实验二十四电子束的偏转

实验二十四 电子束的偏转

示波器中用来显示电信号波形的示波管和电视机、摄像机里显示图像的显像管、摄像管都属于电子束线管，虽然它们的型号和结构不完全相同，但都有产生电子束的系统和电子加速系统，为了使电子束在荧光屏上清晰的成像，还要设聚焦、偏转和强度控制系统。对电子束的聚焦和偏转，可以利用电极形成的静电场实现，也可以用电流形成的恒磁场实现。前者称为电聚焦或电偏转。随着科技的发展，利用静电场或恒磁场使电子束偏转、聚焦的原理和方法还被广泛地用于扫描电子显微镜、回旋加速器、质谱仪等许多仪器设备的研制之中。本实验在了解电子束线管的结构基础上，先讨论电子束的偏转特性及其测量方法。

【目的】

1.了解示波管结构和原理。

2.研究带电粒子在电场和磁场中偏转的规律。

3.测试示波管的电偏灵敏度和磁偏灵敏度与加速电压的关系。

【原理】

示波管的基本结构主要由以下4个部分组成 （1）示波管

示波管的构造如图4-43所示。当加热电流通过灯丝时，阴极K 被加热并发射电子，栅极G 加上相对于阴极为负的电压，调节栅极电压的大小，可以控制阴极发射电子的多少，即控制光点的亮度。第一阳

极A １相对于阴极K 有很高的电压（约

1 500V ）用以加速电子；第二阳极

A ２与第一阳极A １之间构成聚焦电

场，使发散的电子束在聚焦电的作用下汇聚起来，打在荧光屏上发出荧光。X 、Y 偏转板是2对分别平行且相互垂直的属极，在平行板上加不同的电压控制荧光屏上的光点的位置。光点移动距离的大小与加在偏转板上的电压成正比。

(2)扫描电压发生器

扫描电压发生器是产生扫描电压的装置。

示波器通常是要观察轴输入的周期性信号电压的波形。如果只把被测信号（如正弦电压）加在Y 偏转板上，而亮线。要在荧光屏上显示出正弦电压的波形，就必须使亮点在Y 轴上的运动沿X 方向展开。为此必须在X 偏转板上加一周期性随时间线性变化的电压，这种电压称为扫描电压。这样荧光屏上光点在作竖直运动的同时还要作自左向右的匀速运动。如果扫描电压的周期T ｘ与正弦电压的周期T ｙ相同，荧光屏上将显示一个完整的正弦波形。如果T ｘ是T ｙ的整数倍，则荧光屏上将显示出n 个完整的正弦波形。若用频率表示，则为：

f Ｘ＝nf Ｙ

为了能用示波器观察各种频率的信号电压波形，扫描电压的频率必须在很大的范围内连续可调，调节扫描电压的频率，使其与Y 轴输入信号电压的频率成整数比方可。这一调整过程称为“同步”。人工“同步”可以很容易达到f Ｘ＝nf Ｙ，使其出现暂时稳定的图形。由于

图4-52 电子束的电偏转

图4-43 电子射线示波管 A １-第一阳极 A ２-第二阳极 f-灯丝

G-栅极 K-阴极 X 、Y-偏转转板

U Ｘ和U Ｙ是来自两个相互独立的信号源，它们各自的频率总会有些起伏，因此稳定状态很快又遭破坏。为了解决这一问题，示波器内部设有同步装置。在两频率基本满足整数倍的条件下，该装置将待测信号电压分出一部分，自动地去调节扫描电压发生器的振动频率，使它与被测信号的频率严格保持整数比关系，使图形稳定。

（3）电压放大和衰减装置

由于示波器的灵敏度不高（0.1～1 mm/V ），当信号电压小时，电子束不能发生足够的偏荧光屏上亮点的位移过小，不便观察，为此，示波器内设有X 轴放大器和Y 轴放大器。先把信号电压放大，然后加到偏转板上。其放大倍数是连续可调的。衰减器是用来把放大的信号电压减小，以适应放大器的要求，否则放大器不能正常工作，甚至受损。衰减器通常分1、1/10、1/100三挡，习惯上是在示波器面板上用倒数1、10、100标出。

（4）电源

供给示波器、扫描电压发生器、X 轴放大器、Y 轴放大器正常工作所需的各种高、低压装置。

1.电子束的电偏转

电偏转是通过在垂直于电子射线的方向上外加电场来实现的，最简单的办法就是在示波管的垂直偏转板（或水平偏转板）上加上偏转电压U 。当电子束经加速极以初速x v 由x 正方向射入，因受到与y 轴平行的偏转电场的作用，而使电子束偏离轴线发生偏转，如图4-52所示。

设偏转板间距离为D ，长度为b ，偏转板到荧光屏之间的距离为L ，则电子束受电场力

D

eU

eE f Y =

=，产生加速度mD eU m f a y y ==。电子在x 方向上没有加速度，故从偏转板的左端运动到右端的时间x b v b t =，再从右端运动到荧光屏的时间为x

v b l t ⎪

⎭

⎫

⎝⎛-=21。电子离开板

右端的垂直距离2

2

.22⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛==x b

y b v b mD eU t a y ，在同一点的垂直速度x b y y v b

mD eU t a v ⋅=。电子离开板右端时不再受电场力的作用，作匀速直线运动。到达荧光屏的垂直距离为11t u y y =＝

x

x v b l v b mD eU ⎪

⎭

⎫ ⎝⎛-⋅

⋅2。由此得到电子束到荧光屏上的总的偏转距离为 2

1x

b mDv eULb

y y y =

+= (4-45) 设进入偏转板之前，使电子最后加速的第二阳极上的加速电压为2u ，则加速场对电子所做的功等于电子的动能，即

2

22

1x mv eU =

(4-46)

将式(4-46)代入式(4-45) 得

y ＝

2

22U U

K D U bLU E = (4-47)

可见比例系数D

bL

K E 2=

是与偏转板结构有关的常量，对于一定的示波管，电子束偏离中心轴线的距离与偏转电压成正比，与加速极的加速电压成反比。

若定义电偏转灵敏度为当偏转板上加单位电压时所引起的电子束在荧光屏上的偏转距离

2

1U K U y E ==

电δ (单位 mm/V) (4-48) 由此可见，当偏转电压为一定值的时候，电偏转灵敏度与加速电压2U 成反比，加速电压越大，δ电越低。

2.电子束的磁偏转

为使电子束偏转，通常在电子枪和荧光屏之间放置一对线圈，当线圈通以励磁电流I 时，在横向水平方向上将产生与电子束方向垂直的一均匀磁场，如图4-53所示。当电子以速度X V 垂直射入磁场时，必受洛仑兹力

B ev f x =作用在磁场区域内作圆周运动，洛仑兹力就是

向心力R mv x 2

，所以电子旋转的半径

eB

mv R x

=

（4-49） 电子离开磁场区域之后，因为B ＝ 0，电子不受任何作用力，应作直线运动，打在荧光屏上，由图4-53知，当ϕ角不很大时

L

h

R b ==

ϕtan (4-50) 由式(4-49)和(4-50)得磁偏转距离

B mv ebL

h x

=

(4-51) 设电子进入磁场前加速电压为2U ，则加速场对电子做的功全部转变为电子的动能

22

2

1eU mv x = 所以式(4-51)改写为

2

2emU bLBe

h =

(4-52)

式中,磁感应强度B 通常用产生磁场两偏转线圈中通过的电流的安培匝数表示，即B ＝

图4-53 电子束的磁偏转