用电子光学的方法模拟电子束聚焦-复旦大学物理教学试验中心
实验二十三电子射线的电聚焦与磁聚焦
实验二十三 电子射线的电聚焦与磁聚焦一、实验目的1． 掌握带电粒子在电场和磁场中的运动规律，学习电聚焦和磁聚焦的基本原理 和实验方法；2． 掌握利用磁聚焦法测定电子荷质比的基本方法。
二、实验装置TH-EB 型电子束实验仪；米尺，游标卡尺三、实验原理1．电聚焦原理电子束电聚焦原理如图1所示，在示波管中，阴极K 经灯丝加热发射电子，第一阳极A1加速电子，使电子束通过栅极G 的空隙，由于栅极电位与第一阳极电位不等，在它们之间的空间便产生电场，这个电场的曲度像一面透镜，它使由阴极表面不同点发出的电子在栅极前方汇聚，形成一个电子聚焦点。
由第一阳极和第二阳极组成的电聚焦系统，就把上述聚焦点成像在示波管的荧光屏上。
由于该系统与凸透镜对光的会聚作用相似，所以通常称之为电子透镜。
电子束通过电子透镜能否聚焦在荧光屏上，与第一阳极V A1和第二阳极V A2的单值无关，仅取决于它们之间的比值F 。
改变第一阳极和第二阳极的电位差，相当于改变电子透镜的焦距，选择合适V A1与V A2的比值，就可以使电子束的成像点落在示波管的荧光屏上。
在实际示波管内，由于第二阳极的特点结构，使之对电子直接起加速作用，所以称为加速极。
第一阳极主要是用来改变V A1与V A2比值，便于聚焦，故又称聚焦极。
改变V A2也能改变比值V A1/V A2，故第二阳极又能起辅助聚焦作用。
2．磁聚焦原理 电子束磁聚焦的原理见图2所示，设一速度为v ，在一磁图1 电子束电聚焦原理图2 电子束磁聚焦原理感应强度为B 的均匀磁场中运动的电子，电子将受到洛仑兹力的作用，将v 分解成与B 平行的分量和与B 垂直的分量v h ，电子沿着B 的方向运动时不受力，故沿B 的方向作匀速直线运动。
电子在垂直于B 的方向运动时电子所受的洛仑兹力为：f 的方向与υh 垂直，故该力只改变电子运动的方向，不改变电子速度的大小，结果使电子在垂直于B 的平面内以半径为R 的圆作匀速圆周运动。
电子束的偏转与聚焦
实验14 电子束偏转、聚焦及电子荷质比的测定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。
辅以聚焦、偏转和强度控制等系统，可以使电子束在荧光屏上清晰地成象。
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。
通过磁聚焦可测出电子的电荷与质量比，即验证电子带电荷量，并证明电子的质量m e 。
实习一 电子束的电偏转与电聚焦【实验目的】1. 了解示波管的基本构造和工作原理。
2. 掌握示波管中电子束电偏转和电聚焦的基本原理。
3. 掌握利用作图法求电偏转灵敏度的数据处理方法。
【实验原理】1. 示波管的基本构造和工作原理(参见实验--示波器的使用)2. 电子束的电偏转电子在两偏转板之间穿过时，如果两板之间电位差为零，电子则笔直穿过偏转板打在荧光屏中央（假定电子枪瞄准荧光屏中心）形成一个小亮斑，如果在两块Y （或X ）偏转板上加有电压，电子就会受电场力的作用而发生偏转。
如图3-14-1所示，设两偏转板间距为d ，电压差为dy V ，可看做平行板电容器，则两板间的电场强度为：dy y V E d=（3-14-1） 电子所受电场力为： dy y y eV F eE d==（3-14-2）在同一点的垂直速度： 1dyy y zeV la t md νν==⋅（3-14-3）偏离z 轴的距离： 221111()()22dy y zeV ly a t md ν==⋅ （3-14-4）电子离开板右端时不再受电场力的作用，作匀速直线运动，到达屏上的垂直位移：图3-14-122dyy z zeV lL y t md