4.17电子束的电偏转带电粒子在电场和磁场中运动，是近代科学技术应用领域中经常遇到的一种物理现象。示波器的示波管、电视机显像管、雷达指示管、电子显微镜等电子器件，外形和功用虽然各不相同，但其共同点是：都有电子束的发射系统、加速系统、聚焦、偏转和强度控制等系统。电子束的聚焦和偏转可以通过电场和磁场对电子的作用来实现，前者称为电聚焦和电偏转，后者称为磁聚焦和磁偏转。本实验就是研究电子束电偏转规律的。通过实验，同学们可加深对电子在电场中运动规律的理解，有助于认识示波器和显像管的工作原理。【实验目的】1、了解示波管的构造和工作原理，研究静电场对电子的加速作用。2、定量分析电子束在横向匀强电场作用下的偏转规律和示波管的电偏转灵敏度。【实验原理】1、示波管的基本结构韵转系统电子抢示波管又叫阴极射线管，它的构造如图卖OKE光屏光屏，中间为偏转系统，后端为电子枪。它KGGAA们都密封在抽成高真空的玻璃壳之中，以免石墨层电子在示波管中穿越时与气体分子发生碰图4-17-1示波管的构造撞。下面分别作以介绍：(1)电子枪电子枪的作用是发射电子，并把它们加速到一定速度聚成一细束。电子枪由灯丝H、阴极K、控制栅极Gr、第一阳极Ar、第二阳极A2等同轴金属圆筒组成。灯丝H通电后加热阴极K，使阴极K发射电子。控制栅极G的电位比阴极低，对阴极发出的电子起排作用，只有初速度较大的电子才能穿过栅极的小孔并射向荧光屏，而初速度较小的电子则被电场排斥回阴极。通过调节栅极G可以控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变荧光屏上的光斑亮度。阳极电位比阴极电位高很多，对电子起加速作用，使电子获得足够的能量射向荧光屏，从而激发荧光屏上的荧光物质发光。第一阳极A称为聚焦阳极，面板上的“聚焦”旋钮就是用来调节第一阳极电位的；第二阳极Az称为加速阳极增加加速电极的电压，电子可获得更大的轰击动能，荧光屏的亮度虽然可以提高，但加速电压一经确定，就不宜随时改变它来调节亮度。(2)偏转系统171
171 4.17 电子束的电偏转 带电粒子在电场和磁场中运动，是近代科学技术应用领域中经常遇到的一种物理现象。示波器 的示波管、电视机显像管、雷达指示管、电子显微镜等电子器件，外形和功用虽然各不相同，但其 共同点是：都有电子束的发射系统、加速系统、聚焦、偏转和强度控制等系统。电子束的聚焦和偏 转可以通过电场和磁场对电子的作用来实现，前者称为电聚焦和电偏转，后者称为磁聚焦和磁偏转。 本实验就是研究电子束电偏转规律的。通过实验，同学们可加深对电子在电场中运动规律的理解， 有助于认识示波器和显像管的工作原理。 【实验目的】 1、了解示波管的构造和工作原理，研究静电场对电子的加速作用。 2、 定量分析电子束在横向匀强电场作用下的偏转规律和示波管的电偏转灵敏度。 【实验原理】 1、示波管的基本结构 示波管又叫阴极射线管，它的构造如图 4-17-1 所示，主要包括三个部分：前端为荧 光屏，中间为偏转系统，后端为电子枪。它 们都密封在抽成高真空的玻璃壳之中，以免 电子在示波管中穿越时与气体分子发生碰 撞。下面分别作以介绍： (1)电子枪 电子枪的作用是发射电子，并把它们加速到一定速度聚成一细束。电子枪由灯丝 H、阴极 K、 控制栅极 G1、第一阳极 A1、第二阳极 A2 等同轴金属圆筒组成。灯丝 H 通电后加热阴极 K，使阴极 K 发射电子。控制栅极 G1 的电位比阴极低，对阴极发出的电子起排斥作用，只有初速度较大的电子才 能穿过栅极的小孔并射向荧光屏，而初速度较小的电子则被电场排斥回阴极。