16电子束的聚焦

实验十六 电子束的聚焦

实验目的

1．研究带电粒子在电场和磁场中的聚焦规律

2．进一步了解电子束线管的结构和聚焦原理．

3．掌握测量电子荷质比的一种方法．

仪器与用具

EBe-1型电子束实验仪，万用电表、直流电源等．

实验原理

1．电场聚焦

电子枪的作用是产生电流密度很高，截面很小的电子束，并能使电子束到达荧光屏上的各个地方．其结构如图16-1所示．各电极均做成圆筒形，ff 为加热灯丝，K 为旁热式氧化阴极．在灯丝的烘烤下，温度约升到1100K 时，氧化物中自由电子获得较大的热动能而逸出表面，成为速度很小的游离态电子．

栅极的电位低于阴极，形成阻滞电场．调节栅极电位可以改变进入阳极区电子数目，从而调节光斑的亮度．第一阳极A1和第三阳极A3称加速极，其作用是使电子向阳极区运动．第二阳极A2称聚焦阳极，其电压值主要影响亮点的大小．电子枪内非均匀电场分布，可以将阳极分布范围比较大的游离态电子，非常成功地在屏上聚成一点，这是成像清晰 的重要保证．若U A1K =U A3K ＞U A2K ，如图16-2所示，图中实线是电力线，可利用它定性地分析电子在电子枪内的运动．在GA1之间的非均匀场的作用下，电子受到的电场力可以分解成两个力：一个沿轴向，使电子加速；另一垂直轴线，这个力使电子向轴靠拢．由于此间电子速度很小，在这个力的作用下，很容易将分散在相当范围的游离态电子会聚到一点上，然后继续向前运动，而且又发散开来．电子在阳极区的非均匀场的作用下，按前面的方法对场的作用分解．可以看出，电子速度大时，径向力使电子“发散”(在A1、A3附近)；速度较小时，径向力使电子“会

聚”．这样就使得“会

聚”作用比“发散”

作用的时间长，两种

作用的总效果使电子

会聚，并且离轴越远，

这种作用越强，这就

为将所有的电子会聚

到一点提供了可

能．实验和理论都证

明：不管亮度如何，

聚焦的条件是

G= UA 1K ／U A2K =常

数 (16-1)

图16-1

若U A1K ＞U A2K ，则G ＞1，

称为正向聚焦；若U A1K

＜U A2K ，则G ＜1，称反

向聚焦．由于光斑的亮度是由电子的速度及荧光屏上的单位面积的电子数决定，而反向聚焦速度比较小，因此光斑较暗．

2．磁场聚焦

磁场也可以使电子束线聚焦．把示波管放在螺旋管磁场中，将示波管的第一阳极、第二阳极、第三阳极、偏转板都联在一起，使得电子进入第一阳板后在等电位空间中运动．由于阴极发射出来的电子速度很小，可以认为电子的轴向速度是一样的，其大小由阳极电压U AK 来决定，即

电子的径向速度⊥V 是不一样的，电子进入磁场后受到洛仑兹力B eV F ⊥=(B 为磁感应强度)

的作用，⊥V 使电子在垂直于B 的平面作匀速圆周运动，而维持电子作匀速圆周运动的向心

力是洛仑兹力，则 B eV R mV ⊥⊥=2，所以圆运动半径

eB mV R ⊥=，电子作圆运动一周所需要的时间

eB m V R T ππ22==⊥ (16-2) AK eU mV =2//21 (16-3)

图16-2

m eU V AK

2//= (16-4)

电子在轴向不受力的作用，因此，作匀速直线运动．显然，两种运动合成的结果使得电子的运动轨迹是螺旋线，其螺距为 ////2V eB m TV h π== (16-5)

即，由一点出发的电子束，虽然各个电子的径向速度不相同，但由于轴向速度⊥V 相同，故各电子将沿不同的螺旋线前进，经过一个螺距h 后，又重新会聚到一点K ″，如图16-3所示，此即为磁聚现象．

利用磁聚现象可以测定电子的荷质比．调节电流从0逐 渐增加，使电子束交叉点K ′到荧光屏的距离L 等于螺距的整数倍，荧光屏上将出现一个亮点，这时 ),3,2,1(22 ===k m eU eB m

k kh L AK

π (16-6)

示波管中的L 是固定的，对一定的//V 来说，K ∝B ，而B 与通过螺线管的电流成正比，即B=μ0nI ．第一次k =1时，聚焦电流最小；k =2时，聚焦电流I 2是I 1的两倍，第n 次聚焦电流是I 1的n 倍，由此得

n I I I I n ++++=2121

1 (16-7)

将B=μ0nI 代入(16-6)式得电子的荷质比 22102)(8L I n U m e AK μπ= (16—8)

当继续调节B ，使h=L 21或h= L 31时，屏

上将出现第二次、第三

次聚焦．螺线管中的磁

感应强度B 与励磁电流

I 的关系近似为

B=μ0nI

式中n 为螺线管单

位长度的匝数。

实验内容

仔细阅读电子束实验仪的使用说明书．

1．1．观察电场聚焦，通过测量相关数据，总结其规律．

2．2．观察磁场聚焦，通过测量相关数据，总结其规律．并计算电子的荷质比观察电场聚焦，通过测量相关数据，总结其规律．

3．3．有兴趣的同学，可以在此地实验的基础上，演示示波器的示波原理．

思考与问答

1．电场聚焦，磁场聚焦的条件是什么?

2．怎样用磁场聚焦测量电子荷质比?

3．当螺线管电流I 逐渐增加，电子射线从第一次聚焦到第二次、第三次聚焦，屏上的亮斑怎样运动?并解释之．