电子和场实验仪

   该仪器是参照美国伯克利《Berkciey Laboratory》和英国门德尔《Modern Laboratory Physics》等国外教材，并结合我国教学大纲规定内容而研制的分组实验仪器，通过定量测量来研究电子在电场和磁场中的运动变化规律。

仪器由示波管、理想二极管、刻度分化板、三位半数字电压表、三位半数字电流表、示波管工作电源、理想二极管工作电源、励磁电源（恒流源）、及配置的几组专用线圈（磁偏转线圈组、磁聚焦线圈、磁控条件用线圈）等部分组成，所有实验所需的电压和电流值均为LED数字显示，以上实验无需另配其它任何仪器仪表即可进行全部实验。

仪器采用了组合型结构，具有数据直观、可动手性强、操作方便等特点。电路采用了负高压供电，安全可靠

该仪器实验内容可做六个实验我们一般建议使用者做以下实验。

实验一     电偏转——电子+横向电场。研究横向电场对电子束的偏转，测量电偏转灵敏度，得出它与加速电压成反比的规律。

实验二     磁偏转——电子束+横向磁场。研究横向磁场对电子束的偏转，测量磁偏转灵敏度，并得出它与加速电压平方根成反比的规律，还可以测量地球磁场。

实验三     螺旋运动、磁聚焦——电子束+纵向磁场。研究电子在纵向磁场作用下的螺旋运动，测定电子荷质比，观察聚焦现象，验证电子螺旋运动的极坐标方程

一．电偏转

1.     接插线：V₁连A_,A₂接⊥，Vd.x±接X₁Y₁，Vd.Y±接X₂。Vd.Y±接Y₂

2.     灯丝钮子开关拨向“示波管”一端，接通电源，示波管亮。聚焦钮子开关拨向“POINT”一端。

3.     调焦：调节栅压V_G旋钮，将辉度控制在适当位置；调节聚焦电压旋钮，使荧光屏上光点聚成一细点，光点不要太亮，以免烧坏荧光物质。

4.     光点调零：用万用表监测偏转电压V_d（X₂，Y₂对地电压），同时调节Vd.x±Vd.Y±旋钮将V_d调零。这时光点应在中心原点，若不在，可调整X调零（Y调零）旋钮，使光点处于中心原点。

5.     测加速电压V₂：用万用表直流2500V档“+”接V₂，“－” 接K，调整面板右上方加速电压旋钮，选择一定的加速电压V₂。用万用表直流2500V档“+”接V₁，“－” 接K，调整面板右上方聚焦电压旋钮，选择一定的聚焦电压V₁。

6.     测偏转电压V_d：直流200V档，“+” 接Y₂，“－” 接⊥。保持加速电压V₂及聚焦电压V₁不变，调节旋钮Vd.Y±，记录偏转电压V_d的数值及对应的电偏量D（屏前坐标系中光点位置），填入表1。

7.     利用所测加速电压V₂，偏转电压V_d及电偏移D，在X－Y坐标纸上描出不同V₂下D－V_d的关系，并据直线斜率确认V₂与电偏灵敏度δ_电的反比关系。

【数据记录及处理】

二、电子在横向磁场作用下的运动（磁偏转）

1.     接插线：A2接⊥，测加速电压V₂：用万用表直流2500V档“+” 接V₂，“-” 接K，调整面板右上方加速电压旋钮，选择一定的加速电压V₂。用机内提供的直流稳压电源串接毫安表，再接“外供磁场电源”接线柱，二只偏转线圈分别插入示波器两测。

2.     将外供磁偏电流Ia调零，同时调整聚焦旋钮、栅压旋钮，使光点辉度、聚焦良好；

3.     调整X、Y调零旋钮，使光点移至中心原点。

4.     调节加速电压旋钮，选择一定的加速电压。用万用表直流2500V档“+” 接V₂，“-” 接K，调整面板右上方加速电压旋钮，选择一定的加速电压V_2。

5.     逐步增大磁偏电流Ia，记录不同下磁偏量S及对应Ia的数值（至少三组）。

6.     拨动“换向开关”。同第5步测量X、Y轴反方向数据，并做记录。

7.     在X-Y坐标系中，描出不同下S-Ia关系图线，并分析直线斜率与加速电压之间的关系。

注：S可从屏外刻度板读出，Ia可从串接毫安表上读出。Ia可通过仪器换向开关换向。

【数据记录及处理】

三．螺旋运动、磁聚焦——电子束+纵向磁场

1.     接插线：A2接⊥，测加速电压V₂：用万用表直流2500V档“+” 接V₂，“-” 接K，调整面板右上方加速电压旋钮，选择一定的加速电压V₂。把大线圈纵向插入示波管，用机内提供的直流稳压电源串接安培表和大线圈，再接“外供磁场电源”接线柱。

