电子束的偏转与聚焦
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1 / 1 实验14 电子束偏转、聚焦及电子荷质比的测定
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。辅以聚焦、偏转和强度控制等系统，可以使电子束在荧光屏上清晰地成象。电子束的聚焦和偏转可以通过电场和磁场对电子的作用来实现，前者称为电聚焦和电偏转，后者称为磁聚焦和磁偏转。通过磁聚焦可测出电子的电荷与质量比，即验证电子带电荷量，并证明电子的质量me。
实习一 电子束的电偏转与电聚焦
【实验目的】
1. 了解示波管的基本构造和工作原理。
2. 掌握示波管中电子束电偏转和电聚焦的基本原理。
3. 掌握利用作图法求电偏转灵敏度的数据处理方法。
【实验原理】
1. 示波管的基本构造和工作原理(参见实验--示波器的使用)
2. 电子束的电偏转
电子在两偏转板之间穿过时，如果两板之间电位差为零，电子则笔直穿过偏转板打在荧光屏中央（假定电子枪瞄准荧光屏中心）形成一个小亮斑，如果在两块Y（或X）偏转板上加有电压，电子就会受电场力的作用而发生偏转。如图3-14-1所示，设两偏转板间距为d，电压差为dyV，可看做平行板电容器，则两板间的电场强度为：
dyyVEd
（3-14-1）
电子所受电场力为： dyyyeVFeEd （3-14-2）
在同一点的垂直速度： 1dyyyzeVlatmd （3-14-3）
偏离z轴的距离： 221111()()22dyyzeVlyatmd （3-14-4）
电子离开板右端时不再受电场力的作用，作匀速直线运动，到达屏上的垂直位移：图3-14-1
22dyyzzeVlLytmd （3-14-5）
电子在屏上的总位移 1222()2dyyzeVllDyytLmd （3-14-6）
令'2LlL，又因为电子在加速电压aV的作用下，加速电场对电子所做的功全部转化为电子的动能，则有 azeVmv221 （3-14-7）
将L代入（3-14-6）式，并利用（3-14-7）式消去zv后得电子束的垂直位移：
2ydyalLDVdV （3-14-8）
上式表明，偏转板的电压dyV越大，屏上的光点的位移也越大，两者之间是线性关系。比例常数在数值上等于偏转电压为1V时，屏上光点位移的大小，称为示波管的电压偏转灵敏度，定义为：
adyyydVlLVDS2 （3-14-9）
显然，对X偏转板也有相应的电偏转灵敏度，即
adxxxdVlLVDS2 （3-14-10）
上式中l、d、L为与X偏转板相关的几何量。
3．电子束的电聚焦
电子束电聚焦原理如图3-14-2所示，在示波管中，阴极K经灯丝加热发射电子，第一阳极1A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相等，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1AV和第二阳极2AV的单值无关，仅取决于它6.3VFKGVA1A1A2VA2屏电子轨迹Z等位面图3-14-2 电子束电聚焦
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1AV与2AV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，由于第二阳极的结构特点，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1AV与2AV比值，便于聚焦，故又称聚焦极。改变2AV也能改变比值F，故第二阳极又能起辅助聚焦作用。
【实验仪器】
TKE-1型电子束示波器综合实验仪，导线若干。
【实验内容】
1．电子束电偏转灵敏度测量
电偏转实验用来验证电子束在固定加速电压aV下，电偏移量D与偏转电压dV之间的线性关系；可用描点法将D-dV在YX/坐标系中描绘出来，并依据直线斜率确定加速电压aV与电偏转灵敏度S之间的关系。
（1）连接线路：按图3-14-3连线。
（2）开启电源，调节“衰减”至“1000”档，Y增益调至最小；“扫描范围”至“外X”，X增益调至最小。亮度调节：调节栅极电压GV（既辉度旋钮），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，光点不可太亮，以免烧坏荧光屏。
（3）光点调节：若光点不在荧光屏坐标原点，可调节XV和YV电压（即调节X位移和Y位移旋钮），使光点处于坐标原点。
