电子束示波器综合实验仪实验指导书

电子束示波器综合实验仪实验指导书实验一电子束的控制、加速与静电聚焦截面细窄的电子流称为电子束。

产生电子束的器件一般均为要求有10-6mmHg以上的真空，以免电子与空气分子碰撞而散射.产生电子束的器件称为阴极射线管，简写为CRT。

现代电子发射技术和高真空技术制造了各种CRT器件，例如电视显像管、雷达扫描显示屏、示波管等。

以这种真空器件为核心，配合各种电子电路组成一系列示波、图像显示设备。

学习掌握电子在电场、磁场中的运动规律及实验方法是今后学习示波电测技术必备的基础。

【实验目的】1.观察电子束的控制、加速观像，测量不同加速电压下电子束的截止电压。

2.学习电子枪的结构，了解各极电压及电压分配情况。

实测各极电压。

3.观察聚焦电压V1和辅助聚焦V2对静电场聚焦的影响，实测不同加速电压下的聚焦、辅助聚焦电压。

【仪器设备】WS-JD-DZS型电子束示波器综合实验仪、数字万用表【实验原理】一、示波管简介示波管分为电子枪、偏转板和荧光屏三部份（见图1-1）1.电子枪：由加热电极（灯丝极）F、阴极K、栅极（调制极）G、加速电极 A2’第一阳极A1（聚焦极）和第二阳极A2（辅助聚焦极）组成。

A2’与A2内部相连。

2.偏转板：DX水平偏转X、X’一对；DY垂直偏转Y、Y’一对；3.荧光屏：是在示波管玻璃屏内表面涂敷荧光物质膜层构成；外部用玻璃封装，抽真空并加有吸气剂。

本实验所用示波管为8SJ31J型。

灯丝F（加热电极）通以电流后发热（电压6.3V），用于加热阴极K。

阴极是一个表面涂有氧化物（钡、锶的氧化物）的金属圆筒，经灯丝加热后，温度上升，一部分电子脱离圆筒表面，变成自由电子发射，自由电子在外电场作用下形成电子流。

栅极G为顶端带孔（Ø1mm）的圆筒，套装在阴极之外，其电位调在比阴极低的水平上，对阴极发射电子起控制作用。

调节栅极电位能控制射向荧光屏的电子流密度。

电子流密度大，电子轰击荧光屏的总功率大，荧光屏上的光点被激发就越亮。

当栅极电位调到相对阴极足够负时，将没有电子轰击荧光屏，则屏上光点消失。

此时栅极阴极间的电位差称作调制极截止电压，8SJ31J截止电压为-35～－70V。

调节栅极和阴极间电压可控制屏上光点亮度，这就是亮度调节。

为了使电子束获得较大能量轰击荧光屏发光，在栅极之后装有加速电极A2’，其电压比阴极高1000V左右，A2’是一长金属圆筒，筒内有一对同轴中心孔金属片，用于截获离开轴线的电子，使电子束有较细截面。

加速极后面是第一阳极A1和第二阳极A2（A2与A2’相连接）第一阳极电压一般为几百伏，与A2’、A2一样也是中间有小孔的园板，A2’、A1、A2三极形成的电场除加速作用外，还起着会聚作用，使电子束会聚成很细一束，这种作用称为聚焦，改变A 1第一阳极电压可改变A2’、A1X、A1、A2间电场分布，将影响会聚，所以A1称为聚焦极。

