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 ? 电 ? D V ? k e 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 VA (3) v e O 式中 I 是偏转线圈的励磁电流,单位 A;km 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 ? 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。