36电子束的磁偏转及磁聚焦

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1、 . 实验3.6电子束的磁偏转与磁聚焦【实验目的】1学习示波管中电子束的磁偏转与磁聚焦原理，观察电子束在磁场中偏转和聚焦现象，进一步认识电子束在磁场中运动的规律。2测定示波管磁偏转系统的灵敏度。3利用纵向磁场聚焦测定电子的荷质比即电子的电荷与其质量的比值。【实验仪器】EB-III型电子束实验仪。【实验原理】图3-17 电子束的磁偏转电子从电子枪以速度射出推导见实验“电子束的电偏转和电聚焦，进入匀强磁场，将受洛仑兹力的作用。1磁偏转加横向磁场即B电子枪的轴线使电子束发生侧向偏转。如图3-17所示，设一磁感应强度为B的均匀磁场，方向垂直纸面，由里指向外。电子以速度垂直磁场射入，受洛仑兹力的作用总是

2、在垂直电子运动的方向上，不做功，因而电子的动能不变，在磁场区域作轨道半径为R的匀速圆周运动。由牛顿第二运动定律，可得：3-29于是，那么得：3-30设偏转角不很大，近似得：由以上两式，得磁偏转位移为3-31是经过电场加速得到的，因此由可得3-32将式3-32代入式3-31中，消去vz，可得：3-33上式说明，光点的磁偏转位移y与磁感应强度B成正比，与加速电压V2的平方根成反比。对于有限长螺线管部磁感应强度B的大小由下式给出，即 3-34式中，K是一个与线圈的样式等因素有关的常数，n0为线圈的单位长度上的线匝数，I为励磁电流。将式3-34代入式3-33中，可得：3-35像定义电偏转灵敏度一样，定

3、义线圈以单位励磁电流时所引起电子束在光屏上的偏位移量为磁偏转灵敏度，即3-362磁聚焦与电子荷质比的测定纵向磁场即B电子枪的轴线对从电子枪射出电子的洛仑兹力为零因为此时电子速度为Z，没有垂直B的速度分量。但是通过加有偏转电压的X偏转板后，电子获得了垂直于B的横向速度分量vx，将受洛仑兹力的作用，在垂直于B的平面做匀速率圆周运动。电子做圆周运动的同时，还在加速电压V2影响下沿Z轴方向做匀速速度为Z直线运动，两运动合成的结果是电子沿B的方向作螺旋线运动，如图3-18所示。那么电子做螺旋线运动的盘旋半径R和周期T分别为3-373-38由此可知，电子的盘旋半径R与vx成正比，与B成反比；周期T与B成反

4、比而与vx无关。它说明vx大的电子绕半径大的轨道运动，vx小的电子绕半径小的轨道运动，但它们运动一周的时间都相等。电子做螺旋线运动的螺距为3-39虽然它们的初始轴向速度也是不一样的，但它们的螺距是相等的，也就是经过一个周期后，同时从电子枪发射出来但运动方向不同的电子，又交汇在同一点见图3-18，这就是磁聚用。而且每经过一个周期一个螺距，有一个聚焦点。图3-18 电子束的磁聚焦调整磁场的B来改变螺距h，可使电子枪出口到荧光屏的距离L为h的整数倍，这样我们就可以观察到屡次磁聚焦现象。利用磁聚集现象可以测定电子的荷质比。第1次聚焦时，那么有：3-40而，代入上式可得：3-41有限长螺线管中点的磁感应

5、强度为因此3-42其中，N为螺线管线圈总匝数，L为电子束穿插点到荧光屏的距离，V2为加速电压，为励磁电流强度，为螺线管的长度单位为m，为螺线管的直径单位为m。N、L、l、D由实验室给出，只要测出V2和I就可算出电子的荷质比“e/m标准值：e/m=1.7591011C/Kg。用磁聚焦法测电子的比荷有相当明显的误差，产生误差的原因较多，如示波管中电子枪的实际结构比拟复杂，电场和外磁场的场强不会是理想的匀强分布，所以很难准确考虑，因此电子在场中的运动规律与实际有一定的偏离，反映在L不能准确地确定上。此外，如果电子束的电流密度较大，加速电压甚低，那么电子间的相互排斥作用更为显著，造成电子束的扩，这种效

