整理实验二十三电子射线的电聚焦与磁聚焦.docx

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整理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1TH-EB型电子束实验数据表d＝N＝D＝L＝（注：

d=h）

V2（V）

励磁电流/A

误　差

I1

I2

I3

正

4.环境保护地方性法规和地方性规章

规划编制单位对可能造成不良环境影响并直接涉及公众环境权益的专项规划，应当在规划草案报送审批前，采取调查问卷、座谈会、论证会、听证会等形式，公开征求有关单位、专家和公众对环境影响报告书的意见。

1.建设项目环境影响报告书的内容

1.建设项目环境影响评价机构的资质管理反

分类具体内容应编写的环境影响评价文件

为了有别于传统的忽视环境价值的理论和方法，环境经济学家把环境的价值称为总经济价值（TEV），包括环境的使用价值和非使用价值两个部分。

1）规划实施对环境可能造成影响的分析、预测和评估。

主要包括资源环境承载能力分析、不良环境影响的分析和预测以及与相关规划的环境协调性分析。

二、安全预评价

正

（7）列出安全对策措施建议的依据、原则、内容。

（1）规划环境影响评价的分析、预测和评估内容。

反

正

反

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。