电子和场实验

电 子 和 场 实 验
一、实验仪器
整个实验仪器安放在一只仪器箱子内，各元件成积木式结构，根据不同实验的需要，将相应元件装配实验电路。

仪器的核心元件是一只电子示波管（型号为SF-4），这种示波管体积较小，偏转灵敏度高，管壁的石墨屏蔽层成环带状，从管壁外部可以清楚地看到管内各电极的形状构造，很适宜于教学上的特殊要求。

示波管在仪器面板上是半固定的，必要时可以卸下前端刻度板，把管身稍为抬起，以便套上纵向磁场线圈。

仪器面板根据需要划分成几个功能，左面是示波管部分，在管颈两侧可以插入横向磁场线圈，左下方为外接交直流磁场激励电源的电路。

中部下方是理想二极管管座和相应的电路部分，它的上方是电子束强度控制电路部分，右上方为电子枪的供电及控制电路，它的下面是静电偏转系统的供电及控制电源，右下方为本机电原理图。

仪器箱内装有小型电源，配有交流6.3V （3A ）电源（供示波管灯丝或理想二极管灯丝），直流负高压-1300V （2mA ）±50V 直流偏转电压，+30V 直流电压和交流10V 等多组电源。

二、实验内容
首先要求掌握示波管的结构（见实验16 示波器的使用，P118-119）。

（一）电子在横向电场作用下的运动（电偏转）
实验原理
这个实验，在实验原理上要求学生掌握示波管的内部构造。

电子束在不同电场作用下 加速和偏转的工作原理，在实验操作上熟悉示波管各电极与电源的连接，加速电压的调节，电子束强度及聚焦的控制方法等。

偏转系统由两对互相垂直的偏转板组成，一对竖直偏转板Y1、Y2，一对水平偏转板X1、X2。

在两块Y （或X ）偏转板间加上电压时，受电场力的作用，通过两板之间的电子束的方向发生偏转。

设偏转电极中心到荧光屏距离为L ，电子在荧光屏上的竖直偏移为y （图1），则有 22dU bLU y y
= （1-1） 式中，b 为偏转板长度;d 为偏转板间距离；U y 为竖直偏
转电压；U 2为电子进人偏转场之前，使电子加速的电压。

电偏转灵敏度定义为偏转板上加单位电压时，所引
起的电子束在荧光屏上的偏移，则示波管的Y 轴电偏转
灵敏度
22dU bL U y Sy y == （1-2） 同理，示波管的X 轴电偏转灵敏度为
2
2dU bL U x Sx x == （1-3）
为了提高偏转准确度和灵敏度，使电子束不受偏转板出口边缘效应的影响，常采用斜置偏转板，这种情况下电子束的偏转量更接近于真实偏转量，但表达式较复杂，这里不再给出。

实验步骤
1．仪器面板中部上方的灯丝开关拨向“示波管”一边，打开电源开关，示波管灯丝亮。

2．接插线（用示波管部分）：A1──V l，A2──⊥，Vd±──X1Y1，Vdy±──Y2，Vdx±──X2。

3．调焦：把聚焦选择开关置于“点”聚焦位置，辉度（栅压）控制处在适当位置，调节聚焦电压，使屏上光点聚成一细点，光点不要太亮，以免烧坏荧光物质。

4．测加速电压V2：用万用表2500V档（MF47型，量程选直流1000V档，“+”表笔插2500V插孔）“-”──K；“＋”──A2（V2）。

5．测偏转电压Vd：用数字表直流200V档。

“-”──Yl，“+”──Y2。

6．光点调零：用万用表测Vd；调Vdy（或Vdx）使Vd为0，这时光点在y（或x）轴上应在中心原点，若不在调V y0(或Vx0)即Y调零（或X调零）旋钮使光点处在中心原点。