6、应称为空间电荷效应，不过，当“亮度较低，加速电压很高时，空间电荷效应很小，由它引起测量的系统误差可以大大减小。【实验容与操作】1电子在横向磁场作用下的运动磁偏转实验1将仪器面板上的“示波管管脚与相应的“电源输出端相连接。具体接线如下：“示波管管脚11 “电源输出端 G“示波管管脚8 “电源输出端 H“示波管管脚2 “电源输出端 A“示波管管脚9 “电源输出端 B“示波管管脚5 “电源输出端 C“示波管管脚3 “电源输出端 D“示波管管脚9 “电源输出端GND“示波管管脚10 “电源输出端E“示波管管脚7 “电源输出端F2将磁偏转线圈A和B插入仪器面板左侧中部的“磁偏转线圈插孔“A和“B。3调节

7、仪器面板中部的单圈碳膜电位器W3栅极电压，辉度控制UG处在适当位置，调节适当的W1加速电压UA和W2聚焦电压UF，使示波管屏上光点聚成一个细点，光点不要太亮，以免烧坏荧光物质。将仪器面板右下角“高压测量转换开关置“UA挡，记录此时的加速电压“UA从“高压测量指示数字表上读出。将“电压测量转换开关分别置于“UdX和“UdY挡，调节“VdX 电位器W4和“VdY电位器W5，使“UdX和“UdY均指示“00.0，调节 “辅助调零电位器W6X调零和电位器W7Y调零，使光点的位置在示波管坐标板的中心点原点。4将“电压电流测量转换波段开关置“Im挡。5将仪器面板右下方的“励磁恒流源-电流调节电位器逆时针旋

8、到底，接通仪器面板右下角的“恒流源开关。此时“电压电流显示数字表显示“00.0，然后顺时针缓慢调节“励磁恒流源-电流调节电位器，记录相应的电流值“Im和偏移距离“D“Im从仪器面板上的“电压电流显示数字表中读出，D从坐标板刻度盘上读出，每格5mm。6将仪器面板右下方的“励磁恒流源-电流调节电位器逆时针旋到底，切换仪器面板左侧中部的“磁场换向开关即将流过磁偏转线圈A和B的电流换向，使磁场方向发生改变，然后顺时针缓慢调节“励磁恒流源-电流调节电位器，记录相应的电流值“Im和偏移距离“D。7将仪器面板右下方的“励磁恒流源-电流调节电位器逆时针旋到底。8调节电位器W1，改变加速电压UA，调节电位器W2

9、，改变加速电压UF，使光点聚焦，记录此时的加速电压UA，重新进展数据测量。测量不同加速电压“UA时至少3组的D Im直线。9将面板右下角的“恒流源开关置“OFF，即关闭恒流源，然后拔下磁偏转线圈A和B。10将面板右下角的“电源开关置“OFF，即关闭电源。11将记录的相应数据，填入表3-4，对数据进展处理，计算出磁偏转灵敏度Sm。表3-4电子束的磁偏转数据D(mm)Im(mA)UA(V)2520151050510152025灵敏度Sm2电子在纵向磁场作用下的运动螺旋运动，磁聚焦-电子荷质比的测定1将仪器面板上的“示波管管脚与相应的“电源输出端相连接。具体接线如下：“示波管管脚11 “电源输出端

10、B“示波管管脚8 “电源输出端 B“示波管管脚2 “电源输出端 A“示波管管脚9 “电源输出端 B“示波管管脚5 “电源输出端 B“示波管管脚3 “电源输出端 B“示波管管脚9 “电源输出端GND“示波管管脚10 “电源输出端E“示波管管脚7 “电源输出端F2松开坐标板的固定螺钉，取下坐标板。3将磁聚焦线圈套在示波管上，将红黑两根连接线接上仪器面板左下角的“磁聚焦线圈插座。4将仪器面板右下方的“励磁恒流源-电流调节电位器逆时针旋到底。5开启面板右下角的“电源开关和“恒流源开关。6将“电压测量转换开关分别置于“UdX和“UdY挡，调节“VdX电位器W4和“VdY电位器W5，使“UdX和“UdY均

