实验二十四电子束的偏转

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1、实验二十四电子束的偏转示波器中用来显示电信号波形的示波管和电视机、摄像机里显示图像的显像管、摄像管 都属于电子束线管，尽管它们的型号和结构不完全相同，但都有产生电子束的系统和电子加 速系统，为了使电子朿在荧光屏上淸晰的成像，还要设聚焦、偏转和强度操纵系统。对电子 束的聚焦和偏转，能够利用电极形成的静电场实现，也能够用电流形成的恒磁场实现。前者 称为电聚焦或电偏转。随着科技的进展，利用静电场或恒磁场使电子朿偏转、聚焦的原理和 方法还被广泛地用于扫描电子显微镜、回旋加速器、质谱仪等许多仪器设备的研制之中。本 实验在了解电子朿线管的结构基础上，先讨论电子束的偏转特性及其测量方法。【目的】1. 了解示

2、波管结构和原理。2. 研究带电粒子在电场和磁场中偏转 的规律。3. 测试示波管的电偏灵敏度和磁偏灵 敏度与加速电压的关系。【原理】示波管的差不多结构要紧由以下4个部 分组成（1）示波管G-栅极K-阴极X、Y-偏转转板示波管的构造如图4-43所示。 当加热电流通过灯线时，阴极K被 加热并发射电子，栅极G加上相关 于阴极为负的电压，调剂栅极电压 的大小，能够操纵阴极发射电子的 多少，即操纵光点的亮度。第一阳 极AI相关于阴极K有专门髙的电压（约1 500V）用以加速电子：第二 阳极 山与第一阳极d之间构成聚焦电场，使发散的电子束在聚焦电的作用下汇聚起来，打在荧光屏上发出荧光。X、Y偏转 板是2对分

3、别平行且相互垂直的属极，在平行板上加不同的电压操纵荧光屏上的光点的位置。 光点移动距离的大小与加在偏转板上的电压成正比。（2）扫描电压发生器扫描电压发生器是产生扫描电压的装置。示波器通常是要观看轴输入的周期性信号电压的波形。假如只把被测信号（如正弦电压） 加在Y偏转板上，而亮线。要在荧光屏上显示出正弦电压的波形，就必须使亮点在Y轴上的 运动沿X方向展开。为此必须在X偏转板上加一周期性随时刻线性变化的电压，这种电压称 为扫描电压。如此荧光屏上光点在作竖宜运动的同时还要作自左向右的匀速运动。假如扫描 电压的周期与正弦电压的周期Ty相同，荧光屏上将显示一个完整的正弦波形。假如是 的整数倍，则荧光屏上

4、将显示出n个完整的正弦波形。若用频率表示，则为：f x nf y为了能用示波器观看各种频率的信号电压波形，扫描电压的频率必须在专门大的范畴内 连续可调，调剂扫描电压的频率，使其与Y轴输入信号电压的频率成整数比方可。这一调整过程称为同步”。人工“同步”能够专门容易达到fx=nfy,使并显现临时稳固的图形。 由于U”和Uy是来自两个相互独立的信号源，它们各自的频率总会有些起伏，因此稳固状态 专门快又遭破坏。为了解决这一问题，示波器内部设有同步装苣。在两频率差不多满足整数 倍的条件下，该装程将待测信号电压分岀一部分，自动地去调剂扫描电压发生器的振动频率, 使它与被测信号的频率严格保持整数比关系，使图

5、形稳固。（3）电压放大和衰减装置由于示波器的灵敏度不高（0. 11 mm/V）,当信号电压小时，电子朿不能发生足够的 偏荧光屏上亮点的位移过小，不便观看，为此，示波器内设有X轴放大器和Y轴放大器。先 把信号电圧放大，然后加到偏转板上。苴放大倍数是连续可调的。衰减器是用来把放大的信 号电压减小，以适应放大器的要求，否则放大器不能正常工作，甚至受损。衰减器通常分1、 1/10、1/100三挡，适应上是在示波器面板上用倒数1、10、100标出。（4）电源供给示波器、扫描电压发生器、X轴放大器、Y轴放大器正常工作所需的各种高、低压 装置。1. 电子束的电偏转电偏转是通过在垂直于电子射线的方向上外加电场

