电子和场(大物实验)

49电子和场综合实验（电子束实验）

示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点（这是传统的模拟示波器的工作原理）。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。示波管是电子示波器的心脏，与电视机里显示图像的显象管及雷达指示管、电子显微镜等电子器件的外形和功用虽不相同，但有其共同点：都有产生电子束的系统和对电子加速的系统；为了使电子束在荧光屏上清晰地成象，还有聚焦、偏转和强度控制等系统。因此统称它们为电子束线管。电子束的聚焦和偏转可以通过电场和磁场对电子的作用来实现，前者称为电聚焦和电偏转，后者称为磁聚焦和磁偏转。本实验研究电子束的电偏转和磁偏转。通过实验，将使我们加深对电子在电场及磁场中运动规律的理解，有助于了解示波器和显象管的工作原理。 【实验目的】

1.了解示波管的构造和工作原理，研究静电场对电子的加速作用。 2.定量分析电子束在横向匀强电场作用下的偏转情况。 3.研究电子束在横向磁场作用下的运动和偏转情况。

4.了解电子束磁聚焦的原理，并研究电子束在电场和磁场中的运动规律。 5.掌握一种用磁聚焦法测电子荷质比的方法。

【实验仪器】

电子和场综合实验仪

【仪器介绍】

电子和场综合实验仪面板及各个旋钮介绍如图49-1。

图49-1 电子和场综合实验仪面板 1、示波管坐标板； 2、示波管 3、逸出功灯丝电流调节 4、磁控线圈

5、理想二极管 6、逸出功阳极电压调节

7、逸出功阳极电压测量端 8、偏转单元（Vdx、偏转电压调节及测量端，） 9、偏转单元（Vdy、偏转电压调节及测量端，） 10、点线转换开关

11、励磁电源单元 12、多量程电压表（量程2V、20V、200V）单元 13、栅极电压调节及测量端 14、聚焦电压调节及测量端， 15、加速电压调节及测量端 16、220V电源插孔

17、电源开关单元（电源总开关、励磁电源开关、电子束开关、逸出功开关） 18、逸出功阳极电流指示 19、逸出功灯丝电流指示

20、XY调零 21、示波管管座 （ 示波管插入此处，严禁用手触摸示波管座孔） 22、偏转线圈 23、螺线管线圈 24、偏转电流换向开关 25、偏转电流输入端

实验中采用的电子示波管型号是8SJ31J，就是示波器中的示波管。通常用在雷达中。它的工作原理与电视显像管非常相似，这种管子又名阴极射线管（CRT）或电子束示波管。它是阴极射线示波器中的主要部件，在近代科学技术许多领域中都要用到，是一种非常有用的电子器件。示波管的示意图如图49-2，包括以下几个部分：

（1）一个电子枪，它发射电子，把电子加速到一定速度，并聚焦成电子束； （2）一个由两对金属板组成的偏转系统；

（3）一个在管子末端的荧光屏，用来显示电子束的轰击点。

所有部件全都密封在一个抽成真空的玻璃外壳里，目的是为了避免电子与气体分子碰撞而引起电子束散射。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，它有两个作用：

①一方面调节栅极电压的大小控制阴极发射电子的强度，所以栅极也叫控制极；

②另一方面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

栅极附近形成一个交叉点。第一阳极和第二阳极的作用一方面构成聚焦电场，使得经过第一交叉点又发散了的电子在聚焦场作用下又会聚起来；另一方面使电子加速，电子以高速打在荧光屏上，屏上的荧光物质在高速电子轰击下发出荧光，荧光屏上的发光亮度取决于到达荧光屏的电子数目和速度，改变栅压及加速电压的大小都可控制光点的亮度。水平偏转板和垂直偏转板是互相垂直的平行板，偏转板上加以不同的电压，用来控制荧光屏上亮点的位置。

