1、49電子和場綜合實驗（電子束實驗）示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器。它能把肉眼看不見的電信號變換成看得見的圖像，便于人們研究各種電現象的變化過程。示波器利用狹窄的、由高速電子組成的電子束，打在涂有熒光物質的屏面上，就可產生細小的光點（這是傳統的模擬示波器的工作原理）。在被測信號的作用下，電子束就好像一支筆的筆尖，可以在屏面上描繪出被測信號的瞬時值的變化曲線。利用示波器能觀察各種不同信號幅度隨時間變化的波形曲線，還可以用它測試各種不同的電量，如電壓、電流、頻率、相位差、調幅度等等。示波管是電子示波器的心臟，與電視機里顯示圖像的顯象管及雷達指示管、電子顯微鏡等電子器件的外形和功用雖不相同，但

2、有其共同點：都有產生電子束的系統和對電子加速的系統；為了使電子束在熒光屏上清晰地成象，還有聚焦、偏轉和強度控制等系統。因此統稱它們為電子束線管。電子束的聚焦和偏轉可以通過電場和磁場對電子的作用來實現，前者稱為電聚焦和電偏轉，后者稱為磁聚焦和磁偏轉。本實驗研究電子束的電偏轉和磁偏轉。通過實驗，將使我們加深對電子在電場及磁場中運動規律的理解，有助于了解示波器和顯象管的工作原理?！緦嶒災康摹?.了解示波管的構造和工作原理，研究靜電場對電子的加速作用。2.定量分析電子束在橫向勻強電場作用下的偏轉情況。3.研究電子束在橫向磁場作用下的運動和偏轉情況。4.了解電子束磁聚焦的原理，并研究電子束在電場和磁場中

3、的運動規律。5.掌握一種用磁聚焦法測電子荷質比的方法?！緦嶒瀮x器】電子和場綜合實驗儀【儀器介紹】電子和場綜合實驗儀面板及各個旋鈕介紹如圖49-1。 圖49-1 電子和場綜合實驗儀面板1、示波管坐標板； 2、示波管3、逸出功燈絲電流調節 4、磁控線圈5、理想二極管 6、逸出功陽極電壓調節7、逸出功陽極電壓測量端 8、偏轉單元（Vdx、偏轉電壓調節及測量端，）9、偏轉單元（Vdy、偏轉電壓調節及測量端，） 10、點線轉換開關11、勵磁電源單元 12、多量程電壓表（量程2V、20V、200V）單元13、柵極電壓調節及測量端 14、聚焦電壓調節及測量端，15、加速電壓調節及測量端 16、220V電源插

4、孔17、電源開關單元（電源總開關、勵磁電源開關、電子束開關、逸出功開關）18、逸出功陽極電流指示 19、逸出功燈絲電流指示20、XY調零 21、示波管管座 （ 示波管插入此處，嚴禁用手觸摸示波管座孔） 22、偏轉線圈 23、螺線管線圈24、偏轉電流換向開關 25、偏轉電流輸入端實驗中采用的電子示波管型號是8SJ31J，就是示波器中的示波管。通常用在雷達中。它的工作原理與電視顯像管非常相似，這種管子又名陰極射線管（CRT）或電子束示波管。它是陰極射線示波器中的主要部件，在近代科學技術許多領域中都要用到，是一種非常有用的電子器件。示波管的示意圖如圖49-2，包括以下幾個部分：（1）一個電子槍，它發

5、射電子，把電子加速到一定速度，并聚焦成電子束；（2）一個由兩對金屬板組成的偏轉系統；（3）一個在管子末端的熒光屏，用來顯示電子束的轟擊點。所有部件全都密封在一個抽成真空的玻璃外殼里，目的是為了避免電子與氣體分子碰撞而引起電子束散射。接通電源后，燈絲發熱，陰極發射電子。柵極加上相對于陰極的負電壓，它有兩個作用：一方面調節柵極電壓的大小控制陰極發射電子的強度，所以柵極也叫控制極；另一方面柵極電壓和第一陽極電壓構成一定的空間電位分布，使得由陰極發射的電子束在柵極附近形成一個交叉點。第一陽極和第二陽極的作用一方面構成聚焦電場，使得經過第一交叉點又發散了的電子在聚焦場作用下又會聚起來；另一方面使電子加速