6、来实现的，最简单的方法确实是在示 波笛的垂直偏转板（或水平偏转板）上加上偏转电压U。当电子束经加速极以初速乙由x正 方向射入，因受到与y轴平行的偏转电场的作用，而使电子朿偏离轴线发生偏转，如图4-52 所示。设偏转板间距离为D,长度为b ,偏转板到荧光屏之间的距离为L,则电子朿受电场力Z 哙产生加速度“务篇电子肛方向上没有加速度，故从偏转板的h7 右端的垂直距离A,=h eLJ2左端运动到右端的时刻 =，再从右端运动到荧光屏的时刻为儿=一仝，电子离开板2mD v,在同一点的垂直速度vv = axtb - - o电子 y “ mD v x离开板右端时不再受电场力的作用，作匀速直线运动。到达荧光屏

7、的垂直距离为儿=/ =eUmD。由此得到电子朿到荧光屏上的总的偏转距离为y = yb + JieULb(4-45)设进入偏转板之前，使电子最后加速的第二阳极上的加速电压为心，则加速场对电子所做的功等于电子的动能，即eU2=丄戒2(4-46)将式(4-46)代入式(4-45)得bLU . U=K 2U.D h S (4-47)可见比例系数K.= 是与偏转板结构有关的常量，关于一泄的示波管，电子束偏离 2D中心轴线的距离与偏转电压成正比，与加速极的加速电压成反比。若泄义电偏转灵敏度为当偏转板上加单位电压时所引起的电子朿在荧光屏上的偏转距离(单位mm/V)(4-48)由此可见，当偏转电压为一左值的时

8、候，电偏转灵敏度与加速电压tA成反比，加速电压越大，电越低。2.电子束的磁偏转为使电子束偏转，通常在电子枪和荧光屏之间放置一 对线圈，当线圈通以励磁电流I时，在横向水平方向上将 产生与电子束方向垂直的一平均磁场，如图4-53所示。当电子以速度Ux垂直射入磁场时，必受洛仑兹力图4-53电子束的磁偏转f = evxB作用在磁场区域内作圆周运动，洛仑兹力确实是向心力mv；/R ,因此电子旋转的半径R = eB电子离开磁场区域之后，因为B = 0,电子不受任何作用力，应作直线运动，打在荧光 屏上,由图4-53知,当0角不专门大时b htun (p =R L(4-49)(4-50)由式(4-49)和(4

9、-50)得磁偏转距离.ebLn11 =Bmvr(4-51)设电子进入磁场前加速电压为则加速场对电子做的功全部转变为电子的动能因此式(4-51)改写为bLBe(4-52)式中，磁感应强度B通常用产生磁场两偏转线圈中通过的电流的安培匝数表示，即B= Knl。其中n是偏转线圈单位长度匝数：I是通过线圈的励磁电流：K是比例系数，是与偏转 线圈几何尺寸和磁介质有关的常量。因此(4-53)knlbLeyj2emU2由此可知，磁偏距离h与励磁电流I成正比，励磁电流越大，磁偏距离也越大。 若左义磁偏灵敏度S出为单位励磁电流所引起的电子朿在荧光屏上偏转的距离瓦= （单位为 nmvA）（4-54）将式（4-54）

