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电子束的电偏转和电聚焦

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【实验目的】

★基本要求 ◆提高要求
1、理解电子枪工作机制、了解示波管结构;
2、掌握电子束在电场中的运动规律;
3、掌握图解法验证理论公式的实验方法;
4、了解电子和场试验仪的工作原理。


1、设计方案自制简单的示波器;
2、设计观察双振动的合成现象的实验方案;
3、设计电子束磁偏转的实验方案;
4、设计磁控法测电子比荷的实验方案。

【实验仪器】

DHC-1电子和场实验仪;信号发生器(EF-4仪面板接线参阅附录3)。

【实验原理】

示波管的结构。 电子枪,偏转板,荧光屏

1.电子枪结构(如图1)

示波管的核心部分是电子枪(另外还有偏转板和荧光屏两部分),图1中阴极K是一只金属圆柱筒,里面装有一根加热用的灯丝,当灯丝通电时(6.3V),把阴极加热到较高温度,在圆柱端部涂有钡和锶的氧化物,这种材料中的电子由于加热得到足够的能量会逸出表面,并能在阴极周围空间自由运动,这种过程叫热电子发射。与阴极共轴布置着四个圆筒状电极,电极中间带有小孔的隔板,称为控制栅极,正常工作时加有相对于阴极K大约5~20伏的负电压,它产生一个电场是把阴极发射出来的电子推回到阴极去,从而可以控制电子的数量(即电子束的强度),以改变屏上光点的亮度。电极联在一起,两者相对于K加有同一电压,一般约有几百伏到几千伏的电压,产生一个很强的电场使电子束轴向加速(沿Z向),电极相对于阴极加有几百伏电压,电极间有电位差,形成电场,其作用可使阴极发射的电子沿轴线方向形成一条细线,即起聚焦的作用,聚焦的好坏,取决于的相对大小。可设定电子从阴极发射出来初速度为零,阳极相对于阴极K有伏加速电压,它产生的电场使得从阴极K发射出来的电子沿Z轴方向加速,忽略电子离开阴极时有限的初动能,则电子从极P处出射时的速度由下式决定:

(1)

综上所述,改变可改变屏上光点亮度,改变相对大小可改变屏上聚焦程度(聚焦原理请见下文),改变可改变轰击屏电子速度,也对光点亮度有影响。

2.电子束的电聚焦原理

阴极发射的电子在电场作用下,会聚于控制栅极小孔附近一点,在这里,电子束具有最小的截面,往后,电子束又散射开来。为了在屏上得到一个又亮又小的光点,必须把散开来的电子束会聚起来。

像光束通过凸透镜时,因折射会使光束聚焦成一个又小又亮的点一样,电子束也能通过一个聚焦电场,在电场力的作用下,电子运动轨道改变而会合于一点。结果在荧光屏上得到一个又小又亮的光点。产生这个聚焦的静电装置,在电子光学里称为静电电子透镜。电子枪的聚焦极与加速电极组成一个静电透镜,与加速电极则组成另一个静电透镜,现以组成的静电透镜为例来说明一下它的作用原理:

图2是之间电场分布的截面图,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道S进入聚焦电场。在电场的前半区(左边),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与平行轴线的分力(图中A区),的作用使电子运动向轴向靠拢,起聚焦作用,的作用使电子沿Z轴方向得到加速度。电子到达电场的后半区(右边)时,受到的作用力f′同样可分解为两个分量,起散焦作用,使电子离开轴线,因为在整个电场区域里电子都受到同样方向的Z轴的分力,电子在后半区的轴向速度比前区大得多。因此,后半区的作用时间短,获得的离轴能量比在前区获得的向轴能量小,总的效果是:电子向轴向靠拢,整个电场起聚焦作用,调节的大小,可达到不同的电场分布,使电子到达荧光屏时会聚于一小点。间的电场分布也同样起静电透镜作用,其聚焦原理类似,不去详述了。图1中电极左右两端的电场皆有聚焦作用,是两个静电透镜的组合。

3.电子束的电偏转

电子束由电子枪发射出来(可以调整聚焦),具有轴向速度的大小由(1)式决定,该电子束让它经过一个偏转电极(Y偏转板)如图3,设电极上加电压,电极长为l,两极板间距d,则电子在两偏转板之间穿过时,将受到库仑力的作用,如果等于0,则受力作用=0(忽略重力),电子束将打到荧光屏的中心点O,≠0时,则电子束在y轴方向将产生位移D,由电磁学理论可推得

(2)
式中,L为偏转板电极中点到屏的距离,l、d分别为电极长和板距,分别为偏转电压和加速电压。(2)式说明:电偏转位移D与偏转电压成正比,与加速电压成反比。本实验要求用图解法来验证这一结论。

【实验步骤】

1. 电聚焦实验

(1)打开仪器电源开关,屏幕上出现亮点,调节栅极电压,使其亮度合适。

(太亮会损坏荧光屏)

(2)先调节旋钮,使偏转电压的值为零。

(额外的偏转电场会造成聚焦不良)

(3)若亮点不在屏幕中间,可调节“X调零旋钮”和“Y调零旋钮”使亮点居中。

(4)调节“加速电压”旋钮将加速电压调到比较小的值(1000V左右),调整“聚焦电压旋钮”改变聚焦电压的大小,使聚焦最佳(屏幕亮点最小),将的值作为一组数据记录在下表;增加,亮点变大(散焦),调节使聚焦最佳(屏幕亮点最小),记录此时的值于下表;再增加,调节使聚焦,记录的值。。。;类此可得6组数据。

表1:比较各次聚焦状态下的之值(按有关理论可推知,它应该是一个常量)。

次  数

1

2

3

4

5

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.电偏转理论验证(即验证(2)式)

(1)调节,使电子束聚焦,记录的值。

(2)测量亮点在屏幕上的偏转位移D随偏转电压的变化情况,作D~曲线,如果是直线,则说明D∝。(要求测10组以上数据作图)

=               ;

D

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3)改变数值200伏左右,调节使电子束聚焦,测D~的变化关系数据,在同一坐标纸上作D曲线,前后两次下的曲线应该基本重合,则D∝1/的结论得以验证。(请思考为什么?)

=               ;

D

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.*练习用EF-4电子和场的示波管观测电信号波形和观测利萨茹图形。

(1)对示波管Y偏转板和X偏转板分别加正弦波(或其他被观测波形)和锯齿波,调扫描频率,观测波形。

(2)在X、Y偏转板上分别加正弦波,观测利萨茹图形。

(3)试借助于信号发生器调出水平一亮线、垂直一亮线、倾斜一亮线。

〔注意事项〕

(1)不能让栅极电压处在零偏状态,否则亮点过亮,荧光屏会因局部过热而损坏;

(2)仪器高压测量孔不能触摸,避免电击,接线时要注意安全;

(3)严防高压短路,电压表接线柱要接牢,表棒不允许与仪器外壳接触,不使用表棒时将之远离仪器。

 

【数据记录和处理】

(记录相关数据,这里略)

 

【思考与讨论】

1.推导公式(2)。

2.仪器在水平面360°旋转,为什么光点会上下位移?

3.如果>,电子枪还能聚焦吗?为什么?

4.改变不同的加速电压,在同一坐标上作~D图所得到的几条直线会不会重合?斜率会不会一样?为什么?

5.为什么D曲线在同一坐标上对应不同加速电压值的几条曲线在理论上应该重合?

6.在验证时,为何不采用“固定偏转电压,改变加速电压,测相应的偏转位移D,作关系曲线”来验证?