实验电子束的电偏转

篇一：实验十三 电子束线的电偏转与磁偏转

实验十三 电子束线的电偏转与磁偏转

实验目的

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，

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?1at2?1eE(Z)2 （4－17－1）

2

2mv

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mv2?eVA。

2

将E＝V／d和v2代入（4－17－1）式，得

2

Y?VZ

4VAd

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

tg??dY?Vl（4－17－2）

dZx?l2VAd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

S

tg??

L代入（4－17－2）式，得

S?VlL （4－17－3）

2VAd

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

S?keV（4－17－4）

VA

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度，定义

?电?S?ke(1) （4－17－5）

VVA?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?mv R或 R?mv

eB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

电子束离开磁场区域时，距离Z轴的大小?是

??R?Rcos??R(1?cos?)?mv(1?cos?)

eB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??? 和 cos??1??

2

2

2

sin??

lleB

?

Rmv

则总偏转距离

S?L???R(1?1??L????L???

R?22

2

?22

)

mv??eB2

leBmv1leB2

?L???()

mveB2mvleBl2eB?L?

mv2mvleBl?(L?)mv2

(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

2eVA12

mv?eVA即v?

m2代入（4－17－6）式，得

S?

leB1

(L?l) （4－17－7）

22meVA

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

S?KleI(L?1l)（4－17－8）

22meVA由于式中其它量都是常数，故可写成

S?km?I（4－17－9）

A

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?k1（4－17－10）

m磁

IA

?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

（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，

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。

2．磁偏转

（1）将“功能选择”置于磁偏转位置，接图4－17－6插入导联线。

（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。

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？

篇二：电子束的电偏转和磁偏转

电子束的电偏转和磁偏转

? 实验目的：

1.掌握电子束在外加电场和磁场作用下的偏转的原理和方式。

2.观察电子束的电偏转和磁偏转现象，测定电偏转灵敏度、磁偏转灵敏度、截止栅偏压。 ? 实验原理： 1． 电偏转的观测

电子束电偏转原理图如图（1）所示。当加速后的电子以速度V沿X方向进入电场时，将受到电场力作用，作加速运动，电子穿出磁场后，则做匀速直线运动，最后打在荧光屏上。其电偏转的距离D与偏转电压V，加速电压V

A及示波管结构有关。

图（1）电子束电偏转原理

为了反应电偏转的灵敏程度，定义

?e?

D

(1) V

?e称为电偏转灵敏度，用mm/V为单位。?e越大，电偏转的灵敏度越高。实验中D从

荧光屏上读出，记下V，就可验证D与V的线性关系。 2.磁偏转原理

电子束磁偏转原理如图（2）所示。当加速后的电子以速度V沿X方向垂直射入磁场时，将会受到洛伦磁力作用，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。

为了反映磁偏转的灵敏程度，定义

?m?SlI (2)

?m称为磁偏转灵敏，用mm/A为单位。?m越大，表示磁偏转系统灵敏度越高。实验

中S从荧屏上读出，测出I，就可验证S与I的线性关系。 3.截止栅偏压原理

示波管的电子束流通常通过调节负栅压UGK来控制的，调节UGK即调节“辉度调节”电位器，可调节荧光屏上光点的辉度。UGK是一个负电压，通常在-35~45之间。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UGK0称为截止栅偏压。 ? 实验仪器：

TH-EB型电子束实验仪，示波管组件，0~30V可调直流电源，多用表 ? 实验步骤：

1. 准备工作。

2. 电偏转灵敏度的测定。 3. 磁偏转灵敏度的测定。 4. 测定截止栅偏压。

? 数据记录及实验数据处理：

1．电偏转（vA?800伏）

水平电偏转灵敏度D-V曲线：

垂直电偏转灵敏度D-V曲线：

电偏转（VA?1000伏）

垂直电偏转：

2. 2.磁偏转（vA?800伏）磁场励磁线圈电阻R=210欧姆

磁偏转（vA?1000伏）

注：偏移量D或S等于加电压时的光点坐标与0伏电压的光点坐标的差值。 3.截止栅偏压：99.73V。 ? 结论：

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的D-V成线性关系。

篇三：电子束的偏转与聚焦实验报告

南昌大学物理实验报告

课程名称：普通物理实验（2）

实验名称：电子束的偏转与聚焦

学院：专业班级：

学生姓名：学号：

实验地点：座位号：

实验时间：

一、 实验目的：

1、了解示波管的构造和工作原理。

2、定量分析电子束在匀强电场作用下的偏转情况和在均匀磁场作用 3、学会规范使用数字多用表。

4、学会磁聚焦法测量电子比荷的方法。

下的偏转情况。

二、 实验仪器：

EB—Ⅲ电子束实验仪、直流稳压电源30V，2A、数字多用表。

三、 实验原理：

1、示波管的结构

示波管又称为阴极射线管，其密封在高真空的玻璃壳之中，它的构造如图1

所示，主要包括三个部分：前端为荧光屏，（S，其用来将电子束的动能变为光），中间为偏转系统（Y：垂直偏转板，X：水平偏转板），后端为电子枪（K：阴极，G：栅极，A1：聚焦阳极，A2：第二阳极，A3：前加速阳极）。灯丝H用6.3V交流供电，其作用是将阴极加热，使阴极发射电子，电子受阳极的作用而加速。

