电子束示波器综合实验仪实验指导书[1] (1).doc

1、成都中科唯实仪器有限责任公司 (028)85121813 85121820-829WS-JD-DZS 型 电子束示波器综合实验仪 实验指导书 1唯 实 仪 器电子束示波器综合实验仪实验指导书实验一 电子束的控制、加速与静电聚焦截面细窄的电子流称为电子束。产生电子束的器件一般均为要求有 10-6mmHg 以上的真空，以免电子与空气分子碰撞而散射.产生电子束的器件称为阴极射线管，简写为 CRT。现代电子发射技术和高真空技术制造了各种 CRT 器件，例如电视显像管、雷达扫描显示屏、示波管等。以这种真空器件为核心，配合各种电子电路组成一系列示波、图像显示设备。学习掌握电子在电场、磁场中的运动规律及实验

2、方法是今后学习示波电测技术必备的基础。【实验目的】1.观察电子束的控制、加速观像，测量不同加速电压下电子束的截止电压。2.学习电子枪的结构，了解各极电压及电压分配情况。实测各极电压。3.观察聚焦电压 V1和辅助聚焦 V2对静电场聚焦的影响，实测不同加速电压下的聚焦、辅助聚焦电压。【仪器设备】WS-JD-DZS 型 电子束示波器综合实验仪、数字万用表【实验原理】一、 示波管简介示波管分为电子枪、偏转板和荧光屏三部份（见图 1-1）成都中科唯实仪器有限责任公司 (028)85121813 85121820-829WS-JD-DZS 型 电子束示波器综合实验仪 实验指导书 2唯 实 仪 器1.电子枪

3、：由加热电极（灯丝极）F、阴极 K、栅极（调制极）G、加速电极 A2 第一阳极 A1（聚焦极）和第二阳极 A2（辅助聚焦极）组成。A2与 A2 内部相连。2.偏转板：DX 水平偏转 X、X一对；DY 垂直偏转 Y、Y一对；3.荧光屏：是在示波管玻璃屏内表面涂敷荧光物质膜层构成；外部用玻璃封装，抽真空并加有吸气剂。本实验所用示波管为 8SJ31J 型。灯丝 F（加热电极）通以电流后发热（电压 6.3V） ，用于加热阴极 K。阴极是一个表面涂有氧化物（钡、锶的氧化物）的金属圆筒，经灯丝加热后，温度上升，一部分电子脱离圆筒表面，变成自由电子发射，自由电子在外电场作用下形成电子流。栅极 G 为顶端带孔

4、（1mm）的圆筒，套装在阴极之外，其电位调在比阴极低的水平上，对阴极发射电子起控制作用。调节栅极电位能控制射向荧光屏的电子流密度。电子流密度大，电子轰击荧光屏的总功率大，荧光屏上的光点被激发就越亮。当栅极电位调到相对阴极足够负时，将没有电子轰击荧光屏，则屏上光点消失。此时栅极阴极间的电位差称作调制极截止电压，8SJ31J 截止电压为-3570V。调节栅极和阴极间电压可控制屏上光点亮度，这就是亮度调节。为了使电子束获得较大能量轰击荧光屏发光，在栅极之后装有加速电极 A2，其电压比阴极高 1000V 左右，A 2是一长金属圆筒，筒内有一对同轴中心孔金属片，用于截获离开轴线的电子，使电子束有较细截面

5、。加速极后面是第一阳极 A1 和第二阳极 A2（A 2与 A2相连接）第一阳极电压一般为几百伏，与 A2、A 2 一样也是中间有小孔的园板，A 2、A1、A 2 三极形成的电场除加速作用外，还起着会聚作用，使电子束会聚成很细一束，这种作用称为聚焦，改变 A1 第一阳极电压可改变 A2、A 1X、A 1、A 2 间电场分布，将影响会聚，所以 A1 称为聚焦极。A 1 电压调节称为聚焦调节。A 2、A 2 电压也影响会聚，调节 A2 电压的电位器称为辅助聚焦调节。成都中科唯实仪器有限责任公司 (028)85121813 85121820-829WS-JD-DZS 型 电子束示波器综合实验仪 实验指