A1电压调节称为聚焦调节。

A2’、A2电压也影响会聚，调节A2电压的电位器称为辅助聚焦调节。

为了使电子束能够打到荧光屏上任何部位，必须使从阴极到屏电子束运动的轨迹能按要求改变，这种运动轨迹的变化，我们称为“偏转”。

电子束的偏转可以用静电场，也可用磁场来实现，一般示波管采用静电场的办法使电子束偏转，称为静电偏转。

静电场由两对互相垂直的偏转板提供。

其中一对能使电子束在X方向偏转，称为X向偏转板DX（或水平偏转板）；另一对能使电子束在Y方向偏转，称Y向偏转板DY（或垂直偏转板）。

二、电子束的电聚焦原理电子束在非均匀静电场中传播，遵从的规律与光线在几种折射率不同的透明媒质中传播时遵从的规律从形式上极相似。

在示波管中，阴极发出的电子流处与加速电场中，这个电场从加速极（A2’）经过栅极（G ）到阴极（K ）表面。

（见图），这个电场使从阴极表面不同点发出的电子向栅极方向运动时，在栅极出口前会聚，形成一个电子束交叉点F 1，由加速极第一阳极、第二阳极所组成的电聚焦系统，把交叉点F 1成像在示波管的荧屏上，呈现直径足够小的光点F 2，这与凸透镜对光会聚成像作用相似，称之为电子透镜。

实验中用8SJ31J 示波管，加速电极A 2’为一圆筒，第一阳极A 1和第二阳极A 2为两膜片，V A2’>V A1<V A2属低电势，电子在A 1区域运动速度小，会聚作用时间长，合成的电子透镜仍然具有会聚性。

改变各电极之间的电势差，特别改变V A1，相当改变电子透镜的焦距。

可使电子束的会聚点正好落在荧光屏内表面，这是电子射线电聚焦原理。

【实验内容】准备：一、 在“电子枪”工作区中，给电子枪各极通过连线供电：① 灯丝F 供6.3V 。

通过灯丝给阴极加热；② 栅极G 供V G : V G 可调，是电子束控制电压、即亮度调节； 逆时针旋到底（最负、关闭）③ 阴极K 供V K : V K 可调，是输入负高压大小的调节； 居中 ④ 聚焦极A 1供V 1: V 1可调，是聚焦调节旋钮； 居中 ⑤ 辅助聚焦极A 2供V 2: V 2可调，是辅助聚焦调节旋钮。

居中二、在“偏转系统”工作区中，给偏转板通过连接线供电①水平偏转板D X:水平偏转板X 供V X ； V X 可调，由V X 调节电位器调整。

居中 水平偏转板X ’供V X ’； V X ’可调，由X 调零电位器调整。

居中②垂直偏转板D Y :垂直偏转板Y 供V Y ； V Y 可调, 由V Y 调节电位器调整。

居中 垂直偏转板Y ’ 供V Y ’； V Y ’ 可调，由Y 调零电位器调整。

居中三、在“功能转换”工作区中，提起红色按键钮，使处于“电子束”工作状态。

四、在“数显高压表”工作区中，插好红（＋）、黑（－）表笔。

五、在机箱背后插上电源线(AC220V)，经教师插检无误后，打开电源开关（电源指示灯亮），预热两分钟顺时针调节亮度旋钮，使屏中光斑亮度适中。

六、调节Y、X偏转板对地电位V Y=0,V X=0;再微调Y、X调零电位器，使光斑处于荧光屏中央。

七、调节聚焦电位器、辅助聚焦电位器（注意光斑变小后亮度会增加，避免烧坏荧光粉，应随时调低亮度）使光斑小而园。

八、“电子束加速高压”可调范围及“聚焦”调节范围的测量：①最高电子束加速电压：“亮度”左旋到头（最暗）（顺时针旋到头）“高压调节”右旋到头（最高）（顺时针旋到头）“辅助聚焦”右旋到头（最高）（逆时针旋到头）②最低电子束加速电压：“亮度”右旋到头（最亮）（逆时针旋到头）“高压调节”左旋到头（最低）（逆时针旋到头）“辅助聚焦”左旋到头（最低）（顺时针旋到头）范围：U K2max—U K2min＝（V）U K2max时： U12= ～ (V)U K2min时： U12= ～ (V)九、“电子束”截止电压的测量：①电子束最大截止负压：“高压调节”右旋到头（最高）（顺时针旋到头）“辅助聚焦”右旋到头（最高）（逆时针旋到头）“亮度”调到光斑刚消失（截止）（顺时针旋）②电子束最小截止负压：“高压调节”左旋到头（最低）（逆时针旋到头）“辅助聚焦”左旋到头（最低）（顺时针旋到头）本机调制极截止电压范围：_V~ _ V※8SJ31J示波管制作中的离散性决定了每个管子截止电压范围不尽相同，典型数据为：-35V～-70V.十、电子束阴极电流的测量：摘掉“阴极K—V K”连线，串入数字万用表直流20mA量程。

