电子束实验

电选二 电子束实验

随着近代科学的发展，电子技术的应用已深入到各个领域，关于带电粒子在电场、磁场中运动规律已成为掌握现代科学技术必不可少的居处知识。

我们常用示波器中的示波管（又名阴极射线管）来研究带电粒子在电场、磁场中运动的归路。它的结构原理图如图一所示；它由电子枪、偏转系统及荧光屏组成。电子枪的作用是发射电子把它加速到一定速度并聚成一细束；偏转系统是由两对平行电板构成，一对上、下放置叫Y 轴转板或垂直偏转板，另一对左、右放置叫X 轴偏转或水平偏转；荧光屏是用以显示电子束打在示波管端面的显示屏。所有这几部分都密封在一只玻璃外壳中，玻璃壳内抽成高度真空，以避免电子与空气分子发生碰撞引起电子束的散射。

图一

电子枪内的阴极K 被灯丝加热后，便在其前端（此处涂有金属氧化物以增加电子发射量）发射出大量电子。由于控制栅极G 的电位低于阴极K （相对于阴极K 大约5—10V 的负电压），它产生一个电场是要把阴极发射出来的电子推回到阴极去。改变控制栅极电位可以限制穿过G 上小孔b 出去的电极A 2，两者相对于K 加有同一电压V 2（称之为阳极电压或加速电压），一般约有几百伏的正电压。它产生一个很强的电场使电子沿电子枪轴线方向加速。示波管电极A 1为聚集电极，在正常使用情况下它具有电位（相对于阴极）V 1介于K 和A 2的电位之间。在A 3和A 1之间以及A 1和A 2之间形成的电场且来把电子数据即成一束很细的电子流，聚集程度好坏主要取决于V 1和V 2的大小。电子束从两对偏转电极穿过。当电极上加了电压后便产生横向电场使电子束向某一侧偏转。最后，电子束打在涂有一特殊荧光物质薄层的荧光屏上，在电子的轰击下会发出可见光。

实验室为同学准备了“电子束实验仪”，它可以实验一下主要内容：

实验一：研究电场对电子加速。电子束在横向匀强电场作用下的偏转，电子+横向电场——

电偏转。

实验二：纵向不均匀电场对电子束的聚集作用。电子束强度的控制，电子+纵向电场——电

聚集。

实验三：电子束在横向磁场中作用下的偏转。电子+横向磁场——磁偏转。

实验四：电子束在纵向磁场中作螺旋运动的规律。利用这一规律测定电子的核质比，电子的

纵向磁场——螺旋运动，磁偏转。

本讲义着重介绍实验一、四内容。如果同学对其它内容感兴趣的话，可以自行准备、收

荧光屏

高压电源

r r

集资料、进行研究、实验，以待优良级答辩之用。

实验一 电子束的加速和电偏转

电子是带负电的粒子，电子在电场中受到库仑力的作用，力的方向和电场方向相反。本实验研究电子在电场中的加速和偏转。

若电子原来具有一定的速度。如果电场方向和电子运动方向平行，电子在电场力的作用下将被加速或减速。

另一种情况，如果电场方向和电子运动方向垂直，电子在该电场作用下将要发生横向偏移。图二表示了电子在横向电场作用下的偏转情况。现取一个直角坐标系来研究电子的运动，令Z 轴沿阴极射线管的管轴方向，从荧光屏看X 轴为水平方向，Y 轴为垂直方向。

图2 电子在匀强电场中的运动

忽略电子离开阴极时有限的初动能，电子从阳极A 2射出的动能由下式决定：

22

2

1eV mv z = （1） 式中V 2为阳极A 2对于K 的电位。V Z 为电子离开A 2时的轴向速度。

当电子在偏转板（偏转板长度为l 两极板间距离为d ）中穿过时，如果两板间电位差为零，电子笔直的穿过偏转板之间，打在荧光屏中央，形成一个小亮斑。如果在垂直偏转板电极（或一对平行偏转板电极）之间加一电压V d ，则电子在穿过偏转板电极时受到一横向力F y （F y =eE y =eV d /d ）的作用。但这横向力F y 不改变轴向速度V Z ，当电子从偏转板穿出时它的运动方向与Z 轴成θ角，应该满足下面的关系式：

z

y v v tg =

θ （2）

电子从电极之间穿过所需时间为△t,在这期间电子在横向力F y 作用下横向动量增加为mV y ，应等于F y 的冲量：

t d

V e t F mv d

y y ∆=∆⋅= （3） t d

V m e v d

y ∆⋅=

（4） Z

由于Z V l t /=∆

Z

d y v l

d V m

e v ⋅⋅=

∴ （5） 因此：

2

Z

d Z

y dmv l

ev v v tg =

=

θ （6） 将式（1）代入（6）得：

d

V l

V tg d 22⋅⋅=

θ （7）

当电子从偏转板出来后，就沿着直线运动，直线的倾角就是电子偏转区后的速度方向。荧光屏上亮斑在垂直方向偏转距离D 为：D=L ·tg θ。L 为该直线与Z 轴的交点至荧光屏的距离。

2

2V V d l L tg L D d

⋅⋅

=⋅=∴θ （8） 这一式子表明，偏转量随V d 增加而增加，还与l 成正比，电极愈长偏转电场的作用时间愈长，引起的偏转愈大。偏转量与d 成反比，两平板距离愈大，在给定电位差下所产生的偏转电场愈小。V 2增大时，V Z 增大，偏转电场作用时间减少，电子的偏转里昂就减少。

一、实验内容：

1．偏转的测量：保持加速电压和聚焦电压不变，测量D 随V d 的变化画出D 随V d 变化曲线。注意记下V 2、V 1数值，测8组数据。

2．改变加速电压：改变V 2的大小，再调解到最佳聚焦，重复观察D 与V d 关系，至少对两个以上V 2值进行重复测量，在同一张坐标纸上画出第二条D 随V d 变化曲线。在上图的基础上，整理出DV 2与V d 的数据，画出DV 2—V d 曲线，该曲线说明了什么？ 3．确定l /d ：根据上面确定的数据，用最小二乘法求出l /d 值。

二、使用仪器：电子束实验仪、万用表等。 三、实验步骤：

1．灯丝钮子开关拨向“示波管”一边，示波器亮。

2．接插线A 1接V 1，V 2接⊥，±d V 接x 1y 1, d V 接x 2, dy V 接y 2。

3．调焦：把焦聚选择开关置于“点”聚焦位置，辉度控制处在适当位置，调节聚焦电压V 1

（在280—380伏之间），使屏上光点聚成一细点，光电不要太亮，以免烧坏荧光物质。 4．测加速电压V 2；用万用表2500V 档。“—”接K ；“+”接A 2（如需测X 偏转灵敏度只需将y 1、y 2换成x 1、x 2即可）。

5．测偏转电压V d ：用数字表直流200V 档。“—”接y 1；“+”y 2（如需测X 偏转灵敏度只需将y 1、y 2换成x 1、x 2即可）。

6．光点调节；用数字表测V d ，调V dy （或V dx ）使V d 为0，这时光点在Y （或X ）轴上应在中心原点，若不在调V d0（或V x0）旋扭（y 调零旋钮），使光点处在中心原点。 7．测量不同V 2时（至少三组）的D 随V d 的变化值。

四、注意事项：