6、导书 3唯 实 仪 器为了使电子束能够打到荧光屏上任何部位，必须使从阴极到屏电子束运动的轨迹能按要求改变，这种运动轨迹的变化，我们称为“偏转” 。电子束的偏转可以用静电场，也可用磁场来实现，一般示波管采用静电场的办法使电子束偏转，称为静电偏转。静电场由两对互相垂直的偏转板提供。其中一对能使电子束在 X 方向偏转，称为 X 向偏转板 DX（或水平偏转板） ；另一对能使电子束在 Y 方向偏转，称 Y 向偏转板 DY（或垂直偏转板） 。二、电子束的电聚焦原理电子束在非均匀静电场中传播，遵从的规律与光线在几种折射率不同的透明媒质中传播时遵从的规律从形式上极相似。在示波管中，阴极发出的电子流处与加速电场

7、中，这个电场从加速极（A 2）经过栅极（G）到阴极（K ）表面。 （见图） ，这个电场使从阴极表面不同点发出的电子向栅极方向运动时，在栅极出口前会聚，形成一个电子束交叉点 F1，由加速极第一阳极、第二阳极所组成的电聚焦系统，把交叉点 F1 成像在示波管的荧屏上，呈现直径足够小的光点 F2，这与凸透镜对光会聚成像作用相似，称之为电子透镜。实验中用 8SJ31J 示波管，加速电极 A2为一圆筒，第一阳极 A1 和第二阳极 A2为两膜片，V A2VA1VA2 属低电势，电子在 A1 区域运动速度小，会聚作用时间长，合成的电子透镜仍然具有会聚性。改变各电极之间的电势差，特别改变 VA1，相当改变电子透

8、镜的焦距。可使电子束的会聚点正好落在荧光屏内表面，这是电子射线电聚焦原理。【实验内容】准备：一、 在“电子枪”工作区中，给电子枪各极通过连线供电： 灯丝 F 供 6.3V。通过灯丝给阴极加热； 栅极 G 供 VG: VG 可 调 ， 是 电 子 束 控 制 电 压 、 即 亮 度 调 节 ； 逆 时 针 旋 到 底 （ 最 负 、关 闭 ） 阴极 K 供 VK: VK 可调，是输入负高压大小的调节； 居中 聚焦极 A1 供 V1: V1可调，是聚焦调节旋钮； 居中成都中科唯实仪器有限责任公司 (028)85121813 85121820-829WS-JD-DZS 型 电子束示波器综合实验仪 实

9、验指导书 4唯 实 仪 器 辅助聚焦极 A2供 V2: V2可调，是辅助聚焦调节旋钮。 居中二、在“偏转系统”工作区中，给偏转板通过连接线供电水平偏转板 DX:水平偏转板 X 供 VX； VX可调，由 VX调节电位器调整。 居中水平偏转板 X供 VX； VX可调，由 X 调零电位器调整。 居中垂直偏转板 DY:垂直偏转板 Y 供 VY； VY 可调, 由 VY 调节电位器调整。 居中垂直偏转板 Y 供 VY； VY 可调，由 Y 调零电位器调整。 居中三 、 在 “功 能 转 换 ”工 作 区 中 ， 提 起 红 色 按 键 钮 ， 使 处 于 “电 子 束 ”工 作 状态 。四、在“数显高压

10、表”工作区中，插好红（） 、黑（）表笔。五、在 机 箱 背 后 插 上 电 源 线 (AC220V)， 经 教 师 插 检 无 误 后 ， 打 开 电 源 开 关（ 电 源 指 示 灯 亮 ） ， 预 热 两 分 钟 顺 时 针 调 节 亮 度 旋 钮 ， 使 屏 中 光 斑 亮度 适 中 。六、调节 Y、X 偏转板对地电位 VY=0,VX=0;再微调 Y、X 调零电位器，使光斑处于荧光屏中央。七、调节聚焦电位器、辅助聚焦电位器（注意光斑变小后亮度会增加，避免烧坏荧光粉，应随时调低亮度）使光斑小而园。八、 “电子束加速高压”可调范围及“聚焦”调节范围的测量： 最高电子束加速电压：“亮度”左旋到

