实验十三 电子束线的电偏转与磁偏转

实验十三 电子束线的电偏转与磁偏转

实验目的

1．研究带电粒子在电场和磁场中偏转的规律。 2．了解电子束线管的结构和原理。 实验仪器

SJ —SS —2型电子束实验仪。 实验原理

在大多数电子束线管中，电子束都在互相垂直的两个方向上偏移，以使电子束能够到达电子接受器的任何位置，通常运用外加电场和磁场的方法实现，如示波管、显像管等器件就是在这个基础上运用相同的原理制成的。

1．电偏转原理

电偏转原理如图4－17－1所示。通常在示波管（又称电子束线管）的偏转板

上加上偏转电压V ，当加速后的电子以速度v 沿Z 方向进入偏转板后，受到偏转电场E （Y 轴方向）的作用，使电子的运动轨道发生偏移。假定偏转电场在偏转板l 范围内是均匀的，电子作抛物线运动，在偏转板外，电场为零，电子不受力，作匀速直线运动。在偏转板之内

22)(212

1v

Z m eE at Y == （4－17－1）

式中v 为电子初速度，Y 为电子束在Y 方向的偏转。电子在加速电压V A 的作用下，加速电压对电子所做的

功全部转为电子动能，则A eV mv =221

。

将E ＝V ／d 和v 2代入（4－17－1）式，得

d

V VZ Y A 42

=

电子离开偏转系统时，电子运动的轨道与Z 轴所成的偏转角ϕ的正切为

d V Vl dZ dY tg A l x 2===ϕ （4－17－2）

设偏转板的中心至荧光屏的距离为L ，电子在荧光屏上的偏离为S ，则

L S

tg =ϕ

代入（4－17－2）式，得

d

V VlL S A 2= （4－17－3）

由上式可知，荧光屏上电子束的偏转距离S 与偏转电压V 成正比，与加速电压V A 成反比，由于上式中的其它量是与示波管结构有关的常数故可写成

A

e V V k S = （4－17－4）

k e 为电偏常数。可见，当加速电压V A 一定时，偏转距离与偏转电压呈线性关系。为了反映电偏转的灵敏程度，定义

)1(A e V k V S ==电δ （4－17－5）

电δ称为电偏转灵敏度，单位为毫米/伏。电δ越大，表示电偏转系统的灵敏度越高。

2．磁偏转原理

磁偏转原理如图4－17－2所示。通常在示波管的电子枪和荧光屏之间加上一均匀横向偏转磁场，假定在l 范围内是均匀的，在其它范围都为零。当电子以速度v 沿Z 方向垂直射入磁场B 时，将受到洛仑磁力的作用在均匀磁场B 内电子作匀速圆周运动，轨道半径为R ，电子穿出磁场后，将沿切线方向作匀速直线运动，最后打在荧光屏上，由牛顿第二定律得

R

v m evB f 2

== 或 eB mv R =

电子离开磁场区域与Z 轴偏斜了θ角度，由图4－17－2中的几何关系得

mv leB R l =

=

θsin

电子束离开磁场区域时，距离Z 轴的大小α是

)cos 1()cos 1(cos θθθα-=-=-=eB mv R R R 电子束在荧光屏上离开Z 轴的距离为 αθ+⋅=tg L S 如果偏转角度足够小，则可取下列近似

θθθ==tg sin 和 2

1cos 2

θθ-=

则总偏转距离

)

6174()2(2)

(212

2

)

2

11(22

2

2

2--+=+

=⋅+⋅=⋅+

⋅=+

⋅=+-+⋅=l L m v leB m v eB l m v leB L m v leB eB m v m v leB L eB m v L R L R L S θθθθθθ

又因为电子在加速电压V A 的作用下，加速场对电子所做的功全部转变为电子的动能，则

m eV v eV mv A A 2212

=

=即

代入（4－17－6）式，得

)21

(2l L meV leB S A

+=

（4－17－7）

上式说明，磁偏转的距离与所加磁感应强度B 成正比，与加速电压的平方根成反比。

由于偏转磁场是由一对平行线圈产生的，所以有

KI B =

式中I 是励磁电流，K 是与线圈结构和匝数有关的常数。代入（4－17－7）式，得

)21(2l L meV KleI S A += （4－17－8）

由于式中其它量都是常数，故可写成

A

m V I k S ⋅= （4－17－9）

k m 为磁偏常数。可见，当加速电压一定时，位移与电流呈线性关系。为了描述磁偏转的灵敏程度，定义

A

m V k I S 1==磁

δ （4－17－10）

磁δ称为磁偏转灵敏度，单位为毫米/安培。同样，磁δ越大，磁偏转的灵敏度越高。

仪器描述

本实验所采用仪器是SJ —SS —2型电子束实验仪，如图4－17－3所示。该仪器主要由示波管、显示电路、励磁电路、测量电路、电源等部分组成。仪器板面上各旋钮、电表的作用如下：

辉度：用来改变加在控制栅板G 上的电压，以调节屏上亮点的亮度。

聚焦：用来改变加在第一阳极A 1上的电压，以调节屏上亮点的粗细。

辅助聚焦： 用来改变加在第二阳极A 2上的电压与“聚焦”旋钮配合使用，调节屏上亮点的粗细。

高压调节：用来改变示波管各电极的电压大小，但不改变各电极的电压比。

电偏转：用来改变加在垂直（或水平）偏转板上的电压，以调节屏上亮点的上下（或左右）位置。

功能选择：用于选择实验项目。

励磁电流：用于调节磁聚焦线圈中，或磁偏转线圈中的电流大小。

KV 表：用以直接指示V 2电压的大小。

mA —V 表：经“功能选择”开关的转换，可以分别测量聚焦电压V 1（量程为0—50V ×15），电偏电压（量程为0—50V ×3），磁聚励磁电流（0—50mA ×20），磁偏励磁电流（量程为0—50mA ×1）。

插头指示（安全指示）：用于指示仪器是否处于安全使用状态，其作用与验电笔相似，手触指示灯管时，若指示灯发亮，则表明是安全的。

本仪器使用时，周围应无其它强磁场存在，仪器应南北方向测试，避免地磁场的影响。 实验内容 1．电偏转

（1）将“功能选择”置于X 或Y 电偏位置，按图4－17－4（X 电偏接线）或图4－17－5（Y 电偏接线）插入导联线。

（2）接通“高压电源开”，调节“高压调节”，“辅助聚焦V 2”，将V 2调节至最大值，保持辉度适中，调节V 1聚焦。