6、，電子以高速打在熒光屏上，屏上的熒光物質在高速電子轟擊下發出熒光，熒光屏上的發光亮度取決于到達熒光屏的電子數目和速度，改變柵壓及加速電壓的大小都可控制光點的亮度。水平偏轉板和垂直偏轉板是互相垂直的平行板，偏轉板上加以不同的電壓，用來控制熒光屏上亮點的位置。圖49-2 示波管示意圖【實驗原理】1.電子束的電聚焦（電子在縱向非均勻電場作用下的運動）電子在示波管中的加速和聚焦等工作靠電子槍來實現，電子槍的內部構造見圖49-3。從示波管陰極K發射的電子在第一陽極A1的加速電場作用下，先會聚于控制柵孔附近一點（圖49-4中O點），往后，電子束又散射開來。為了在屏上得到一個又亮又小的會聚光點必須把散開的電

7、子束會聚起來。為此在控制柵極前設置了A1和A2兩個陽極，分別稱為第一陽極和第二陽極。它們構成由相鄰的圓筒組成的聚焦系統，在A1、A2上分別相對陰極K加上不同的電壓V1和V2，當V2V1時，在V1和V2之間會形成縱向不均勻電場，該電場對Z軸是對稱分布的（Z軸沿示波管的軸線方向，即電子入射的方向）。電子束中某個散離軸線的電子沿軌道進入聚焦電場如圖49-5所示，在電場的前半區，電子受到的電場力可分解為垂直指向軸線的分力與平行于軸線的分力。的作用使電子向Z軸靠攏，的作用使電子沿Z軸方向得到加速。在電場的后半區，電子受到的電場力可分解為相應的和兩個分量。仍使電子沿Z軸方向加速，而卻使電子遠離軸線，但因為

8、在整個電場區域里電子都受到同方向的沿Z軸的作用力和的作用，電子在后半區的軸向速度比在前半區的大得多，因此，在后半區電子受Fr的作用時間短得多。這樣，電子在前半區受到的拉向軸線的作用大于在后半區受到離開軸線的作用，因此總效果是使電子向軸線靠攏，最后會聚到軸上某一點。調節陽極A1和A2的電壓可以改變電極間的電場分布，使電子束的會聚點正好與熒光屏重合，這樣就實現了電聚焦。 KGOA1電子軌跡圖49-4控制柵附件電子軌跡圖 電子 電場線 等勢線 Z Fr F Fz Fz Fr F 圖49-5 A1、A2之間電場分布截面圖2.電子束的電偏轉（電子在橫向電場作用下的運動）（1）偏轉電場的形成在電子束通過的

9、空間，平行于電子入射方向水平放置兩塊平行板，在其上加電壓，即可以形成偏轉電場。在平行板間距d比其長度b小得多的情況下，可以認為它形成的空間電場是均勻的（一般認為示波管的偏轉板近似滿足這個條件），且平行板外電場為零。這時電場強度有（板內）E=0（板外）式中E沿垂直于電子入射的方向，V為在極板上加的電壓。（2）電偏轉原理取Z軸沿示波管的軸線方向，即電子入射的方向，Y軸與電場E的方向相反，如圖49-6所示，在示波管的兩塊偏轉板Y1、Y2上加電壓后，形成了垂直于電子束運動方向的橫向電場，正是這一橫向電場使電子束產生了Y方向的偏轉。圖49-6 電子束的電偏轉示意圖由于從陰極被加熱逸出的電子動能較小，近似

10、認為初速度為零，電子被第二陽極加速后從電子槍口（陽極A2的小孔）射出的速度（約107m/s的數量級）為，獲得的功能是。若加速電壓為V2，則有 （1）式中m為電子質量，e為電子電荷。設偏轉板間距為d，板長度為b（d<<b），兩板間電位差為Vy，則板間電場強度為： （2）當電子進入橫向電場后受電場力的作用，產生的加速度為 （3）電子通過偏轉板的時間，從板右端到達屏的時間，電子剛離開偏轉板右端時的垂直位移為 （4）此時電子在y方向的速度為，電子離開電場后作勻速直線運動，因此在時間內電子的垂直位移為 （5）電子在熒光屏上總位移為 （6）令，并將（1）式代入得 （7）式（7）表明：當加速電壓