通过调节栅极 G1 可以 控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变荧光屏上的光斑亮度。阳极电位比阴极电位高很多，对电 子起加速作用，使电子获得足够的能量射向荧光屏，从而激发荧光屏上的荧光物质发光。第一阳极 A1 称为聚焦阳极，面板上的“聚焦”旋钮就是用来调节第一阳极电位的；第二阳极 A2 称为加速阳极， 增加加速电极的电压，电子可获得更大的轰击动能，荧光屏的亮度虽然可以提高，但加速电压一经 确定，就不宜随时改变它来调节亮度。 (2)偏转系统 图 4-17-1 示波管的构造
偏转系统由两对互相垂直的偏转板（平板电容器）构成，其中一对是上下放置的Y轴偏转板（或称垂直偏转板），另外，一对是左右放置的X轴偏转板（或称水平偏转板）。若在偏转板的极板间加上电压，则板间电场会使电子束偏转，使相应荧光屏上光点的位置发生偏移，偏移量的大小与所加电压成正比。其中，X轴偏转板使电子束在水平方向（X轴）上偏移，Y轴偏转板使电子束在垂直方向（Y轴）上偏移。(3)荧光屏荧光屏是用以显示电子束打在示波管端面的位置。屏上涂有荧光物质，在高速电子轰击下发出荧光。当电子射线停止作用后，荧光物质将持续一段时间后才停止发光，这段时间称为余辉时间。不同材料的荧光粉发出的颜色不同，余辉时间也不同。如果电子束长时间轰击荧光屏上固定一点，则这一点会被烧坏而形成暗斑，所以当电子束光斑需要长时间停留在屏上不动时，应将光点亮度减弱。示波管内部表面涂有石墨导电层，叫屏蔽电极，它与第二阳极连在一起，可避免荧光屏附近电荷积累。2、电子束的加速和电偏转(1）加速和电偏转在示波管中，电子从被加热的阴极K逸出后，由于受到阳极电场的加速作用，使电子获得沿示波管轴向的动能。令乙轴沿示波管的管轴方向从灯丝位置指向荧光屏，同时，从荧光屏上看，令X轴为水平方向向右，Y轴为垂直方向向上。假定电子从阴极逸出时初速度忽略不计，电子经过电势差为U的空间后，电场力做的功eU应等于电子获得的动能cU-m(4-17-1)显然，电子沿Z轴运动的速度Vz与第二阳极A,的电压U,的平方根成正比，即Peu,(4-17-2)Vz=m如果在电子运动的垂直方向加一横向电场，YA电子在该电场作用下将发生横向偏转，如图4-17-+++++++++42所示：若偏转板长l、偏转板末端至屏距离为L、偏0.02转电极间距离为d、轴向加速电压（即第二阳极T5ITSLA,电压）为Uz，横向偏转电压为Ua，则荧光屏图4-17-2电子束的电偏转上光点的横向偏移量D由下式给出172
172 偏转系统由两对互相垂直的偏转板（平板电容器）构成，其中一对是上下放置的 Y 轴偏转板(或 称垂直偏转板)，另外，一对是左右放置的 X 轴偏转板(或称水平偏转板)。若在偏转板的极板间加 上电压，则板间电场会使电子束偏转，使相应荧光屏上光点的位置发生偏移，偏移量的大小与所加 电压成正比。其中，X 轴偏转板使电子束在水平方向（X 轴）上偏移，Y 轴偏转板使电子束在垂直方 向（Y 轴）上偏移。 (3)荧光屏 荧光屏是用以显示电子束打在示波管端面的位置。屏上涂有荧光物质，在高速电子轰击下发出 荧光。当电子射线停止作用后，荧光物质将持续一段时间后才停止发光，这段时间称为余辉时间。 不同材料的荧光粉发出的颜色不同，余辉时间也不同。如果电子束长时间轰击荧光屏上固定一点， 则这一点会被烧坏而形成暗斑，所以当电子束光斑需要长时间停留在屏上不动时，应将光点亮度减 弱。示波管内部表面涂有石墨导电层，叫屏蔽电极，它与第二阳极连在一起，可避免荧光屏附近电 荷积累。 