 2.     将外供磁偏电流Ia调零，同时调整聚焦旋钮、栅压旋钮，使光点辉度、聚焦良好；

3.     调整X、Y调零旋钮，使光点移至中心原点。

4.     调节加速电压旋钮，选择一定的加速电压。用万用表直流2500V档“+” 接V₂，“-” 接K，调整面板右上方加速电压旋钮，选择一定的加速电压V_2。

5.调节“Y调零旋钮”把中心原点向下移动一点，调节V_2。使原点达到最大光斑_。

6.调节安培表的旋钮，这时可看到光斑在纵向磁场下作螺旋运动，当散焦的光斑达到第一次聚焦时记录下安培表上的电流值。重复上面6的操作，当第二次聚焦时记录下安培表上的电流值。

7.根据公式e/m=2v₂/L²(Ф/B)²=2V₂/L²K(Ф/Is)²计算出电子荷质比。其中K=ч₀²N²[1/（l²+d²）]  N=1330   l=0.248  d=(90+95)/2  ч₀ =1.257*10^-6

^8. 由公式e/m=2V₂/L²K(ΔФ/ΔIs)²

ΔФ=4π-2π  ΔIs=I_sπ- I_s2π

e/m的理论值为：1.76*10¹¹

^{9.所有的技术参数请参照纵向磁圈的数据。}

第二篇：TH-EB型电子束实验仪实验指导书

电子束实验

带电粒子在电场和磁场作用下的运动是电学组成的基础。带电粒子通常包括质子、离子、和自由电子等，其中电子具有极大的荷质比和极高的运动速度。因此，在各种分支学科中得到了极其广泛的应用。

众所周知，快速运动的电子会在阴极射线管的荧光屏上留下运动的痕迹，可以利用观察此光迹的方法来研究电子在电场和磁场中的运动规律。本实验仪采用的阴极射线管为8SJ31J示波管。以此管中轴线为基准线（Z轴方向），所施加的电场可分为纵向电场（可分加速电场和聚焦电场），横向电场（可分水平和垂直偏转电场，即X轴方向电场和Y轴方向电场）；所施加的磁场可分为纵向磁场（聚焦磁场）和 横向磁场（水平偏转磁场）。通过对上述各电场与磁场的组合，实验仪可完成电聚焦特性的测定，水平电偏转灵敏度的测定，垂直电偏转灵敏度的测定，磁偏转灵敏度的测定，截止栅偏压的测定等实验。利用纵向磁场聚焦法可测定电子荷质比e/m，同时还可观察在纵向磁场的作用下，电子束旋转式前进并聚焦的特性。

目　录

实验一　　电子束的电偏转与磁偏转….…….…….…….…….…….……

实验二　　电子束的电聚焦与磁聚焦及电子荷质比e/m的测定…….…

附  录   TH-EB型电子束实验仪使用说明书  …….…….…….…….…

实验一　电子束的电偏转与磁偏转

一、实验目的

1．了解阴极射线管内灯丝F、阴极K、栅极G、第一阳极（聚焦极）A₁和第二阳极（加速极）A₂、水平偏转板H₁、H₂、垂直偏转板V₁、V₂的结构与作用。

2．掌握电子束在外加电场和磁场作用下偏转的原理和方式。

3．观察电子束的电偏转和磁偏转现象，测定电偏转灵敏度、磁偏转灵敏度、截止栅偏压。

三、实验仪器

1．  TH-EB型电子束实验仪。

2．  示波管组件。

3．  0~30V可调直流电源（带输出显示）。

4．  数字万用表。

三、实验原理

1．  电偏转原理（电子的加速和偏转）

电子束电偏转原理如图（1）所示。我们把电子看成带有单位负电荷的经典粒子，在电场中要受到电场力（服从库仑定律）的作用，好比物体在重力场中要受到重力（服从牛顿万有引力定律）的作用一样。如果电子的运动方向和电场方向相反，如在加速电极上加正电压，那么电子将被加速。如果电子的运动方向和电场方向垂直，如加上偏转电压，那么电子将被偏转。我们选取直角坐标系来研究电子的运动。

 

图（1）  电子束电偏转原理

设电子刚从阴极逸出时速度很小，其动能可忽略不计。但在加速电场作用下，动能不断增大，根据能量守恒定律，动能的增量应等于它在加速电场中位能的减小，它应满足下列能量关系：