11、V2一定時，屏上光電位移y與偏轉電壓Vy成正比。電偏轉靈敏度（Se）：定義為當偏轉板上加單位電壓時所引起得電子束在熒光屏上的位移。即 將（7）式帶入得 （8）即電偏轉靈敏度Se與加速電壓V2成反比。式（8）中V2為加速陽極的電壓，d為偏轉板的距離。3.電子束的磁偏轉從電子槍射出的電子沿縱向通過偏轉線圈所產生的橫向磁場時，在洛倫茲力作用下發生偏轉。如圖49-5所示，設實線方框內有均勻的磁場，磁感應強度為B，方向與紙面垂直，由紙面指向讀者，在方框外B=0。電子以速度vz垂直射入磁場，受洛倫茲力evzB的作用，在磁場區域內作半徑為R的勻速圓周運動，則有 （9）電子的速度由（1）式得 （10）電子沿弧

12、線穿出磁場區域后作勻速直線運動，最后打在熒光屏上。那么有， （11）由式（9）-（11）得磁偏轉位移D為 （12） 上式表明，光點的偏轉位移D與磁感強度B成線性關系，與加速電壓V2的平方根成反比。將式（12）和式（8）相比較可以看出，提高加速電壓對磁偏轉靈敏度降低的影響，比對電偏轉靈敏度的影響小。因此，使用磁偏轉時，提高顯像管中電子束加速電壓來增強屏上圖像的亮度水平比使用電偏轉有利。而且，磁偏轉便于得到電子束的大角度偏轉，更適合于大屏面的需要。因此顯像管往往采用磁偏轉。但是，偏轉線圈的電感與較大的分布電容，不利于高頻使用，而且體積和重量較大，都不及電偏轉系統。所以示波管往往采用電偏轉。由于偏轉

13、磁場是由一對平行線圈產生的，所以有 式中Ia是勵磁電流，k是與線圈結構和匝數有關的常數。代入（12）式，得 （13）由于式中其它量都是常數，故可寫成 （14）km為磁偏常數?？梢?，當加速電壓一定時，位移與電流呈線性關系。為了描述磁偏轉的靈敏程度，定義為當螺線管加單位電流時所引起的電子束在熒光屏上的位移（mm/A）。 （15）Sm越大，表示磁偏轉系統的靈敏度越高。 圖49-5電子束的磁偏轉示意圖4.電子束的磁聚焦 (測定電子荷質比)hB（Z）vvv圖49-6電子作螺旋運動在一個通電螺旋管中平行地放置一示波管，沿示波管軸線方向有一均勻分布的磁場，其磁感應強度為B。如圖49-6，取示波管軸為坐標軸，

14、磁場B沿Z軸方向，電子從電子槍出射時具有速度為，我們把它分解成沿軸向和徑向兩個分量，分別記作和。在示波管的熱陰極K及第二陽極A2之間加有加速電壓V2，經陽極小孔射出的細電子束流將沿軸線作勻速直線運動。電子流的軸向速率為 （16）由于電子運動方向與磁場平行，故磁場對電子運動不產生影響。式中e、m分別為電子的電荷量和質量。如暫不考慮電子軸向速度分量的影響，則電子在磁場的洛侖茲力的作用下（該力與垂直），在垂直于軸線的平面上作圓周運動，即，由此可得到電子運動的軌道半徑，v越大軌道半徑亦越大，電子運動一周所需要的時間（即周期）為 （17）這說明電子的旋轉周期與軌道半徑及速率v無關，若再考慮的存在，電子的

15、運動軌跡應為一螺旋線。 (18)h為一個周期內，電子前進的距離（稱螺距）。從（17）、（18）兩式可以看出，電子運動的周期和螺距均與無關。雖然各個點電子的徑向速度不同，但由于軸向速度相同，由一點出發的電子束，經過一個周期以后，它們又會在距離出發點相距一個螺距的地方重新相遇，這就是磁聚焦的基本原理。當螺旋線的螺距h正好等于示波管中電子束交叉點O到熒光屏之間的距離L0時，在屏上將得到一個亮點（聚焦點）。這時 (19)那么 (20)上式中B、L0（見螺線管外側）由每臺實驗儀器給出數據，其中聚焦線圈中的平均磁場由公式 （21）式中的I為流過磁聚焦線圈的電流，n 為單位長度螺線管圈數，B的單位為特斯拉。

16、如繼續增大B，使電子流旋轉周期相繼減小為上述的1/2，1/3則相應地電子在磁場作用下旋轉2周，3周后聚焦于屏上，這稱為二次聚焦，三次聚焦等。為了減小I的測量誤差，可利用一次、二次、三次聚焦時對應的勵磁電流求平均， （22）將代入實驗儀器給出的B計算式中，求出B。再將V2、L0、B值代入公式（20）中，即可求出不同加速電壓V2時的電子荷質比em，與并與公認值e/m1.757×1011c/kg比較，求出百分誤差。對于HLD-EF-III型電子和場綜合實驗儀，螺線管中心部分的磁場視為均勻的平均磁場，則有 （23） （24）式中D為螺線管的外徑和內徑的平均值，L為螺線管長度，N為螺線管線圈匝

