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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，虽然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，为了使电子束在荧光屏上清晰的成像，还要设聚焦、偏转和强度控制系统。对电子束的聚焦和偏转，可以利用电极形成的静电场实现，也可以用电流形成的恒磁场实现。前者称为电聚焦或电偏转。随着科技的发展，利用静电场或恒磁场使电子束偏转、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。本实验在了解电子束线管的结构基础上，先讨论电子束的偏转特性及其测量方法。
【目的】
图4-52 电子束的电偏转
1.了解示波管结构和原理。
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】
示波管的基本结构主要由以下4个部分组成
图4-43 电子射线示波管
A１-第一阳极 A２-第二阳极 f-灯丝
G-栅极 K-阴极 X、Y-偏转转板
（1）示波管
示波管的构造如图4-43所示。当加热电流通过灯丝时，阴极K被加热并发射电子，栅极G加上相对于阴极为负的电压，调节栅极电压的大小，可以控制阴极发射电子的多少，即控制光点的亮度。第一阳极A１相对于阴极K有很高的电压（约1 500V）用以加速电子第二阳极 A２与第一阳极A１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对分别平行且相互垂直的属极，在平行板上加不同的电压控制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。
示波器通常是要观察轴输入的周期性信号电压的波形。如果只把被测信号（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间线性变化的电压，这种电压称为扫描电压。这样荧光屏上光点在作竖直运动的同时还要作自左向右的匀速运动。如果扫描电压的周期Tｘ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。如果Tｘ是Tｙ的整数倍，则荧光屏上将显示出n个完整的正弦波形。若用频率表示，则为：
fＸ＝nfＹ
为了能用示波器观察各种频率的信号电压波形，扫描电压的频率必须在很大的范围内连续可调，调节扫描电压的频率，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”可以很容易达到fＸ＝nfＹ，使其出现暂时稳定的图形。由于UＸ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，因此稳定状态很快又遭破坏。为了解决这一问题，示波器内部设有同步装置。在两频率基本满足整数倍的条件下，该装置将待测信号电压分出一部分，自动地去调节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，使图形稳定。
（3）电压放大和衰减装置
由于示波器的灵敏度不高（0.1～1 mm/V），当信号电压小时，电子束不能发生足够的偏荧光屏上亮点的位移过小，不便观察，为此，示波器内设有X轴放大器和Y轴放大器。先把信号电压放大，然后加到偏转板上。其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，习惯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来实现的，最简单的办法就是在示波管的垂直偏转板（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，而使电子束偏离轴线发生偏转，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，则电子束受电场力，产生加速度。电子在x方向上没有加速度，故从偏转板的左端运动到右端的时间，再从右端运动到荧光屏的时间为。电子离开板右端的垂直距离，在同一点的垂直速度。电子离开板右端时不再受电场力的作用，作匀速直线运动。到达荧光屏的垂直距离为＝。由此得到电子束到荧光屏上的总的偏转距离为
(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，则加速场对电子所做的功等于电子的动能，即
(4-46)
将式(4-46)代入式(4-45) 得
y ＝ 　　　 (4-47)
可见比例系数是与偏转板结构有关的常量，对于一定的示波管，电子束偏离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。
若定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束在荧光屏上的偏转距离
(单位 mm/V) (4-48)
图4-53 电子束的磁偏转
由此可见，当偏转电压为一定值的时候，电偏转灵敏度与加速电压成反比，加速电压越大，δ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均匀磁场，如图4-53所示。当电子以速度垂直射入磁场时，必受洛仑兹力作用在磁场区域内作圆周运动，洛仑兹力就是向心力，所以电子旋转的半径
（4-49
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，当角不很大时
(4-50)
由式(4-49)和(4-50)得磁偏转距离
(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

所以式(4-51)改写为
(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＝KnI。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。所以
(4-53)
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。
若定义磁偏灵敏度δ磁为单位励磁电流所引起的电子束在荧光屏上偏转的距离
(单位为mm/A) (4-54)
将式(4-54)代入，得
(4-55)
式（4-55）表明，磁偏灵敏度δ磁与加速度电压U２的平方根成反比。将式（4-48）与式(4-55)相比较可以看出，提高加速电压U２对磁偏转灵敏度降低的影响比对电偏转灵敏度的影响小。因此使用磁偏转时，提高显像管中电子束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。因此显像管往往采用磁偏转，但是偏转线圈的电感与分布电容都增大，不利于高频使用，而且由于它的体积与质量较大，都不及电偏转系统，所以示波管往往采用电偏转。
【仪器】
SJ-SS-2型电子束实验仪，交流稳压电源，万用表等。
【实验内容与步骤】
本实验采用SJ-SS-2型电子束实验仪，其使用方法见【仪器描述】。
1.电子束的电偏转
⑴测试偏转距离与偏转电压的关系 测试步骤如下。
①将功能选择开关置于Y（或X）电偏位置，面板插孔按图4-54要求插入导线。
图4-54 电偏转接线
②接通高压电源开关，调节“高压调节”、“辅助聚焦V２”，将V２调到最大值，辉度保持适中，调节“聚焦V１”。
③调节“X轴移位”、“Y轴移位”旋钮，使光点移到坐标原点。
④调节电偏电压，使光点朝Y（或X）方向偏转，每偏转5 mm，读取相应的电偏电压U值（由mA-V表直接读数×3），测到光点偏转30 mm为止。
⑤做y-U(或x-U)图，以验证在加速电压U２不变时，y与U成正比并由图求δ电 。
⑵测试电偏转灵敏度δ电与加速电压U２的关系 测试步骤如下。
①、②、③方法同前。
④调节电偏电压，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。
⑤调节“高压调节”，使U２下降，每降100 V（或200 V）读取相应的偏转量y(或x)。计算出

