实验十 电子束实验

Experiment 10 Electron beam experiment

随着近代科学技术的发展，电子技术的应用已深入到各个领域，例如电子射线在电磁场中偏转和聚焦的规律，已在示波器、显像管、扫描电子显微镜等仪器设备中广泛应用。带电粒子在电场和磁场中运动规律，已成为掌握现代科学技术必不可少的基础知识。本实验研究电子在各种电场和磁场中的运动规律，了解电子束实验仪的结构和原理。

实验目的Experimental purpose

1．了解电场对电子加速的原理，掌握电子束在横向均匀电场作用下偏转的规律。

2．了解电子束在横向磁场作用下偏转原理及规律。

3．掌握高压万用表及电子束实验仪的使用方法。

实验原理Experimental principle

示波器和电视机中用来显示图象的示波管都属于电子束管，都有产生电子束的系统和对电子束进行加速、聚焦、偏转和强度控制等系统。本实验分别讨论电子束的偏转特性及测量方法。

1． 示波管简介 Brief introduction oscillometer

示波管的内部构造如图1所示，玻璃壳里抽成真空。接通电源后，灯丝发热，阴极发射电子。栅极加上相对于阴极的负电压，其作用有：一是调节栅压的大小以便控制阴极发射电子的强度，所以栅极也叫控制极；二是栅极电压和第一阳极电压构成一定的空间电位分布，使得由阴极发射的电子束在栅极附近形成一交叉点（实际是最一小截面），图中F为灯丝，K为阴极，G为栅极，A₁、A₂分别为第一、第二阳极，第一、第二阳极的作用一方面构成聚焦电场，使得由阴极发射的电子在聚焦电场的作用下又会聚起来；另一方面使电子加速。电子以高速打在荧光屏上使其发光，光亮度取决于达到荧光屏的电子数目和电子速度，改变栅压及加速电压的大小都可控制光点的亮度。

纵、横偏转板Y、X是两对相互垂直的平行板，偏转板上加以不同的电压，用来控制荧光屏上光点的位置。因此可用示波管观察各种电压信号的波形。示波管的内表面涂有石墨导电极，叫做屏蔽极，它与第二阳极连接在一起。使荧光屏受到电子轰击而产生的二次电子由石墨导电层流入供电回路，避免荧光屏附近电荷积聚。这样，电子进入第二阳极后就在一个等电位的空间中运动。

2．  电子束在电场中的加速和偏转Electronic beams accelerate and deflect in the electric field

电子从阴极发射出来认为其初速度为零，经加速电场（其加速电压为U₂）加速后,电子从电子枪“枪口”（最后一个加速电极A₂的小孔）射出时的速度为，由下式确定：

                         （1）

 

在示波管的两块偏转板加上电压时，通过两板之间的电子束将受电场力的作用，电子束的运动方向发生偏转，现只研究偏转板上所加电压U_d与电子束射到屏上光点

在纵向位移距离之间关系（X偏转板类同）。如图所示，令Z轴沿阴极射线管的轴线方向，从荧光屏看X轴为水平方向，Y轴为垂直方向。

设偏转板两板间距为，电位差为U_d。可将偏转板看作是平行板电容器，则两板间的电场强度是：     

                              （2）

电子以速度沿Z轴方向垂直射入电场Ey中，则电子受电场力

的作用，产生加速度：          

                        （3）

由于电子在Z轴方向上不受力的作用，所以电子在垂直于电场方向上作匀速直线运动，电子从Y板左端运动到右端的时间为，再从右端运动到屏的时间是：。电子在平行于电场方向是初速为零的匀加速运动，所以，电子离开板的右端时的垂直位移：