17、數，這三個參數在螺線管上標出?！緦嶒瀮热菁安襟E】1.電子束的電聚焦和輝度控制（1）將示波管插入儀器左邊的后靠背，將坐標板放入示波管與光屏前面，打開總電源開關和電子束開關。（2）用多量程電壓表200mV檔，調節加速電壓調節旋鈕使輸出顯示為-80mV（即為-800V）（3）用多量程電壓表200V檔測量VdX，調節Vdx旋鈕，進行偏轉電壓調零。（4）用多量程電壓表200V檔測量Vdy，調節VdY旋鈕，進行偏轉電壓調零。（5）撥動點線開關至點，示波管將顯示出一個亮點，如果沒有顯示將柵極電壓亮度稍微調高一點，然后調節調零電位器X、Y，使示波管熒屏顯示出一個亮點調為中心。（6）調節加速電壓調節旋鈕使其分別

18、為V2=-800, -900, -1000, -1100V，調節聚焦電壓旋鈕（改變聚焦電壓）使光點一次次達到最佳的聚焦效果，在此情況下，測量各不同加速電壓時對應的電聚焦電壓V1（電聚焦電壓輸出用多量程電壓表200mV檔測量），并記錄于表49-1。表49-1 V2 V1數據記錄表V2 （V）80090010001100V1（V）2.電子束電偏轉實驗（1）在電聚焦實驗基礎上開始實驗。（示波管要放坐標板） 。（2）用多量程電壓表200mV檔，測量加速電壓調節使加速電壓輸出顯示為-100mV（即為-1000V）,并調節聚焦電壓旋鈕（改變聚焦電壓）使光點達到最佳的聚焦效果。（3）用多量程電壓表200V檔

19、測量Vdx，調節Vdx旋鈕，進行偏轉電壓調零。（4）用多量程電壓表200V檔測量Vdy，調節Vdy旋鈕，進行偏轉電壓調零。（5）示波管將顯示出一個亮點，如果沒有顯示將柵極電壓亮度稍微調高一點，然后調節調零電位器X、Y，使示波管熒屏顯示出一個亮點調為中心。（6）看示波管亮點，調節偏轉電壓Vdx，使得D每移動一格(5mm)，記錄一次偏轉電壓Vdx的數值，表格見49-2。完成表格后，將偏轉電壓Vdx調零。將作DVdx曲線，并求出曲線斜率即電偏轉靈敏度值。（Vdx 用多量程電壓表200V檔）（7）看示波管亮點，調節偏轉電壓Vdy，使得D每移動一格(5mm)，記錄一次偏轉電壓Vdy的數值，表格見49-2

20、。完成表格后，將偏轉電壓Vdy調零。作DVdy曲線，并求出曲線斜率即電偏轉靈敏度值。（Vdy 用多量程電壓表200V檔）49-2 電子束電偏轉實驗。加速電壓時， 和數據記錄表V2=1000VD(mm)510152025Vdx(V)Vdy(V)3.電子束磁偏轉實驗（1）在實驗2基礎上完成該實驗。（2）將示波管兩側插入偏轉線圈，將電流輸出端與輸入端連接，打開勵磁電源開關，調節電流調節旋鈕(電流從0開始增大)，使得亮線在垂直方向每移動一格(5mm)，記錄一次偏轉電流I的數值。（3）將加速電壓調節為-800V，并調節聚焦電壓旋鈕（改變聚焦電壓）使光點達到最佳的聚焦效果，重復步驟（2）。將數據填入見表49-3.作DI曲線，并求曲線斜率得磁偏轉靈敏度。49-3磁偏轉實驗。加速電壓V2=800，1000V時，數據記錄表。 D（mm） I(A) V2(V)D(mm)510152025800V1000V4.電子束的螺旋運動及電子荷質比測定（1）在實驗3基礎上完成該實驗。（2）用多量程電壓表200mV檔，測量加速電壓調節加速電壓使輸出分別顯示為-90mV（即為-900V）、-100mV（即為-1000V）、-110mV（即為-1100V）（3）將螺線管線圈套入示波管上，將勵磁電源輸出與螺線管連接。（7）調