7．测量不同V2时（至少二组）的y──Vd（每组至少测6个点）直线(y从屏外刻度板读出)。

数据处理
在坐标纸上画出y──Vd图线，计算直线的斜率（即电偏转灵敏度）。

电子束的偏转量随横向电场大小成线性变化关系。

直线的斜率表示电偏转灵敏度的大小，直线的斜率随加速电压的大小而变化，说明偏转灵敏度与电子的动能大小有关或者说和速度大小有关。

（二）电子在纵向不均匀电场作用下的运动（电聚焦）
实验原理
要把阴极发射出来的自由电子会聚成一条极细的电子束，可用电场或磁场聚焦。

在普通示波管中，多采用电场聚焦，而大屏幕示波管中，则采用磁场聚焦。

下面讨论电场聚焦原理。

图2
示波管电子枪内的电场等势面分布如图2(a)中所示的弯曲线。

阴极发射的电子在电场的作用下，会聚于控制栅极小孔附近一点。

在这里，电子束具有最小的截面，往后，电子束又散射开来。

为了在屏上得到一个又亮又小的光点，必须把散射开来的电子束会聚起来。

象光束通过凸透镜（或透镜组）时，因玻璃的折射作用，使光束聚焦成一个又小又亮的点一样，也能使电子束通过一个聚焦电场，在电场力的作用下，电子运动轨道改变而会合于一点，结
果在荧光屏上得到一个又小又亮的光点。

产生这个聚焦的静电场装置，在电子光学里称为静电电子透镜。

电子枪内的聚焦电极A1与第二加速电极A2间组成一个静电透镜，它的作用原理如下： 图3是A1与A2之间电场分布的截面图。

虚线为等位线，实线为电力线，电场对Z 轴是对称分布的。

根据电子在电场中运动的知识可知，当电子飞越各电极所构成的加速电场时，由于电子带负电，则它的飞行方向将偏向等势面的法线。

电子束中某个散离轴线的电子沿
图3
轨道进入聚焦电场。

在电场的前半区（左半边），这个电子受到与电力线相切方向的作用力F ，F 可分解为垂直指向轴线的分力Fr 与平行于轴线的分力Fz 。

Fr 的作用使电子运动向轴线靠拢，起聚焦作用；Fz 的作用使电子沿Z 轴线方向得到加速度。

电子到达电场的后半区（右半边）时，受到的作用力F 可分解为相应的Fr 和Fz 两个分量。

Fr 使电子离开轴线，起散焦作用。

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，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Fr 的作用时间短得多，获得的离轴速度比在前半区获得的向轴速度小。

总的效果是，电子向轴线靠拢，整个电场起聚焦作用。

聚焦作用的强弱是由调节“聚焦”电位器即改变A1与A2之间的电位差，从而改变其间的电场强度来实现的。

这样，电子到达荧光屏时会聚于一个小点。

事实上，A1两端的电场皆有聚焦作用，是两个静电透镜的组合。

这种电子束聚焦系统和光学中凸—凹透镜组合聚焦系统很相似，如图2(b )所示，第一个透镜组的焦距比第二个透镜组要短。

实验步骤
1． 点聚焦接线：A1──V1，A2──⊥。

2．测加速电压V 2：同（一）4。

3．调好焦，测聚焦电压V 1：“–” ──K ，“＋” ──A1，用万用表直流1000V 档。

（V2、V1各测量2组）
4．线聚焦接线：A1──V1；A2──⊥（或＋200V ）。

聚焦开关打在线（Vx~）一边，调节加速电压和聚焦电压，观察散焦与聚焦现象。

5．加速电压对截止栅压的影响：A1──V1，A2──⊥，调节一加速电压，再调节栅压使光点刚刚消失，测V 2（表接线同上），测栅压V G 用数字表直流200V 档：“＋” ──K （注意：与前面反向）；“-” ──V G ，测量一组数据。

总结加速电压对截止栅压的影响。

这个实验，可使学生了解电子束聚焦的原理，了解加速电压对截止栅压的影响，还可以根据V2、V1值，用公式12V V n 计算电子透镜的折射率n 1、n 2。

（三）电子在横向磁场作用下的运动（磁偏转）
实验原理
电子束通过磁场时，在洛伦兹力的作用下发生偏转。

如图4
所示，设实线方框内有均
匀的磁场，磁感应强度为B ，方向与纸面垂直；由纸面指向读者，在方框外B=0。

电子以速度v z 垂直射入磁场，受洛伦兹力ev z B 的作用，在磁场区域内作匀速圆周运动，轨道半径为R 。

电子沿AC 弧穿出磁场区域后变为作匀速直线运动，最后打在荧光屏的P 点上，光点的位移为y 。

由牛顿第二定律有
R
v m B ev f z z 2== 于是得 eB
m v R z = （3-1） 设偏转角φ不很大，近似地有 L
y R b =≈φt a n 由上两式得到磁偏转位移y B m v ebL y z
= （3-2） 再由式222
1eV mv z =消去v z 得 b L B mV e y 2
2= （3-3） 上式表明，光点的偏转位移y 与磁感强度B 成线性关系，与加速电压V 2的平方根成反比。

