实验十三 实验目的 电子束线的电偏转与磁偏转 1.研究带电粒子在电场和磁场中偏转的规律。 2.了解电子束线管的结构和原理。 实验仪器 SJ—SS—2 型电子束实验仪。 实验原理 在大多数电子束线管中,电子束都在 互相垂直的两个方向上偏移,以使电子束 能够到达电子接受器的任何位置,通常运 用外加电场和磁场的方法实现,如示波管、 显像管等器件就是在这个基础上运用相同 的原理制成的。 1.电偏转原理 电偏转原理如图 4-17-1 所示。 通常 在示波管(又称电子束线管)的偏转板上 加上偏转电压 V,当加速后的电子以速度 v 沿Z方向进入偏转板后,受到偏转电场 E(Y 轴方向)的作用, 使电子的运动轨道发生偏移。假定偏转电场在偏转板 l 范围内是均匀的,电子作抛物线运动,在偏转板外, 电场为零,电子不受力,作匀速直线运动。在偏转板之内 Y? 1 2 1 eE Z 2 at ? ( ) 2 2 m v 图4-17-1 L e 0 S Y l ++ + ++ + ? - - - - - - d Z (4-17-1) 式中 v 为电子初速度,Y 为电子束在 Y 方向的偏转。电子在加速电压 VA 的作用下,加速电压对电子所做的 1 功全部转为电子动能,则mv 2 ? eV A 。 2 将E=V/d 和v2 代入(4-17-1)式,得Y? VZ 2 4VA d 电子离开偏转系统时,电子运动的轨道与 Z 轴所成的偏转角 ? 的正切为 dY Vl (4-17-2) tg? ? ? dZ x ?l 2VAd 设偏转板的中心至荧光屏的距离为 L,电子在荧光屏上的偏离为 S,则Stg? ? L 代入(4-17-2)式,得S? VlL 2VAd (4-17-3) 由上式可知,荧光屏上电子束的偏转距离 S 与偏转电压 V 成正比,与加速电压 VA 成反比,由于上式中的 其它量是与示波管结构有关的常数故可写成 V S ? ke VA 度,定义 (4-17-4) ke 为电偏常数。可见,当加速电压 VA 一定时,偏转距离与偏转电压呈线性关系。为了反映电偏转的灵敏程 ?电?S1?ke ( ) V VA (4-17-5) ?电 称为电偏转灵敏度,单位为毫米/伏。 ? 电 越大,表示电偏转系统的灵敏度越高。 2.磁偏转原理 磁偏转原理如图 4-17-2 所示。通常在示波管的电子枪和荧光屏之间加上一均匀横向偏转磁场,假 定在 l 范围内是均匀的,在其它范围都为零。当电子以速度 v 沿Z方向垂直射入磁场 B 时,将受到洛仑磁 力的作用在均匀磁场 B 内电子作匀速圆周运动,轨道半径为 R,电子穿出磁场后,将沿切线方向作匀速直 线运动,最后打在荧光屏上,由牛顿 第二定律得 f ? evB ? m v2 R Y l L 或R? mv eB R 电子离开磁场区域与 Z 轴偏斜了 ? 角度,由图 4-17-2 中的几何关系得 sin ? ? l leB ? R mv e ? θ R ? θ S ? Z 0 图4-17-2 电子束离开磁场区域时,距离 Z 轴的 大小 ? 是??R?Rcos ? ? R(1 ? cos ? ) ? 电子束在荧光屏上离开 Z 轴的距离为 S ? L ? tg? ? ? 如果偏转角度足够小,则可取下列近似 sin ? ? tg? ? ? mv (1 ? cos ? ) eB 和cos? ? 1 ? ?2 2 则总偏转距离 S ? L ?? ? R(1 ? 1 ? ? L ?? ? ? L ?? ? R? 2 2 ?2 2 ) mv ? 2 ? eB 2 leB m v 1 leB 2 ? L? ? ? ( ) m v eB 2 m v leB l 2 eB ?L ? m v 2m v leB l ? (L ? ) mv 2 (4 ? 17 ? 6) 又因为电子在加速电压 VA 的作用下,加速场对电子所做的功全部转变为电子的动能,则2eVA 1 2 m v ? eVA 即v? 2 m 代入(4-17-6)式,得S? leB 1 (L ? l) 2 2meVA (4-17-7) 上式说明,磁偏转的距离与所加磁感应强度 B 成正比,与加速电压的平方根成反比。 由于偏转磁场是由一对平行线圈产生的,所以有 B ? KI 式中 I 是励磁电流,K 是与线圈结构和匝数有关的常数。代入(4-17-7)式,得KleI 1 (4-17-8) S? (L ? l) 2 2m eVA 由于式中其它量都是常数,故可写成 S ? km ? I VA (4-17-9) km 为磁偏常数。可见,当加速电压一定时,位移与电流呈线性关系。为了描述磁偏转的灵敏程度,定义 S 1 (4-17-10) ? 磁??km I VA ? 磁 称为磁偏转灵敏度,单位为毫米/安培。同样, ? 