10、代入，得(4-55)knbLej2emU、式（4-55）说明，磁偏灵敏度镇与加速度电压S的平方根成反比。将式（4-48）与式（4-55） 相比较能够看岀，提髙加速电压U2对磁偏转灵敏度降低的阻碍比对电偏转灵敏度的阻碍小。 因此使用磁偏转时，提高显像管中电子朿的加速电压来增加荧光屏上图象亮度水平比使用电 偏转有利，而且磁偏转便于得到电子束的大角度偏转，更适合于大屏幕的需要。因此显像管 往往采纳磁偏转，然而偏转线圈的电感与分布电容都增大，不利于髙频使用，而且由于它的 体积与质量较大，都不及电偏转系统，因此示波管往往采纳电偏转。【仪器】SJ-SS-2型电子束实验仪，交流稳压电源，万用表等。【实验内容

11、与步骤】本实验采纳SJ-SS-2型电子束实验仪，苴使用方法见【仪器描述】。1. 电子束的电偏转测试偏转距离与偏转电压的关系测试步骤如下。 将功能选择开关置于Y （或X）电偏位置，而板插孔按图4-54要求插入导线。 接通高压电源开关，调剂“高压调剂”、“辅助聚焦也”，将V?调到最大值，辉度保持 适中，调剂“聚焦百”。 调剂“X轴移位”、“Y轴移位”旋钮，使光点移到坐F,lr 2 I0 0 0 + 0标原点。 调剂电偏电压，使光点朝Y （或X）方向偏转，每偏 / X/ 转5 mm,读取相应的电偏电压U值（由mA-V表直截了当读 数X3）,测到光点偏转30 mm为止。 做y-U（或x-U）图，以验证

12、在加速电压U2不变时，y与U成正比并由图求电。测试电偏转灵敏度6电与加速电压5的关系 测试步图4-64电偏转接线骤如下。 、方法同前。 调剂电偏电压，使光点在荧光屏上向Y （或X）预偏15 mm,保持电偏电压的值不变。 调剂“髙压调剂”，使氏下降，每降100 V （或200 V）读取相应的偏转量y（或x）。 运算岀 做久丄正比图，以检验当偏转电压不变时，6电与成反比关系。电源 1 m Vi A2 v2 Y X5 o 电源2oo Y - X2. 电子速的磁偏转电源I磁怕测试偏转量与励磁电流I的正比关系测试步骤如下。 将“功能选择”开关置“磁偏”位置，按图4-55要求插入导线。图4-56磁偏转接线

13、 接通高压电源开关，将、2调至最大， 涮剂“聚焦X”旋钮使光点聚焦，保持辉度适中，调剂“X轴移位”旋钮，使光点位于坐标Y轴某点yn,并记下该点坐标。 “励磁电流”复位旋到零，接通励磁电源开关，顺时针方向调剂“励磁电流”旋钮， 使光点偏转，读取不同偏转量Y及英对应的I值，并运算出磁偏灵敏度出及其平均值。 依照测量数据，做y-I图，验证y与I的正比关系。 按图4-55虚线位置改变偏转线圈电源极性，观看磁场方向改变后光点反方向偏转， 以验证洛仑兹力F=e vX B的矢疑关系。测试磁偏灵敏度与加速电压U2的关系测试步骤如下。，方法同前。 接通励磁电源开关，调剂“励磁电流”旋钮使光点从坐标J点往下（或上

14、）偏转15 mm, 保持I不变。调剂“高压调剂”旋钮使氏值减少，读取不同5值及相应的y值，并运算各 8 uo 做几1/J石图，以验证磁偏灵敏度与加速电压U?平方根的反比关系。【数据处理】1. 电子束的偏转表4-12电偏转距离与偏转电压关系 测试条件偏转距离/mm51015202530氏=V垂直上偏电压/v垂直下偏电压/v水平左偏电斥/V 水平右偏电压/V在直角坐标纸上做岀y -U图线。表4-136 a和6数据测试表测试条件预偏转电压C=V预偏转y=15mmU2加速电压1/U2偏转距离/mm6电测试值按表中数值在坐标纸上做出虫1/J石图。2. 电子束的磁偏转表4-14偏转量与励磯电流的关系 测试