ννν'==⋅⋅（3-14-5）电子在屏上的总位移 1222()2dy y z eV ll D y y t L md νν'=+==⋅+ （3-14-6） 令'2L lL +=，又因为电子在加速电压a V 的作用下，加速电场对电子所做的功全部转化为电子的动能，则有 a z eV mv =221 （3-14-7）将L 代入（3-14-6）式，并利用（3-14-7）式消去z v 后得电子束的垂直位移：2y dy alLD V dV =⋅ （3-14-8） 上式表明，偏转板的电压dy V 越大，屏上的光点的位移也越大，两者之间是线性关系。
电子束的偏转和聚焦现象实验报告
南昌大学物理实验报告课程名称：大学物理实验（下）_____________ 实验名称：电子束的偏转和聚焦现象学院：信息工程学院专业班级：学生姓名：学号：实验地点：基础实验大楼B213 座位号：实验时间：第11周星期三下午三点四十五分_______一、实验目的：1、了解示波管的基本结构和工作原理；2、定量分析电子束在匀强电场作用下的偏转情况和在均匀磁场作用下的偏转情况；3、学会规范使用数字万用表；4、学会磁聚焦原理测量电子的荷质比的方法。
二、实验原理：1、示波管的基本结构阳极电压U2：改变电子束的加速电压的大小。
聚焦电压U1：用以调节聚焦极A1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。
栅极电压UG（辉度）：用以调节加在示波管控制栅极上的电压大小，以控制阴极发射的电子数量，从而控制荧光屏上光点的辉度。
UdX偏转电压调节：-80V～80V。
调零X：用来调节光点水平距离。
UdY偏转电压调节：-80～80V。
调零Y：用来调节光点上下距离。
2、电聚焦电子射线束的聚焦是电子束管必须解决的问题。
在示波管中，阴极被加热发射电子，电子受阳极产生的正电场作用而加速运动，同时又受栅极产生的负电场作用只有一部分电子能够通过栅极小孔而飞向阳极。
栅极 G 的电压一般要比阴极 K 的电压低 20~100V,由阴极发射电子，受到栅极与阴极间减速电场的作用，初速度小的电子被阻挡，而那些初速度大的电子可以通过栅极射向荧光屏。
所以调节栅极电压的高低可以控制射向荧光屏的电子数，从而控制荧光屏上的辉度。
当栅极上的电压负到一定的程度时，可使电子射线截止，辉度为 0。
加速电极的电压比阴极电位高几百伏至上千伏。
前加速阳极，聚焦阳极和第二阳极是由同轴的金属圆筒组成。
由于各电极上的电压不同，在它们之间形成了弯曲的等势面、电场线。
这样就使电子束的路径发生弯曲，这类似光线通过透镜那样产生了会聚和发散，这种电器组合称为电子透镜。
SEM实验报告
一、 实验目的1.了解扫描电镜的用途、结构及基本原理；2.了解扫描电镜的样品制备；3.上机操作，利用扫描电镜电子信号观察样品的形貌。
二、实验仪器SU8010型扫描电子显微镜三、实验原理本次实验的工作原理为：由电子枪发射出来的电子束，经栅格聚焦后，在加速电压作用下，经过二至三个电磁透镜所组成的电子光学系统，电子镜筒 (电子光学系统)显示和控制系统机柜(电路板、真空系统）探测器系统样品室束会聚成一个细的电子数聚焦在样品表面。
在末级透镜上边装有扫描线圈，在它的作用下使电子束在样品表面扫描。
由于高能电子束与样品物质的交互作用，结果产生了二次电子信号。
这些信号被接收器接收，经放大后送到显像管的栅极上，调制显像管的亮度。
由于经过扫描线圈上的电流是与显像管相应的亮度一一对应，也就是说，电子束打到样品上一点时，在显像管荧光屏上就出现了一个亮点。
扫描电镜就是这样采用逐点成像的方法，由形貌衬度原理把样品表面不同的特征，按顺序，成比例地转换为视频信号，完成一帧图像，从而使我们在荧光屏上观察到样品表面的二次电子图像。