磁 越大,磁偏转的灵敏度越高。 仪器描述 本实验所采用仪器是 SJ—SS—2 型电子束实验仪,如图 4-17-3 所示。该仪器主要由示波管、显示 电路、励磁电路、测量电路、电源等部分组成。仪器板面上各旋钮、电表的作用如下: 辉度:用来改变加在控制栅 板G上的电压,以调节屏上亮点 的亮度。 聚焦:用来改变加在第一阳 极A1 上的电压, 以调节屏上亮点 的粗细。 辅助聚焦: 用来改变加在 第二阳极 A2 上的电压与“聚焦” 旋钮配合使用,调节屏上亮点的 粗细。 高压调节:用来改变示波管 各电极的电压大小,但不改变各 电极的电压比。 电偏转:用来改变加在垂直 (或水平)偏转板上的电压,以 调节屏上亮点的上下(或左右) 位置。 功能选择:用于选择实验项 目。 励磁电流:用于调节磁聚焦 线圈中,或磁偏转线圈中的电流 大小。 KV 表:用以直接指示 V2 电压的大小。 mA—V 表:经“功能选择”开关的转换,可以分别测量聚焦电压 V1(量程为 0—50V×15) ,电偏电 压(量程为 0—50V×3) ,磁聚励磁电流(0—50mA×20) ,磁偏励磁电流(量程为 0—50mA×1) 。 插头指示(安全指示) :用于指示仪器是否处于安全使用状态,其作用与验电笔相似,手触指示灯管 时,若指示灯发亮,则表明是安全的。 本仪器使用时,周围应无其它强磁场存在,仪器应南北方向测试,避免地磁场的影响。 实验内容 1.电偏转 磁聚 电源 1- 磁偏 阴极 栅极 电源指示 Y 电源 2- X 磁聚 电源 1+ 磁偏 V1 A1 A2 V2 Y 电源 2+ X Y 移位 励磁电源开 励磁电流 高压电源开 X 移位 Y偏 磁聚 磁偏 X偏 电聚 SJ—SS—2 型电子束实验仪 高压调节 电偏电压 辅助聚焦 V2 聚焦 V1 辉度 功能选择 0 10 20 30 40 mA-V 50 插头指示 0 0.5 1 1.5 2 KV 图4-17-3 (1)将“功能选择”置于 X 或Y电偏位置,按图 4-17-4(X 电偏接线)或图 4-17-5(Y 电偏接 线)插入导联线。 (2)接通“高压电源开” ,调节“高压调节” , “辅助聚焦 V2” ,将V2 调节至最大值,保持辉度适中, V1 A1 A2 V2 Y 电源 2 X Y 图4-17-4 V1 A1 A2 V2 Y 电源 2 X 电源 2 X Y 图4-17-5 电源 2 X 调节 V1 聚焦。 (3)将“电偏电压”调节至最小,调节“X 位移” 、 “Y 位移” ,使光点移至坐标原点。 (4)保持“辉度” 、V1、V2 不变,调节“电偏电压” ,使光点朝 X(或Y)方向偏转,每偏 5mm 读取 相应的电偏电压 V 及S。根据测出的 S、V 值,作出 S~V 图线,验证 S~V 为线性正比关系。 (5)改变电源极性,可改变 X(或Y)的偏转方向,如图中虚线连接,分别测出 S、V 数据。 (6)数据记录。 偏移方向 自屏中心向左 自屏中心向右 水平偏转电压 V(伏) 5 10 15 20 25 5 10 15 20 25 偏 偏移量 S(毫米) 转 偏转灵敏度 ? (毫米/伏) 电X偏转灵敏度平均值 ? 电 (毫米/伏) 垂 偏移方向 直 偏转电压 V(伏) 偏 偏移量 S(毫米) 转 偏转灵敏度 ?电 (毫米/伏) Y 偏转灵敏度平均值 ?电 (毫米/伏) 2.磁偏转 5 自屏中心向上 10 15 20 25 5 自屏中心向下 10 15 20 25 (1)将“功能选择”置于磁偏转位置,接图 4-17-6 插入导联线。 磁聚 电源 1 磁偏 V1 A1 A2 V2 Y 电源 2 X 磁聚 电源 1 磁偏 图4-17-6 Y 电源 2 X (2)接通“高压电源开” ,将V2 调至最大,调节 V1 使光点聚焦,保持辉度适中,调节 X 位移,使光 点位于坐标 Y 轴某点 ys,并以该点为新的坐标原点。 (3) “励磁电流”复位到零,接通“励磁电源开”顺时针方向调节“励磁电流”使光点偏转,读取不 同偏转量 S 及其对应的 I 值,作出 S~I 图线,验证 S~I 为线性正比关系。 (4)改变电源极性(即改变偏转线圈中的电流方向) ,如图中虚线连接,可作反向磁偏转,测出 S、I 数据。 (5)由测出的各组 S、I 值,求出各组的偏转灵敏度,然后再求其算术平均值,得出本仪器的偏转灵 敏度 ? 磁。(6)记录数据 偏转方向 励磁电流 I (毫安) 偏移量 S(毫米) 磁偏转灵敏度 ? 磁 (毫米/毫安) 偏转灵敏度平均值 ? 磁 (毫米/毫安) 思考题 1.偏转量的大小改变时,光点的聚焦是否改变?为什么? 2.偏转量的大小与光点的亮度是否有关?为什么? 3.在偏转板上加交流信号时,会观察到什么现象? 自屏中心向上 自屏中心向下