36电子束的磁偏转及磁聚焦.docx
- 文档编号:23519321
- 上传时间:2023-05-17
- 格式:DOCX
- 页数:13
- 大小:117.66KB
36电子束的磁偏转及磁聚焦.docx
《36电子束的磁偏转及磁聚焦.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《36电子束的磁偏转及磁聚焦.docx(13页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
36电子束的磁偏转及磁聚焦
3-6电子束的磁偏转及磁聚焦
实验3.6电子束的磁偏转及磁聚焦
【实验目的】
1.学习示波管中电子束的磁偏转及磁聚焦原理,观察电子束在磁场中偏转和聚焦现象,进一步认识电子束在磁场中运动的规律。
2.测定示波管磁偏转系统的灵敏度。
3.利用纵向磁场聚焦测定电子的荷质比(即电子的电荷与其质量的比值)。
【实验仪器】
EB-III型电子束实验仪。
【实验原理】
图3-17电子束的磁偏转
电子从电子枪以速度
射出(推导见实验“电子束的电偏转和电聚焦”),进入匀强磁场,将受洛仑兹力的作用。
1.磁偏转
加横向磁场(即B⊥电子枪的轴线)使电子束发生侧向偏转。
如图3-17所示,设一磁感应强度为B的均匀磁场,方向垂直纸面,由里指向外。
电子以速度
垂直磁场射入,受洛仑兹力的作用总是在垂直电子运动的方向上,不做功,因而电子的动能不变,在磁场区域作轨道半径为R的匀速圆周运动。
由牛顿第二运动定律,可得:
(3-29)
于是,则得:
(3-30)
设偏转角φ不很大,近似得:
由以上两式,得磁偏转位移为
(3-31)
是经过电场加速得到的,因此由
可得
(3-32)
将式(3-32)代入式(3-31)中,消去vz,可得:
(3-33)
上式表明,光点的磁偏转位移y与磁感应强度B成正比,与加速电压V2的平方根成反
动。
电子做圆周运动的同时,还在加速电压V2影响下沿Z轴方向做匀速(速度为υZ)直线运动,两运动合成的结果是电子沿B的方向作螺旋线运动,如图3-18所示。
则电子做螺旋线运动的回旋半径R和周期T分别为
(3-37)
(3-38)
由此可知,电子的回旋半径R与vx成正比,与B成反比;周期T与B成反比而与vx无关。
它表明vx大的电子绕半径大的轨道运动,vx小的电子绕半径小的轨道运动,但它们运动一周的时间都相等。
电子做螺旋线运动的螺距为
(3-39)
虽然它们的初始轴向速度也是不一样的,但它们的螺距是相等的,也就是经过一个周期后,同时从电子枪发射出来但运动方向不同的电子,又交汇在同一点(见图3-18),这就是磁聚焦作用。
而且每经过一个周期(一个螺距),有一个聚焦点。
图3-18电子束的磁聚焦
调整磁场的B来改变螺距h,可使电子枪出口到荧光屏的距离L为h的整数倍,这样我们就可以观察到多次磁聚焦现象。
利用磁聚集现象可以测定电子的荷质比。
第1次聚焦时,则有:
(3-40)
而
,代入上式可得:
(3-41)
有限长螺线管中点的磁感应强度为
因此
(3-42)
其中,N为螺线管线圈总匝数,L为电子束交叉点到荧光屏的距离,V2为加速电压,
为励磁电流强度,
为螺线管的长度(单位为m),
为螺线管的直径(单位为m)。
N、L、l、D由实验室给出,只要测出V2和I就可算出电子的荷质比“e/m”(标准值:
e/m = 1.759 × 1011C/Kg)。
用磁聚焦法测电子的比荷有相当明显的误差,产生误差的原因较多,如示波管中电子枪的实际结构比较复杂,电场和外磁场的场强不会是理想的匀强分布,所以很难精确考虑,因此电子在场中的运动规律与实际有一定的偏离,反映在L不能准确地确定上。
此外,如果电子束的电流密度较大,加速电压甚低,那么电子间的相互排斥作用更为显著,造成电子束的扩张,这种效应称为空间电荷效应,不过,当“亮度”较低,加速电压很高时,空间电荷效应很小,由它引起测量
的系统误差可以大大减小。
【实验内容及操作】