          （1）

则

                               （2）

式中e为电子电量，V_A为加速电压，m为电子质量，v为电子从加速极射出的速度。

通常在示波管的偏转板上加偏转电压V，当加速后的电子以速度v沿x方向进入偏转板后，受到偏转电场E（y轴方向）的作用，电场方向和运动方向垂直，电子一方面仍然以v速度继续向前作匀速运动，另一方面受电场力F_E的作用

               （3）

式中E为偏转电场强度，d为偏转板两板之间距离。

结果是抛物线运动，这就象平抛物体运动一样，使电子的运动轨迹发生偏转。假定偏转电场在偏转板l范围内是均匀的，电子将作抛物线运动。当电子离开偏转板后，即在偏转板外，电场为零，电子不受力，作匀速直线运动。

当电子离开偏转板时，设它的运动方向和x轴成φ角，则

                       （4）

式中v_E为电子离开偏转板时在y轴方向的速度。

电子在偏转板之间穿过时，假定所用时间为t，在t时间内电子在电场E的作用下，动量增加mv_E，根据动量定理，应等于F_E的冲量，则

                （5）

即                                （6）

由于t是电子以速度穿过偏转板所用的时间，则

                                            （7）

将（6）、（7）式代入（4）式，得

                          （8）

将（2）式代入（6）式，解得        （9）

将（9）式代入（8）式，得

                             （10）

当电子从偏转板出来后沿直线运动，直线的倾角φ就是电子离开偏转区后的运动方向。当偏转电压V=0时，电子束受偏转电场力作用应打在屏的中心，当V ≠0时，电子打在屏上的距离为D，则

                                 （11）

式中L为偏转板中心与屏的距离（忽略荧光屏的微小弯曲）。

将（10）式代入（11）式，解得：

        （12）

令，则荧光屏上电子束的偏转距离D可以表示为

                     (13)

式中V为偏转电压，V_A为加速电压，是一个与示波管结构有关的常数，称为电偏转常数。为了反映电偏转的灵敏程度，定义

                (14)

称为电偏转灵敏度，用mm/V为单位。越大，电偏转的灵敏度越高。

从（14）式中可知，因k_e为常数，则电偏转灵敏度与加速电压V_A成反比（V_A大，电子动量大，速度快，经过偏转时间t短，偏转量小）。

则                             （15）

从（15）式中可知，V越大，偏转距离D越大，当V_A为某定值时，D与V的关系是线性关系。

    在本实验仪中，电子束在纵向电场（V_A2加速电压）的作用下，向荧光屏方向（Z方向）运动，在聚焦电压（V_A1）的作用下，在荧光屏上聚成一亮点。在水平方向（X方向）的横向电场作用下，电子束向横向电场的反方向偏转。由上面的推导可知，在荧光屏上，光点的移动距离与H₁、H₂之间的电压（横向电场）成正比，与纵向电场成反比。H₁、H₂之间单位电压产生的位移为水平电偏转灵敏度。同理，在垂直方向（Y方向）的横向电场的作用下，电子束向横向电场的反方向偏转。由上面的推导可知，在荧光屏上，光点的移动距离与V₁、V₂之间的电压（横向电场）成正比，与纵向电场成反比。V₁、V₂之间单位电压产生的位移为垂直电偏转灵敏度。

2．  磁偏转原理

电子束磁偏转原理如图（2）所示。通常在示波管瓶颈的两侧加上一均匀横向磁场，假定在l范围内是均匀的，在其他范围都为零。当加速后的电子以速度v沿x方向垂直 射入磁场时，将受到洛仑兹力作用，在均匀磁场B内作匀速圆周运动，电子穿出磁场后，则做匀速直线运动，

 

图（2） 电子束磁偏转原理

最后打在荧光屏上。磁偏转的距离可以表示为：

                   （16）

式中I是偏转线圈的励磁电流，单位为安培（A）；是一个与示波管结构有关的常数称为磁偏常数。为了反映磁偏转的灵敏程度，定义

          （17）

称为磁偏转灵敏度，用mm/A为单位。越大，表示磁偏转系统灵敏度越高。

为实现磁偏转，示波管的两侧安装一对亥姆霍兹线圈。这一对亥姆霍兹线圈具有相同的参数，因此顺向串接后施加直流电流，具有顺向且大小相等的水平磁场（横向磁场）。电子束在纵向电场（V_A2加速电压）的作用下，在荧光屏方向运动，在聚焦电压（V_A1）的作用下，在荧光屏上聚成一亮点，在水平方向（X方向）的横向磁场作用下，按照右手螺旋法则和右手定则，电子束将向垂直方向（Y方向）移动，单位磁偏转电流所产生的为磁偏转灵敏度。

