实验二十四电子束的偏转

1、实验二十四电子束的偏转示波器中用来显示电信号波形的示波管和电视机、摄像机里显示图像的显像管、摄像管 都属于电子束线管，虽然它们的型号和结构不完全相同，但都有产生电子束的系统和电子加 速系统，为了使电子束在荧光屏上清晰的成像，还要设聚焦、偏转和强度控制系统。对电子 束的聚焦和偏转，可以利用电极形成的静电场实现，也可以用电流形成的恒磁场实现。前者 称为电聚焦或电偏转。随着科技的发展，利用静电场或恒磁场使电子束偏转、聚焦的原理和 方法还被广泛地用于扫描电子显微镜、回旋加速器、质谱仪等许多仪器设备的研制之中。本 实验在了解电子束线管的结构基础上，先讨论电子束的偏转特性及其测量方法。1. 了解示波管结构

2、和原理。图4-52 电子束的电偏转【目的】2. 研究带电粒子在电场和磁场中偏转 的规律。3. 测试示波管的电偏灵敏度和磁偏灵 敏度与加速电压的关系。【原理】示波管的基本结构主要由以下4个部分组成图4-43电子射线示波管Ai -第一阳极 A 2 -第二阳极f-灯丝G-栅极K-阴极X、Y-偏转转板（1）示波管示波管的构造如图 4-43所示。 当加热电流通过灯丝时，阴极K被加热并发射电子，栅极 G加上相对 于阴极为负的电压，调节栅极电压 的大小，可以控制阴极发射电子的 多少，即控制光点的亮度。第一阳 极Ai相对于阴极K有很高的电压（约1 500V ）用以加速电子；第二阳极 A2与第一阳极Ai之间构成

3、聚焦电X、Y偏转板是2场，使发散的电子束在聚焦电的作用下汇聚起来，打在荧光屏上发出荧光。对分别平行且相互垂直的属极，在平行板上加不同的电压控制荧光屏上的光点的位置。光点 移动距离的大小与加在偏转板上的电压成正比。（2）扫描电压发生器扫描电压发生器是产生扫描电压的装置。示波器通常是要观察轴输入的周期性信号电压的波形。如果只把被测信号（如正弦电压）加在Y偏转板上，而亮线。要在荧光屏上显示出正弦电压的波形，就必须使亮点在Y轴上的运动沿X方向展开。为此必须在 X偏转板上加一周期性随时间线性变化的电压，这种电压称 为扫描电压。这样荧光屏上光点在作竖直运动的同时还要作自左向右的匀速运动。如果扫描 电压的周

4、期与正弦电压的周期 Ty相同，荧光屏上将显示一个完整的正弦波形。如果是Ty的整数倍，则荧光屏上将显示出n个完整的正弦波形。若用频率表示，则为：f x = nf y为了能用示波器观察各种频率的信号电压波形，扫描电压的频率必须在很大的范围内连 续可调，调节扫描电压的频率，使其与Y轴输入信号电压的频率成整数比方可。这一调整过程称为“同步”。人工“同步”可以很容易达到f x= nf y,使其出现暂时稳定的图形。由于Ux和Uy是来自两个相互独立的信号源，它们各自的频率总会有些起伏，因此稳定状态很快又遭破坏。为了解决这一问题， 示波器内部设有同步装置。在两频率基本满足整数倍的条件下，该装置将待测信号电压分

5、出一部分，自动地去调节扫描电压发生器的振动频率，使它与被测 信号的频率严格保持整数比关系，使图形稳定。（3）电压放大和衰减装置由于示波器的灵敏度不高（0.11 mm/V），当信号电压小时，电子束不能发生足够的偏荧光屏上亮点的位移过小，不便观察，为此，示波器内设有X轴放大器和Y轴放大器。先把信号电压放大，然后加到偏转板上。其放大倍数是连续可调的。衰减器是用来把放大的信 号电压减小，以适应放大器的要求，否则放大器不能正常工作，甚至受损。衰减器通常分1、1/10、1/100三挡，习惯上是在示波器面板上用倒数1、10、100标出。（4）电源供给示波器、扫描电压发生器、X轴放大器、Y轴放大器正常工作所需

6、的各种高、低压装置。1. 电子束的电偏转电偏转是通过在垂直于电子射线的方向上外加电场来实现的，最简单的办法就是在示波管的垂直偏转板（或水平偏转板）上加上偏转电压Uo当电子束经加速极以初速 vx由x正方向射入，因受到与 y轴平行的偏转电场的作用，而使电子束偏离轴线发生偏转，如图4-52所示。设偏转板间距离为 D,长度为b，偏转板到荧光屏之间的距离为L,则电子束受电场力fY eE eU，产生加速度ay 上DmeUmD。电子在x方向上没有加速度，故从偏转板的左端运动到右端的时间tb再从右端运动到荧光屏的时间为Vxt1电子离开板Vx右端的垂直距离ybayt b22eU b、eU b.，在同一点的垂直速