1.电子在横向磁场作用下的运动(磁偏转实验)
(1)将仪器面板上的“示波管管脚”与相应的“电源输出端”相连接。
具体接线如下:
“示波管管脚”11“电源输出端”G
“示波管管脚”8“电源输出端”H
“示波管管脚”2“电源输出端”A
“示波管管脚”9“电源输出端”B
“示波管管脚”5“电源输出端”C
“示波管管脚”3“电源输出端”D
“示波管管脚”9“电源输出端”GND
“示波管管脚”10“电源输出端”E
“示波管管脚”7“电源输出端”F
(2)将磁偏转线圈A和B插入仪器面板左侧中部的“磁偏转线圈”插孔“(A)”和“(B)”。
(3)调节仪器面板中部的单圈碳膜电位器(W3)(栅极电压),辉度控制UG处在适当位置,调节适当的(W1)加速电压UA和(W2)聚焦电压UF,使示波管屏上光点聚成一个细点,光点不要太亮,以免烧坏荧光物质。
将仪器面板右下角“高压测量转换”开关置“UA”挡,记录此时的加速电压“UA”(从“高压测量指示”数字表上读出)。
将“电压测量转换”开关分别置于“UdX”和“UdY”挡,调节“VdX”电位器(W4)和“VdY”电位器(W5),使“UdX”和“UdY”均指示“00.0”,调节“辅助调零”电位器(W6)(X调零)和电位器(W7)(Y调零),使光点的位置在示波管坐标板的中心点(原点)。
(4)将“电压电流测量转换”波段开关置“Im”挡。
(5)将仪器面板右下方的“励磁恒流源-电流调节”电位器逆时针旋到底,接通仪器面板右下角的“恒流源”开关。
此时“电压电流显示”数字表显示“00.0”,然后顺时针缓慢调节“励磁恒流源-电流调节”电位器,记录相应的电流值“Im”和偏移距离“D”(“Im”从仪器面板上的“电压电流显示”数字表中读出,D从坐标板刻度盘上读出,每格5mm)。
(6)将仪器面板右下方的“励磁恒流源-电流调节”电位器逆时针旋到底,切换仪器面板左侧中部的“磁场换向”开关(即将流过磁偏转线圈A和B的电流换向,使磁场方向发生改变),然后顺时针缓慢调节“励磁恒流源-电流调节”电位器,记录相应的电流值“Im”和偏移距离“D”。
(7)将仪器面板右下方的“励磁恒流源-电流调节”电位器逆时针旋到底。
(8)调节电位器(W1),改变加速电压UA,调节电位器(W2),改变加速电压UF,使光点聚焦,记录此时的加速电压UA,重新进行数据测量。
测量不同加速电压“UA”时(至少3组)的D–Im直线。
(9)将面板右下角的“恒流源开关”置“OFF”,即关闭恒流源,然后拔下磁偏转线圈A和B。
(10)将面板右下角的“电源开关”置“OFF”,即关闭电源。
(11)将记录的相应数据,填入表3-4,对数据进行处理,计算出磁偏转灵敏度Sm。
表3-4电子束的磁偏转数据
D(mm)
Im(mA)
UA(V)
−25
−20
−15
−10
−5
0
5
10
15
20
25
灵敏度Sm
2.电子在纵向磁场作用下的运动(螺旋运动,磁聚焦-电子荷质比的测定)
(1)将仪器面板上的“示波管管脚”与相应的“电源输出端”相连接。
具体接线如下:
“示波管管脚”11“电源输出端”B
“示波管管脚”8“电源输出端”B
“示波管管脚”2“电源输出端”A
“示波管管脚”9“电源输出端”B
“示波管管脚”5“电源输出端”B
“示波管管脚”3“电源输出端”B
“示波管管脚”9“电源输出端”GND
“示波管管脚”10“电源输出端”E
“示波管管脚”7“电源输出端”F
(2)松开坐标板的固定螺钉,取下坐标板。
(3)将磁聚焦线圈套在示波管上,将红黑两根连接线接上仪器面板左下角的“磁聚焦线圈插座”。
(4)将仪器面板右下方的“励磁恒流源-电流调节”电位器逆时针旋到底。
(5)开启面板右下角的“电源”开关和“恒流源”开关。
(6)将“电压测量转换”开关分别置于“UdX”和“UdY”挡,调节“VdX”电位器(W4)和“VdY”电位器(W5),使“UdX”和“UdY”均指示“00.0”。
(7)将“高压测量转换”波段开关置“UA”,“电压电流测量转换”波段开关置“IM”挡。