3．  截止栅偏压原理

示波管的电子束流通常是通过调节负栅压U_GK来控制的，调节U_GK即调节“辉度调节”电位器，可调节荧光屏上光点的辉度。U_GK是一个负电压，通常在-35V~-45V之间，负栅压越大，电子束电流越小，光点的辉度越暗。使电子束流截止的负栅压U_GK0称为截止栅偏压。

四、实验步骤

1．准备工作

1）  用专用电缆线连接电子束实验仪和示波管支架上的两个插座。

2）  将实验箱面板上的“电聚焦/磁聚焦”选择开关置于“电聚焦”。

3）  将与第一阳极对应的钮子开关置于上方，其余的钮子开关均置于下方。

4）  将实验仪后面的励磁电流开关置于“关”。

5）将“磁聚焦调节”旋钮旋至最小位置。

6）  为减小地磁场对实验的影响，实验时尽量将示波管组件东西方向放置，即螺线管线圈在东西方向上。

7）开启电源开关，调节“阳极电压调节”电位器，使“阳极电压”数显表显示为800V，适当调节“辉度调节”电位器，此时示波器上出现光斑，使光斑亮度适中，然后调节“电聚焦调节”电位器，使光斑聚焦，成一小圆点状光点。

2．电偏转灵敏度的测定

1）令“阳极电压”显示为800V，在光斑聚焦的状态下，将H₁对应的钮子开关单独置于上方，此时荧光屏上会出现一条由光点出发的水平射线，方向向左；将H₂对应的钮子开关单独置于上方，此时荧光屏上会出现一条由光点出发的水平射线，方向向右。将H₁、H₂对应的钮子开关均置于上方，此时荧光屏上会出现一条水平亮线，这是因为水平偏转极板上感应有50Hz交流电压之故。测量时在水平偏转极板H₁和H₂之间接通0～30V直流偏转电压，H₁接正极，H₂接负极，由小到大调节直流电压输出，应能看到光点向右偏转，分别记录电压为0V、10V、20V时光点位置偏移量，然后改变偏转电压的极性，重复上述步骤，列表记录数据。

2）将H₁、H₂对应的钮子开关均置于下方。将V₁对应的钮子开关单独置于上方，此时荧光屏上会出现一条由光点出发的水平射线，方向向上；将V₂对应的钮子开关单独置于上方，此时荧光屏上会出现一条由光点出发的水平射线，方向向下。将V₁、V₂对应的钮子开关均置于上方，此时荧光屏上会出现一条水平亮线，这是因为垂直偏转极板上感应有50Hz交流电压之故。测量时在垂直偏转极板V₁和V₂之间依次接通0V、10V、20V直流偏转电压，分别记录光点位置偏移量，然后改变偏转电压的极性，重复上述步骤，列表记录数据。

3）将“阳极电压”分别调至1000V、1200V，按实验步骤1的方法使光斑重新聚焦后，按实验步骤2中1）、2）的方法重复以上测量，列表记录数据。

4）  计算不同阳极电压下的水平电偏转灵敏度和垂直电偏转灵敏度。

3．磁偏转灵敏度的测定

1）准备工作与“电偏转灵敏度的测定”完全相同。为了计算亥姆霍兹线圈（磁偏转线圈）中的电流，必须事先用数字万用表测量线圈的电阻值，并记录。

2）令“阳极电压”数显表显示为800V，在光斑聚焦的状态下，接通亥姆霍兹线圈（磁偏转线圈）的励磁电压0～10V，分别记录电压为0V、2V、4V、6V、8V时荧光屏上光点位置偏移量，然后改变励磁电压的极性，重复以上步骤，列表记录数据。

3）调节“阳极电压调节”电位器，使阳极电压分别为1000V、1200V，重复实验步骤2），列表记录数据。

4) 计算不同阳极电压下的磁偏转灵敏度。

4．  截止栅偏压的测定

1) 准备工作与“电偏转灵敏度的测定”完全相同，但为了测量阴极和栅极之间的电压V_GK，需将与阴极K和栅极G相对应的钮子开关均置于上方。

2) 令“阳极电压”数显表显示为800V，在光斑聚焦的状态下，用数字万用表直流电压档测量栅极与阴极之间的电压V_GK，为负值，调节“辉度调节”电位器，记录荧光屏上光点刚消失时的V_GK值。