7、度 vy aytb。电子2mD vxmD vx离开板右端时不再受电场力的作用,作匀速直线运动。到达荧光屏的垂直距离为 y1 uyt1 =l _eU b 2mD Vx Vx由此得到电子束到荧光屏上的总的偏转距离为y yb y1eULb mDv：(4-45)设进入偏转板之前，使电子最后加速的第二阳极上的加速电压为U2 ,则加速场对电子所做的功等于电子的动能，即eU2 fmv：(4-46)将式(4-46)代入式(4-45) 得y竺KeU2U2D U2(4-47)KI可见比例系数Ke 是与偏转板结构有关的常量，对于一定的示波管，电子束偏离 2D中心轴线的距离与偏转电压成正比，与加速极的加速电压成反比。

8、若定义电偏转灵敏度为当偏转板上加单位电压时所引起的电子束在荧光屏上的偏转距离KE丄(单位mm/V)U U2(4-48)由此可见，当偏转电压为一定值的时候,电偏转灵敏度与加速电压 u 2成反比，加速电压越大，3电越低。2.电子束的磁偏转为使电子束偏转，通常在电子枪和荧光屏之间放置一 对线圈，当线圈通以励磁电流I时，在横向水平方向上将产生与电子束方向垂直的一均匀磁场，如图4-53所示。当电子以速度Vx垂直射入磁场时，必受洛仑兹力feVxB作用在磁场区域内作圆周运动，洛仑兹力就是图4-53 电子束的磁偏转向心力mv；/R，所以电子旋转的半径(4-49 )电子离开磁场区域之后，因为B = 0 ,电子不

9、受任何作用力，应作直线运动，打在荧光屏上，由图4-53知，当角不很大时b h tanR 由式(4-49)和(4-50)得磁偏转距离(4-50)(4-51)mvx设电子进入磁场前加速电压为U2，则加速场对电子做的功全部转变为电子的动能所以式(4-51)改写为bLBej2emU2(4-52)式中,磁感应强度B通常用产生磁场两偏转线圈中通过的电流的安培匝数表示，即B=I是通过线圈的励磁电流;K是比例系数，是与偏转Knl。其中n是偏转线圈单位长度匝数； 线圈几何尺寸和磁介质有关的常量。所以(4-53)kn IbLe2emU 2由此可知，磁偏距离 h与励磁电流I成正比，励磁电流越大，磁偏距离也越大。 若

10、定义磁偏灵敏度3磁为单位励磁电流所引起的电子束在荧光屏上偏转的距离h(单位为 mm/A)(4-54)将式（4-54）代入，得kn bLe磁(4-55)式（4-55 ）表明，磁偏灵敏度3磁与加速度电压 U2的平方根成反比。 将式（4-48 ）与式（4-55） 相比较可以看出，提高加速电压6对磁偏转灵敏度降低的影响比对电偏转灵敏度的影响小。因此使用磁偏转时，提高显像管中电子束的加速电压来增加荧光屏上图象亮度水平比使用电 偏转有利，而且磁偏转便于得到电子束的大角度偏转，更适合于大屏幕的需要。因此显像管 往往采用磁偏转，但是偏转线圈的电感与分布电容都增大，不利于高频使用，而且由于它的 体积与质量较大，

11、都不及电偏转系统，所以示波管往往采用电偏转。【仪器】SJ-SS-2型电子束实验仪，交流稳压电源，万用表等。【实验内容与步骤】本实验采用SJ-SS-2型电子束实验仪，其使用方法见【仪器描述】。1. 电子束的电偏转测试偏转距离与偏转电压的关系测试步骤如下。 将功能选择开关置于 Y （或X）电偏位置，面板插孔按图 4-54要求插入导线。 接通高压电源开关，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“聚焦 Vi”。I51 00图4-54 电偏转接线 调节“ X轴移位”、“ Y轴移位”旋钮，使光点移到坐 标原点。 调节电偏电压，使光点朝 Y （或X）方向偏转，每偏 转5

12、mm,读取相应的电偏电压 U值（由mA-V表直接读数X 3）,测到光点偏转 30 mm为止。 做y-U（或x-U）图，以验证在加速电压 U2不变时，y 与U成正比并由图求3电。测试电偏转灵敏度3电与加速电压 5的关系 测试步 骤如下。 、方法同前。 调节电偏电压，使光点在荧光屏上向Y （或X）预偏15 mm,保持电偏电压的值不变。 调节“高压调节”，使U下降，每降100 V （或200 V）读取相应的偏转量 y（或x）。 计算出1 做电丄正比图，以检验当偏转电压不变时，3电与U2成反比关系。氏图4-55磁偏转接线Y轴某点yn,并记下该点坐标。2. 电子速的磁偏转测试偏转量与励磁电流 I的正比关

