实验3—13电子束线的电偏转与磁偏转

实验3—13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】1eEB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3－13－1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x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)(2121vxmeEaty（3－13－1）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aU的作用下，加速电压对电子所做的功全部转为电子动能，所以：AeUmv221，meUva22将E＝V／D和v2代入（3－13－1）式，得24xDUVya电子离开偏转系统时，电子运动的轨道与x轴所成的偏转角的正切为ldUVdxdytgalx2（3－13－2）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LStg代入（3－13－2）式，得DUVlLSa2（3－13－3）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aU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aeUVkS（3－13－4）ke为电偏常数。可见，当加速电压aU一定时，偏转距离与偏转电压呈线性关系。为了反映ey+-++++----lL0Sx-+图3－12－1D电偏转的灵敏程度，定义)1(aeUkVS电（3－13－5）电称为电偏转灵敏度，单位为毫米/伏。电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3－13－2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x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RvmevBf2或eBmvR电子离开磁场区域与Z轴偏斜了角度，由图3－13－2中的几何关系得mvleBRlsin电子束离开磁场区域时，距离x轴的大小是)cos1()cos1(coseBmvRRR电子束在荧光屏上离开x轴的距离为tgLS如果偏转角度足够小，则可取下列近似tgsin和21cos2则总偏转距离)2(2)(2122)211(22222lLmvleBmveBlmvleBLmvleBeBmvmvleBLeBmvLRLRLS)2(lLmvleB（3—13—6）eS0图3－13－2RRxyLlθθ又因为电子在加速电压aU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meUveUmvaa2212即代入（3－13－6）式，得)21(2lLmeVleBSA（3－13－7）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KIB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（3－13－7）式，得)21(2lLmeUKIelSa（3－13－8）由于式中其它量都是常数，故可写成amUIkS（3－13－9）km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AmVkIS1磁（3－13－10）磁称为磁偏转灵敏度，单位为毫米/安培。同样，磁越大，磁偏转的灵敏度越高。【实验内容】1.测试X、Y偏转板的偏转线性关系对于1eEB型电子束实验仪，电偏转时电子在荧光屏上的偏离S为：aUVKKS)(21，即)(5.194.1)68.24(46.1)0.48(5.2mmUVllSa（3—13—11）其中l为示波管控制极到荧光屏的距离，具体数据见仪器管脚处。实验步骤与要求：（1）按实物插入好联接线。（2）接通“电源开”调节“高压调节”、“辅助聚焦V2”,将V2调到最大值，辉度保持适中，调节V1聚焦。（3）调节“X位移”、“Y位移”，使光点移至坐标原点。（此时加速极电压aU取850V，电偏电压为0V）（4）调节“电偏电压”，使光点朝Y（或X）方向偏转，每偏转5mm，读取相应的电偏电压测V，填入“电偏测试表”。（5）计算此时电偏转灵敏度电=VS=(mm/V)。（6）将Y偏转板结构参数l代入公式（3—13—11）计算不同的S所需的偏转电压计V，与测试值测V比较，以验证公式（3—13—11）的准确性。电偏转数据测试表：仪器编号：；测试条件偏转距离S(mm)51015202530aU伏垂直下偏电压V测垂直下偏电压V计水平右偏电压V测水平右偏电压V计2.测试偏转量S与励磁电流I的正比关系对于1eEB型电子束实验仪，磁偏转距离S,即（3－13－8）式，为如下关系式：melxDlxlxDlxnLDS2)2(2)2(222220（3—13—12）其中：偏转线圈平均直径D（与（3－13－8）式l同）=0.0915m;L=mL2144.0；L由仪器实测；l为偏转线圈长度=0.02m；l为二线圈之间的距离，由仪器实测（米）。2llx（见仪器使用说明书），n为偏转线圈单位长度匝数02.0Nn，N为偏转线圈匝数（见仪器）；270/104安培牛顿。实验步骤与要求：（1）、按实物插入好联接线。（2）接通电源开关，将V2调至最大，调节V1，使光点聚焦，保持辉度适中，电偏电压降到0，调节XY位移，使光点位于坐标原点。（仪器应南北方向放置）（3）接通“直流电源”，顺时针方向调节“直流电源”，使光点偏转。读取不同偏转量S及其对应的I值，填入“磁偏测试表”，并按公式（3－13－8）、（3—13—12）计算出偏转量S所对应需要的励磁电流I(mA)。（4）根据测量数据，绘出S—I图应为正比直线。（5）按转向开关改变偏转线圈电源极性，观察磁场方向改变后光点向相反方向偏转，以验证洛仑兹力BveF的矢量关系。根据仪器结构参数，代入公式（3—13—2）和（3－13－8）求出偏转量S所需的励磁电流I，与实际测量值作一比较，以验证公式的准确性。（6）计算磁偏灵敏度磁=IS（mm/A）磁偏转数据测试表：仪器编号：；测试条件加速电压aU伏向上偏转偏转量S(mm)51015202530实测励磁电流I(mA)计算励磁电流I(mA)【注意事项】1．由于偏转量的大小和亮度有关，因此测量时将亮度旋钮调节适中，测量过程中应保持不变。2．偏转量大小改变时，聚焦也会改变，所以要不断地调节，使之有良好的聚焦。3．注意高压，切勿触电。【思考题与习题】1.电子束偏转的方法有几种？它们的规律是什么？2．观察偏转量的大小改变时，光点的聚焦是否改变？为什么？3．偏转量的大小与光点的亮度是否有关？为什么？4．在偏转板上加交流信号时，会观察到什么现象？