3) 调节“阳极电压调节”电位器，使阳极电压分别为1000V、1200V，重复实验步骤2），记录相应的V_GK值。

五、安全注意事项

1．实验前必须仔细阅读电子束实验仪使用说明书。

2．本仪器内示波管电路和励磁电路均存在高压，在仪器插上电源线后，切勿触及印刷板、示波器管座、励磁线圈的金属部分，以免电击危险。

3．本仪器的电源线应插在标准的三芯电源插座上。电源的火线，零线和地线应按国家标准接法之规定接在规定的位置上。

4．在将实验仪面板上H₁、H₂对应的钮子开关均置于上方的情况下，水平偏转板H₂和地G之间存在阳极高压，在水平偏转极板H₁和H₂之间接通0—30V直流偏转电压时，千万不要把两手接触到H₂和地GND之间，以免电击危险。

5．在将实验仪面板上V₁、V₂对应的钮子开关均置于上方的情况下，水平偏转板V₁和地G之间存在阳极高压，在水平偏转极板V₁和V₂之间接通0—30V直流偏转电压时，千万不要把两手接触到V₁和地GND之间，以免电击危险。

六、思考题

1．电偏转、磁偏转的灵敏度是怎样定义的，它与哪些参数有关？

2．在不同阳极电压下，为什么偏转灵敏度会不同？

3．何谓截止栅偏压？

七、实验报告要求

1．计算不同阳极电压下的水平电偏转灵敏度和垂直电偏转灵敏度。

2．试分析电偏转灵敏度与哪些实验参数有关。

3．试分析在同等偏置条件下，为什么垂直电偏转灵敏度会大于水平电偏转灵敏度。

4．计算不同阳极电压下的磁偏转灵敏度。

5．试分析磁偏转灵敏度与哪些实验参数有关。

6．试分析栅压为什么必需是负电压，截止栅偏压与第二阳极电压V_A2有何关系。

实验二　电子射线的电聚焦与磁聚焦

一、实验目的

1．  掌握带电粒子在电场和磁场中的运动规律，学习电聚焦和磁聚焦的基本原理和实验方法；

2．  掌握利用磁聚焦法测定电子荷质比的基本方法。

二、实验装置

1．TH-EB型电子束实验仪。

2．示波管组件。

3．数字万用表。

4．米尺，游标卡尺。

三、实验原理

1．电聚焦原理

电子束电聚焦原理如图（3）所示，在示波管中，阴极K经灯丝F加热发射电子，第一阳极A1加速电子，使电子束通过栅极G的空隙，由于栅极电位与第一阳极电位不等，在它们之间的空间便产生电场，这个电场的曲度像一面透镜，它使由阴极表面不同点发出的电子在栅极

前方汇聚，形成一个电子聚焦点。由第一阳极和第二阳极组成的电聚焦系统，把上述聚焦点成

 

图（3） 电子束电聚焦原理

像在示波管的荧光屏上。由于该系统与凸透镜对光的会聚作用相似，所以通常称之为电子透镜。

电子束通过电子透镜能否聚焦在荧光屏上，与第一阳极V_A1和第二阳极V_A2的单值无关，仅取决于它们之间的比值F。改变第一阳极和第二阳极的电位差，相当于改变电子透镜的焦距，选择合适V_A1与V_A2的比值，就可以使电子束的成像点落在示波管的荧光屏上。

在实际示波管内，由于第二阳极的特点结构，使之对电子直接起加速作用，所以称为加速极。第一阳极主要是用来改变V_A1与V_A2比值，便于聚焦，故又称聚焦极。改变V_A2也能改变比值V_A1/V_A2，故第二阳极又能起辅助聚焦作用。

从第二阳极和第一阳极的结构可知，在实现电子束在荧光屏上聚焦时，两个纵向电场的电压比值大致为一常数。示波管8SJ31J的V_A1/V_A2值约为20%。

2．磁聚焦原理

电子束磁聚焦的原理如图（4）所示。

 

图（4）  电子束磁聚焦原理

设一电子速度为v，在一磁感应强度为B的均匀磁场中运动，将v分解成与B平行的分量和与B垂直的分量，电子沿着B的方向运动时不受力，故沿B的方向作匀速直线运动。电子在垂直于B的方向运动时将受到洛仑磁力的作用，所受的洛仑兹力为：

               （1）

f的方向与垂直，故该力只改变电子运动的方向，不改变电子速度的大小，结果使电子在垂直于B的平面内以半径为R的圆作匀速圆周运动。根据牛顿第二定律可知：

         （2）

式中m为电子的质量，R为电子作圆周运动时的轨道半径，由（2）式可得：

                （3）

电子旋转一周所需的时间为：

           （4）

由此可知，当B保持不变，电子的速度v_h不同时，电子作圆周运动的半径R是不同的，但是电子旋转一周所需的时间T（周期）相同，与电子的速度无关。v垂直于B时电子的运动轨迹如图（4）所示。从图（4）可知，如果有很多电子都从磁场中的同一点出发，各电子运动速度v_h的数值各不相同，但经过T时间后，都同时回到同一点。

