电子束的电偏转与电子荷质比的测定(张志林)
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HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY
物理实验报告
实验题目:电子束的电偏转与电子荷质比的测定姓名:张志林
物理实验教学中心
实 验 报 告
一、实验题目:电子束的电偏转与电子荷质比的测定
二、实验目的:
1.了解示波管的基本结构和电聚焦的原理;
2.测量示波管的电偏转灵敏度;
3.了解电子束纵向磁聚焦的基本原理;
4.观察磁聚焦现象,学习用磁聚焦法测定电子比荷e/m 。
三、实验仪器:
电子束实验仪、直流安培表、直流稳压电源、三用表三块。
四、实验原理(原理图、公式推导和文字说明):
1.示波管的基本结构和静电聚焦原理
示波管由电子枪、偏转板和荧光屏三部分组成,如图12-1所示。其中电子枪是示波管的核心部件。
示波管的基本结构图
H ,H ′—钨丝加热电极;FA —聚焦电极;K —阴极;A 2—第二加速阳极;G —控制栅极;X 1X 2—水平偏转板;A 1
—第一加速阳极;Y 1Y 2
—垂直偏转板
电子枪由阴极K 、栅极G 、第一加速阳极A 1
、聚焦阳极FA 和第二加速阳极A 2
等同轴金属圆筒(筒内膜片的中心的限制小孔)组成。当加热电流从H ,H ′通过钨丝,阴极K 被加热后,筒端的钡锶氧化物涂层内的自由电子获得较高的动能,从表面逸出。因为第一加速阳极A 1
具有(相对于阴极K )很高的电压(例如1100V ),在K - G - A 1
之间形成强电场,故从阴极逸出的电子在电场中被加速,形成一束电子射线,最后打击在屏的荧光物质上,发出可见光,在屏背可以看见一个亮点。
射线中的电子从电子枪“枪口”(最后一个加速电极A 2
的小孔)射出的速度v z
,由下面的能量关系决定 222
1eV mv z 式中,U 2为A 2对阴极K 的电位差,电子的最后射出速度v z 是相同
的,与电子在电子枪内的电位起伏无关。
控制栅极G 相对于阴极K 负电位(见图中电路),两者相距很近,当栅极G 负的电位不很大时就足以把电子斥回,使电子束截止。用电位器R 1
调节G 对K 的电压,可以控制电子枪射出电子的数目,从而连续改变屏上光点的亮度。
阴极发射的电子在电场的作用下,会聚于控制栅极小孔附近一点。在这里,电子束具有最小的截面,往后,电子束又散射开来。为了把散射开来的电子束会聚起来,采用如图12-2所示的静电场装置(静电透镜)。其作用原理如下:
图12-2 电场聚焦原理
电子枪内的聚焦电极FA 与第二加速电极A 2
组成一个静电透镜,其间的静电场分布如图12-2所示。虚线为等位线,实线为电力线,电场对Z 轴是对称分布的。电子束中某个散离轴线的电子沿轨
道S 进入聚焦电场。在电场的前半区(左边),这个电子受到与电力线相切方向的作用力f 。f 可分解为垂直指向轴线的分力fr 与平行于轴线的分力f z (图中A 区)。fr 的作用使电子运动向轴线靠拢,起聚焦作用;f z 的作用使电子沿Z 轴线方向得到加速度。电子到达电场的后半区(右边)时,受到的作用力f ′起散焦作用。考虑到电子在后半区的轴向速度比在前区的大得多,获得的离轴速度比在前区获得的向轴速度小,总的效果是电子向轴线靠拢,整个电场起聚焦作用。聚焦作用的强弱是由图中“聚焦”电位器R 2,即改变FA 与 A 2之间的电位差,从而改变其间的电场强度来实现的。
2.电子束的电偏转
在示波管的两块Y (或X )偏转板加上电压时,受电场力的作用,通过两板之间的电子束的方向发生偏转,如图12-3所示。
图12-3 电子束的电偏转示意图
y V dV bL y 2
2= 该式表明,偏转板的电压U y 越大,屏上光点的位移也越大,两者是线性关系。比例常数在数值上等于偏转电压为1V 时,屏上光点位移的大小,称为示波管的电偏转灵敏度S y ,其倒数称为偏转因数,即
2
2dV bL V y S y y == 显然,对X 偏转板也有相应的电偏转灵敏度S x 和偏转因数,即
2
'
'2dV L b V x S x x == 由于X 1,X 2与Y 1Y 2两对金属偏转板一前一后地安装,其他条件
相同时,远离荧光屏(L较大)的一对偏转板的灵敏度较大。增加偏转板的长度b与缩小两板距离d固然可以增大示波管的灵敏度,但偏转大的电子易被板端阻挡,或电子束经过板边缘的非均匀电场,以致y∝U y的线性关系遭到破坏。所以通常将两偏转板的出口向外折开成喇叭状。
屏上光点位移与偏转电压的线性关系,使示波管成为测量电压的重要工具之一。
3.电子束的纵向磁聚焦和电子比荷的测定
e,它是描述电子性质的重电子比荷即电子的电量和质量之比
m
要物理量。1897年J.J.汤姆逊在英国剑桥卡文迪许实验室首先测出了电子比荷(当时称电子荷质比)。本实验就是利用电子束在磁场中的纵向磁聚焦现象来测量电子比荷,这是一种测量荷质比的简便方法。
将示波管置于一个用导线绕制的载流直长螺线管的均匀磁场里,并使示波管内电子束的方向和磁感应强度B的方向平行。此时,作用于电子的洛伦兹力为零。电子以v z速度沿Z向作匀速直线运动,最后打在屏的0点上(图12-4)。
图12-4 电子束的纵向磁聚焦示意图
现在,在水平偏转板X1,X2间加上直流电压U x,电子穿过两极板间的电场后,获得一个横向速度v z,方向垂直于B,于是电子在洛伦兹力的作用下,逆Z轴的方向看去,电子作逆时针方向的圆周运动。圆周运动的轨道半径为
eB
mv R z = 圆周运动的周期为
eB
m T π2= 但是,电子作圆周运动的同时,还有Z 轴方向的匀速直线运动(v z )。两个运动合成的结果,电子轨道是螺线形的,轨道螺距h 为
eB
mv t v h z z π2== 对于从第一聚焦点出发的不同电子,虽然径向速度v r 不同,所走的圆半径也不同,但只要轴向速度v z 相等,它们将沿不同的螺旋线轨
道运动,经过距离h 后,又重新会聚在一点。如果这点正好位于荧光屏上,则屏上将呈现一个亮点。这就是电子射线的磁聚焦原理。
设定某个U 2(通过调节加速电压可改变v z 的大小),选择合适的磁感应强度B (调节螺线管励磁电流I 大小),恰好使螺距h 等于从第一聚焦点到荧光屏的距离L ,荧光屏上的亮斑将变成亮点,这时
eB
mv h L z π2== 经整理后得到
2
2228B L V m e π= 螺线管内磁感应强度
2
2120)(41D D l NI B ++=μ
五、实验数据处理(整理表格、计算过程、结论
1、测量示波管的电偏转灵敏度S y