电子束系列.doc

示波管结构示波管又叫阴极射线管，它由电子枪（含聚焦系统）、偏转系统和荧光屏3部分组成，电子枪由阴极和同轴圆筒或带有轴孔的圆盘组合而成，圆筒或圆盘上加不同的电位，就构成了不同的电极，以至对阴极发射出来的电子射线起调制、聚焦和加速左右，它们被密封在接近真空的玻璃壳内，其结构和供电电路如图所示。阴极由一个内有加热灯丝的金属杯（通常为镍质材料，因其工作温度高于磁性转换点的370380摄氏度，是无磁性的）构成，发射电子的部分是阴极顶部的中心平面，上面涂有氧化钡和氧化镍或氧化钪等材料，灯丝和阴极间用陶瓷圆筒或圆片绝缘。阴极固定在陶瓷块上，并与隔离圈又一定距离。阴极筒内加热阴极用的灯丝，一般功率在4W以下（6.3V*0.6A）。控制栅极G也叫调制极M。是一个与阴极同轴的金属镍制圆筒，在圆筒顶部约1mm左右的圆孔与阴极发射部分对准。控制栅极相对于阴极为负电位，调节它可以控制电子射线的强度，达到改变荧光屏上荧光点辉度的作用。第一阳极是一个与阴极同轴的金属圆筒，置于调制极的后面，在圆筒内，装有一个或数个具有轴心孔洞的金属限制膜片，用以阻挡离开轴线的散射电子，使电子束具有较细的截面。圆筒顶部中心的轴孔用以限制电子射线使其具有较细截面外，还能减小电子束在偏转时所发生的散焦现象。第一阳极电位介于阴极和第二阳极之间，通常为第二阳极电位的1/81/3。第二阳极电位往往是固定的，第一阳极电位可以通过调节电位器改变。第一阳极和各个极之间电位的配合，使得电子枪的电场对电子射线有聚焦作用。称第一阳极为聚焦阳极，第二阳极电位较高对电子起加速作用称为加速阳极。偏转系统由两对互相垂直的偏转板组成，分别控制电子束的垂直于水平方向的偏转。电子束的电偏转特性实验【实验目的】1了解示波管的基本结构； 2了解示波管电偏转特性； 3测量示波管电偏转灵敏度；【实验原理】阴极被灯丝加热而发射电子，电子受阳极的作用而加速，电子从阴极发射出来时，可以认为它的初速度为零。电子枪内阳极A2相对阴极具有几百甚至几千伏的加速电压U2，产生的电场使电子沿轴向加速。电子过阳极2进入两个相对平行的偏转板间时速度为，若在两个偏转板上加上电压，两个平行板间距离为。则平行板间的电场强度,电场强度的方向与电子速度的方向相互垂直。设电子的速度方向为，电场方向为。当电子进入平行偏转板空间时，电子速度为,设平行板的长度为，电子通过所需的时间为，则有。电子从偏转板间通过时，受到大小为的横向力，此力使电子得到的横向动量等于力的冲量，即。所以。电子在与电场平行的方向产生的加速度为，其中为电子的电量，为电子的质量。负号表示方向与电场方向相反。当电子射出平行偏转板时，在方向电子偏离轴的距离。由能量关系有，为加速电场电压，故，将其和代入得。离开平行偏转板后电子不受电场力的作用作匀速直线运动，电子离开偏转板右端时，电子运动轨迹与Z轴所成的偏转角的正切为。由图可以看出，电子在荧光屏上偏转距离，所以。可见，偏转量D随增加而增加，与（）成正比。偏转量与U2和成反比。考虑电场边缘效应时，K为考虑逸散电场使电子束偏转量增加的修正系数。它的取值决定于偏转板间的距离和偏转板的长度。上式除外，其它量均为常数，则有D=S*，即电子束的偏转量正比于被测电压的大小，电子数偏转方向取决于被测信号的极性，从而可以求得示波管的Y/X轴的电压偏转灵敏度 （cm/V）【实验仪器】电子束实验仪【实验内容】1开启电源，将“电子束荷质比”开关打向电子束位置，辉度适当调节，并调节聚焦，使屏上光点聚成一细点。注意：光点不能太亮，以免烧坏荧光屏2光点调零，将偏转输出的两插孔和电偏转电压表的两输入插孔相连接，调节“调节”旋钮，使电压表的指针在零位，再调节调零旋钮，使光点位于示波管垂直中线上，同调零一样，将调节后，光点位于示波管的中心原点。3测量偏转量随变化。调节阳极电压旋钮，给定阳极电压U2。