根据牛顿第二定律可知： 式中m为电子的质量，R为电子作圆周运动时的轨
4、道半径，可以表示mvh为： R= (3)eB电子旋转一周所需的时间为： PE电子线 WWW.DGMSDZ.COM 由此可知，当B保持不变，电子的速度vh不同时，电子作圆周运动的半径是不同的，但是电子旋转一周所需的时间相同，与电子的速度无关。v垂直于B时电子的运动轨迹如图2所示。从图2可知，如果有很多电子都从磁场中的同一点出发，各电子运动速度vh的数值各不相同，但经过T时间后，都同时回到同一点。 vhv考虑由同一点发出的一束电子，假设各个电子的速度hhv在垂直于B的平面上的分量图3 电子束在聚焦磁场中的螺旋轨迹 h各不相同，而各电子的速度在B的方向上的分量vp彼此相等，那末电子经过距离l后。为了
5、便于想象电子在磁场中的运动情况，图3表示一束vp相同，h在一定范围内变化的电子在磁场作2pmh =TvpvpeB用下运动轨迹图。螺距h可以表e2p= vp(5)示为： mBhp在电子束实验仪中，示波管的轴线方向有一均匀分布的磁场，在阴极K和阳极A2之间加上一定的电压V，将会使阴极发射的电子加速，设阴极发射出来的电子在脱离阴极时，沿磁场运动的初速度为零，经阴极K与阳极A1之间的电场加速后，速度为p，由能量守恒定律可知，电子动能的增加应等于电场力对它所作的功，即 只要加速电压V是确定的，电子沿磁场方向的速度分量p就是确定eV的，将h=2epBn2m 式代入式中，则 - PE电子线 WWW.DGMS
6、DZ.COM 从上式可以看出，h是B和V的函数，调节V和B的大小，可以使电子束在磁场方向上的任意位置聚焦。当h刚好等于示波管的阳极到荧光屏之间的距离d时，可以看到电子束在荧光屏上聚成一小亮点(电子已聚焦)，1当B值增加到23倍时，会使h=1相应地可在荧光屏上看到第2d或h=3d，二次聚焦、第三次聚焦，当h不等于这些值时，只能看到圈套的光斑，电epV=8子束不会聚焦，将式适当变换，可得出：m hB222V、B均可通过测量得出，代入上式即可求得电子荷质比。上式中B是螺线管中 部磁场的平均值，可通过测量励磁电流I计算出来，对于有限长的螺L线管，B=的值为：B4p10-7n I (9)0L2+D2由式
7、(8)和式，可得： L2+D2eV14(Ckg)=222 10(10)2L为螺线管长度，式中D为螺线管直径，n0为螺线管单位长度的匝数，m2hn0ILh为螺距，I为螺线管流过的直流电流，式中各量采用国际单位制。 四、实验步骤 1准备工作 1）测量励磁线圈直径D，励磁线圈长度L，线圈的线径为0.29mm，计算螺线管单位长度的匝数n0，测量示波管第二阳极到荧光的距离d(注：从第二阳极圆筒的中点到荧光屏)。 2）用专用电缆线联接实验仪示波管支架上的两个插座。 3）将实验箱面板上的“电聚焦/磁聚焦”选择开关置于“电聚焦”或“磁聚焦”。 4）电聚焦时，将聚焦极对应的钮子开关置于上方，其它的电极对应的 开
8、关均置于下方。 5）磁聚焦时，将所有电极(8个)对应的钮子开关均置于下方。 6）将“励磁电流调节”旋至最小。 2电聚焦特性的测定 1) 令“阳极电压”指示为800V，使光点在聚焦的状态下，用数字万用表直流电压高量程档测A1点和地之间的电压，记下此时的VA1和VA2值。 2) 分别调节“阳极电压”至1000V和1200V，并使光点聚焦，分别记下同一“阳极电压”下的VA1和VA2值。 3磁聚焦现象的观察 1） 将实验箱面板上的“电聚焦/磁聚焦”选择开关置于“磁聚焦”将其它钮子开 关均置于下方。 2） 调节“阳极调节”电位器使“阳极电压”数显表指示为1000V，“辉度调节”电位器使辉度适当，此时可察
9、到荧光屏上的矩形光斑。 3） 缓缓调节“磁聚焦调节”调压器，可观察到电子束在纵向磁场的作用下，旋 转式聚焦的现象。 4电子荷质比的测定 PE电子线 WWW.DGMSDZ.COM 1）开启电源开关，调节“阳极电压调节”电位器，使“阳极电压”数显表指示为800V，适当调节“辉度调节”电位器，此时，示波管上出现方形光斑。然后调节“磁聚焦调节”调压器，可观察到方形光斑、边旋转、边聚焦的现象，分别记录使电子束第一次聚焦，第二次聚焦，第三次聚焦的电流值I1、I2、I3，然后改变励磁电流的方向，重复以上步骤。 2）改变阳极电压至1000V、1200V，重复上述步骤。 表1TH-EB型电子束实验数据表dNDL