11、头（最暗） （顺时针旋到头）“高压调节”右旋到头（最高） （顺时针旋到头）“辅助聚焦”右旋到头（最高） （逆时针旋到头）最低电子束加速电压：“亮度” 右旋到头（最亮） （逆时针旋到头）“高压调节”左旋到头（最低） （逆时针旋到头）“辅助聚焦”左旋到头（最低） （顺时针旋到头）V1V2 (V)项目 条件 VKV2 (V) max minUK2maxUK2min范围：U K2maxUK2min （V）成都中科唯实仪器有限责任公司 (028)85121813 85121820-829WS-JD-DZS 型 电子束示波器综合实验仪 实验指导书 5唯 实 仪 器UK2max 时： U12= (V)UK2

12、min 时： U12= (V)九、 “电子束”截止电压的测量： 电子束最大截止负压：“高压调节”右旋到头（最高） （顺时针旋到头）“辅助聚焦” 右旋到头（最高） （逆时针旋到头）“亮度”调到光斑刚消失（截止） （顺时针旋） 电子束最小截止负压：“高压调节”左旋到头（最低） （逆时针旋到头）“辅助聚焦”左旋到头（最低） （顺时针旋到头）“亮度”调节到光斑刚消失（截止） （顺时针旋）项目条件 UGUKUGK maxUGK min本机调制极截止电压范围：_V _ V 8SJ31J 示波管制作中的离散性决定了每个管子截止电压范围不尽相同，典型数据为：-35V-70V.十、电子束阴极电流的测量：摘掉“阴

13、极 KVK”连线，串入数字万用表直流 20mA 量程。 （注意安全，应在断电状态下操作。经老师检查无误后送电） 本机最大阴极电流范围：“高压调节”右旋到头（最大） （顺时针旋到头）“辅助聚焦”右旋到头（最大） （逆时针旋到头）“亮度”左、右旋到头（最大范围） （左右旋） 本机最小阴极电流范围：“高压调节”左旋到头（最小） （逆时针旋到头）“辅助聚焦”左旋到头（最小） （顺时针旋到头）“亮度”左、右旋到头（最小范围） （左右旋）参数条件 IK (mA)IK max 0成都中科唯实仪器有限责任公司 (028)85121813 85121820-829WS-JD-DZS 型 电子束示波器综合实验仪

14、实验指导书 6唯 实 仪 器IK min 0十一、调节电子枪处于最佳工作状态，实测各极参数（以地为参考点）参数条件VK VG V2 V1 VY VXVYVXVFF高 压 调 节 居 中VFF 为示波器灯丝电压，用数字表交流电压量程测量。总结：V K、V G、V 1、V 2 的关系思考题： 你 能 依 据 以 上 数 据 计 算 出 示 波 管 在 高 压 最 高 时 和 最 低 时 的 管 内 阻 吗 ？ 什么是参考点？什么是电位？什么是电压？成都中科唯实仪器有限责任公司 (028)85121813 85121820-829WS-JD-DZS 型 电子束示波器综合实验仪 实验指导书 7唯 实

15、仪 器实验二 电子束的偏转研究许多近代检测仪器都是利用带电粒子在电场和磁场中的运动规律设计而成的，例如，示波器、电视机、粒子加速器、质谱仪等。今天，电子技术的应用已深入到了各个领域，因此了解和认识带电粒子在电磁场中的运动规律已成为学习和掌握近代科学技术必不可少的基础知识。本实验主要研究电子在横向电场和横向磁场中的偏转规律，实验中电子的行为同经典粒子一样，它们遵从牛顿运动定律。也就是说，我们讨论的电子的运动速度远小于光速(3.00 108m/s)，因此不需做相对论修正，电子运动的空间范围也远大于原子的线度(10-8m)，因此也不必考虑量子效应。一、 【实验目的】(1)研究电子在横向电场中的运动规

