实验十四电子束的电聚焦和磁聚焦

1、实验十四 电子束线的 电聚焦与磁 聚焦实验目的1 研究带电粒子在电场和磁场中聚焦的规律。2了解电子束线管的结构和原 理。3 掌握测量 电子荷质比的一种 方法。实验仪器OHKG电子轨迹Ai图 4- 18- 1电力线A21r等位线电力线zZA2V图 4- 18- 2等位面/ V图 4- 18- 3护寻Fz二 Fr：F 厂1SJ- SS- 2 型 电子束实验仪。实验原理1电聚焦原理从示波管阴极发射的电子在第一阳极 Ai的加速电场作用下，先会聚于控制栅孔附近一 点（图4 18- 1中0点），往后，电子束又散射开来。为了在示波管荧光屏上得到一个又亮 又小的光点，必须把散射开来的电子束会聚起来，与光学透镜

2、对光束的聚焦作用相似，由第 一阳极A和第二阳极A组成电聚焦系统。Ai、A2是两个相邻的同轴圆筒，在 Ai、A2上分别 加上不同的电压V2,当V1V2时，在A1 A2之间形成一非均匀电场，电场分布情况如图 4 18 2所示，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迹 S进入聚焦电场，图4 183画出了这个电子的 运动轨迹。在电场的前半区，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。Fr的作用使电子向轴线靠拢，Fz的作用使电子沿Z轴 得到加速度。电子到达电场后半区时，受到的作用力F 可分解为相应的Fr和F两个分量。 FZ分力仍使

3、电子沿Z轴方向加速，而F；分力却使电子离开轴线。但因为在整个电场区域里 电子都受到同方向的沿Z轴的作用力（Fz和FZ）,由于在后半区的轴向速度比在前半区的大 得多。因此，在后半区电子受F；的作用时间短得多。这样，电子在前半区受到的拉向轴线的 作用大于在后半区受到离开轴线的作用，因此总效果是使电子向轴线靠拢，最后会聚到轴上 某一点。调节阳极A1和A2的电压可以改变电极间的电场分布，使电子束的会聚点正好与荧 光屏重合，这样就实现了电聚焦。2磁聚焦原理将示波管的第一阳极A1,第二阳极A2,水平，垂直偏转板全连在一起，相对于阴极板 加一电压VA,这样电子一进入A1后，就在零电场中作匀速运动，这时来自交

4、叉点（图4 18 1中0点）的发散的电子束将不再会聚，而在荧光屏上形成一个面积很大的光斑。下面介 绍用磁聚焦的方法使电子束聚焦的原理。图 4 18 4在示波管外套一载流长螺线管，在Z轴方向即产生一均匀磁场B,电子离开电子束交叉 点进入第一阳极A1后，即在一均匀磁场B （电场为零）中运动，如图4 18 4所示。v可分 解为平行B的分量V/和垂直于B的分量v丄，磁场对V/分量没有作用力，v/分量使电子沿B 方向作匀速直线运动；V丄分量受洛仑兹力的作用，使电子绕 B轴作匀速圆周运动。因此，电 子的合成运动轨道是螺旋线（见图4 18 4）,螺旋线的半径为m、(4 18- 1)eB式中m是电子的质量，e

5、是电子的电荷量。 电子作圆周运动的周期为(4 18 2)22 二mv eB从（4 18 2）式看出，T与v丄无关，即在同一磁场下，不同速度的电子绕圆一周所需的时间是相等的，只不过速度大的电子绕的圆周大，速度小的电子绕的圆周小而已。螺旋线的螺距为（4 18 3）各电子与Z轴的夹角0h = Tw =eB在示波管中，由电子束交叉点射入均匀磁场中的一束电子流中， 是不同的，但是夹角B都很小。则V = V COS V由于v丄不同，在磁场的作用下，各电子将沿不同半径的螺旋线前进见 （4 181）式）， 但由于各电子的分量近似相等，其大小由阳极所加的电压 Va决定，因为-m v 2= eVA即w= 2eVA