扫描电镜由下列四部分组成，主要作用简介如下：1、电子光学系统功能是产生具有一定能量、强度和直径的电子束，并将其照射到样品表面上。
其由电子枪、电磁透镜、光阑、样品室等部件组成。
为了获得较高的信号强度和扫描像，由电子枪发射的扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。
有三组透镜，前两个为强磁透镜，用来缩小电子束光斑直径。
第三个是弱磁透镜，具有较长的焦距，在该透镜下方放置样品可避免磁场对二次电子轨迹的干扰。
为了降低电子束的发散程度，每级磁透镜都装有光阑；为了消除像散，装有消像散器。
样品室中有样品台和信号探测器，样品台还能使样品做平移、倾斜、转动等运动。
而扫描线圈通过双偏转扫描线圈的作用，使电子束在试样表面和荧光屏上实现同步水平（行扫）和同步垂直（帧扫）二维扫描。
2、信号收集处理系统样品在入射电子作用下会产生各种物理信号、有二次电子、背散射电子、特征X射线、阴极荧光和透射电子。
电子束的聚焦实验报告
电子束的聚焦实验报告电子束的聚焦实验报告引言电子束是一种高速运动的电子流，广泛应用于电子显微镜、电子束刻蚀等领域。
电子束的聚焦是实现高分辨率成像和精确加工的关键。
本报告旨在介绍电子束的聚焦实验及其结果分析。
实验目的本次实验的目的是通过调整电子束聚焦系统的参数，观察电子束的聚焦效果，并分析聚焦效果与参数之间的关系。
实验装置本次实验使用的电子束聚焦系统包括电子枪、聚焦电极和屏幕。
电子枪负责产生高速电子流，聚焦电极用于调节电子束的聚焦程度，屏幕用于观察电子束的聚焦效果。
实验步骤1. 打开电子束聚焦系统的电源，并预热一段时间，以确保系统稳定。
2. 调节电子束的强度，使其适合观察。
3. 调节聚焦电极的位置，观察电子束在屏幕上的聚焦效果，并记录下来。
4. 逐步调节聚焦电极的电压，观察电子束的聚焦效果，并记录下来。
5. 分析记录的数据，总结聚焦效果与参数之间的关系。
实验结果与分析在本次实验中，我们通过调节聚焦电极的位置和电压，观察了电子束的聚焦效果，并记录了相关数据。
首先，我们调节聚焦电极的位置，观察电子束在屏幕上的聚焦效果。
随着聚焦电极的移动，我们观察到电子束的聚焦效果逐渐改善。
当聚焦电极位于合适位置时，电子束在屏幕上形成了清晰的亮点，表明电子束已经成功聚焦。
接下来，我们逐步调节聚焦电极的电压，观察电子束的聚焦效果。
实验结果显示，随着电压的增加，电子束的聚焦效果逐渐变好。
当电压达到一定值后，电子束在屏幕上形成了更加明亮和细小的亮点，表明电子束的聚焦效果进一步提高。
通过对实验结果的分析，我们可以得出以下结论：1. 聚焦电极的位置对电子束的聚焦效果有重要影响。
合适的聚焦电极位置可以使电子束在屏幕上形成清晰的亮点。
2. 聚焦电极的电压也对电子束的聚焦效果有显著影响。
适当增加电压可以进一步提高电子束的聚焦效果。
结论本次实验通过调节电子束聚焦系统的参数，观察了电子束的聚焦效果，并分析了聚焦效果与参数之间的关系。
实验结果表明，合适的聚焦电极位置和适当增加电压可以显著提高电子束的聚焦效果。
2024届上海市浦东新区高三上学期期末教学质量检测(一模)物理核心考点试题
2024届上海市浦东新区高三上学期期末教学质量检测（一模）物理核心考点试题一、单项选择题（本题包含8小题，每小题4分，共32分。
在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的）(共8题)第(1)题关于物理学研究方法，下列叙述中正确的是（）A．伽利略在研究自由落体运动时采用了微量放大的方法B．用点电荷来代替实际带电体是采用了理想模型的方法C．在探究求合力方法的实验中使用了控制变量的方法D．法拉第在研究电磁感应现象时利用了理想实验的方法第(2)题为了研究乐音的物理规律，某同学用计算机录制下优美的笛音do和sol，然后在电脑上用软件播放，分别得到如图（a）和图（b）所示的两个振动图像，由此可以判断（ ）A．do和sol的频率之比约为3：2B．do和sol的周期之比约为2：3C．do和sol在空气中传播的速度大小之比为3：2D．do和sol在空气中传播的波长之比为3：2第(3)题许多餐厅用机器人送餐，它的动力来源于电动机，送餐机器人的部分参数如表所示。