（注意安全，应在断电状态下操作。

经老师检查无误后送电）①本机最大阴极电流范围：“高压调节”右旋到头（最大）（顺时针旋到头）“辅助聚焦”右旋到头（最大）（逆时针旋到头）“亮度”左、右旋到头（最大范围）（左右旋）②本机最小阴极电流范围：“高压调节”左旋到头（最小）（逆时针旋到头）“辅助聚焦”左旋到头（最小）（顺时针旋到头）十一、调节电子枪处于最佳工作状态，实测各极参数（以地为参考点）※VFF为示波器灯丝电压，用数字表交流电压量程测量。

总结：V K、V G、V1、V2的关系思考题：①你能依据以上数据计算出示波管在高压最高时和最低时的管内阻吗？②什么是参考点？什么是电位？什么是电压？实验二电子束的偏转研究许多近代检测仪器都是利用带电粒子在电场和磁场中的运动规律设计而成的，例如，示波器、电视机、粒子加速器、质谱仪等。

今天，电子技术的应用已深入到了各个领域，因此了解和认识带电粒子在电磁场中的运动规律已成为学习和掌握近代科学技术必不可少的基础知识。

本实验主要研究电子在横向电场和横向磁场中的偏转规律，实验中电子的行为同经典粒子一样，它们遵从牛顿运动定律。

也就是说，我们讨论的电子的运动速度远小于光速(3.00×108m/s)，因此不需做相对论修正，电子运动的空间范围也远大于原子的线度(10-8m)，因此也不必考虑量子效应。

一、【实验目的】(1)研究电子在横向电场中的运动规律。

(2)研究电子在横向磁场中的运动规律。

二、【实验原理】1．示波管实验中用到的主要仪器是示波管，图1是示波管的结构原理图。

它包括有：(1)一个电子枪，它发射电子，把这些电子加速到一定的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，分别叫做x偏转板和y偏转板。

(3)一个在管子末端的荧光屏，在电子的轰击下可发出可见光，用来显示电子束的轰击点。

电子枪的结构如图2所示，自左至右分别是灯丝、阴极K、控制栅极G、第二栅极加速极A´2、第一阳极A1，和第二阳极A2。

阴极表面涂有锶和钡的氧化物，阴极通过灯丝加热至1200K时将会在其表面逸出自由电子(热电子)。

控制栅极G的工作电位低于阴极约35～70V，只有那些能量足以克服这一电位产生的电场作用的电子才能穿过控制栅极。

因此，改变这个电位，便可以限制通过栅极的电子数量，即控制电子束的强度或屏上光点的亮度。

第二栅极A´和第二阳极A2相连，它们对阴极的电位约为+1kV左右，用于加速阴极发出的电子。

第一阳2极A1位于A´2和A2之间，它的工作电位V1低于A´2和A2的工作电位V2，A1与A´2、A1与A2间的电场构成电子透镜，它的作用是把从控制栅极G发射出来的不同方向的电子聚集，选取适当的V1、V2值，使从控制栅极G发射出来的不同方向的电子在荧光屏上聚集成一个小点。

通常将V2固定，通过改变V1实现聚集，所以A1电极被称为聚焦电极，电子枪内部各电极电位的高低顺序如下：偏转板上所加的电压为偏转电压，当电子束经过两板间时便会在偏转电场的作用下发生电偏转。

电子枪的各电极均由金属镍材料制成，它既能屏蔽电场，又能屏蔽磁场。

2．电致偏转从阴极发射出来的电子，在第二阳极A2射出时在z方向具有速度υz，υz值取决于阴极K和第二阳极之间的电位差V。

如果电子逸出阴极时的初始动能可以忽略不计，那么电子从2第二阳极A2射出时的动能就由下式确定：（1.1）下面讨论电子通过偏转板的行为，见图2。