实验二十四 电子射线的电偏转与磁偏转 一、实验目的 1. 掌握电子束在外加电场和磁场作用下偏转的原理和方式; 2. 了解阴极射线管的构造与作用。 三、实验仪器 1. TH-EB 电子束实验仪; 2. 0~30V 可调直流电源; 3. 数字式万用表。 三、实验原理 1 电偏转原理 电子束电偏转原理如图 1 所示。通常在示波管的偏转板上加 偏转电压 V,当加速后的电子以速度 v 沿 x 方向进入偏转板后, 受到偏转电场 E(y 轴方向)的作用,使电子的运动轨迹发生偏 转。假定偏转电场在偏转板 l 范围内是均匀的,电子将作抛物线运动,在偏转板外,电场为零,电子不受 力,作匀速直线运动。荧光屏上电子束的偏转距离 D 可以表示为 e ++++++ Φ O E -----D x L l y 图1 电子束电偏转原理 D = k eV / V A (1) 式中V为偏转电压,VA为加速电压,ke是一个与示波管结构有关的常数,称为电偏常数。为了反映电偏转的 灵敏程度,定义 δ 电 = D V = ke VA (2) δ电称为电偏转灵敏度,用mm/V为单位。δ电越大,电偏转的灵敏度越高。 2 磁偏转原理 电子束磁偏转原理如图 2 所示。通常在示波管的瓶颈的两侧加上一均匀横向磁场,假定在 l 范围内是 均匀的,在其他范围都为 零。当加速后的电子以速度 v 沿 x 方向垂直 射入磁场时,将受到洛仑 兹力作用,在均匀磁场 B 内作匀速圆周运动,电子穿出磁场后,则做 匀速直线运动,最后打在荧光屏上,磁偏转的距离可以表示为: R D B y l L D = km I V A ) (3 v e O k 式中I是偏转线圈的励磁电流, 单位A; m是一个与示波管结构有关的常 数称为磁偏常数。为了反映磁偏转的灵敏程度,定义 x 图2 电子束磁偏转原理 δ 磁 = D I = km VA (4) δ磁称为磁偏转灵敏度,用mm/A为单位。δ磁越大,表示磁偏转系统灵敏度越高。 2 截止栅偏压原理 示波管的电子束流通常是通过调节负栅压UGK来控制的,调节UGK可调节荧光屏上光点的辉度。UGK是一个 负电压,负栅压越大,电子束电流越小,光点的辉度越暗。使电子束流截止的负栅压称为截止栅偏压。 四、实验步骤 1.准备工作 1) 用专用电缆线联接实验和示波管支架上的插座。 2) 将实验箱面板上的“电聚焦/磁聚焦”选择开关置于“电聚焦” 。 3) 将与第一阳极对应的钮子开关置于上方,其余的钮子开关均置于下方。 4) 将“励磁电流调节”旋钮旋至最小位置。 5)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,此时示波器上出现光斑,然后调节“电聚焦调节”电位器,使光斑聚焦。 2.电偏转灵敏度的测定 1)令“阳极电压”指示为 800V,在光点聚焦的状态下,将H1、H2对应的钮子开关置于上方,此时荧光 屏上会出现一条短的水平亮线,这是因为水平偏转极板上感应有 50Hz交流电压之故。测量时将水平偏转极 板H1和H2接通直流偏转电压,分别记录电压为 0V、10V、20V时光点位置偏移量,然后调换偏转电压的极性, 重复上述步骤。 2)将“阳极电压”分别调至 1000V、1200V,按上述的方法使光点重新聚焦后, 按实验步骤 1)重复以上测量,列表记录数据。 3)将H1、H2对应的钮子开关置于下方,将V1、V2对应的钮子开关置于上方。 此时荧光屏上也会出现一条短的垂直亮线。 这也是因为垂直偏转极板上感应有 50Hz交流电压之故。 测量时, 在V1、V2两端依次加 0V、10V、20V直流偏转电压,(阳极电压依次为 800V、1000V、1200V),列表记录数据。 3.磁偏转灵敏度的测定 1)准备工作与“电聚焦特性的测定”完全相同。为了计算亥姆霍兹线圈中的电流,必须事先用数字 万用表测量线圈的电阻值,并记录。 2)令“阳极电压”指示为 800V,使光点在聚焦的状态下,接通亥姆霍兹线圈的励磁电压,并分别调 到 0V、2V、4V、6V,记录荧光屏上光点的偏移量,然后改变励磁电压的极性,重复以上步骤,列表记录数 据。 3)调节“阳极电压调节”电位器,使阳极电压分别为 1000V、1200V,重复实验步骤 2) 。 4.截止栅偏压的测定 1) 准备工作与“电聚焦特性的测定”完全相同,但为了测量阴极电压和栅极电压,需将与阴极 K 和 栅极 G 相对应的钮子开关置于上方。 2) 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档测量栅极与阴极 之间的电压,调节“辉度调节”电位器,记录荧光屏上光点刚消失时的VGK值。 3) 调节“阳极电压调节”电位器,使阳极电压分别为 1000V、1200V,重复步骤 2) ,记录相应的VGK值。 五、安全注意事项 1. 本仪器内示波管电路和励磁电路均存在高压,在仪器插上电源线后,切勿触及 印刷板、示波器管座、励磁线圈的金属部分,以免电击危险。 2.本仪器的电源线应插在标准的三芯电源插座上。电源的相线,零线和地线应按国家标准接法之规 定接在规定的位置上。 3.实验前必须先阅读电子束实验仪使用说明书。 六、思考题 1.电偏转、磁偏转的灵敏度是怎样定义的? 2.在不同阳极电压下,为什么偏转灵敏度会不同? 3.何谓截止栅偏压? 七、实验报告要求 1.计算不同阳极电压下的水平电偏转灵敏度和垂直电偏转灵敏度。 2.试分析在同等偏置条件下,为什么垂直电偏转灵敏度会大于水平电偏转灵敏度。 3.计算不同阳极电压下的磁偏转灵敏度。 4.试分析磁偏转灵敏度与哪些实验参数有关。 5.试分析,栅负压为什么必需是负电压,截止栅偏压与阳极电压VA2有何关系。