考虑由同一点发出的一束电子，假设各个电子的速度在垂直于B的平面上的分量υ_h各不相同，而各电子的速度在B的方向上的分量v_p彼此相等，那么电子经过距离l后按上面的分析，每个电子在沿B方向运动时经过一个螺距 h后电子又重聚于一点，这种现象称为磁场聚焦作

用，且l=nh，n为正整数（n=1，2，3，4……）。为了便于想象电子在磁场中的运动情况，图（5）

 

图（5） 电子束在聚焦磁场中的螺旋轨迹

表示一束v_p相同，υ_h在一定范围内变化的电子在磁场作用下运动轨迹图。螺距 h可以表示为：

则                           （5）

在电子束实验仪中，示波管的轴线方向有一均匀分布的磁场，在阴极K和阳极A₂之间加上一定的电压V，将会使阴极发射的电子加速，设阴极发射出来的电子在脱离阴极时，沿磁场运动的初速度为零，经阴极K与阳极A₁之间的电场加速后，速度为，由能量守恒定律可知，电子动能的增加应等于电场力对它所作的功，即

          （6）

只要加速电压V是确定的，电子沿磁场方向的速度分量υ_p就是确定的，将式（6）代入式（5）中，则

          （7）

从上式可以看出，h是B和V的函数，调节V和B的大小，可以使电子束在磁场方向上的任意位置聚焦。当h刚好等于示波管的第二阳极到荧光屏之间的距离d时，可以看到电子束在荧光屏上聚成一小亮点(电子束已聚焦)，当B值增加到2~3倍时，会使，相应地可在荧光屏上看到第二次聚焦、第三次聚焦，当h不等于这些值时，只能看到圆圈的光斑，电子束不会聚焦，将式（7）适当变换，可得出：

                   （8）

V、B均可通过测量得出，代入上式即可求得电子荷质比。上式中B是螺线管中部磁场的平均值，可通过测量励磁电流I计算出来。对于有限长的螺线管，根据毕奥—沙伐尔定律，B的值为：

       （9）

由式(8)和式（9），可得：

    （10）

式中D为螺线管直径，L为螺线管长度，为螺线管单位长度的线圈匝数，h为螺距，I为螺线管流过的直流电流，式中各量采用国际单位制。

四、实验步骤

1．准备工作

1) 测量螺线管直径D（D=82.5mm=8.25m），螺线管长度L（L=246mm=2.46m），线圈的直径为0.29mm=2.9m，计算螺线管单位长度的线圈匝数                ，测量示波管第二阳极到荧光屏的距离d （注：从第二阳极圆筒的中点到荧光屏（典型值为180mm =1.8m））。

2）用专用电缆线连接电子束实验仪和示波管支架上的两个插座。

3）将实验箱面板上的“电聚焦/磁聚焦”选择开关置于“电聚焦”或“磁聚焦”。

4) 电聚焦时，将第一阳极A1对应的钮子开关置于上方，其它电极（7个）对应的钮子开关均置于下方。      

5）磁聚焦时，将所有电极(8个)对应的钮子开关均置于下方。

6）电聚焦时，将实验仪后面的励磁电流开关置于“关”。

7）磁聚焦时，将实验仪后面的励磁电流开关置于“开”。

8）将“磁聚焦调节”旋钮旋至最小位置。

9）为减小地磁场对实验的影响，实验时尽量将示波管组件东西方向放置，即螺线管线圈在东西方向上。

2．电聚焦特性的测定

1）将实验箱面板上的“电聚焦/磁聚焦”选择开关置于“电聚焦”，将第一阳极对应的钮子开关置于上方，其它电极（7个）对应的钮子开关均置于下方，将实验仪后面的励磁电流开关置于“关”。

2）令“阳极电压”指示为800V，使光斑在聚焦的状态下，用数字万用表直流电压高量程档分别测A1、A2点和地之间的电压，记下此时的VA1和VA2值。

3）分别调节“阳极电压”至1000V和1200V，并使光斑聚焦，分别记下同一“阳极电压”下的VA1和VA2值。

4) 计算三个不同“阳极电压”下的V_A1/V_A2值，并作8SJ31J示波管的电聚焦特性曲线。

5）试分析阴极射线管的电聚焦特性曲线为什么会是一条直线。

3．磁聚焦现象的观察

1）将实验箱面板上的“电聚焦/磁聚焦”选择开关置于“磁聚焦”，将其它钮子开关均置于下方，将实验仪后面的励磁电流开关置于“开”，将示波管后面的“励磁电流切换”钮子开关打到“正向”。