将电偏转电压表并在电偏转输出的两插孔上测（垂直电压），改变测一组值。测量20组数据，以为横坐标，为纵坐标作图求斜率，即为电偏转灵敏度（U2：600-1000V）。4求轴电偏转灵敏度/。并说明为什么U2不同，/不同。5同轴一样，测量x轴的电偏转灵敏度。【思考题】1偏转量的大小改变，光点的聚焦是否改变？为什么?2在偏转板加上交流信号时，会发生什么现象？电子束的磁偏转特性实验【实验目的】1了解示波管磁偏转； 2测量示波管磁偏转灵敏度；【实验原理】电子束的磁偏转，是指电子束通过磁场时，在洛仑兹力的作用下发生偏转。设实线方框内为磁场感应强度B的均匀磁场，方向与纸面垂直向外，方框外B=0。电子通过2后以速度垂直射入磁场，受洛仑兹力（即向心力，大小不变，方向与速度方向垂直）的作用，在磁场区域内作匀速圆周运动，轨道半径为R。电子沿OC弧穿出磁场区域后作匀速直线运动，最后打在荧光屏的P点上，光点的位移为D。由牛顿第二定律有： 所以。电子离开磁场将沿切线方向CP飞出直射荧光屏，切线与OZ轴夹角为，切点与OZ轴距离为a，故有电子束在荧光屏上离开OZ轴的距离为：设偏转角足够小，近似有，则总偏转距离可表示为：式中，由于（为加速电场电压），所以有磁场区域中心至屏的距离为 。上式表明光点的偏移位移D与磁感应强度B成线性关系，与加速电压的平方根成反比。也可以看出，提高加速电压对磁偏转灵敏度降低的影响比电偏转灵敏度的影响小。因此使用磁偏转时，提高阴极射线管中电子束的加速电压来增强屏幕上图像的亮度水平比用电偏转有利，而且磁偏转便于得到电子束的大角度偏转，更适合于大屏面的需要。【实验仪器】电子束实验仪【实验内容】1开启电源，将“电子束荷质比”开关打向电子束位置，辉度适当调节，并调节聚焦，使屏上光点聚成一细点，应注意：光点不能太亮，以免烧坏荧光屏。2光点调零，将偏转输出的两插孔和电偏转电压表的两输入插孔相连接，调节“调节”旋钮，使电压表的指针在零位，再调节调零旋钮，使光点位于示波管垂直中线上，同调零一样，将调节后，光点位于示波管的中心原点。3测量磁偏转量随磁偏转电流的变化，给定U2，将磁偏转电流表串入磁偏转电源输出与磁偏转线圈间。调节磁偏转电流旋钮（改变磁偏转电流的大小）测量一组值。改变磁偏转电流方向，再测一组值（U：600-1000V）。测量约20组数据绘制D-I曲线。4求磁偏转灵敏度/I，并解释为什么U2不同，/I不同。【思考题】偏转量的大小与光点的亮度是否相关？为什么？电子束的电聚焦特性实验【实验目的】1加深电子在电场中运动规律的理解：2. 了解电聚焦的原理；【实验原理】电子束的强度是通过栅极来控制的，栅极屏蔽着阴极，栅极相对于阴极为负电位，两者相距很近，其间形成的电场阻碍电子向阳极运动。不很大的栅极负电位（几十伏）就可使电子束截止，即在荧光屏上看不见光点。改变栅极电位能控制通过栅极小孔的电子数目，从而控制荧光屏上的辉度。栅极的截止电位和加速电位有关，在相同的栅极电位下增大加速电极的电位，电子可获得更大的轰击动能，光屏上的亮度会提高。示波管中，阳极相对于栅极又很高的电位，它对通过栅极的电子起加速作用。被加速的电子在向光屏运动的过程中会向四周发散。第一阳极（也叫聚焦阳极）和第二阳极是由同轴的金属圆筒组成。由于各电极上的电位不同，在它们之间形成了弯曲的等位面、电力线。这样就使电子束的路径发生弯曲，类似光线通过透镜那样朝着与等位面垂直的法线方向会聚和发散，这种电子组合称为电子透镜，静电透镜的聚焦过程如图所示。电场以Z轴对称分布，电子进入前区，所受的电场力可分解为两个分力，使电子沿Z轴方向加速，使电子靠近Z轴运动，起到使电子聚焦的作用。电子在后区所受电场力同样也分解为，使电子沿Z轴方向加速，使电子远离Z轴运动，因此，电子在后区受电场力作用而散焦。但是电子在前区的速度小，通过时间长；在后区速度大，通过时间短。电子在通过前区和后区时受电场力作用，使电子束聚焦作用大于散焦作用，因此，总的作用是电子束聚焦，而不是散焦。