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1、图 4- 18 3实验十四电子束线的电聚焦与磁聚焦实验目的1 .研究带电粒子在电场和磁场中聚焦的规律。2 . 了解电子束线管的结构和原理。3 .掌握测量电子荷质比的一种方法。 实验仪器4 J-SS-2型电子束实验仪。实验原理1 .电聚焦原理从示波管阴极发射的电子在第一阳极Ai的加速电场作用下，先会聚于控制栅 孔附近一点（图4 18 1中O点），往后， 电子束又散射开来。为了在示波管荧光屏 上得到一个又亮又小的光点，必须把散射 开来的电子束会聚起来，与光学透镜对光 束的聚焦作用相似，由第一阳极A1和第二 阳极A组成电聚焦系统。A1、A2是两个相 邻的同轴圆筒，在A1、A2上分别加上不同 的电压V
2、1、V2,当V1>V2时，在A1、A 之间形成一非均匀电场，电场分布情况如 图4182所示，电场对Z轴是对称分 布的。电子束中某个散离轴线的电子沿轨 迹S进入聚焦电场，图418 3画出了 这个电子的运动轨迹。在电场的前半区，这个电子受到与电 力线相切方向的作用力F°F可分解为垂 直指向轴线的分力 Fr与平行于轴线的分 力Fzo Fr的作用使电子向轴线靠拢，Fz 的作用使电子沿Z轴得到加速度。电子到 达电场后半区时，受到的作用力 F'可分 解为相应的Fr和F'z两个分量。FZ分力仍 使电子沿Z轴方向加速，而Fr分力却使 电子离开轴线。但因为在整个电场区域里 电子都
3、受到同方向的沿Z轴的作用力（Fz和FZ）,由于在后半区的轴向速度比在前半区的大得多。因此，在后半区电子受Fr的作用时间短得多。这样，电子在前半区受到的拉向轴线的 作用大于在后半区受到离开轴线的作用，因此总效果是使电子向轴线靠拢，最后会聚到轴上 某一点。调节阳极A1和A2的电压可以改变电极间的电场分布，使电子束的会聚点正好与荧 光屏重合，这样就实现了电聚焦。2 .磁聚焦原理将示波管的第一阳极Ai,第二阳极A2,水平，垂直偏转板全连在一起，相对于阴极板 加一电压Va,这样电子一进入Ai后，就在零电场中作匀速运动，这时来自交叉点（图418 -1中。点）的发散的电子束将不再会聚，而在荧光屏上形成一个面
4、积很大的光斑。下面介 绍用磁聚焦的方法使电子束聚焦的原理。图 4-18-4B (Z)在示波管外套一载流长螺线管，在Z轴方向即产生一均匀磁场B,电子离开电子束交叉 点进入第一阳极Ai后，即在一均匀磁场B （电场为零）中运动，如图4 184所示。v可分 解为平行B的分量v/和垂直于B的分量VI,磁场对V”分量没有作用力，V”分量使电子沿B 方向作匀速直线运动；V，分量受洛仑兹力的作用，使电子绕 B轴作匀速圆周运动。因此，电 子的合成运动轨道是螺旋线（见图4-18- 4）,螺旋线的半径为(4-18-1)eB式中m是电子的质量，e是电子的电荷量。 电子作圆周运动的周期为(4 一 18一 2)2 R 2
5、 m Tv eB从（4182）式看出，T与无关，即在同一磁场下，不同速度的电子绕圆一周所需的时 间是相等的，只不过速度大的电子绕的圆周大，速度小的电子绕的圆周小而已。螺旋线的螺距为h = Tv/ = -2-m v（418 3）eB在示波管中，由电子束交叉点射入均匀磁场中的一束电子流中， 各电子与z轴的夹角e 是不同的，但是夹角e都很小。则v = v cos vv v cos v由于h不同，在磁场的作用下，各电子将沿不同半径的螺旋线前进见 （4181）式）但由于各电子的v“分量近似相等，其大小由阳极所加的电压 Va决定，因为2eVAm12-m v eVA2所以各螺旋线的螺距是相等的（见（4183
