电子束的电偏转与电子荷质比的测定(张志林).doc

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第二加速阳极；G控制栅极；XX水平偏转板；A第一加速阳极；YY垂直偏转板电子枪由阴极K、栅极G、第一加速阳极A、聚焦阳极FA和第二加速阳极A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具有（相对于阴极K）很高的电压（例如1100V），在K - G - A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的小孔）射出的速度v，由下面的能量关系决定式中，U为A对阴极K的电位差，电子的最后射出速度v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fz（图中A区）。fr的作用使电子运动向轴线靠拢，起聚焦作用；fz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R2，即改变FA与 A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该式表明，偏转板的电压Uy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Sy，其倒数称为偏转因数，即显然，对X偏转板也有相应的电偏转灵敏度Sx和偏转因数，即由于X1,X2与Y1Y2两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yUy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电子比荷即电子的电量和质量之比，它是描述电子性质的重要物理量。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vz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Ux，电子穿过两极板间的电场后，获得一个横向速度vz，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圆周运动的周期为但是，电子作圆周运动的同时，还有Z轴方向的匀速直线运动（vz）。两个运动合成的结果，电子轨道是螺线形的，轨道螺距h为对于从第一聚焦点出发的不同电子，虽然径向速度vr不同，所走的圆半径也不同，但只要轴向速度vz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U2（通过调节加速电压可改变vz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，这时经整理后得到螺线管内磁感应强度五、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Sy数据记录表y/cm-2.0-1.00.01.02.0V2=900 VVy/V-19.3-9.609.418.9V2=1100VVy/V-22.8-11.7011.822.82、观察磁聚焦现象3、测定电子荷质比数据记录表L=0.196m l=0.218m N=1160 D1=0.090m D2=0.095m序V2/V磁场电流I/A正向I/A反向I/A19000.5310.559210000.5