2、电子束的加速和电偏转 ⑴ 加速和电偏转 在示波管中，电子从被加热的阴极 K 逸出后，由于受到阳极电场的加速作用，使电子获得沿示 波管轴向的动能。令 Z 轴沿示波管的管轴方向从灯丝位置指向荧光屏，同时，从荧光屏上看，令 X 轴为水平方向向右，Y 轴为垂直方向向上。假定电子从阴极逸出时初速度忽略不计，电子经过电势 差为 U 的空间后，电场力做的功 eU 应等于电子获得的动能 1 2 2 eU mv = (4-17-1) 显然，电子沿 Z 轴运动的速度 Z v 与第二阳极 A2 的电压 U2 的平方根成正比，即 Z 2 2 = e v U m (4-17-2) 如果在电子运动的垂直方向加一横向电场， 电子在该电场作用下将发生横向偏转，如图 4-17- 2 所示： 若偏转板长 l 、偏转板末端至屏距离为 L 、偏 转电极间距离为 d 、轴向加速电压（即第二阳极 A2 电压）为 U2 ，横向偏转电压为 U d ，则荧光屏 上光点的横向偏移量 D 由下式给出 图 4-17-2 电子束的电偏转
D=(L+(4-173)U, 2d2U,2d式中L=L+当U，不变时，可以通过实验验证D～U。的线性关系，所以，根据屏上光点位移2.与偏转电压的线性关系，可以将示波管做成测量电压的工具。若改变加速电压U2，适当调节U,到最佳聚焦，可以测定D～U.直线随U,改变而使斜率改变的情况。(2）电偏转灵敏度电偏转灵敏度是反映电子束在电场中偏转特性的一个重要的物理量。式（4-64)表明，偏转板的电压越大，屏上光点的位移也越大，两者是线性关系。其比例常数在数值上等于施加单位偏转电压（1V）时，光点在荧光屏上位移的大小，它即为示波管的电偏转灵敏度S。对X轴、Y轴偏转板各有相应的电偏转灵敏度--5-%(4-17-4)电偏转灵敏度单位为mm/V，式中l、L及d均为与偏转板相关的几何量。可以看到，电偏转灵敏度S(S，S,）与加速电压U,成反比，U,越大，偏转灵敏度越低；在其他条件相同时，远离荧光屏的一对偏转板的灵敏度较大。同时注意到，增加偏转板的长度7与缩小两板距离d虽然可以增大示波管的灵敏度，但偏移量较大的电子容易被偏转板的末端阻挡，或电子束经过末端边缘的非均匀电场时，由于偏移量与偏转电压的线性关系遭到破坏，而引起电子束的散焦。因此，在实际的示波管中，偏转电极并非一对平行板，而是呈喇叭口形状，这是为了减小偏转板的边缘效应，增大偏转板的有效长度。【实验仪器】下面介绍两种电子束实验仪：EF-4型电子及场实验仪和GD-DES-II型电子束实验仪1、EF-4型电子和场实验仪EF-4型电子和场实验仪仪器面板如图4-17-3所示。灯丝H用6.3V交流电供电，其作用是对阴极K加热，使其发射电子。它由仪器面板上的“灯丝开关”控制。阴极K的主要作用是发射电子，它的电压（相对于地）在直流一950V～一1300V之间可调。控制栅极G，相对于阴极K的电势为负，控制栅压在0～一50V之间可调，其作用是控制电子束发射的多少，以保证有适当的亮度。当该栅压增高时，对阴极发射电子的抑制作用增强，反之则173
