电子束线的电偏转与磁偏转.doc

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。
e

Y
+
-
+
+
+
+
-
-
-
-
l
L
0
S
Z
-
+
图4－17－1
d
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
（4－17－1）
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。
将E＝V／d和v2代入（4－17－1）式，得

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
（4－17－2）
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

代入（4－17－2）式，得
（4－17－3）
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
（4－17－4）
ke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
（4－17－5）
称为电偏转灵敏度，单位为毫米/伏。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
e

S
0
图4－17－2
R
R
Z
Y
L
l

θ
θ

或
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

电子束离开磁场区域时，距离Z轴的大小是

电子束在荧光屏上离开Z轴的距离为

如果偏转角度足够小，则可取下列近似
和
则总偏转距离

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

代入（4－17－6）式，得
（4－17－7）
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

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
（4－17－8）
由于式中其它量都是常数，故可写成
（4－17－9）
km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
（4－17－10）
称为磁偏转灵敏度，单位为毫米/安培。同样，越大，磁偏转的灵敏度越高。
仪器描述
SJ—SS—2型电子束实验仪
mA－V
10
0
20
30
40
50
KV
1
1.5
2
0.5
0
高压调节
电偏电压
辅助聚焦V2
聚焦V1
辉度
功能选择
Y偏
X偏
电聚
磁聚
磁偏
Y移位
励磁电源开
X移位
高压电源开
插头指示
励磁电流
磁聚
电源1＋
电源1－
磁聚
磁偏
磁偏
阴极
栅极
电源指示
电源2＋
电源2－
Y
Y
X
X
V1
A1
A2
V2
图4－17－3
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，保持辉度适中，调节V1聚焦。
Y
X
电源2
电源2
X
Y
A2
A1
V2
V1
图4－17－4
图4－17－5
Y
X
Y
电源2
电源2
V2
A2
A1
V1
X
（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。
X

偏移方向
自屏中心向左
自屏中心向右
偏转电压V（伏）

偏移量S（毫米）
5
10
15
20
25
5
10
15
20
25
偏转灵敏度（毫米/伏）

偏转灵敏度平均值（毫米/伏）

Y

偏移方向
自屏中心向上
自屏中心向下
偏转电压V（伏）

偏移量S（毫米）
5
10
15
20
25
5
10
15
20
25
偏转灵敏度（毫米/伏）

偏转灵敏度平均值（毫米/伏）

2．磁偏转
图4－17－6
磁聚
磁聚
磁偏
磁偏
电源1
电源1
V2
A2
A1
V1
X
Y
X
Y
电源2
电源2
（1）将“功能选择”置于磁偏转位置，接图4－17－6插入导联线。
（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。
（6）记录数据
偏转方向
自屏中心向上
自屏中心向下
励磁电流I (毫安)

偏移量S(毫米)

磁偏转灵敏度（毫米/毫安）

偏转灵敏度平均值（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？