15、条件加速电压U2=V;向上偏转偏转量y/mm51015202530 实测平均偏转灵敏度实测励磁电流I/rnA5 = 空n实测灵敏度馥按表中数值在坐标纸上做出y -1图。表4156*与U2数据测试表测试条件加速电压uv1700160015001400130012001100100012. 2452. 5002. 5822.6722. 7732.8823.0154 612xio:xio*6电测试值按表中数值在坐标纸上做出$旷1/匕图。【仪器描述】SJ-SS-2型电子束实验仪本仪器由高压电源、励磁电源 电路、示波管显示电路、测量电路 及插头极性指示电路等组成，全部 调剂旋钮和接线位宜均设在而板 上。

16、图4-56为该仪器面板示意图， 各旋钮功能介绍如下。1辉度：用以调剂加在示波管 操纵板上的电压大小，以操纵阴极 发射电子数量，从而操纵光屏上光 点的亮度。 聚焦：用以调剂聚焦极 上的电压，以调剂电极邻近区域的 电场分布，从而调剂电子束的聚焦 和散焦。 辅助聚焦匚：用以调剂前 宜加速极和加速极上的电压，以改 变阴极表而区域及聚焦区域的电 场分布，从而调剂电子的发射和加 速并配合聚焦极聚焦。 高压调剂：调剂英阻值的大 小可改变示波管和电极的电压大 小，而又不改变各电极的电压比。 电偏电压：调剂其大小可调 剂偏转电极上的偏转电压，从而使光点位移。偏转电压的大小通过功能选择开关的“电偏” 转接由mA-

17、V表直截了当读取（量程指示X3）。6乂（或丫）轴移位：调剂“X （或Y）轴移位”旋钮，可改变X （或Y）偏转板上的预偏电 压AU,以便将光点沿X （或Y）轴位移到坐标原点。xioxioxio2Xioxioxio图4-56电子束实验仪面板图偸转虽/ mm7. 功能选择开关及mA-V表：通过功能开关的选择转换，使mA-V表接通有关测量电路及 有关回路，可分别测量：聚焦电压（量程050 VX15）;电偏电压僵程050YX3）： 磁聚焦励磁电流（量程050 mAX20）磁偏转励磁电流（量程050 mAXl）。8. 高压电源开关：旋钮往上接通，往下断开髙压变压器的220 V交流初级回路。9. 励磁电流：

18、调剂励磁电流旋钮，可调剂励磁电源输岀的电压和电流的幅值，顺时针方 向为幅值增加，反之减少。10. 励磁电源开关：旋钮往上接通，往下断开励磁电源。11插头指示：手触氛灯罩，鋭灯亮则指示高压电源和励磁电源A端接通的是市电的“火 线”，仪器正常工作，反之接通的是市电“零线”。在励磁电源开关断开的情形下，励磁回路 接B端的部位将有交流220 V电位，并使元件（如大电解电容外壳、电源1 -插座）带电，当 人体误触机内上述接点时会适成触电危险。因此插上电源后应检查插头极性，不正常时应将 插头一端极性互换，以保证市电“火线”与励磁电源A端接通，仪器正常工作。12. 指示灯：红色指示灯亮，表示高压电源已接通（不指示励磁电源）。13. 而板各插座：表示机内各相应电极或电源的接点，使用时，按各自测试内容及电路原 理图的接线要求用带香蕉头的导线连接。 使用该仪器时，应配备交流稳压电源，确保市电 为220 V；测试时，仪器应南北方向放置，以幸免地磁场对测试精度的阻碍。为防I匕因元件 损坏后漏电及感应带电，仪器应接保安地线。【摸索题】1. 考虑一下实验时什么缘故仪器周用不能有强磁场及铁磁物质存在，同时还要将测试仪 南北方向放置？2. 设汁一个用该测试仪粗略测左当地地磁场强度B的实验，并说明英原理和方法步骤。