16、律。(2)研究电子在横向磁场中的运动规律。二、 【实验原理】1示波管实验中用到的主要仪器是示波管，图 1 是示波管的结构原理图。它包括有：(1)一个电子枪，它发射电子，把这些电子加速到一定的速度并聚焦成电子束。(2)一 个 由 两 对 金 属 板 组 成 的 偏 转 系 统 ， 分 别 叫 做 x 偏 转 板 和 y 偏 转 板 。(3)一 个 在 管 子 末 端 的 荧 光 屏 ， 在 电 子 的 轰 击 下 可 发 出 可 见 光 ， 用 来 显 示 电 子 束 的 轰 击 点 。电子枪的结构如图2所示，自左至右分别是灯丝、阴极K、控制栅极G 、第二栅极加速极成都中科唯实仪器有限责任公司

17、(028)85121813 85121820-829WS-JD-DZS 型 电子束示波器综合实验仪 实验指导书 8唯 实 仪 器A2、第一阳极 A1，和第二阳极A 2。阴极表面涂有锶和钡的氧化物，阴极通过灯丝加热至1200K时将会在其表面逸出自由电子(热电子)。控制栅极 G的工作电位低于阴极约3570V，只有那些能量足以克服这一电位产生的电场作用的电子才能穿过控制栅极。因此，改变这个电位，便可以限制通过栅极的电子数量，即控制电子束的强度或屏上光点的亮度。第二栅极A2和第二阳极 A2相连，它们对阴极的电位约为+1kV左右，用于加速阴极发出的电子。第一阳极A 1位于A 2和A 2之间，它的工作电位

18、V 1低于A 2和A 2的工作电位V 2，A 1与A 2、A 1与A 2间的电场构成电子透镜，它的作用是把从控制栅极G发射出来的不同方向的电子聚集，选取适当的V 1、V 2值，使从控制栅极G发射出来的不同方向的电子在荧光屏上聚集成一个小点。通常将V 2固定，通过改变V 1实现聚集，所以A 1电极被称为聚焦电极，电子枪内部各电极电位的高低顺序如下：偏转板上所加的电压为偏转电压，当电子束经过两板间时便会在偏转电场的作用下发生电偏转。电子枪的各电极均由金属镍材料制成，它既能屏蔽电场，又能屏蔽磁场。2电致偏转从阴极发射出来的电子，在第二阳极 A2 射出时在 z 方向具有速度 z， z 值取决于阴极 K

19、 和第二阳极之间的电位差 V2。如果电子逸出阴极时的初始动能可以忽略不计，那么电子从第二阳极 A2 射出时的动能 就由下式确定：（1.1）下面讨论电子通过偏转板的行为，见图2。进入偏转板的电子，在y方向作初速为零的匀加速运动。设偏转板上所加电压为V y、板长为 、板间距为d、板间场强为E y、板右端至屏的距离为L ，则式中 t电子通过 的时间， t / z。成都中科唯实仪器有限责任公司 (028)85121813 85121820-829WS-JD-DZS 型 电子束示波器综合实验仪 实验指导书 9唯 实 仪 器于是，电子在离开偏转板的时刻，y 方向的速度为（1.2）此刻电子的运动轨道与 z

20、方向的夹角为考虑到（1.1）式，则（1.3）电子到屏上时，在 y 方向偏移量为（1.4）上述结果表明，光点在屏上的偏移正比于偏转板上所加电压，反比于加速电压。这里要指出，如果仔细考虑偏转板的结构与电子的运动情况，可以证明，在计算中，上式中的L 取为偏转板中心至屏的距离更为准确。3磁致偏转本节只讨论电子束在横向磁场中的偏转。图 4 示出了电子在磁场中及离开磁场后的运动情况， 是磁场范围，L 是磁场右边缘至荧光屏的距离。设电子以速度 z 垂直射人一均匀磁场中，由于电子运动的方向始终垂直于磁场，所以电子所受洛仑兹力的大小为成都中科唯实仪器有限责任公司 (028)85121813 85121820-8

21、29WS-JD-DZS 型 电子束示波器综合实验仪 实验指导书 10唯 实 仪 器此时，电子沿圆弧轨道运动，其半径尺月 R 从关系式（1.6）假设磁场引起的偏转角很小，则有sin，cos1 2/2。由图4可见，在电子离开磁场区的时刻，电子轨道的切线与原入射方向间的夹角（1.7）电子离开磁场时刻，横向偏转（1.8）电子到达屏上引起光点的横向偏转量D Ltan + L + （1.9）将（1.7）式与（1.8）式代入（1.9）式，得（1.10）考虑到加速电压 V2 和电子速度 的关系,由（图 1.1）式，得（1.11）上式表明，磁场引起的横偏移量与磁感应强度成正比，与加速电压的平方根成反比。式中的磁