聚焦作用的强弱可以通过改变FA和间的电位差来调节，实际是改变等位面的弯曲程度，从而实现改变电子透镜的焦距，事实上，FA两端的电场皆有聚焦作用，是两个静电透镜的组合，即第一阳极和FA之间以及FA和第二阳极之间的电场共同作用，使电子束实现聚焦。并且聚焦程度的好坏主要取决于第一阳极电压和第二阳极电压（即加速电极、与K之间的电位差）。实际当=2或0.58时，荧光屏上聚焦最佳。通常称为第一聚焦条件，为第二聚焦条件。【实验仪器】电子束实验仪【实验内容】1开启电源，将“电子束荷质比”开关打向电子束位置，辉度适当调节，并调节聚焦，使屏上光点聚成一细点，应注意：光点不能太亮，以免烧坏荧光屏。2光点调零，将偏转输出的两插孔和电偏转电压表的两输入插孔相连接，调节“调节”旋钮，使电压表的指针在零位，再调节调零旋钮，使光点位于示波管垂直中线上，同调零一样，将调节后，光点位于示波管的中心原点。3调节阳极电压U2分别为600-1000V，对应的调节聚焦旋钮（改变聚焦电压）使光点达到最佳的聚焦效果，测量出各对应的聚焦电压U1。记录不同阳极电压U2对应的聚焦电压U1，求出U2/U1。 U2U1 600V700V800V900V1000V 电子束磁聚焦及电子荷质比的测量【实验目的】1加深电子在磁场中运动规律的理解：2. 了解磁聚焦的原理； 3学习用磁聚焦法测定电子荷质比em的值。【实验仪器】电子束实验仪【实验原理】置于长直螺线管中的示波管，在不受任何偏转电压的情况下，示波管正常工作时，调节亮度和聚焦，可在荧光屏上得到一个小亮点。若第二加速阳极的电压为2，则电子的轴向运动速度用/表示。则有： （1）当给其中一对偏转板加上交变电压时，电子将获得垂直于轴向的分速度（用表示），此时荧光屏上便出现一条直线，随后给长直螺线管通一直流电流，于是螺线管内便产生磁场，其磁场感应强度用表示。众所周知，运动电子在磁场中要受到罗仑兹力=eB的作用，显然/受力为零,电子继续向前作直线运动,而受力最大为=eB，这个力使电子在垂直于磁场（也垂直于螺线管轴线）的平面内作圆周运动，设其圆周运动的半径为，则有： （2）圆周运动的周期为： （3）电子既在轴线方面作直线运动，又在垂直于轴线的平面内作圆周运动。它的轨道是一条螺旋线，其螺距用表示，则有 （4）从（3）、（4）两式可以看出，电子运动的周期和螺距均与无关。不难想象，电子在作螺线运动时，它们从同一点出发，尽管各个电子的各不相同，但经过一个周期以后，它们又会在距离出发点相距一个螺距的地方重新相遇，这就是磁聚焦的基本原理。由（4）式可得： （5）长直螺线管的磁感应强度，可以由下式计算。 （6）式中I为外供激励电流，0为真空中的磁导率0=410-7亨利/米，n为螺线管单位长度线圈匝数，A为螺线管长度。如果总匝数为N，将（）代入（），可得电子荷质比为： （7）本仪器的其它参数如下:螺丝管内的线圈匝数：N=4983螺线管的长度：L=222mm螺线管的直径：D0=92mm螺距(Y偏转板至荧光屏距离) h=137mm【实验内容与步骤】1开启电源，“电子束荷质比”开关置于荷质比方向，此时荧光屏上出现一条直线，阳极电压调到600V。2将磁聚焦电流部分的调节旋钮反时针方向调节到头，并将磁聚焦电流表串在输出和螺线管之间。3调节输出调节旋钮，逐渐加大电流使荧光屏上的直线一边旋转一边缩短，直到变成一个小光点。读取电流值，然后将电流调为零。再将电流换向（对调螺线管前方两插孔中的连线），重新从零开始增加电流使屏上的直线反方向旋转并缩短，直到再得到一个小光点，读取电流值。4改变阳极电压为700V,重复步骤3，直到阳极电压调到1000V为止。5记录测量数据，根据测量结果计算电子荷质比e/m。 电压电流600V700V800V900V1000VI正I反Ie/m【实验注意事项】1在实验过程中，光点不