173 d d ' 2 2 ( ) 2 2 2 l l l U U D L L U d U d = + = (4-17-3) 式中 2 l L = L + 。当 U2 不变时，可以通过实验验证 D ～Ud 的线性关系，所以，根据屏上光点位移 与偏转电压的线性关系，可以将示波管做成测量电压的工具。若改变加速电压 U2 ，适当调节 U1 到 最佳聚焦，可以测定 D ～Ud 直线随 U2 改变而使斜率改变的情况。 ⑵ 电偏转灵敏度 电偏转灵敏度是反映电子束在电场中偏转特性的一个重要的物理量。式(4-64)表明，偏转板的 电压越大，屏上光点的位移也越大，两者是线性关系。其比例常数在数值上等于施加单位偏转电压 （1V）时，光点在荧光屏上位移的大小，它即为示波管的电偏转灵敏度 S 。对 X 轴、Y 轴偏转板各 有相应的电偏转灵敏度 2 2 x x x x D lL S U dU = = ， 2 2 y y y y D lL S U dU = = （4-17-4） 电偏转灵敏度单位为 mm/V ，式中 l L 、 及 d 均为与偏转板相关的几何量。 可以看到，电偏转灵敏度 ( , ) S Sx Sy 与加速电压 U2 成反比， U2 越大，偏转灵敏度越低；在其他 条件相同时，远离荧光屏的一对偏转板的灵敏度较大。 同时注意到，增加偏转板的长度 l 与缩小两板距离 d 虽然可以增大示波管的灵敏度，但偏移量 较大的电子容易被偏转板的末端阻挡，或电子束经过末端边缘的非均匀电场时，由于偏移量与偏转 电压的线性关系遭到破坏，而引起电子束的散焦。因此，在实际的示波管中，偏转电极并非一对平 行板，而是呈喇叭口形状，这是为了减小偏转板的边缘效应，增大偏转板的有效长度。 【实验仪器】 下面介绍两种电子束实验仪；EF-4 型电子及场实验仪和 GD-DES-Ⅲ型电子束实验仪 1、EF-4 型电子和场实验仪 EF-4 型电子和场实验仪仪器面板如图 4-17-3 所示。 灯丝 H 用 6.3V 交流电供电，其作用是对阴极 K 加热，使其发射电子。它由仪器面板上的“灯 丝开关”控制。 阴极 K 的主要作用是发射电子，它的电压(相对于地)在直流－950V～－1300V 之间可调。 控制栅极 G1 相对于阴极 K 的电势为负，控制栅压在 0～－50 V 之间可调，其作用是控制电子 束发射的多少，以保证有适当的亮度。当该栅压增高时，对阴极发射电子的抑制作用增强，反之则
减少。栅极电压由仪器面板上的“栅压U”旋钮调节。聚焦阳极A相对于阴极K有450～950V的正电压，实验时，用仪器专用接线在仪器面板上将接线柱“A”与接线柱“U，”接好。聚焦电压由仪器面板上的“聚焦电压”旋钮调节，它的高低控制荧光屏上图像的聚焦好坏。加速阳极A,的作用是加速电子。实验时，用仪器专用接线在仪器面板上将接线柱“A，”与接线柱“工”相连。调节阴极K相对于地的电压（阴极接负电压），也就是改变了加速阳极A相对于阴极K的电压，所以加速阳极A，相对阴极K有950～1300V的正电压。加速电压由仪器面板上的“加6ETEF-4S型电子和场实验仪COELEREAMEATELFHIEATEOCSOR0?ORSO6IACEOOCOC.4福O0OC话图4-17-3EF-4型电子和场实验仪速电压”旋钮调节。X、X,和Y、Y是两对相互垂直放置的平行电极板，X、X,称为水平偏转板，当在两极板之间加上电压时，极板间建立的电场就会使电子束在水平方向（X轴）上偏移。Y、Y，称为垂直偏转板，当在两极板之间加上电压时，极板间建立的电场就会使电子束在垂直方向（Y轴）上偏移。实验时，用两根仪器专用线在仪器面板上分别将接线柱“Y。土”和接线柱“X、Y,”、接线柱“V”和接线柱“X，”“Y”连接。水平偏转电压和垂直偏转电压由仪器板面上的偏转电压部分“直流电压”旋174