2、电聚焦原理

电子射线束的聚焦是电子束管必须解决的问题。在示波管中，阴极被加热发

射电子，电子受阳极产生的正电场作用而加速运动，同时又受栅极产生的负电场作用只有一部分电子能够通过栅极小孔而飞向阳极。栅极G的电压一般要比阴极K的电压低20~100V,由阴极发射电子，受到栅极与阴极间减速电场的作用，初速度小的电子被阻挡，而那些初速度大的电子可以通过栅极射向荧光屏。所以调节栅极电压的高低可以控制射向荧光屏的电子数，从而控制荧光屏上的辉度。当栅极上的电压负到一定的程度时，可使电子射线截止，辉度为0。

加速电极的电压比阴极电位高几百伏至上千伏。前加速阳极，聚焦阳极和第

二阳极是由同轴的金属圆筒组成。由于各电极上的电压不同，在它们之间形成了弯曲的等势面、电场线。这样就使电子束的路径发生弯曲，这类似光线通过透镜那样产生了会聚和发散，这种电器组合称为电子透镜。改变电极间的电压分布，可以改变等势面的弯曲程度，从而达到电子束的聚焦。

3、电偏转原理

在示波管中，电子从被加热的阴极K逸出后，由于受到阳极电场的加速作用，

使电子获得沿示波管轴向的动能。电场力做的功eU应等于电子获得的动能

eU?

1

mv2 2

（1）

显然，电子沿Z轴运动的速度vz与第二阳极A2的电压U2的平方根成正比，即

vz?

2e

m

U2

（2）

若在电子运动的垂直方向加一横向电场，电子在该电场作用下将发生横向偏若偏转板板长为l、偏转板末端到屏的距离为L、偏转电极间距离为d、轴向

转，如图2所示。

加速电压（即第二阳极A2电压）为U2，横向偏转电压为Ud，则荧光屏上光点的横向偏转量D由下式给出：

lUdl

2U22d

D?（L?)

（3）

由式（3）可知，当U2不变时，偏转量D随Ud的增加而线性增加。所以，根据

屏上光点位移与偏转电压的线性关系，可以将示波管做成测量电压的工具。若改变加速电压U2，适当调节U1到最佳聚焦，可以测定D-Ud直线随U2改变而使斜率改变的情况。

4、磁偏转原理

电子通过A2后，若在垂直Z轴的X方向外加一个均匀磁场，那么以速度v飞越

子电子在Y方向上也会发生偏转，如图所示。

由于电子受洛伦兹力F=eBv作用，F的大小不变，方向与速度方向垂直，因此电子在F的作用下做匀速圆周运动，洛伦兹力就是向心力，即有eBv=mv2/R，所以

R?

mvz

eB

（4）

电子离开磁场后将沿圆切线方向飞出，直射到达荧光屏。在偏转角φ较小的

情况下，近似的有

tan??

lD? RL

（5）

式中，l为磁场宽度，D为电子在荧光屏上亮点的偏转量（忽略荧光屏的微小由此可得偏转量D与外加磁场B、加速电压U2等的关系为

弯曲），L为从横向磁场中心到荧光屏的距离。

D?lBL

e

2mU2

（6）

实验中的外加横向磁场由一对载流线圈产生，其大小为

B?K?0nI

（7）

式中，?0为真空中的磁导率，n为单位长度线圈的匝数，I为线圈中的励磁电

流，K为线圈产生磁场公式的修正系数（0?K?1）

由此可得偏转量D与励磁电流I、加速电压U2等的关系为

D?K?0nIlL

e 2mU2

（8）

当励磁电流I（即外加磁场B）确定时，电子束在横向磁场中的偏转量D与加

速电压U2的平方根成反比。

5、磁聚焦和电子荷质比的测量原理

带点粒子的电量与质量的比值叫荷质比，是带电微观粒子的基本参量之一。电子运动方向与磁场平行，故磁场对电子运动不产生影响。电子流的轴线速

测定荷质比的方法很多，本实验采用磁聚焦法。 率为

v//?

2eU2

m

（9）

式中，e，m分别为电子电荷量和质量。若在一对偏转极板Y上加一个幅值不

大的交变电压，则电子流通过Y后就获得一个与管轴垂直分量v?。如暂不考虑电子轴向速度分量v//的影响，则电子在磁场的洛伦兹力F的作用下（该力与v?垂直），在垂直于轴线的平面上作圆周运动，即该力起着向心力的作用，F=ev?B=mv2?/R，

由此可得到电子运动的轨道半径R?动一周所需要的时间（即周期）为

v?

，v?越大轨道半径亦越大，电子运

Be/m

T?

2?Re

?2?B v?m

（10）

这说明电子的旋转周期与轨道半径及速率v?无关。若再考虑v//的存在，电子

的运动轨迹应为一螺旋线。在一个周期内，电子前进距离（称螺距）为

h?v//T?

2?

2mU2

Be

（11）

由于不同时刻电子速度的垂直分量v?度不同，故在磁场的作用下，各电子将

沿不同半径的螺线前进。然而，由于他们速度的平行分量v//均相同，所以电子在做螺线运动时，它们从同一点出发，尽管各个电子的v?各不相同，但经过一个周期后，它们又会在距离出发点相距一个螺距的地方重新相遇，这就是磁聚焦的基本原理。由式（11）可得

m?8?2U2h2B2

（12）

长直螺线管的磁感性强度B，可以由下式计算：

B?

?0NIL?D

2

2

（13）

将式（13）代入式（12），可得电子荷质比为：

m?8?2U2(L2D2?0NIh)2

e?k

（14）

m

式中

U2

2I

（15）

8?2(L2?D2)

k?2

(?0Nh)

（16）

本实验使用的电子束实验仪，k=4.8527?108

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