实验十一 电子束线的偏转

实验十一 电子束线的偏转

实验目的

l ．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．

仪器和用具

示波管、毫伏表、电子束线管测试板、直流电源、安培表和万用电表．

实验原理

示波器中用来显示电信号波形的示波管和电视机里显示图像的显象管都属于电子束线管，尽管它们的型号和结构不全相同，但都有产生电子束的系统和对电子加速的系统；为了使电子束在荧光屏上清晰地成像，还要有聚焦、偏转和强度控制等系统．早期的电子束管没有聚焦功能，采用管外线圈产生的纵向磁场实现聚焦．本实验仅讨论电子束线的偏转特性及其测量方法．

1．电子束在电场中的偏转

假定由阴极发射出的电子其平均初速近似为零，在阳极电压作用下，沿z 方向作加速运动，则其最后速度z v 可根据功能原理求出来，即

2

A

2

1z mv eU

=

移项后得到

m

eU v z A

2

2=

（C.11.1）

式中A U 为加速阳极相对于阴极的电势，

m

e 为电子的电荷与质量之比（简称比荷，又称荷

质比）．如果在垂直于z 轴的y 方向上设置一个匀强电场，那么以z v 速度飞行的电子将在y 方向上发生偏转，如图C.11.l 所示．若偏转电场由一个平行板电容器构成，板间距离为d ，极间电势差为U ，则电子在电容器中所受到的偏转力为

图C.11.l 电场偏转

d

eU eE F y =

= （C.11.2）

根据牛顿定律

d

eU y

m F y ==

因此

d

U m e y

= （C.11.3）

即电子在电容器的y 方向上作匀加速运动，而在z 方向上作匀速运动，电子横越电容器的时间为

z

v l t =

（C.11.4）

当电子飞出电容器后，由于受到的合外力近似为零，于是电子几乎作匀速直线运动，一直打到荧光屏上，如图C.11.l 里的F 点．整理以上各式可得到电子偏离z 轴的距离

A

U U K N E

= （C.11.5）

式中

R

图C.11.2 磁场偏转

⎪⎭

⎫ ⎝⎛+=

L l d Ll K E 212 是一个与偏转系统的几何尺寸有关的常量．所以电场偏转的特点是：电子束线偏离z 轴（即荧光屏中心）的距离与偏转板两端的电压成正比，与加速极的加速电压成反比．

2．电子束在磁场中的偏转

如果在垂直于z 轴的x 方向上设置一个由亥姆霍兹线圈所产生的恒定均匀磁场，那么以速度z v 飞越的电子在y 方向上也将发生偏转，如图C.11.2所示．假定使电子偏转的磁场在l 范围内均匀分布，则电子受到的洛伦兹力大小不变，方向与速度垂直，因而电子作匀速圆周运动，洛伦兹力就是向心力，所以电子旋转的半径

eB

mv R z =

（C.11.6）

当电子飞到A 点时将沿着切线方向飞出，直射荧光屏，由于磁场由亥姆霍兹线圈产生，因此磁场强度

kI B = （C.11.7）

式中k 是与线圈半径等有关的常量，I 为通过线圈的电流值．将（C.11.1）、（C.11.7）式代人（C.11.6）式，再根据图C.11.2的几何关系加以整理和化简，可得到电于偏离z 轴的距离

A

U I K N M

= （C.11.8）

式中

m

e L l Llk K M ⎪

⎭⎫ ⎝

⎛+=

212

也是一个与偏转系统几何尺寸有关的常量．所以磁场偏转的特点是：电子束的偏转距离与加速电压的平方根成反比，与偏转电流成正比．

实验过程

一、研究和验证示波音中电场偏转的规律

检验：①加速电压不变时，偏转距离与偏转电压是否成正比， ②偏转电压不变时，偏转距离与加速电压是否成反比．

实验线路板如图C.11.3所示．图中f 、f 为示波管灯丝引出端，K 为阴极，G 为栅极，

也称调制极，与.1100V 电源直接相连，1A 、2A 和3A 分别为第一、第二和第三阳极，其中1A 与3A 已在示波管的管内连接好，1X 、2X 和1Y 、2Y 为X 方向和Y 方向偏转板．

由 K W 、1W 、2W 和3W 等组成了电源分压器，分压器的1S 、2S 和E S 以及f 、f 等端

钮分别与

的滑动端

K 度的作用，2W 与2A 相连，可改变第二阳极电位，而使荧光屏上的光斑聚焦成细小的亮点，1W 与1A 、3A 相连，可改变第一、第三阳极电势，同样起聚焦的作用，3W 与1Y 相连，可

改变Y 偏转板间的电势，使电子束偏转．注意，示波管与实验线路板之间通过导线连接，用接插件互通．

偏转距离可根据荧光屏前有机玻璃板上的刻度数读出，A U 是3A 和K 间的加速电势差，用高阻抗直流高压表测量，U 为偏转电压、用万用表直流电压档测量，即测量偏转板与地之间的电势差．

1．测量

在仪器允许围内取 4至5个不同的加速电

压A U ，对每一A U 测量偏转为.4、.3、.2、.1、0、1、2、3、4格的偏转电压（X U 或Y U ）．

2．数据处理

为了检验①，取偏转距离N （格）为

横坐标，偏转电压（X U 或Y U ）为纵坐标作

E

f f 36.-图C.11.3电场偏转接线图

div

图C.11.4N U

x

-关系曲线