2）调节“阳极电压调节”电位器使“阳极电压”数显表显示为800V，“辉度调节”电位器使辉度适中，此时可观察到荧光屏上的矩形光斑。

3) 缓缓调节“磁聚焦调节”旋钮，可观察到电子束在纵向磁场的作用下，旋转式聚焦的现象，本实验仪可看到两次或三次聚焦。

4）将示波管后面的“励磁电流切换”钮子开关打到“反向”，改变励磁电流的方向，重复实验步骤3）。

5）分别调节“阳极电压”至1000V和1200V，重复实验步骤2）、3）、4）。

4．电子荷质比的测定

1）准备工作与磁聚焦现象的观察完全相同。

2）开启电源开关，调节“阳极电压调节”电位器，使“阳极电压”数显表指示为800V，适当调节“辉度调节”电位器，此时，示波管荧光屏上出现矩形光斑。然后调节“磁聚焦调节”旋钮，可观察到矩形光斑边旋转边聚焦的现象，分别记录使电子束第一次聚焦，第二次聚焦，第三次聚焦的电流值I₁、I₂、I₃。

3）将示波管后面的“励磁电流切换”钮子开关打到“反向”，改变励磁电流的方向，重复实验步骤2）。

4）改变阳极电压至1000V、1200V，重复实验步骤2）、3）。

5）将相关数据填入表1，并将计算值和标称值e/m＝1.757×10¹¹C×kg^-1进行比较，计算误

差。

需要说明，因普通示波器聚焦均采用电聚焦，极少使用磁聚焦，故普通示波管在磁聚焦项目上不作具体要求。使用TH-EB型电子束实验仪做“电子荷质比的测定”实验时，当阳极电压为800V时，由于示波管内部阳极电压相对较小，能量达不到，即使“辉度调节”电位器调到最大，使光斑辉度最亮，第三次磁聚焦仍有可能看不清或看不见，但磁聚焦做两次聚焦就能满足实验要求，相应记录电流值I₁、I₂，在表1中，将公式I=  （I₁+I₂+I₃）改为I=   (I₁+I₂），计算可得同样的结果。

表1   TH-EB型电子束实验仪实验数据表

d＝180mm =1.8m                D=82.5mm=8.25m

L=246mm=2.46m

（注：d=h）

式中D为螺线管直径，L为螺线管长度，n₀为螺线管单位长度的线圈匝数，h为螺距，d示波管第二阳极到荧光屏的距离（注：从第二阳极圆筒的中点到荧光屏（典型值为180mm =1.8m）），I为螺线管流过的直流电流，式中各量采用国际单位制。

五、安全注意事项

1．实验前必须仔细阅读电子束实验仪使用说明书。

2．本仪器内示波管电路和励磁电路均存在高压，在仪器插上电源线后，切勿触及印刷板、示波器管座、励磁线圈的金属部分，以免电击危险。

3．本仪器的电源线应插在标准的三芯电源插座上。电源的火线，零线和地线应按国家标

准接法之规定接在规定的位置上。

3．  避免长时间施加励磁电流，当励磁电流较大时，及时记录聚焦电流值，以免励磁线圈

过热而烧坏。

4．示波管辉度调节适中，以免影响荧光屏的使用寿命。

六、思考题

1．电聚焦与磁聚集的原理是什么？两者光斑收缩的情况是否相同？

2．在聚焦实验中，为什么反向聚焦时光点较暗？

3．在磁聚集实验中，当螺线管中电流I逐渐增加，电子射线从一次聚焦到二次、三次聚集，荧光屏的亮暗如何变化，试解释。

4．你认为产生误差的因素有哪些？如何减小测量误差？

七、实验报告要求

1．  计算三个不同“阳极电压”的V_A1/V_A2值，并作8SJ31J示波管的聚焦特性曲线。

2．试分析阴极射线管的聚焦特性曲线为什么会是一条直线。

附录   TH-EB型电子束实验仪使用说明书

实验仪由示波管组件和电源控制箱组成。示波管组件由示波管、磁偏转线圈(亥姆赫兹线圈)、磁聚焦螺线管线圈等组成，示波管组件由有机玻璃封装而成，学生可清晰的定性地了解各个部分的结构组成，而无高压触电的危险；电源控制箱提供示波管灯丝所需的6.3V电源，加速阳极电压(带3位半数字显示)，聚焦阳极电压、栅极负压和螺线管励磁电流等，实验阳极电压带有低压补偿电路，即使在市电电压较低的情况下仍然可以正常使用。通过切换面板上相应开关可方便实现各个实验项目的切换。