                                                      （4）

在A点的垂直向下速度为：

                  （5）

电子离开板的右端时不再受电场力的作用，作匀速直线运动，到达屏上的垂直位移是

=               （6）

电子在屏上的总位移：

                （7）

令（为板的中心到屏的距离），由于，所以：      

                       （8）

此式表明，偏转量S随U_d增加而增加，还与L成正比，与d成反比。U₂增大时增大，偏转场作用时间减小，偏转量S随就减小。

电偏转灵敏度定义：在偏转板上作用单位偏转电压，所引起的电子束在荧光屏上光点偏转的距离大小，即：

                       （9）

一般以mm/v 为单位。与加速电压U₂成反比，要获得较高的灵敏度，应使U₂较小，一般加速电压U₂取1~2kV。

3．  电子束在磁场中的偏转Electronic beams deflect in the magnetic field

如果在垂直于z轴的x方向上设置一个恒定的均

匀磁场B，那么以速度飞行的电子y方向也将发生偏转，如图3所示。

电子速度由能量关系得到

                           （10）

假定使电子偏转的磁场在范围内均匀分布，则电子受到的洛伦兹力大小不变，方向垂直于速度，因而，电子做匀速圆周运动，洛伦兹力就是向心力，所以电子旋转的半径 

  ，                     （11）

当电子飞到A点时，将沿着切线方向飞出，直射荧光屏，该直线与原来所沿轴线方向的夹角为，根据几何关系，可得偏转量S等于

                           （12）

将（10）式代入得

                  （13）

可由亥姆霍兹线圈产生稳恒磁场。磁感应强度B为：

                              （14）

式中k是与线圈半径等有关的常量； I为通过线圈的电流值。（14）代入（13）式得

                                                                                           （15）

                                         

也是一个与偏转系统几何尺寸有关的常量。此式说明，电子束的偏转量S与激励（偏转）电流I成正比，而与加速电压的平方根成反比，这一点与静电场偏转的情况不同，这是由于磁场力本身又于速度有关的缘故。

磁偏转灵敏度定义为:

                      （16）

单位为mm/A。与加速电压平方根成反比，当U₂增加时，要比减小得要小，故磁偏转灵敏度较高。

实验仪器Experimental device

电子束实验仪（EB─2S型），直流稳压电源（WYK-303B2型），毫安表(C59-1000mA)，万用表（MODEL 500A型）。

实验内容和要求experimental content and assignment

1．          研究电子在电场中的偏转规律Study the law electronic beams deflect in the electric field

保持加速电压V₂和聚焦电压V₁不变,测量偏转量S随偏转电压U_d的变化。测量从偏转电极中心到荧光屏的距离L。画出S(或)随U_d的变化曲线。该曲线为何形状，为什么？注意记录下U₁,U₂数值。

2．          万用表的使Use multimeter

旋转右边旋钮至，用万用表测量直流高压时，将红表笔插在2500插孔，负表笔插在负插孔，旋转左边旋钮至2.5V量限位置上测量。

实验步骤Experimental step

1．按图4的要求接好导线。接插线：

A₁¾V₁,A₂ ¾⊥,,, (仪器已接好)

2．接通电源开关：电源开关向上拨，示波管灯丝亮。

3．调焦：把聚焦开关置于“点”的位置，辉度控制在适当位置，调节聚焦电压，使屏上光点聚成一细点。光点不要太亮，以免烧坏荧光屏。

4．测量加速电压U₂：用万用表2500V档，负表笔接“K”，正表笔接“A₂”。

5．测偏转电压U_d：用万用表50V档，红插在“+”孔，黑表笔插在“-”孔。右边旋钮调至。负表笔接“Y₁”，正表笔接“Y₂”(如需测X偏转灵敏度，只需将Y₁,Y₂换成x₁，_X2即可)。

6．光点调零：用万用表测U_d，调节U_dy（或U_dx）使U_d为0，这时光点在Y轴（或X轴）的中心原点，若不在则调节U_dy（或U_dx）即调节Y调零（或X调零）旋扭，使光点在中心原点。

7．调节“偏转电压”，使光点在荧光屏上向Y方向偏转，每增加2mm的距离，读取相应的偏转电压值U_d填入表1中。并画出U_d¾S图线。验证理论值（8）式，作图比较。

表1

3．          研究电子在磁场中的偏转规律Study the law electronic beams deflect in the magnetic field

加速电压U₂固定情况下（U₂=1000V），测定偏转量S与I的变化关系，给出相应的曲线。

实验步骤Experimental step

机外直流稳压电源和接量程为1000mA的安培表串接，再接到本机的“外共磁场电源” ，两制偏转线圈分别插入示波管两侧磁场线圈插孔。

1)  接通仪器电源开关，将栅极电压V₀调至适当，将调节V₂，V₁找出光点最佳聚焦。保持辉度适中，调节X、Y位移，使光点位于坐标原点（仪器应南北方向放置）。

2)  接通“直流稳压电源”，调节调压旋钮，改变激励电流I，测量偏转量S与激励电流I，记录U₂值（测孔： A₂—K）。 填入表3。

表2

思考题 Exercises

1．什么叫做电偏转灵敏度、磁偏转灵敏度？各与什么物理量有关？

2．如果在水平方向上，同时加上电偏转与磁偏转，会发生什么情况？若同时分别加在水平与垂直方向上，又会发生什么情况？

关键词Key words

电子束Electron beam，示波器oscillograph，显像管kinescope，电子显微镜electron microscope，电场electric field，磁场magnetic field，万用表multimeter

 

第二篇：实验九、电子束的偏转

605舍：海霞，晓珍，春云，文静

实验九、电子束的偏转

实验时间：   2010. 11 . 25