将式（3-3）和式（1-1）相比较可以看出，提高加速电压对磁偏转灵敏度降低的影响，比对电偏转灵敏度的影响小。

因此，使用磁偏转时，提高显象管中电子束加速电压来增强屏上图像的亮度水平比使用电偏转有利。

而且，磁偏转便于得到电子束的大角度偏转，更适合于大屏面的需要。

因此显象管往往采用磁偏转。

但是，偏转线圈的电感与较大的分布电容，不利于高频使用，而且体积和重量较大，都不及电偏转系统。

所以示波管往往采用电偏转。

实验步骤
1．接线：A1──V1，A2──⊥，测V2（表接线同上）：机外直流稳压电源串接数字万用表200毫安档，再接到本机“外供磁场电源”，二只偏转线圈分别插入示波管二侧。

2．测不同V2（至少二组）时的y ──I 直线（每组至少测6个点）。

y 从屏外刻度板读出，Ia 从串接毫安表上读出。

Ia=0，y=0时，如光点不在中心可通过（一）6步骤调零。

数据处理
在坐标纸上画出y ──Ia 图线，计算直线的斜率。

在这个实验中，实验内容是与静电偏转对比着做的。

根据理论分析结果表明，总的偏转量y 与磁场强度B 的大小即与电流Is 的大小成正比，所以在V 2一定的条件下y 与Is 成线性关系。

然而，直线的斜率随加速电压V 2的变化规律与静电偏转情况是不同的，静电偏 转灵敏度与加速电压V 2成反比；磁偏转情况下，它与加速电压的平方根
2V 成反比。

根据y ──Ia 图线，整理出偏转量 y 随比值2V I a
的变化关系式就可以从实验上证实这一规律。

（四）理想二极管中电子的运动规律（伏安特性）
理想二极管也称标准二极管，是一种进行了严格设计的理想器件，相当于开关，导通时没有电压，截止时没有电流。

这种真空二极管采用直热式结构，如图5所示。

为便于进行分析，电极的几何形状一般设计成同轴圆柱形系统，用钨丝材料做成阴极，呈直线形，其发射面限制在温度均匀的一段长度内。

为保持灯丝电流稳定，用直流恒流电源供电。

阳极为圆筒状，并可近似地把电极看成是无限长的圆柱，即无边缘效应。

为了避免阴极K 两端温度较低和电场不均匀，在阳极A 两端各装一个圆筒形保护电极B （辅助阳极），并在玻璃管内相连后再引出管外，B 与A 绝缘，因此，保护电极虽与阳极加相同的电压，但其电流并不包括在被测热电子发射电流中。

在阳极中部开有一个小孔，通过小孔可以看到阴极，以便用光学高温计测量阴极温度。

理想二极管的Ia 与V a 的二分之三次方成正
比。

实验步骤
l ．二极管和示波管的灯丝转换开关拨向二极
管一边，开机灯亮。

2．接插线；灯丝中点──“⊥” ，+200V
──A2。

Ia 用数字万用表毫安档测，“-”──A1，+”
──A2。

测 V a 用直流1000V 档，“＋” ──A2，
“-” ──⊥。

（各档位可根据测量情况换用）
3． 灯丝电压用数字万用表交流20V 测。

用
“ FF ”两孔。

4．测没有V F 时的Ia ——V a 值。

5． V a 为横座标，Ia 为纵座标，在不同V F （V F
在5.0V ~6.0V 之间选2组）时的伏安特性曲线。

在V a 低时，曲线满足3／2次方定律。

数据处理
画出Ia ——V a 和Ia ——V a 3/2的图线。