11、指示“00.0。7将“高压测量转换波段开关置“UA，“电压电流测量转换波段开关置“IM挡。8将“恒流源电流调节电位器逆时针旋到底，此时电流“.000，调节电位器W1，选择适当的加速电压UA，调节电位器W3，选择适当的栅极电压，使光点不要太亮，调节栅极电压之后，加速电压和聚焦电压也会有变化，因此应再次细调高压，使高压到达需要的值；然后顺时针缓慢调节“恒流源-电流调节电位器，记录光点第1次聚焦时相应的电流值“IMI1，继续顺时针缓慢调节“恒流源电流调节电位器，记录光点第2次和第3次聚焦时相应的电流值“IMI2.I3。9将“恒流源-电流调节电位器逆时针旋到底。10切换仪器面板左侧中部的“磁场换向开关

12、即将流过磁聚焦线圈电流换向，使磁场方向发生改变，然后重复步骤“8的操作。11将仪器面板右下方的“励磁恒流源-电流调节电位器逆时针旋到底。12改变加速电压UA，进展数据测量。13将面板右下角的“恒流源开关置“OFF，即关闭恒流源。将面板右下角的“电源开关置“OFF，即关闭电源。14将记录的相应数据，填入表3-5，对数据进展处理，代入式3-42计算荷质比“e/m，并与公认值e/m=1.7591011C/kg进展比拟，计算实验误差。3-43表3-5电子束的点聚焦数据表格加速电压UA(V)850900950100010501100聚焦电流I(A)B+BB+BB+BB+BB+BB+Be/m(1011C/

13、kg)实验误差15如果做电子束线在纵向磁场中的聚焦实验，那么需要将仪器面板中部的“AC20V交流电压点线转换的两个输出孔分别连接到示波管的第9脚即A1.A3插孔和示波管的第10脚即X1偏转板插孔，然后进展实验。数据处理用纵向磁场聚焦法测定电子荷质比数据记录螺线管线圈的参数见螺线管铭牌螺线管线圈总匝数N： 匝螺线管的长度l：单位：m螺线管的直径D：单位：m电子束穿插点到荧光屏的距离L：单位：m表3-6电子束的线聚焦数据表格加速电压UA(V)850900950100010501100聚焦电流I(A)B+BB+BB+BB+BB+BB+Be/m(1011C/kg)实验误差【考前须知】1仪器面板中部的“

14、高压保护指示灯为高压保护指示。如果灯泡亮，那么说明仪器部电源高压局部出现故障，请立即关闭仪器电源，检查电源高压局部并进展维修。2实验过程中有时会出现找不到光点光斑的情况，可能的原因和解决的方法如下：1亮度不够。解决的方法是适当增加亮度；2已经加有较大的电偏电压x方向或y方向，使光点偏出示波器的屏幕。此时应通过调节电偏转旋钮，使偏转电压降为零。3示波管的亮度不要长时间打得太亮，否那么，荧光屏易老化，影响显示效果。4由于本实验的电压有的到达1000V，故特别要注意平安。5做磁聚焦和磁偏转实验时，采集完数据后，应将励磁恒流源的电流调节电位器逆时针旋到底，尽量不要让线圈长时间的通大电流因为线圈随着电流的增大，其热量也随之增大，其阻值也增加，所以相应的电流会逐渐减小。6实验完毕后，关掉电源，不要立即拆除线路，要等电容器放电完毕后再拆除线路。【思考题】1磁场聚焦的条件是什么？2磁偏转的灵敏度与什么因素有关？3偏转量的大小改变时，光点的聚焦是否改变？为什么？4电子受到的重力在磁场偏转中有重要影响吗？附：有限长螺线管磁感应强度对于有限长螺线管，当螺线管通以电流时，那么管轴线上任意一点的磁感应强度为式中，为真空磁导率，为单位长度线圈的匝数，、分别为螺线管轴上某一点到两端的角，如图3-19所示。当螺线管为无限长时，那么磁感应强度为图3-19 螺线管31 / 8