10、 V2(V) 励磁电流/A I1 2 正 反 正 反 正 反 I3 I=1(I1 +I2+I3)6eVL2+D2 =222 1014(Ckg)2m2hn0IL误 差 I3）将相关数据填入上表，并将计算值和标称值e/m1.7571011Ckg-1进行比较，计算误差。 五、注意事项 PE电子线 WWW.DGMSDZ.COM 1）同电子束偏转实验。 2）当励磁电流较大时，及时记录聚焦电流避免长时间施加励磁电流。 3）示波管亮度调节适中，以免影响荧光屏的使用寿命。 六、思考题 1电聚焦与磁聚集的原理是什么？两者光斑收缩的情况是否相同？ 2在聚焦实验中，为什么反向聚焦时光点较暗？ 3在磁聚集实验中，当螺
11、线管中电流I逐渐增加，电子射线从一次聚焦到二次、三次聚集，荧光屏的亮暗如何变化，试解释。 4你认为产生误差的因素有哪些？如何减小测量误差？ 七、实验报告要求 1计算三个不同“阳极电压”的VA1/VA2值，并作8SJ31J示波管的聚焦特性曲线。 2试分析阴极射线管的聚焦特性曲线为什么会是一条直线。 附录 TH-EB型电子束实验仪电原理简介与调试说明 TH-EB型电子束实验仪具有体积小，重量轻，结构紧凑，操作界面美观，使用方便，可靠，测试数据精确等特点。实验仪主要由两大部分组成，一个是由螺线管及在螺线管内放置的示波管组成，螺线管通电流后给示波管加纵向磁场，另外在示波管两边加一对洛仑兹线圈产生一横向
12、磁场，用于使电子束产生横向偏转；另一部分就是用于给示波管各极加适当电压。PE电子线 WWW.DGMSDZ.COM 示波管采用8SJ-31J，下面分别对各部分加以简要说明。 1 示波管结构： 示波管各电极结构与分布如图1所示。 FF各部件的作用如下： 灯丝F：加热阴极，6.3V电压。 KGA1A2VVHH图1 示波管各电极结构与分布 阴极K：筒外涂有稀土金属，被加热后能向外发射自由电子也可称发射极。 栅极G：施加适当电压可控制电子束电流强度，可称控制栅，栅负压通常为-35V-45V之间。 第二阳极A2：圆筒结构，施加的电压形成一纵向高压电场，使加速电子向荧光屏运动，可称加速极，加速电压通常为10
13、00V以上。 第一阴极A1：为一圆盘结构，介于第二阴极的圆筒和圆盘之间，其作用相当于电子透镜，施加适当电压能使电子束恰好在荧光屏上聚焦，因此也称聚焦极，通常加数百伏正向电压。 垂直偏转极板：V1和V2为处于示波管中上下的两块金属板，在极板上施加适当电压后构成垂直方向的横向电场。 水平偏转极板：H1和H2为处于示波管中一前后的两块金属板，在极板上施加适当电压后构成水平方向的横向电场。 2 螺线管和线圈参数 PE电子线 WWW.DGMSDZ.COM 3 控制电源箱 仪器适用50Hz，220V10%市电供电，变压器副绕组T3输出600V电压，经倍压整流滤波后，能输出1400V的直流电源，经分压后提供
14、给示波器的各电极所需电压。K1为低压补偿开关，当市电电压200V时可短接R9，以提升阳极电压。D18为隔离二极管。防止：因8W-E/C和SW-A1换操作而引起的高压负载短路，R3和R21为使放电阻防止，栅极和聚焦极电荷积累。此处，电路中1V数显表因作励磁电流指示，100mV数显表用作阳极电压指示。各自配备完全独立的5V直流电源。仪器箱和示波管支架之间的联结用12芯电缆插头。 调试说明： 1校正1V和100mV数显表头； 2校正1000mA和1000V电压、电流表； 3调整阳极电压电位器RV5电压器计数应能显示780V至1400V； 4调整调压器TR2，电流表读数应能显示1200mA和0mA； 5调整调压器RV4，并将示波管阳极电压分别置于800V、1000V和1200V时，光斑应能聚焦。 6调整辉度电位器RV3，示波器光斑应能有正常的高亮并能截止电子束电流。 7旋转示波管，使H1、H2之间的水平偏转线保持水平垂直偏转线保持垂直。 8完成全部实验。 PE电子线 WWW.DGMSDZ.COM