图49-2 示波管示意图

【实验原理】

1.电子束的电聚焦（电子在纵向非均匀电场作用下的运动）

电子在示波管中的加速和聚焦等工作靠电子枪来实现，电子枪的内部构造见图49-3。

从示波管阴极K发射的电子在第一阳极A1的加速电场作用下，先会聚于控制栅孔附近一点（图49-4中O点），往后，电子束又散射开来。为了在屏上得到一个又亮又小的会聚光点必须把散开的电子束会聚起来。为此在控制栅极前设置了A1和A2两个阳极，分别称为第一阳极和第二阳极。它们构成由相邻的圆筒组成的聚焦系统，在A1、A2上分别相对阴极K加上不同的电压V1和V2，当V2≠V1时，在V1和V2之间会形成纵向不均匀电场，该电场对Z轴是对称分布的（Z轴沿示波管的轴线方向，即电子入射的方向）。

电子束中某个散离轴线的电子沿轨道进入聚焦电场如图49-5所示，在电场的前半区，电子受到的电场力F可分解为垂直指向轴线的分力Fz与平行于轴线的分力Fr。Fr的作用使电子向Z轴靠拢，Fz的作用使电子沿Z轴方向得到加速。在电场的后半区，电子受到的电场力F?可分解为相应的Fz?和Fr?两个分量。Fz?仍使电子沿Z轴方向加速，而Fr?却使电子远离轴线，但因为在整个电场区域里电子都受到同方向的沿Z轴的作用力Fz和Fz?的作用，电子

在后半区的轴向速度比在前半区的大得多，因此，在后半区电子受F’r的作用时间短得多。这样，电子在前半区受到的拉向轴线的作用大于在后半区受到离开轴线的作用，因此总效果是使电子向轴线靠拢，最后会聚到轴上某一点。调节阳极A1和A2的电压可以改变电极间的电场分布，使电子束的会聚点正好与荧光屏重合，这样就实现了电聚焦。

K G A1 电子轨迹 O 图49-4控制栅附件电子轨迹图 等势线 电场线

Fz F r F’ r θ 电子 F ’ F ’ F z Z 图49-5 A1、A2之间电场分布截面图

2.电子束的电偏转（电子在横向电场作用下的运动）

（1）偏转电场的形成

在电子束通过的空间，平行于电子入射方向水平放置两块平行板，在其上加电压，即可以形成偏转电场。在平行板间距d比其长度b小得多的情况下，可以认为它形成的空间电场是均匀的（一般认为示波管的偏转板近似满足这个条件），且平行板外电场为零。这时电场强度有

E?V（板内） dE=0（板外）

式中E沿垂直于电子入射的方向，V为在极板上加的电压。 （2）电偏转原理

取Z轴沿示波管的轴线方向，即电子入射的方向，Y轴与电场E的方向相反，如图49-6所示，在示波管的两块偏转板Y1、Y2上加电压后，形成了垂直于电子束运动方向的横向电场，正是这一横向电场使电子束产生了Y方向的偏转。

图49-6 电子束的电偏转示意图

由于从阴极被加热逸出的电子动能较小，近似认为初速度为零，电子被第二阳极加速后从电子枪口（阳极A2的小孔）射出的速度（约107m/s的数量级）为vZ，获得的功能是

1122mvZ。若加速电压为V2，则有 mvZ?eV2 （1） 22式中m为电子质量，e为电子电荷。

设偏转板间距为d，板长度为b（d<

Ey?Vyd （2）

当电子进入横向电场后受电场力eEy的作用，产生的加速度为

ay?eEym?eVy （3） md电子通过偏转板的时间tb?bl，从板右端到达屏的时间tl?，电子刚离开偏转板vZvZ右端时的垂直位移为 yb?11eVyb22ay?tb?() （4）22mdvZeVyb此时电子在y方向的速度为vy?ay?tb?()，电子离开电场后作匀速直线运

mdvZ动，因此在tl时间内电子的垂直位移为yl?vy?tl?eVybl)() （5）

mdvZvZ(

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