22、场可以是电流的磁场，也可以是地磁场。三、 【实验仪器】WS-JD-DZS 电 子 束 示 波 器 综 合 实 验 仪 、 直 流 稳 压 电 源 、 低 压 电 表 、 直 流 毫 安 表 。四、 【预习要求】(1)了解示波管的结构，正常工作条件下各电极电压的大小及顺序关系。(2)了解电致偏转时光点的移动与偏转电压 V、加速电压 V2、偏转板的几何尺寸 、d 的关系。成都中科唯实仪器有限责任公司 (028)85121813 85121820-829WS-JD-DZS 型 电子束示波器综合实验仪 实验指导书 11唯 实 仪 器(3)磁致偏转与磁感应强度、加速电压有何关系?(4)什么是 V2 的大

23、值和小值 ?一般相差多少?怎样测量?(5)为什么实验中要进行 V2 大 和 V2 小 、两组测量?(6)Vx 和 Vy 怎样测量，怎样把它们置零?五、 【实验内容】1准备(开机找光点)(1)接通电子和场实验仪的电源开关。(2)观察示波管荧光屏上有无光点，若无，则先把改变偏转电压 Vx 和 Vyx 的旋钮置中间位置，再把 X、Y 调零旋钮置中间位置(中间位置即该旋钮左右旋到头之一半位置)，然后调节栅极电压，直到光点出现。(3)调栅极电压，使光点亮度适中，调聚焦电压使电子束聚焦(光点最小)，光点越小越好定位，偏暗一点较适合观察。2电致偏转(1)将 高 压 表 接 到 仪 器 面 板 上 的 K 和

24、 V2 两 点 (K 为 阴 极 电 位 测 点 ， 约 为 1kV 左 右 ,V2 为 第二 阳 极 电 位 检 测 点 )， 改 变 阴 极 电 位 使 加 速 电 压 为 一 较 大 值 (注 意 需 预 留 一 小 于 100V 以 上 的 较 小值 )即 V2 大 。 若 此 时 光 点 的 聚 焦 和 亮 度 发 生 了 改 变 ， 则 需 重 新 调 好 。(2)将偏转电压 Vx 和 Vy， 置零，然后用 X、 Y 调零旋钮将光点调至屏的中心(偏转电压调零和测偏转电压均需把低电表的一支表笔接到 V2 点(电位为 0)，另一支表笔接到 Vx 和 Vy的测量点上，偏转电压(V d)的

25、变化范围是65V+65V，测量时应随时根据所测电压的正负而交换两表笔)。(3)当确定了电致偏转的方向后，用调该方向偏转电压的调节旋钮将光点调至测量的起点（一般选在网格的左端，或上端处） ，测出其偏转电压（通常为一负值） ，然后改变偏转电压，待光点每改变一格，测 一 次 偏 转 电 压 值 （ V d） 至光点偏至 20 格为止，并将它们逐一记录在表 1 中。(4)重新把高压表接人 K、 V2 两点，改变阴极电位使加速电压为一较小值(V 2 小 和 V2 大应相差 100V 以上)，重复以上步骤，完成电致偏转的第二组测量。成都中科唯实仪器有限责任公司 (028)85121813 85121820

26、-829WS-JD-DZS 型 电子束示波器综合实验仪 实验指导书 12唯 实 仪 器表 1 数 据 表注 ：V d是 偏 转 电 压 ， 它 是 X或 Y偏 转 板 相 对 于 V2 的 电 压 V d 是两极板的电压，比如 x 和 x 之间的电压3磁致偏转(1)重复电致偏转步骤(1) ，测 V2 大 。(2)重复电致偏转步骤(2) ，将 Vx、V y 调零，然后将光点用 X、Y 零旋钮调至屏(3)接 通 磁 场 线 圈 的 供 电 电 路 ， 逐 渐 增 大 线 圈 电 流 Is， 观 察 光 点 偏 转 的 方 向 后 将 Is 调 回 零 。(4)根据光点的偏移方向用 Y 置零旋钮把光

