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TH-EB型电子束实验仪实验指导书
电子束实验
带电粒子在电场和磁场作用下的运动是电学组成的基础。带电粒子通常包括质子、离子、和自由电子等,其中电子具有极大的荷质比和极高的运动速度。因此,在各种分支学科中得到了极其广泛的应用。
众所周知,快速运动的电子会在阴极射线管的荧光屏上留下运动的痕迹,可以利用观察此光迹的方法来研究电子在电场和磁场中的运动规律。本实验仪采用的阴极射线管为8SJ31J示波管。以此管中轴线为基准线(Z轴方向),所施加的电场可分为纵向电场(可分加速电场和聚焦电场),横向电场(可分水平和垂直偏转电场,即X轴方向电场和Y轴方向电场);所施加的磁场可分为纵向磁场(聚焦磁场)和横向磁场(水平偏转磁场)。通过对上述各电场与磁场的组合,实验仪可完成电聚焦特性的测定,水平电偏转灵敏度的测定,垂直电偏转灵敏度的测定,磁偏转灵敏度的测定,截止栅偏压的测定等实验。利用纵向磁场聚焦法可测定电子荷质比e/m,同时还可观察在纵向磁场的作用下,电子束旋转式前进并聚焦的特性。
目录
实验一电子束的电偏转与磁偏转….…….…….…….…….…….……
实验二电子束的电聚焦与磁聚焦及电子荷质比e/m的测定…….…
附录 TH-EB型电子束实验仪使用说明书…….…….…….…….…
实验一电子束的电偏转与磁偏转
一、实验目的
、阴极K、栅极G、第一阳极(聚焦极)A1和第二阳极(加速极)A2、水平偏转板H1、H2、垂直偏转板V1、V2的结构与作用。
。
,测定电偏转灵敏度、磁偏转灵敏度、截止栅偏压。
三、实验仪器
1. TH-EB型电子束实验仪。
2. 示波管组件。
3. 0~30V可调直流电源(带输出显示)。
4. 数字万用表。
三、实验原理
1. 电偏转原理(电子的加速和偏转)
电子束电偏转原理如图(1)所示。我们把电子看成带有单位负电荷的经典粒子,在电场中要受到电场力(服从库仑定律)的作用,好比物体在重力场中要受到重力(服从牛顿万有引力定律)的作用一样。如果电子的运动方向和电场方向相反,如在加速电极上加正电压,那么电子将被加速。如果电子的运动方向和电场方向垂直,如加上偏转电压,那么电子将被偏转。我们选取直角坐标系来研究电子的运动。
图(1) 电子束电偏转原理
设电子刚从阴极逸出时速度很小,其动能可忽略不计。但在加速电场作用下,动能不断增大,根据能量守恒定律,动能的增量应等于它在加速电场中位能的减小,它应满足下列能量关系:
2eVA?1/2mv (1)
则
v?2eVA
m (2)
式中e为电子电量,VA为加速电压,m为电子质量,v为电子从加速极射出的速度。
通常在示波管的偏转板上加偏转电压V,当加速后的电子以速度v沿x方向进入偏转板后,受到偏转电场E(y轴方向)的作用,电场方向和运动方向垂直,电子一方面仍然以v速度继续向前作匀速运动,另一方面受电场力FE的作用 FE?eE?eVd (3)
式中E为偏转电场强度,d为偏转板两板之间距离。
结果是抛物线运动,这就象平抛物体运动一样,使电子的运动轨迹发生偏转。假定偏转电场在偏转板l范围内是均匀的,电子将作抛物线运动。当电子离开偏转板后,即在偏转板外,电场为零,电子不受力,作匀速直线运动。
当电子离开偏转板时,设它的运动方向和x轴成φ角,则
tan??vE(4) v
式中vE为电子离开偏转板时在y轴方向的速度。
电子在偏转板之间穿过时,假定所用时间为t,在t时间内电子在电场
E的作用下,动量增加mvE,根据动量定理,应等于FE的冲量,则
mvE?FEt?eVdt (5)
即 vE?em?V
dt (6)
由于t是电子以速度v穿过偏转板所用的时间,则
v ? (7) tl
将(6)、(7)式代入(4)式,得
tan??vE
v?e
mdl?V2t (8)
将(2)式代入(6)式,解得 t?l
2eVA
m (9)
将(9)式代入(8)式,得
tan??v
VA?l2d (10)
当电子从偏转板出来后沿直线运动,直线的倾角φ就是电子离开偏转区后的运动方向。当偏转电压V=0时,电子束受偏转电场力作用应打在屏的中心,当V ≠0时,电子打在屏上的距离为D,则
tan??D
L (11)
式中L为偏转板中心与屏的距离(忽略荧光屏的微小弯曲)。
将(10)式代入(11)式,解得:
D?Ltan??Lv
VA?l2d (12) 令Ke?Ll2d,则荧光屏上电子束的偏转距离D可以表示为