6、）式）。这样，由同一点O出发的各电子沿不 同半径的螺旋线，经过同一距离h后，又重新会聚在轴线上的一点，如图418 5所示。调 节磁场B的大小，使l/h= n'为一整数（1是示波管中电子束交叉点到荧光屏的距离），会聚 点就正好与荧光屏重合，这就是磁聚焦。3.电子荷质比-的测定 m利用磁聚焦系统，调节磁场B,当螺旋线的螺距h正好等于示波管中电子束交叉点到荧 光屏之间的距离1时，在屏上将得到一个亮点（聚焦点）。这时,2 mv2 m 2eV21 heB eB m即得8 2 V22（4184）m 12B2式中1、B由每台实验仪器给出数据。其中聚焦线圈中的平均磁场由公式B 1 0nI(coscos
7、 )(4185)求出（见实验十三图413 2）。式中的I为流过磁聚焦线圈的电流，n为单位长度螺线管 圈数，B的单位为特斯拉。为了减小I的测量误差，可利用一次、二次、三次聚焦时对应的 励磁电流求平均I ,因为第一次聚焦时的电流为 二次聚焦的电流为2I1,即磁场强一倍， 相应电子在示波器内绕Z轴转两圈。同理，三次聚焦的电流I3应为3I1。所以有(4一 18一 6)将代入实验仪器给出的B计算式中，求出B。再将V2、l、B值代入公式（4184）中, 即可求出不同加速电压V2时的电子荷质比e/m,与标准值相比较，即可求出相对误差。对于SJ-SS-2型电子束实验仪，螺线管中心部分的磁场视为均匀的平均磁场，
8、则有4 NI 10B .D2 L22 2、，_e D L V m 212N2 10 14 I2式中D为螺线管平均直径，L为螺线管长度，N为螺线管线圈匝数。实验内容1.观察电聚焦现象(1)将“功能选择”置于“电聚”位置，按图 4186插入导联线。V1A1A2V2Y电源 2 XOQ O0O O OY° 电盘2'X图 418 6(2)接通“高压电源开”保持辉度适中(不可太亮，以免烧坏荧光屏)，置V2旋钮于 最大值，调节V1，使光点聚焦，读取V2及V1的数值，求出电压比V2/V1。(3)保持V2、V1旋钮不变，调节“高压调节”旋钮，使 V2、V1同时按比例变化，观察光点不应散焦，并读
9、取不同组合聚焦时的 V2、V1数值，计算出相应的电压比。(4)数据记录。加速极电压V2 (伏)15001400130012001100聚焦极电压V1 (伏)电压比V2/V12.观察磁聚焦现象(1)将“功能选择”置于“磁聚”位置，按图4187插入导联线，并松开示波管尾 部导轨两定位螺钉，将示波管往后拉到定位板处，使示波管处于螺线管中间位置。磁聚电源1磁偏V10oooOOO磁聚 电源1磁偏A1 A2V2Y 电源 2 Xc.? X X 口 X00OY 电源2 X图 4-18- 7(2)接通“高压电源开”,调节辉度，使荧光屏上出现稍暗的散焦光斑，调节 X、Y位移旋钮，将光斑移到坐标中心，调节“高压调节
10、”及“辅助聚焦”旋钮，使V2值最大。（3）检查“励磁电流”旋钮，反时针复位到零，接通“励磁电源开”，顺时针调节“励 磁电流”，使荧光屏上光斑聚焦，并记下聚焦点位置。反时针调节“励磁电流”降到零后，重 调X、Y位移，使光斑中心落于聚焦点位置上。（4）保持X、Y位移不变，调节“励磁电流”使光斑进行第一次聚焦，并从mAV表及KV表读取Ii值及V2值。继续增加励磁电流使已聚焦的光点一散焦一聚焦一散焦一聚焦， 并读取相应聚焦时的电流12、I3o（5）调节"辅助聚焦 V 及“高压调节”旋钮，使 V2为V2>1000伏的另一数值，重 复方法4,读取相应V2时的聚焦电流Ii、12、13。（6）数据记录：实验仪器编号：参数：l= 、D= 、L= 、N=加速电压（伏）150014001300A次聚焦时励磁电流Ii （毫安）第二次聚焦时励磁电流I2 （毫安）第三次聚焦时励磁电流I3 （毫安）平均励磁电流I （毫安）电子荷质比e/m （库仑/千克）相对误差思考题1.磁聚焦和电聚焦有什么区别?2.对聚焦的磁场和电场各有什么要求？3.当螺线管电流I逐渐增加，电子束线从一次聚焦到二次、三次聚焦，荧光屏上的亮斑怎样 运动？并解释之。