174 减少。栅极电压由仪器面板上的“栅压 UG ”旋钮调节。 聚焦阳极 A1 相对于阴极 K 有 450～950V 的正电压，实验时，用仪器专用接线在仪器面板上将 接线柱“ A1 ”与接线柱“ U1 ”接好。聚焦电压由仪器面板上的“聚焦电压”旋钮调节，它的高低控 制荧光屏上图像的聚焦好坏。 加速阳极 A2 的作用是加速电子。实验时，用仪器专用接线在仪器面板上将接线柱“ A2 ”与接 线柱“⊥”相连。调节阴极 K 相对于地的电压(阴极接负电压)，也就是改变了加速阳极 A2 相对于 阴极 K 的电压，所以加速阳极 A2 相对阴极Ｋ有 950～1300V 的正电压。加速电压由仪器面板上的“加 速电压”旋钮调节。 X X 1 2 、 和 Y Y 1 2 、 是两对相互垂直放置的平行电极板， X X 1 2 、 称为水平偏转板，当在两极板之 间加上电压时，极板间建立的电场就会使电子束在水平方向(X 轴)上偏移。 Y Y 1 2 、 称为垂直偏转板， 当在两极板之间加上电压时，极板间建立的电场就会使电子束在垂直方向(Y 轴)上偏移。实验时， 用两根仪器专用线在仪器面板上分别将接线柱“ Yd ”和接线柱“ X Y 1 1 、 ”、接线柱“ Vd ”和接线 柱“ X2”“Y2 ”连接。水平偏转电压和垂直偏转电压由仪器板面上的偏转电压部分“直流电压”旋 图 4-17-3 EF-4 型电子和场实验仪
钮调节。在整个仪器面板上，除设有示波管各电极的接线外，还有供测量电压用的测量孔，如“V”“V,”、“K”、“UG”等测孔。用直流电压表分别测量测孔“V”、“V,”、“UG”与测孔“K”之间的电压，即为聚焦电压U、加速电压U，、栅极电压UG。2、GD-DES-I型电子束实验仪GD-DES-IⅢI型电子束实验仪仪器面板如图4-17-4所示。仪器面板上的高压指示屏用来显示栅压VG、聚焦电压VI、加速电压V2的数值。高压测量旋钮用来选择高压指示屏上显示的物理量。控制栅极G相对于阴极K的电势为负。栅压VG在0～-65V之间可调。其作用是控制电子束发射的多少，以保证有适当的亮度。当该栅压增高时，对阴极发射电子的抑制作用增强，反之则减少。栅极电压由仪器面板上的“栅压VG”旋钮调节。GD-DES-佰型C电子束实装仪图4-17-4GD-DES-IⅢI型电子束实验仪聚焦阳极A相对于阴极K有205～420V的正电压，聚焦电压由仪器面板上的“聚焦电压Vi”旋钮调节，它的高低控制荧光屏上图像的聚焦好坏。加速阳极A，的作用是加速电子。调节阴极K相对于地的电压（阴极接负电压），也就是改变了175
175 钮调节。 在整个仪器面板上，除设有示波管各电极的接线外，还有供测量电压用的测量孔，如“ V1 ”、 “V2 ”、“ K ”、“ UG ”等测孔。用直流电压表分别测量测孔“ V1 ”、“ V2 ”、“ UG ”与测孔“ K ” 之间的电压，即为聚焦电压 U1 、加速电压 U2 、栅极电压 UG 。 2、 GD-DES-Ⅲ型电子束实验仪 GD-DES-Ⅲ型电子束实验仪仪器面板如图 4-17-4 所示。 仪器面板上的高压指示屏用来显示栅压 VG、聚焦电压 V1、加速电压 V2 的数值。高压测量旋 钮用来选择高压指示屏上显示的物理量。 控制栅极 G 相对于阴极 K 的电势为负。栅压 VG 在 0～-65 V 之间可调。其作用是控制电子束 发射的多少，以保证有适当的亮度。当该栅压增高时，对阴极发射电子的抑制作用增强，反之则减 少。栅极电压由仪器面板上的“栅压 VG”旋钮调节。 聚焦阳极 A1 相对于阴极 K 有 205～420V 的正电压，聚焦电压由仪器面板上的“聚焦电压 V1” 旋钮调节，它的高低控制荧光屏上图像的聚焦好坏。 加速阳极 A2 的作用是加速电子。调节阴极 K 相对于地的电压(阴极接负电压)，也就是改变了 图 4-17-4 GD-DES-Ⅲ型电子束实验仪