(8)将“恒流源电流调节”电位器逆时针旋到底,此时电流“.000”,调节电位器(W1),选择适当的加速电压UA,调节电位器(W3),选择适当的栅极电压,使光点不要太亮,调节栅极电压之后,加速电压和聚焦电压也会有变化,因此应再次细调高压,使高压达到需要的值;然后顺时针缓慢调节“恒流源-电流调节”电位器,记录光点第1次聚焦时相应的电流值“IM”(I1),继续顺时针缓慢调节“恒流源—电流调节”电位器,记录光点第2次和第3次聚焦时相应的电流值“IM”(I2.I3)。
(9)将“恒流源-电流调节”电位器逆时针旋到底。
(10)切换仪器面板左侧中部的“磁场换向”开关(即将流过磁聚焦线圈电流换向,使磁场方向发生改变),然后重复步骤“8”的操作。
(11)将仪器面板右下方的“励磁恒流源-电流调节”电位器逆时针旋到底。
(12)改变加速电压UA,进行数据测量。
(13)将面板右下角的“恒流源开关”置“OFF”,即关闭恒流源。
将面板右下角的“电源开关”置“OFF”,即关闭电源。
(14)将记录的相应数据,填入表3-5,对数据进行处理,代入式(3-42)计算荷质比“e/m”,并与公认值e/m = 1.759 × 1011C/kg进行比较,计算实验误差。
(3-43)
表3-5电子束的点聚焦数据表格
加速电压
UA(V)
850
900
950
1000
1050
1100
聚焦电流I(A)
B+
B−
B+
B−
B+
B−
B+
B−
B+
B−
B+
B−
e/m(×1011C/kg)
实验误差
(15)如果做电子束线在纵向磁场中的聚焦实验,则需要将仪器面板中部的“AC20V交流电压”(点线转换)的两个输出孔分别连接到示波管的第9脚(即A1.A3)插孔和示波管的第10脚(即X1偏转板)插孔,然后进行实验。
数据处理
用纵向磁场聚焦法测定电子荷质比数据记录(螺线管线圈的参数见螺线管铭牌)
螺线管线圈总匝数N:
匝
螺线管的长度l:
(单位:
m)
螺线管的直径D:
(单位:
m)
电子束交叉点到荧光屏的距离L:
(单位:
m)
表3-6电子束的线聚焦数据表格
加速电压
UA(V)
850
900
950
1000
1050
1100
聚焦电流I(A)
B+
B−
B+
B−
B+
B−
B+
B−
B+
B−
B+
B−
e/m(×1011C/kg)
实验误差
【注意事项】
1.仪器面板中部的“高压保护指示灯”为高压保护指示。
如果灯泡亮,则表明仪器内部电源高压部分出现故障,请立即关闭仪器电源,检查电源高压部分并进行维修。
2.实验过程中有时会出现找不到光点(光斑)的情况,可能的原因和解决的办法如下:
(1)亮度不够。
解决的办法是适当增加亮度;
(2)已经加有较大的电偏电压(x方向或y方向),使光点偏出示波器的屏幕。
此时应通过调节电偏转旋钮,使偏转电压降为零。
3.示波管的亮度不要长时间打得太亮,否则,荧光屏易老化,影响显示效果。
4.由于本实验的电压有的达到1000V,故特别要注意安全。
5.做磁聚焦和磁偏转实验时,采集完数据后,应将励磁恒流源的电流调节电位器逆时针旋到底,尽量不要让线圈长时间的通大电流(因为线圈随着电流的增大,其热量也随之增大,其阻值也增加,所以相应的电流会逐渐减小)。
6.实验完毕后,关掉电源,不要立即拆除线路,要等电容器放电完毕后再拆除线路。
【思考题】
1.磁场聚焦的条件是什么?
2.磁偏转的灵敏度与什么因素有关?
3.偏转量的大小改变时,光点的聚焦是否改变?
为什么?
4.电子受到的重力在磁场偏转中有重要影响吗?
附:
有限长螺线管内磁感应强度
对于有限长螺线管,当螺线管通以电流
时,则管内轴线上任意一点的磁感应强度为
式中,
为真空磁导率
,
为单位长度线圈的匝数,
、
分别为螺线管轴上某一点到两端的张角,如图3-19所示。
当螺线管为无限长时
,则磁感应强度为
图3-19螺线管
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 36 电子束 偏转 聚焦