27、点调至测量起点 (屏的上方或下方)，然后逐步增大 Is，待光点每移两格记下相应的 Is 值到光点到 8 格为止，把相应的 D 和 Is 值记人表 2 中。(5)取 V2 为 一 较 小 值 V2 小 ， 重 复 以 上 步 骤 ， 完 成 磁 致 偏 转 实 验 的 第 二 组 测 量 并 填 人 表2 中 。表 2 数 据 表成都中科唯实仪器有限责任公司 (028)85121813 85121820-829WS-JD-DZS 型 电子束示波器综合实验仪 实验指导书 13唯 实 仪 器六、 【注意事项】(1)操作时谨防触电，示波管的阴极和栅极电位约为 1000 多伏的负电压。(2)高压表用于测

28、量加速电压等高电压，其量程为 1500V，低压表用于测偏转电压，实验中宜选用 100V 量程，用低压表测高电压会损坏电表。七、 【实验报告要求】(1) 画 D Vd 和 DV2-Vd 曲线。绘曲线时要注意：以 Vd 为横坐标；若D=0.0 时的偏转电压 Vd(0.0)不为零，则在画曲线之前应先进行坐标变换，设 Vd为测量数据，则变换公式为Vd(i)= Vd(i)- Vd(0.0)(2) 分析以上曲线，从中归纳出电子在横向电场中偏转的规律来。(3)(4)分析上图，总结出磁致偏转的规律来。八、 【思考题】(1)示 波 管 的 水 平 灵 敏 度 (单 位 电 压 引 起 光 点 的 偏 移 量 )

29、与 垂 直 灵 敏 度 是 否 相 同 ， 在 做 电致 偏 转 的 V2 大 和 V2 小 两 次 测 量 时 ， 一 次 用 x 方 向 ， 另 一 次 用 y 方 向 可 以 吗 ?为 什 么 ?(2)磁 致 偏 转 实 验 中 ， 地 磁 场 对 测 量 结 果 有 影 响 吗 ?如 果 有 ， 能 否 消 除 或 将 其 影 响 减 至 最 小 ?(3)实 验 中 ， 我 们 将 第 二 阳 极 电 位 取 为 零 ， 现 在 假 定 它 不 为 零 ， 能 否 对 电 子 束 聚 焦 ， 为 什 么?(4)倘若电子枪产生的电子束是由带正电荷的粒子构成的，那么示波管中应做什么改变?这

30、样的电子束在电致偏转实验中又会如何改变?(5)在磁致偏转中，如果除磁场外，还在一对偏转板上加以电压，两种偏转就能相互抵消。应该用哪一对偏转板?假设此时两种偏转已相互抵消，然后再增加加速电压 V2，这时将会出现什么现象?成都中科唯实仪器有限责任公司 (028)85121813 85121820-829WS-JD-DZS 型 电子束示波器综合实验仪 实验指导书 14唯 实 仪 器实验三 电子束的磁聚焦及电子荷值比的测定电子束的磁聚焦是运动电荷在磁场作用下产生的极其重要的物理现象。对该现象的观察和研究，有助于我们对许多利用磁透镜组成的现代分析仪器的原理和应用的理解；还可利用该现象获得电子荷值比，以便

31、加深对电子性质的认识。【预习提要】(1)认真阅读电子束实验仪说明书，了解其结构、原理和使用方法。(2)什么是电子束的磁聚焦现象，怎样解释?(3)测电子荷值比试验时，所说的第一次、第二次、第三次磁聚焦的含义是什么?各次聚焦的励磁电流量值间有何关系?【实验要求】(1)研究示波管内电子束在磁场中的螺旋运动。(2)了解电子束的纵向磁场聚集原理及现象。【实验目的】用纵向磁场聚焦法测电子荷值比。【实验仪器】 电子束示波器综合实验仪 WS-JD-DZS(含全套导连线) 【实验原理】 若将示波管的加速电极 第一阳极 A1 连在一起， 并相对于阴极 K 加一电压,2V2(即加速电压)，这样，电子一进入加速电极就