⑥做～正比图，以检验当偏转电压不变时，δ电与U２成反比关系。
图4-55 磁偏转接线
2.电子速的磁偏转
⑴测试偏转量与励磁电流I的正比关系测试 步骤如下。
①将“功能选择”开关置“磁偏”位置，按图4-55要求插入导线。
②接通高压电源开关，将V２调至最大，调节“聚焦V１”旋钮使光点聚焦，保持辉度适中，调节“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。
③“励磁电流”复位旋到零，接通励磁电源开关，顺时针方向调节“励磁电流”旋钮，使光点偏转，读取不同偏转量Y及其对应的I值，并计算出磁偏灵敏度δ磁及其平均值。
④根据测量数据，做y -I图，验证y与I的正比关系。
⑤按图4-55虚线位置改变偏转线圈电源极性，观察磁场方向改变后光点反方向偏转，以验证洛仑兹力F＝e v× B的矢量关系。
⑵测试磁偏灵敏度与加速电压U２的关系 测试步骤如下。
①，②方法同前。
③接通励磁电源开关，调节“励磁电流”旋钮使光点从坐标Yｎ点往下(或上)偏转15 mm，保持I不变。调节“高压调节”旋钮使U２值减少，读取不同U２值及相应的y值，并计算各δ磁。
④做～图，以验证磁偏灵敏度与加速电压U２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/mm
5
10
15
20
25
30
U２＝ V
垂直上偏电压/v

垂直下偏电压/v

水平左偏电压/v

水平右偏电压/v

在直角坐标纸上做出y -U图线。
表4-13 δ电和U2数据测试表
测试条件
预偏转电压U＝
V
预偏转y＝15mm
加速电压
U２

1/U２

偏转距离/mm

δ电测试值

按表中数值在坐标纸上做出～图。
2.电子束的磁偏转
表4-14 偏转量与励磁电流的关系
测试条件
加速电压U２＝
V；向上偏转

偏转量y/mm
5
10
15
20
25
30
实测平均偏转灵敏度
实测励磁电流I/mA

实测灵敏度δ磁

按表中数值在坐标纸上做出y -I图。
表4-15 δ进与U2数据测试表
测试条件

加速电压U２/V
1700
1600
1500
1400
1300
1200
1100
1000

2.245×10-2
2.500×10-2
2.582×10-2
2.672×10-2
2.773×10-2
2.882×10-2
3.015×10-2
4.612×10-2
偏转量 / mm

δ电测试值

按表中数值在坐标纸上做出δ磁-1/U2图。
【仪器描述】
SJ-SS-2型电子束实验仪
图4-56 电子束实验仪面板图
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，全部调节旋钮和接线位置均设在面板上。图4-56为该仪器面板示意图，各旋钮功能介绍如下。
1.辉度：用以调节加在示波管控制板上的电压大小，以控制阴极发射电子数量，从而控制光屏上光点的亮度。
2.聚焦V１：用以调节聚焦极上的电压，以调节电极附近区域的电场分布，从而调节电子束的聚焦和散焦。
3.辅助聚焦V２：用以调节前置加速极和加速极上的电压，以改变阴极表面区域及聚焦区域的电场分布，从而调节电子的发射和加速并配合聚焦极聚焦。
4.高压调节：调节其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。
5.电偏电压：调节其大小可调节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-V表直接读取（量程指示×3）。
6.X(或Y）轴移位：调节“X（或Y）轴移位”旋钮，可改变X（或Y）偏转板上的预偏电压ΔU，以便将光点沿X（或Y）轴位移到坐标原点。
7.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U１（量程0～50 V×15）;电偏电压(量程0～50 V×3)；磁聚焦励磁电流(量程0～50 mA×20)磁偏转励磁电流（量程0～50 mA×1）。
8.高压电源开关：旋钮往上接通，往下断开高压变压器的220 V交流初级回路。
9.励磁电流：调节励磁电流旋钮，可调节励磁电源输出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：手触氖灯罩，氖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况下，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造成触电危险。所以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.面板各插座：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，以避免地磁场对测试精度的影响。为防止因元件损坏后漏电及感应带电，仪器应接保安地线。
【思考题】
1.考虑一下实验时为什么仪器周围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.设计一个用该测试仪粗略测定当地地磁场强度B的实验，并说明其原理和方法步骤。