电子束偏转实验

实验十电子束实验

Experiment 10 Electron beam experiment

随着近代科学技术的发展，电子技术的应用已深入到各个领域，例如电

子射线在电磁场中偏转和聚焦的规律，已在示波器、显像管、扫描电子显微

镜等仪器设备中广泛应用。带电粒子在电场和磁场中运动规律，已成为掌握

现代科学技术必不可少的基础知识。本实验研究电子在各种电场和磁场中的

运动规律，了解电子束实验仪的结构和原理。

实验目的Experimental purpose

1．了解电场对电子加速的原理，掌握电子束在横向均匀电场作用下偏转的规律。

2．了解电子束在横向磁场作用下偏转原理及规律。

3．掌握高压万用表及电子束实验仪的使用方法。

实验原理Experimental principle

示波器和电视机中用来显示图象的示波管都属于电子束管，都有产生电

子束的系统和对电子束进行加速、聚焦、偏转和强度控制等系统。本实验分

别讨论电子束的偏转特性及测量方法。

1．示波管简介Brief introduction oscillometer

示波管的内部构造如图1所示，玻璃壳里抽成真空。接通电源后，灯丝发热，阴极发射电子。栅极加上相对于阴极的负电压，其作用有：一是调节栅压的大小以便控制阴极发射电子的强度，所以栅极也叫控制极；二是栅极电压和第一阳极电压构成一定的空间电位分布，使得由阴极发射的电子束在栅极附近形成一交叉点（实际是最一小截面），图中F为灯丝，K为阴极，G为栅极，A1、A2分别为第一、第二阳极，第一、第二阳极的作用一方面构成聚焦电场，使得由阴极发射

的电子在聚焦电场的作用下又会聚起来；另一方面使电子加速。电子以高速打在荧光屏上使其发光，光亮度取决于达到荧光屏的电子数目和电子速度，改变栅压及加速电压的大小都可控制光点的亮度。

纵、横偏转板Y 、X 是两对相互垂直的平行板，偏转板上加以不同的电压，用来

控制荧光屏上光点的位置。因此可用示波管观察各种电压信号的波形。示波管的内表面涂有石墨导电极，叫做屏蔽极，它与第二阳极连接在一起。使荧光屏受到电子轰击而产生的二次电子由石墨导电层流入供电回路，避免荧光屏附近电荷积聚。这样，电子进入第二阳极后就在一个等电位的空间中运动。

2． 电子束在电场中的加速和偏转Electronic beams accelerate and deflect in the electric field

电子从阴极发射出来认为其初速度为零，经加速电场（其加速电压为U 2）加速后,电子从电子枪“枪口”（最后一个加速电极A 2的小孔）射出时的速度为

z ν，由下式确定：

222

1

eU m z =ν （1）

在示波管的两块偏转板加上电压时，通过两板之间的电子束将受电场力的作用，电子束的运动方向发生偏转，现只研究Y 偏转板上所加电压U d 与电子束射到屏上光点

在纵向位移距离S 之间关系（X

偏转板

图1示波管的结构

类同）。如图所示，令Z 轴沿阴极射线管的轴线方向，从荧光屏看X 轴为水平方向，Y 轴为垂直方向。

设Y 偏转板两板间距为d ，电位差为U d 。可将Y 偏转板看作是平行板电容器，则两板间的电场强度是：

d

U E d

y =

（2） 电子以速度z ν沿Z 轴方向垂直射入电场Ey 中，则电子受电场力

d

U e

eE f d

d y == 的作用，产生加速度：

m d

eU m f a d

y y =

=

（3） 由于电子在Z 轴方向上不受力的作用，所以电子在垂直于电场方向上作匀速直线运动，电子从Y 板左端运动到右端的时间为z

b b

t ν=

，再从右端运动到屏

的时间是：z

l l

t ν=

。电子在平行于电场方向是初速为零的匀加速运动，所以，

电子离开板的右端时的垂直位移：

2

2

1221⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛==z

d b y b m d eU t a y ν （4）

在A 点的垂直向下速度为：

⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛==z d

b y y b md

eU

t a νν （5） 电子离开板的右端时不再受电场力的作用，作匀速直线运动，到达屏上的垂直位移是

l y 2t y ν==⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛z z d

l b md

eU

νν （6） 电子在屏上的总位移：

⎪⎭

⎫

⎝⎛+=

+=l b md b eU y y S z d 2221ν （7） 令l b

L +=

2

（L 为板的中心到屏的距离），由于222eU m z =ν，所以： d U dU bL

S 2

2=

（8） 此式表明，偏转量S 随U d 增加而增加，还与L 成正比，与d 成反比。U 2增大时z v 增大，偏转场作用时间减小，偏转量S 随就减小。

电偏转灵敏度定义：在偏转板上作用单位偏转电压，所引起的电子束在荧光屏上光点偏转的距离大小，即：

d

U bL

U S d e 22=

=

δ （9） e δ一般以mm/v 为单位。e δ与加速电压U 2成反比，要获得较高的灵敏度，应使U 2较小，一般加速电压U 2取1~2kV 。 3． 电子束在磁场中的偏转Electronic beams deflect in the magnetic field 如果在垂直于z 轴的x 方向上设置一个恒定的均

匀磁场B ，那么以速度z v 飞行的电子y 方向也将发生偏转，如图3所示。

电子速度z v 由能量关系得到

图3偏转的磁场