实验十七 电子束线的电偏转与磁偏转

实验目的

1．研究带电粒子在电场和磁场中偏转的规律。 2．了解电子束线管的结构和原理。 实验仪器

SJ—SS—2型电子束实验仪。 实验原理

在大多数电子束线管中，电子束都在互相垂直的两个方向上偏移，以使电子束能够到达电子接受器的任何位置，通常运用外加电场和磁场的方法实现，如示波管、显像管等器件就是在这个基础上运用相同的原理制成的。

1．电偏转原理

电偏转原理如图4－17－1所示。通常在示波管（又称电子束线管）的偏转板上

加上偏转电压V，当加速后的电子以速度v沿Z方向进入偏转板后，受到偏转电场E（Y轴方向）的作用，使电子的运动轨道发生偏移。假定偏转电场在偏转板l范围内是均匀的，电子作抛物线运动，在偏转板外，电场为零，电子不受力，作匀速直线运动。在偏转板之内

Y?1at2?1eE(Z)2 （4－17－1）

22mv图4－17－1 L e 0 S Y l + + + + + + ? - - - - - - d Z 式中v为电子初速度，Y为电子束在Y方向的偏转。电子在加速电压VA的作用下，加速电压对电子所做的功全部转为电子动能，则1mv2?eVA。

2将E＝V／d和v2代入（4－17－1）式，得

2 Y?VZ

4VAd电子离开偏转系统时，电子运动的轨道与Z轴所成的偏转角?的正切为

Vl （4－17－2） tg??dY?dZx?l2VAd设偏转板的中心至荧光屏的距离为L，电子在荧光屏上的偏离为S，则

S tg??

L代入（4－17－2）式，得

S?VlL （4－17－3）

2VAd由上式可知，荧光屏上电子束的偏转距离S与偏转电压V成正比，与加速电压VA成反比，由于上式中的其它量是与示波管结构有关的常数故可写成

S?keV （4－17－4）

VAke为电偏常数。可见，当加速电压VA一定时，偏转距离与偏转电压呈线性关系。为了反映电偏转的灵敏程度，定义

S1 ?电??ke() （4－17－5） VVA?电称为电偏转灵敏度，单位为毫米/伏。?电越大，表示电偏转系统的灵敏度越高。

2．磁偏转原理

磁偏转原理如图4－17－2所示。通常在示波管的电子枪和荧光屏之间加上一均匀横向偏转磁场，假定在l范围内是均匀的，在其它范围都为零。当电子以速度v沿Z方向垂直射入磁场B时，将受到洛仑磁力的作用在均匀磁场B内电子作匀速圆周运动，轨道半径为R，电子穿出磁场后，将沿切线方向作匀速直线运动，最后打在荧光屏上，由牛顿第二定律得

2 f?evB?mv

RY l L 或 R?mv

eB电子离开磁场区域与Z轴偏斜了?角度，由图4－17－2中的几何关系得

lleBsin???Rmv

R ? R θ?θ S ? e 0 图4－17－2 Z 电子束离开磁场区域时，距离Z轴的大小?是

??R?Rcos??R(1?cos?)?mv(1?cos?)

eB电子束在荧光屏上离开Z轴的距离为 S?L?tg??? 如果偏转角度足够小，则可取下列近似

sin??tg??? 和 cos??1??

22则总偏转距离

S?L???R(1?1??L????L???R?222?22)

mv??eB2leBmv1leB2?L???()mveB2mvleBl2eB?L?mv2mvleBl?(L?)mv2(4?17?6)又因为电子在加速电压VA的作用下，加速场对电子所做的功全部转变为电子的动能，则

12mv?eVA2

代入（4－17－6）式，得

即v?2eVAm

S?leB1(L?l) （4－17－7）

22meVA上式说明，磁偏转的距离与所加磁感应强度B成正比，与加速电压的平方根成反比。 由于偏转磁场是由一对平行线圈产生的，所以有

B?KI

式中I是励磁电流，K是与线圈结构和匝数有关的常数。代入（4－17－7）式，得

S?1(L?l) （4－17－8）

22meVAKleI由于式中其它量都是常数，故可写成

S?km?I （4－17－9） VAkm为磁偏常数。可见，当加速电压一定时，位移与电流呈线性关系。为了描述磁偏转的灵敏程度，定义

??S?km1 （4－17－10）

磁IVA?磁称为磁偏转灵敏度，单位为毫米/安培。同样，?磁越大，磁偏转的灵敏度越高。

仪器描述

本实验所采用仪器是SJ—SS—2型电子束实验仪，如图4－17－3所示。该仪器主要由示波管、显示电路、励磁电路、测量电路、电源等部分组成。仪器板面上各旋钮、电表的作用如下：