32、在零电场中作匀速运动。这时来自电子束交叉点 F1(见图 1)发散的电子束将不再会聚，而在荧光屏上形成一个光斑。为了能使电子束聚焦，可在示波管外套一螺线管，并通以电流，使在电子束前进成都中科唯实仪器有限责任公司 (028)85121813 85121820-829WS-JD-DZS 型 电子束示波器综合实验仪 实验指导书 15唯 实 仪 器的方向产生一均匀磁场 B。在我们所用的示波管中，栅极和加速电极很靠近，只有18mm 左右，因此，可以认为离开电子束交叉点 F1后电子立即进入电场为零的均匀磁场中运动。对于均匀磁场 B(电场为零)中以速度 运动的电子，将受到洛仑兹力F 的作用，即F e B (1

33、)当 和 B 同向时，力 F 等于零，电子的运动不受磁场的影响。当 和 B 垂直时，力 F 垂直于速度 和 B，电子在垂直于 B 的平面内作匀速圆周运动，维持电子作匀速圆周运动的力就是洛仑兹力，即(2) 或式中，R 为电子轨道半径。电子旋转周期 T 为（3）由式(3)可见：周期 T 与电子速度无关，即在同一磁场强度下，不同速度的电子绕圆一周所需的时间是相同的。只是速度越大的电子所绕的圆周的半径也越大。这一结论很重要，它是磁聚焦的理论根据。在一般情况下，电子的速度 和磁场 B 间成一角度 ，这时可将 分解为与B 平行的轴向速度 和与 B 垂直的径向速度 两部分，如图1 所示,且 保持不变，即电子

34、沿管轴方向作匀速运动。成都中科唯实仪器有限责任公司 (028)85121813 85121820-829WS-JD-DZS 型 电子束示波器综合实验仪 实验指导书 16唯 实 仪 器由于 的存在，电子受到洛仑兹力作用，又要绕轴作圆周运动，则合成的电子运动的轨迹将为一条螺旋线，如图 3 所示。其螺距为（4）由此可见，从同一个电子束交叉点 F1 出发的每个电子，虽然径向速度 各不相同，以及所走的螺旋轨道半径也各不相同，但只要轴向速度 相等，并选择合适的轴向速度和磁场 B(改变 的大小可通过调节加速电极的电压 U2 来达到；改变 B 的大小可调节产生磁场 B 的螺线管中的励磁电流 I 来达到)的大小

35、，使电子在经过 (从电子束交叉点 F1 到荧光屏的距离 )长的路程正好为整数个螺距 h，这时电子束又将在荧光屏上会聚成一点，显示为一亮点，这就是电子射线的纵向磁场聚焦原理。下面介绍用电子束的纵向磁场聚焦法测电子荷值比。从前面的讨论我们知道，电子的轴向速度 应是由加速电压 U2 决定（因为电子离开阴极时的初速相对来说很小，可以忽略） ，故有所以可见电子在均匀磁场中运动时，具有相同的轴向速度，但由于 角不同，径向速度将不同。因此它们将作半径不同、螺距相同的螺旋线运动，经过时间 T 后，在的地方聚焦。调节磁场 B 的大小，使螺距正好等于电子束交叉点 F1 到荧光屏之间的距离 ，这时荧光屏上的光斑就聚

36、焦成一个小亮点。由于故电子荷值比为（5）严格的说，螺线管的磁场应按多层密绕螺线管的磁场公式计算。但为简单起见，仍用薄螺线管公式计算，即有（6）式中, 04 10 7N/A2(真空中的磁导率)；n 为螺线管单位长度线圈匝数。成都中科唯实仪器有限责任公司 (028)85121813 85121820-829WS-JD-DZS 型 电子束示波器综合实验仪 实验指导书 17唯 实 仪 器设螺线管的长度为 A，螺线管的平均直径为 D，并认为电子束聚焦磁场均匀，且都与螺线管轴线中点 M 的磁场强度相等，则式(6)可简化为(见图 3)。（7） 设螺线管的线圈总匝数为 N，则得实验计算电子荷值比公式为（8）8