通过本实验，可进一步理解和掌握电子束在电场和磁场中的偏转和聚焦等特性。

1．  示波管结构

结构简介：

TH-EB型电子束实验仪具有体积小，重量轻，结构紧凑，操作界面美观，使用方便，可靠，测试数据精确等特点。实验仪主要由两大部分组成：一个是由螺线管及在螺线管内放置的示波管组成，螺线管通电流后给示波管加纵向磁场，另外在示波管两边加一对洛仑兹线圈产生一横向磁场，用于使电子束产生横向偏转；另一部分就是用于给示波管各极加适当电压。示波管采用8SJ-31J，下面分别对各部分加以简要说明。

示波管各电极结构与分布如图1所示。

 

图1  示波管各电极结构与分布

各部件的作用如下：

灯丝F：加热阴极，加6.3V电压。

阴极K：圆筒外涂有稀土金属，被加热后能向外发射自由电子，也称发射极。栅极G：施加适当电压（通常加负压）可控制电子束电流强度，也称控制栅，栅负压通常在-35V~-45V之间。

第二阳极A2：圆筒结构，施加的电压形成一纵向高压电场，使加速电子向荧光屏运动，也称加速极，加速电压通常为1000V以上。

第一阳极A1：为一圆盘结构，介于第二阳极的圆筒和圆盘之间，其作用相当于电子透镜，施加适当电压能使电子束恰好在荧光屏上聚焦，因此也称聚焦极，通常加数百伏正向电压。垂直偏转极板：V₁和V₂为处于示波管中一上一下的两块金属板，在极板上施加适当电压后构成垂直方向的横向电场。

水平偏转极板：H1和H2为处于示波管中一前一后的两块金属板，在极板上施加适当电压后构成水平方向的横向电场。

2．  螺线管和线圈参数

螺线管线圈的直径为0.29mm=2.9m，层数为3层，

螺线直径D为82.5mm=8.25 m，

螺线管长度L=246mm=2.46m，螺线管单位长度的线圈匝数，示波管第二阳极（第二阳极圆筒的中点）到荧光屏的距离典型值为180mm =1.8m。

3．  控制电源箱

仪器适用50Hz，~220V±10%市电供电，变压器副绕组T₃输出~600V电压，经倍压整流滤波后，能输出≥1400V的直流电源，经分压后提供给示波器的各电极所需电压。K₁为低压补偿开关，当市电电压≤~200V时可短接R₉，以提升阳极电压。D₁₈为隔离二极管，防止因8W-E/C和SW-A₁变换操作而引起的高压负载短路，R₃和R₂₁为使放电阻，防止栅极和聚焦极电荷积累。此处，电路中1V数显表用作励磁电流指示，100mV数显表用作阳极电压指示。各自配备完全独立的＋5V直流电源。仪器箱和示波管支架之间的联结用12芯电缆插头。

4．调试说明：

（1）校正1V和100mV数显表头；

（2）校正1000mA和1000V电压、电流表；

（3）调节阳极电压电位器RV₅，电压表读数应能显示780V至1400V；

（4）调节调压器TR₂，电流表读数应能显示1200mA和0mA；

（5）调节电位器RV₄，并将示波管阳极电压分别置于800V、1000V和1200V时，光斑应能聚焦。

（6）调节辉度电位器RV3，使示波管荧光屏上光斑有正常的辉度并能截止电子束电流。

（7）旋转示波管，使H1、H2之间的水平偏转线保持水平垂直偏转线保持垂直。

（8）完成全部实验。

5．安全注意事项

（1）实验前必须仔细阅读电子束实验仪使用说明书。

（2）本仪器内示波管电路和励磁电路均存在高压，在仪器插上电源线后，切勿触及印刷板、示波器管座、励磁线圈的金属部分，以免电击危险。

（3）本仪器的电源线应插在标准的三芯电源插座上。电源的火线，零线和地线应按国家标准接法之规定接在规定的位置上。

（4）将实验仪面板上H1、H2对应的钮子开关均置于上方的情况下，水平偏转板H₂和地G之间存在阳极高压，在水平偏转极板H₁和H₂之间接通0—30V直流偏转电压时，千万不要把两手接触到H₂和地GND之间，以免电击危险。

（5）在将实验仪面板上V1、V2对应的钮子开关均置于上方的情况下，水平偏转板V1和地G之间存在阳极高压，在水平偏转极板V1和V2之间接通0—30V直流偏转电压时，千万不要把两手接触到V1和地GND之间，以免电击危险。

（6）避免长时间施加励磁电流，当励磁电流较大时，及时记录聚焦电流值，以免励磁线圈过热而烧坏。

（7）示波管辉度调节适中，以免影响荧光屏的使用寿命。