辉度：用来改变加在控制栅板G上的电压，以调节屏上亮点的亮度。

聚焦：用来改变加在第一阳极A1上的电压，以调节屏上亮点的粗细。

辅助聚焦： 用来改变加在第二阳极A2上的电压与“聚焦”旋钮配合使用，调节屏上亮点的粗细。

高压调节：用来改变示波管各电极的电压大小，但不改变各电极的电压比。

电偏转：用来改变加在垂直（或水平）偏转板上的电压，以调节屏上亮点的上下（或左右）位置。

功能选择：用于选择实验项目。

励磁电流：用于调节磁聚焦线圈中，或磁偏转线圈中的电流大小。

KV表：用以直接指示V2电压的大小。

mA—V表：经“功能选择”开关的转换，可以分别测量聚焦电压V1（量程为0—50V×15），电偏电压（量程为0—50V×3），磁聚励磁电流（0—50mA×20），磁偏励磁电流（量程为0—50mA×1）。

插头指示（安全指示）：用于指示仪器是否处于安全使用状态，其作用与验电笔相似，手触指示灯管时，若指示灯发亮，则表明是安全的。

本仪器使用时，周围应无其它强磁场存在，仪器应南北方向测试，避免地磁场的影响。

实验内容 1．电偏转

（1）将“功能选择”置于X或Y电偏位置，按图4－17－4（X电偏接线）或图4－17－5（Y电偏接线）插入导联线。

（2）接通“高压电源开”，调节“高压调节”，“辅助聚焦V2”，将V2调节至最大值，

图4－17－3 磁聚 电源1－ 磁偏 阴极 栅极 电源指示 Y 电源2－ X 磁聚 电源1＋ 磁偏 V1 A1 A2 V2 Y 电源2＋ X Y移位 励磁电源开 励磁电流 高压电源开 X移位 Y偏 磁聚 磁偏 X偏 电聚 SJ—SS—2型电子束实验仪 高压调节 电偏电压 辅助聚焦V2 聚焦V1 辉度 功能选择 10 20 30 40 0 50 mA－V 插头指示 0 0.5 1 1.5 KV 2 V1 A1 A2 V2 Y 电源2 X Y 图4－17－4 V1 A1 A2 V2 Y 电源2 X 电源2 X Y 图4－17－5 电源2 X 保持辉度适中，调节V1聚焦。

（3）将“电偏电压”调节至最小，调节“X位移”、“Y位移”，使光点移至坐标原点。

（4）保持“辉度”、V1、V2不变，调节“电偏电压”，使光点朝X（或Y）方向偏转，每偏5mm读取相应的电偏电压V及S。根据测出的S、V值，作出S～V图线，验证S～V为线性正比关系。

（5）改变电源极性，可改变X（或Y）的偏转方向，如图中虚线连接，分别测出S、V数据。

（6）数据记录。 偏移方向 偏转电压V（伏） 5 自屏中心向左 5 自屏中心向右 水平偏偏移量S（毫米） 转偏转灵敏度?（毫米/伏） 电X 偏转灵敏度平均值?电（毫米/伏） 10 15 20 25 自屏中心向上 10 15 20 25 自屏中心向下 垂偏移方向 直偏转电压V（伏） 偏偏移量S（毫米） 转偏转灵敏度?电（毫米/伏） Y 偏转灵敏度平均值?电（毫米/伏） 2．磁偏转 5 5 10 15 20 25 10 15 20 25 （1）将“功能选择”置于磁偏转位置，接图4－17－6插入导联线。

磁聚 电源1 磁偏 V1 A1 A2 V2 Y 电源2 X 磁聚 电源1 磁偏 图4－17－6 Y 电源2 X （2）接通“高压电源开”，将V2调至最大，调节V1使光点聚焦，保持辉度适中，调节X位移，使光点位于坐标Y轴某点ys，并以该点为新的坐标原点。

（3）“励磁电流”复位到零，接通“励磁电源开”顺时针方向调节“励磁电流”使光点偏转，读取不同偏转量S及其对应的I值，作出S～I图线，验证S～I为线性正比关系。

（4）改变电源极性（即改变偏转线圈中的电流方向），如图中虚线连接，可作反向磁偏转，测出S、I数据。

（5）由测出的各组S、I值，求出各组的偏转灵敏度，然后再求其算术平均值，得出本仪器的偏转灵敏度?磁。

（6）记录数据 偏转方向 励磁电流I (毫安) 偏移量S(毫米) 磁偏转灵敏度?磁（毫米/毫安） 偏转灵敏度平均值?磁（毫米/毫安） 思考题

1．偏转量的大小改变时，光点的聚焦是否改变？为什么？ 2．偏转量的大小与光点的亮度是否有关？为什么？ 3．在偏转板上加交流信号时，会观察到什么现象？

自屏中心向上 自屏中心向下