（4）测量加速电压Va：电压表量程至2000V档，将电压表负极与“GND”连接，正极分别与栅极G和第二阳极A2连接，测出相应的VG和VA2，则2aAGVVV。
（5）保持加速电压aV不变，再将电压表连接到Y偏转，记录下不同偏转电压dyV的数值及对应的电偏移量yD。yD值可在屏前坐标系中读出。
（6）绘制ydyDV曲线图。
（7）同理测量xdxDV。
改变加速电压aV值，重复上述步骤，测绘D-dV曲线2次，验证上述结论。
数据表格一：Y偏转灵敏度yydyDSVH U- U+
K G A1 A2
Y X
图3-14-3 电偏转电路连线示意图
次数 2AV GV aV yD -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
1
dyV
2
3
数据表格二：X偏转灵敏度xxdxDSV
次数 2AV GV aV xD -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
1
dxV
2
3
2．观察电子束的电聚焦现象
电聚焦实验目的是观察加速电压aV对聚焦电压1AV（第一阳极1A对阴极K之间的电压）和栅极电压GV（栅极G对阴极K之间的电压）影响，进一步加深对电聚焦原理的认识，通过改变第一阳极电压1AV来调整电子透镜焦距从而达到聚焦的目的。按图3-14-4连线。
（1）调聚焦电压：调整聚焦电压旋钮，同时调整栅压旋钮，使光点会聚最佳，通过电压表分别测得聚焦电压1AV和栅压GV值，并记录；改变栅压GV，重新调整聚焦电压1AV，并记录多组对应数据。
（2）测截止栅压GV值：设定好加速电压aV，及聚焦电压1AV，调节栅压旋钮，使光点在荧光屏上刚好消失，记录此时截止栅压数值。重新调节aV和1AV，记录对应的截止栅压数值，至少五组数据。
（3）分析记录数据，提出加速电压aV、聚焦电压1AV、栅压GV之间的定量关系，并分析产生原因。
【注意事项】
1.改变加速电压后荧光屏亮度会改变，应重新调节亮度勿使亮点过亮。一则容易损坏荧光屏，同时亮点过亮，聚焦好坏不易判断。调节亮度后加速电压也可能有变化，再调到规定的电压值即可。
2.实验中要注意维持加速电压为一定值。
【预习思考题】
1．示波管主要由哪几部分组成？它是如何用电场控制电子射线的强弱、电子束的聚焦及偏转？
2．在电偏转实验中，怎样根据荧光屏上光点的偏转方向判断电场方向？ 图3-14-4 电聚焦电路连线示意图 H U- U+
K G A1 A2
Y X
【分析讨论题】
1． 若保持加速电压V2不变，改变聚焦电极（第一阳极）电压V1会不会影响电子射出电极的速度？为什么？
2． 电偏转实验中，Sy与Sx相比，哪个大？为什么？
实习二 电子束的磁偏转与磁聚焦
【实验目的】
1．了解示波管的基本构造和工作原理。
2．掌握示波管中电子束磁偏转和磁聚焦的基本原理。
3．掌握利用作图法求磁偏转灵敏度的数据处理方法。
4．掌握测量电子荷质比的原理及测量方法。
【实验原理】
1．电子束的磁偏转
电子束通过磁场时，在洛仑兹力作用下发生偏转。如图3-14-5所示。设实线方框内有均匀的磁场，磁感应强度为B，方向垂直纸面指向读者，在方框外0B。电子以速度zv垂直射入磁场，受洛仑兹力的作用，在磁场区域内作匀速圆周运动，轨道半径为R。电子沿OC弧穿出磁场区域后变作匀速直线运动，最后打在荧光屏的P点上，光点的位移为D。
由牛顿第二定律有：
RvmBevFzz2
（3-14-11）
则： eBmvRz （3-14-12）
电子离开磁场区域与OZ轴偏斜了角度，由图中的几何关系得
sinlR
电子束离开磁场区域时，距离OZ的大小D1是
1cos(1cos)DRRR
电子束在荧光屏上离开OZ轴的距离为
1tanDLD
因偏转角足够小，近似有：
sintanlR和21cos2
则总偏转距离
21()()22llllDLRLRRR
zleBLm
式中2'lLL，即磁场区域中心至屏的距离。再由式azeVmv221消去zv得：
lLBmVeDa2 （3-14-13）图3-14-5 电子束磁偏转原理图 B
式（3-14-13）表明光点的偏转位移D与磁感应强度B成线性关系，与加速电压aV的平方根成反比。将式（3-14-13）与（3-14-8）式比较可以看出，提高加速电压对磁偏转灵敏度降低的影响，对比电偏转灵敏度的影响小。因此，使用磁偏转时，提高阴极射线管中电子束的加速电压来增强屏上图象的亮度水平比用电偏转有利。而且，磁偏转便于电子束的大角度偏转，更适合于大屏幕的需要。因此显象管往往采用磁偏转。但是，偏转线圈的电感与较大的分布电容，不利于高频使用，而且体积和重量较大，都不及电偏转系统。所以示波管往往采用电偏转。