13、系 测试步骤如下。 将“功能选择”开关置“磁偏”位置， 按图4-55要求插入导线。 接通高压电源开关，将 V2调至最大， 调节“聚焦V】”旋钮使光点聚焦，保持辉度 适中，调节“ X轴移位”旋钮，使光点位于坐标 “励磁电流”复位旋到零，接通励磁电源开关，顺时针方向调节“励磁电流”旋钮,使光点偏转，读取不同偏转量Y及其对应的I值，并计算出磁偏灵敏度3磁及其平均值。 根据测量数据，做 y -I图，验证y与I的正比关系。 按图4-55虚线位置改变偏转线圈电源极性，观察磁场方向改变后光点反方向偏转， 以验证洛仑兹力 F= e v X B的矢量关系。测试磁偏灵敏度与加速电压U2的关系测试步骤如下。，方法同

14、前。接通励磁电源开关，调节“励磁电流”旋钮使光点从坐标Yn点往下（或上）偏转15 mm保持I不变。调节“高压调节”旋钮使U值减少，读取不同 U值及相应的y值，并计算各3磁。做 磁1 ,u2图，以验证磁偏灵敏度与加速电压U平方根的反比关系。【数据处理】1. 电子束的偏转表4-12 电偏转距离与偏转电压关系测试条件偏转距离/mm51015202530U2 = V垂直上偏电压/v垂直下偏电压/v水平左偏电压/V水平右偏电压/V在直角坐标纸上做出y -U图线。表4-13 3电和U2数据测试表测试条件预偏转电压 U=V预偏转y = 15mmU2加速电压1/U 2偏转距离/mm3电测试值按表中数值在坐标纸

15、上做出电1 . u2图。2. 电子束的磁偏转表4-14 偏转量与励磁电流的关系测试条件加速电压U2=V;向上偏转偏转量y/mm51015202530 实测平均偏转灵敏度实测励磁电流1/mA-n实测灵敏度3磁 按表中数值在坐标纸上做出y -I图。表4-153进与U数据测试表测试条件加速电压U2 /V1700160015001400130012001100100012.2452.5002.5822.6722.7732.8823.0154.612.U2X 10-2X 10-2X 10-2X 10-2X 10-2X 10-2X 10-2X 10-2偏转量/ mm3电测试值按表中数值在坐标纸上做出3磁-

16、1/U 2图。【仪器描述】SJ-SS-2型电子束实验仪SJ-SS-2电子束射仗商匝開节辅助本仪器由高压电源、 励磁电源 电路、示波管显示电路、测量电路 及插头极性指示电路等组成，全部调节旋钮和接线位置均设在面板 上。图4-56为该仪器面板示意图， 各旋钮功能介绍如下。1. 辉度：用以调节加在示波管 控制板上的电压大小，以控制阴极 发射电子数量，从而控制光屏上光 点的亮度。2. 聚焦Vi：用以调节聚焦极 上的电压，以调节电极附近区域的 电场分布，从而调节电子束的聚焦 和散焦。3. 辅助聚焦V2：用以调节前OOOOOOOOOO 000000 000 昭秦电擁曲住 朗战 根电iffi抬示 、 曲源土

17、 x置加速极和加速极上的电压，以改变阴极表面区域及聚焦区域的电 场分布，从而调节电子的发射和加 速并配合聚焦极聚焦。图4-56电子束实验仪面板图4. 高压调节：调节其阻值的大 小可改变示波管和电极的电压大 小，而又不改变各电极的电压比。5. 电偏电压：调节其大小可调 节偏转电极上的偏转电压，从而使光点位移。偏转电压的大小通过功能选择开关的“电偏” 转接由mA-V表直接读取（量程指示X 3）。6. X（或Y）轴移位：调节“ X （或Y）轴移位”旋钮，可改变 X （或Y）偏转板上的预偏电 压厶U,以便将光点沿 X （或Y）轴位移到坐标原点。7. 功能选择开关及 mA-V表：通过功能开关的选择转换，

18、使 mA-V表接通有关测量电路及 有关回路，可分别测量：聚焦电压 Ui （量程050 V X 15）;电偏电压（量程050 V X 3）; 磁聚焦励磁电流（量程050 mAX 20）磁偏转励磁电流（量程 050 mAX 1 ）。8. 高压电源开关：旋钮往上接通，往下断开高压变压器的220 V 交流初级回路。9. 励磁电流：调节励磁电流旋钮，可调节励磁电源输出的电压和电流的幅值，顺时针方 向为幅值增加，反之减少。10. 励磁电源开关：旋钮往上接通，往下断开励磁电源。11. 插头指示：手触氖灯罩，氖灯亮则指示高压电源和励磁电源A端接通的是市电的“火线”，仪器正常工作，反之接通的是市电“零线” 。在励磁电源开关断开的情况下，励磁回路接B端的部位将有交流 220 V电位，并使元件（如大电解电容外壳、电源1-插座）带电，当人体误触机内上述接点时会造成触电危险。所以插上电源后应检查插头极性，不正常时应将 插头一端极性互换，以保证市电“火线”