6、2m所以各螺旋线的螺距是相等的（见（4 18 3）式）。这样，由同一点0出发的各电子沿不 同半径的螺旋线，经过同一距离h后，又重新会聚在轴线上的一点，如图418 5所示。调 节磁场B的大小，使I/h= n为一整数（I是示波管中电子束交叉点到荧光屏的距离），会聚 点就正好与荧光屏重合，这就是磁聚焦。3电子荷质比-的测定m利用磁聚焦系统，调节磁场B,当螺旋线的螺距h正好等于示波管中电子束交叉点到荧 光屏之间的距离I时，在屏上将得到一个亮点（聚焦点）。这时,u2；mv/2jim ：2eV2I = h =eB eB m即得e8 二 2V2-mI B(4 18-4)式中I、B由每台实验仪器给出数据。其中

7、聚焦线圈中的平均磁场由公式(4 18 5)1 B 0nl(cos: - cos -)求出(见实验十三图413 2)。式中的I为流过磁聚焦线圈的电流，n为单位长度螺线管 圈数，B的单位为特斯拉。为了减小I的测量误差，可利用一次、二次、三次聚焦时对应的 励磁电流求平均I ,因为第一次聚焦时的电流为1仆二次聚焦的电流为 ，即磁场强一倍， 相应电子在示波器内绕Z轴转两圈。同理，三次聚焦的电流I3应为311。所以有(4 18 6)I 1 I 2 I 3I -1+2+3 +将代入实验仪器给出的B计算式中，求出B。再将 V I、B值代入公式(4 184)中, 即可求出不同加速电压 V2时的电子荷质比e/m,

8、与标准值相比较，即可求出相对误差。对于SJ-SS 2型电子束实验仪，螺线管中心部分的磁场视为均匀的平均磁场，则有 4nNX10 zB =J D 2 + L2V22I22e DL2 2m2I N 糾0式中D为螺线管平均直径，L为螺线管长度，N为螺线管线圈匝数。实验内容1.观察电聚焦现象(1) 将“功能选择”置于“电聚”位置，按图 4 18 6插入导联线。ViA1A2V2Y电源2Y?电源2图 4 18- 6(2) 接通“高压电源开”保持辉度适中(不可太亮，以免烧坏荧光屏)，置V2旋钮于 最大值，调节V1，使光点聚焦，读取V2及V1的数值，求出电压比V2/V1。(3) 保持 V V旋钮不变，调节“高

9、压调节”旋钮，使 V2、V同时按比例变化，观察 光点不应散焦，并读取不同组合聚焦时的 V2、V1数值，计算出相应的电压比。（4）数据记录。加速极电压V2 （伏）15001400130012001100聚焦极电压Vi （伏）电压比V2/V12 观察磁聚焦现象（1将“功能选择”置于“磁聚”位置，按图4 18-7插入导联线，并松开示波管尾 部导轨两定位螺钉，将示波管往后拉到定位板处，使示波管处于螺线管中间位置。磁聚电源1磁偏OV1OA1 nA2V2cY电源2小1X ou-uQ0Y电源 2X磁聚电源1磁偏图 4 18- 7（2）接通“高压电源开”，调节辉度，使荧光屏上出现稍暗的散焦光斑，调节 X、Y位

10、移旋钮，将光斑移到坐标中心，调节“高压调节”及“辅助聚焦”旋钮，使V2值最大。（3） 检查“励磁电流”旋钮，反时针复位到零，接通“励磁电源开”，顺时针调节“励 磁电流”，使荧光屏上光斑聚焦，并记下聚焦点位置。反时针调节“励磁电流”降到零后，重 调X、Y位移，使光斑中心落于聚焦点位置上。（4） 保持X、Y位移不变，调节“励磁电流”使光斑进行第一次聚焦，并从 mAV表 及KV表读取Ii值及 V值。继续增加励磁电流使已聚焦的光点t散焦t聚焦t散焦t聚焦， 并读取相应聚焦时的电流12、13。（5）调节“辅助聚焦V2”及“高压调节”旋钮，使 V2为V21000伏的另一数值，重 复方法4,读取相应V2时的聚焦电流Ii、12、I3。（6）数据记录：实验仪器编号：参数：1=、D= 、L=、N=加速电压（伏）150014001300第一次聚焦时励