实验十七 电子射线的电偏转与磁偏转
【实验目的】
1． 掌握电子束在外加电场和磁场作用下偏转的原理和方式；
2． 了解阴极射线管的构造与作用。
【实验仪器】
1． 
TH-EB电子束实验仪。
2． 
0～30V可调直流电源。
3． 数字式万用表。
【实验原理】
1．电偏转原理
电子束电偏转原理如图1所示。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，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，在偏转板外，电场为零，电子不受力，作匀速直线运动。荧光屏上电子束的偏转距离D可以表示为
式中V为偏转电压，VA为加速电压，ke是一个与示波管结构有关的常数，称为电偏常数。为了反映电偏转的灵敏程度，定义
δ电称为电偏转灵敏度，用mm/V为单位。δ电越大，电偏转的灵敏度越高。
2．磁偏转原理
电子束磁偏转原理如图2所示。通常在示波管的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，最后打在荧光屏上，磁偏转的距离可以表示为：
式中I是偏转线圈的励磁电流，单位A；km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
δ磁称为磁偏转灵敏度，用mm/A为单位。δ磁越大，表示磁偏转系统灵敏度越高。
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UGK来控制的，调节UGK可调节荧光屏上光点的辉度。UGK是一个负电压，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称为截止栅偏压。
【实验步骤】
1．准备工作
（１）用专用电缆线联接实验和示波管支架上的插座。
（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“励磁电流调节”旋钮旋至最小位置。
（５）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，此时示波器上出现光斑，然后调节“电聚焦调节”电位器，使光斑聚焦。
2．电偏转灵敏度的测定
（１）令“阳极电压”指示为800V，在光点聚焦的状态下，将H1、H2对应的钮子开关置于上方，此时荧光屏上会出现一条短的水平亮线，这是因为水平偏转极板上感应有50Hz交流电压之故。测量时将水平偏转极板H1和H2接通直流偏转电压，分别记录电压为0V、10V、20V时光点位置偏移量，然后调换偏转电压的极性，重复上述步骤。
（２）将“阳极电压”分别调至1000V、1200V，按上述的方法使光点重新聚焦后，
按实验步骤（１）重复以上测量，列表记录数据。
（３）将H1、H2对应的钮子开关置于下方，将V1、V2对应的钮子开关置于上方。
此时荧光屏上也会出现一条短的垂直亮线。这也是因为垂直偏转极板上感应有50Hz交流电压之故。测量时，在V1、V2两端依次加0V、10V、20V直流偏转电压，(阳极电压依次为800V、1000V、1200V)，列表记录数据。
3．磁偏转灵敏度的测定
（１）准备工作与“电聚焦特性的测定”完全相同。为了计算亥姆霍兹线圈中的电流，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”指示为800V，使光点在聚焦的状态下，接通亥姆霍兹线圈的励磁电压，并分别调到0V、2V、4V、6V，记录荧光屏上光点的偏移量，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）。
4．截止栅偏压的测定
（１）准备工作与“电聚焦特性的测定”完全相同，但为了测量阴极电压和栅极电压，需将与阴极K和栅极G相对应的钮子开关置于上方。
（２）令“阳极电压”指示为800V，使光点在聚焦的状态下，用数字万用表直流电压档测量栅极与阴极之间的电压，调节“辉度调节”电位器，记录荧光屏上光点刚消失时的VGK值。
（３）调节“阳极电压调节”电位器，使阳极电压分别为1000V、1200V，重复步骤（２），记录相应的VGK值。
【数据处理与表格】
【安全注意事项】
1． 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。
2．本仪器的电源线应插在标准的三芯电源插座上。电源的相线，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．实验前必须先阅读电子束实验仪使用说明书。
【思考题】
1．电偏转、磁偏转的灵敏度是怎样定义的？
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？
第二篇：实验二十三电子射线的电聚焦与磁聚焦
实验二十三 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
TH-EB型电子束实验仪；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1所示，在示波管中，阴极K经灯丝加热发射电子，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，就把上述聚焦点成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VA1和第二阳极VA2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VA1与VA2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
VA1与VA2比值，便于聚焦，故又称聚焦极。改变VA2也能改变比值VA1/VA2，故第二阳极又能起辅助聚焦作用。
2．磁聚焦原理
电子束磁聚焦的原理见图2所示，设一速度为v，在一磁感应强度为B的均匀磁场中运动的电子，电子将受到洛仑兹力的作用，将v分解成与B平行的分量和与B垂直的分量vh，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的方向运动时电子所受的洛仑兹力为：