37、SJ31J 示波管阴极到荧光屏的距离 、A 、D、N 等各值由实验室给出。实验时保持 U2 一定，测得聚焦电流 I，即可由式(8)计算电子比荷实验值。【实验内容】(1)观察电子束磁聚焦现象。(2)测电子比荷实验的简化电路如图 4 所示。测量前应搞清此电路。由于示波管加速电极 A2、第一阳极 A1 连在一起、偏转电极 Y 和 X 已全部连在一起接地，这时电子一进入加速电极就在零电场中作匀速运动。因此，来自电子束交叉点 F1发散的电子束将不再会聚，而是在荧光屏上形成一个光斑。为了使电子束聚焦，将螺线管接上电源，即加上均匀磁场 B，再调节螺线管中的励磁电流 I，即可观察到磁聚焦现象(屏上的光斑逐渐会

38、聚成小的光点)。继续增加电流，以增加螺线管中磁场 B，这时将观察到第二次聚焦、第三次聚焦。试用前面讨论过的理论解释观察到的现象。因电子束在做螺旋运动中会碰到周围电极，应给 X、Y 供调零电压 V X、V Y将光斑调在能看到三次聚焦的相限位置。 （多数为三、四相限）成都中科唯实仪器有限责任公司 (028)85121813 85121820-829WS-JD-DZS 型 电子束示波器综合实验仪 实验指导书 18唯 实 仪 器电子比荷的测定宜选择加速电压(用图 4 电路)U 21100V、1000V、900V 记下第一次、第二次、第三次聚焦时的励磁电流 I1、 I2、I 3，并重复多测几次求其平均值

39、，数据记录于表 1 中。【数据处理】 表 1 测量电子比荷数据表加速极电压U2（V）次数第一次聚焦电流I1(mA)第二次聚焦电流I2(mA)第三次聚焦电流I3(mA)聚焦电流平均值（注：为方便计算，下表我直接记录的是I 的平方）其中公共部分=3.2171071 0.43 0.87 1.32 0.1907 1.8610112 0.41 0.87 1.31 0.1863 1.9010113 0.42 0.87 1.30 0.1863 1.9010111100平均1000 1 0.41 0.86 1.28 0.1806 1.781011成都中科唯实仪器有限责任公司 (028)85121813 851

40、21820-829WS-JD-DZS 型 电子束示波器综合实验仪 实验指导书 19唯 实 仪 器2 0.44 0.85 1.28 0.1835 1.7610113 0.41 0.85 1.27 0.1778 1.811011平均1 0.41 0.84 1.23 0.1708 1.7010112 0.41 0.83 1.20 0.1654 1.7510113 0.41 0.84 1.21 0.1681 1.731011900平均 1.801011（误差 2.27%）A 0.25 m D 0.094 m N 1800 匝 0.185 m 计算 e/m 的实验值与标准 e/m1.7610 11C/k

41、g 的相对误差，并对结果加以分析讨论。实验注意事项一、电子束的偏转研究在偏转实验中，注意对 Vx，V y 的调零，调零时都是以 V2 为参考点的。此外在确定 V2大 和 V2 小 时，大小是一个相对值，只要相差 100V 以上就可以了，就可以验证偏转的灵敏度。通过五-1 的准备工作后，就开始测 V2 点 K 点的电压，这样来选取加速电压 V2 大 和 V2 小 ，选取时候，只需要调节“高压调节”旋纽即可。如果亮度和聚焦改变了，再重新调相应的旋纽即可。二、三次聚焦求荷质比首先按正确的接线图接线，然后在做电子荷质比实验的时候，把亮度旋纽调到最亮，即把亮度旋纽逆时针旋到底在亮度逆旋到底后，通过高压调节、辅助聚焦两个旋纽来使加速电压分别达到、。注意：在用高压调节、辅助聚焦旋纽改变电压时，两者要协调，在保证电压到位的同时，还要保证光斑趋于块状，观察到的聚焦才是点，否则可能是线点。此外为了达到三次聚焦，通过、调零旋纽来找到一个屏幕位置，这样才能看到光斑三次聚焦，而且务必使光斑不用旋转很大一圈才聚焦。 （这个过程在实验开始前，可以先不测数据，粗略演示下）成都中科唯实仪器有限责任公司 (028)85121813 85121820-829WS-JD-DZS 型 电子束示波器综合实验仪 实验指导书 20唯 实 仪 器