f的方向与υh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：
式中m为电子的质量，R为电子作圆周运动时的轨道半径，可以表示为：
电子旋转一周所需的时间为：
由此可知，当B保持不变，电子的速度vh不同时，电子作圆周运动的半径是不同的，但是电子旋转一周所需的时间（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2所示。从图2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vh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υh各不相同，而各电子的速度在B的方向上的分量vp彼此相等，那末电子经过距离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3表示一束vp相同，υh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：
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υp，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
只要加速电压V是确定的，电子沿磁场方向的速度分量υp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(电子已聚焦)，当B值增加到2~3倍时，会使 
或
，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，只能看到圈套的光斑，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，B的值为：
由式(8)和式（9），可得：
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）测量励磁线圈直径D，励磁线圈长度L，线圈的线径为0.29mm，计算螺线管单位长度的匝数n0，测量示波管第二阳极到荧光的距离d (注：从第二阳极圆筒的中点到荧光屏（典型值为180mm ）)。
2）用专用电缆线联接实验仪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，将聚焦极对应的钮子开关置于上方，其它的电极（6个）对应的
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）将“励磁电流调节”旋至最小。
2．电聚焦特性的测定
1) 令“阳极电压”指示为800V，使光点在聚焦的状态下，用数字万用表直流电压高量程档测A1点和地之间的电压，记下此时的VA1和VA2值。
2) 分别调节“阳极电压”至1000V和1200V，并使光点聚焦，分别记下同一“阳极电压”下的VA1和VA2值。
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。
2） 调节“阳极调节”电位器使“阳极电压”数显表指示为1000V，“辉度调节”电位器使辉度适当，此时可察到荧光屏上的矩形光斑。
3） 缓缓调节“磁聚焦调节”调压器，可观察到电子束在纵向磁场的作用下，旋
转式聚焦的现象。
4．电子荷质比的测定
1）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，示波管上出现方形光斑。然后调节“磁聚焦调节”调压器，可观察到方形光斑、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，然后改变励磁电流的方向，重复以上步骤。
2）改变阳极电压至1000V、1200V，重复上述步骤。
表1 TH-EB型电子束实验数据表d＝ N＝ D＝ L＝ （注：d=h）
3）将相关数据填入上表，并将计算值和标称值e/m＝1.757×1011C×kg-1进行比较，计算误差。
五、注意事项
1）同电子束偏转实验。
2）当励磁电流较大时，及时记录聚焦电流避免长时间施加励磁电流。
3）示波管亮度调节适中，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VA1/VA2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型电子束实验仪电原理简介与调试说明
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。
1． 
示波管结构：
示波管各电极结构与分布如图1所示。
各部件的作用如下：
灯丝F：加热阴极，6.3V电压。
阴极K：筒外涂有稀土金属，被加热后能向外发射自由电子也可称发射极。
栅极G：施加适当电压（通常加负压）可控制电子束电流强度，可称控制栅，栅负压通常为-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，可称加速极，加速电压通常为1000V以上。
第一阴极A1：为一圆盘结构，介于第二阴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－上下的两块金属板，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
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数显表因作励磁电流指示，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。
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．调整阳极电压电位器RV5电压器计数应能显示780V至1400V；
4．调整调压器TR2，电流表读数应能显示1200mA和0mA；
5．调整调压器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．调整辉度电位器RV3，示波器光斑应能有正常的高亮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。