下列说法正确的是（）功能迎宾、送餐等质量50kg移动速度0.2—0.6m/s电池容量12Ah功率最大功率100W工作电压24V最大送餐质量15kgA．机器人最大功率工作时电流是2A B．电池容量“12Ah”的“Ah”是能量单位C．机器人工作时电机直流电阻等于5.76ΩD．机器人以最大功率工作时间达不到2.88h第(4)题某同学通过拖轮胎进行体能训练，训练过程轮胎始终保持匀速运动。
轮胎与地面间的动摩擦因数一定，轮胎的重力一定，拉轮胎的绳与水平方向的夹角为θ，则训练过程中，下列判断正确的是（）A．θ越大，拉力F越大B．θ越小，拉力F越大C．地面对轮胎作用力的方向与θ大小无关D．绳的拉力与地面对轮胎的摩擦力合力竖直向下第(5)题如图所示，两根相同轻弹簧和底盘组成弹射装置，弹簧劲度系数为，底盘的质量不计。
质量为的物块置于底盘上，把底盘往下拉，当弹簧与竖直方向夹角时释放，已知释放瞬间物块加速度的大小为，则每根弹簧的伸长量为（ ）A．B．C．D．第(6)题如图所示，一塔式起重机正在工作，吊车P沿吊臂向M端水平匀速移动，吊车P和位于其正下方的重物Q通过钢绳连接，且保持相对静止。
电子束偏转与聚焦
电子来偏转与聚焦一、实验目的1、了解示波管的基本结构和工作原理2、研究带电粒子在电场和磁场中偏转的规律3、学会规范使用数字万用表4、通过磁聚焦原理测电子的核质比CB -1川型或DZS-D电子末实验仅直流税压中源数文用表三、实验原理1.电偏转与聚焦（示波管可基本结构及厚理）2电子束的磁偏转3.电子束的磁聚集四、实验步骤1、电偏转实验（1）开启电源开关，将“电子束一荷质比”功能选择开关K1和K2，打到“电子束”位置，适当调节亮度旋钮，使辉度适中，调节聚焦，使屏上光点聚成一细点。
（2）光点调零，用导线将偏转板插孔与电偏转电压表的输入插孔相连接(电源负极内部已连接)，调节X“偏转电压”旋钮，使电压表的指示为“零”，再调节调零的旋钮，把光点移动到示波管垂直中线上。
同调零X一样，通过将调零旋钮，可以使光点位于示波管的中心原点处。
（3）测量光点移动距离D随偏转电压Ud大小的变化(X轴):调节阳极电压旋钮，固定阳极电压在U2=700V.改变电偏转电压值Ud和对应的光点的位移量D值，每隔3伏测一组Ud、D 值，把数据记录到表中.然后调节到U2=900V，重复以上实验步骤。
2、磁偏转实验（1）开启电源开关，将K1和K2“电子束-荷质比”选择开关打向“电子束”位置，辉度适当调节，并调.节聚焦，使屏上光点聚焦成一细点，应注意:光点不能太亮，以免烧坏荧光屏。
（2）光点调零，在磁偏转输出电流为零时，通过调节X“偏转电压”和丫“偏转电压”旋钮，使光点位于轴的中心(坐标原点)。
（3）测量偏转量D随磁偏电流|的变化，给定U2=700V,接好线，按下电流选择按钮开关，调节磁偏电流调节旋钮(改变磁偏电流的大小)，每增加10mA磁偏.电流测量--组D值，改变U2=900V,再测一-组数据把数据记录到表中。
3、电子荷质比测量（1）把励磁电流接到励磁电流的接线柱上，把励磁电流调节旋钮逆时针旋到底。
（2）开启电子束测试仪电源开关，“电子束一荷质比”转换开关K1置于“荷质比”位置,K2为“电子束”此时荧光屏上出现一条直线，把阳极电压调到700V。
电子束的偏转与聚焦(北京科技大学物理实验报告)
当Uz不变时，Dm随着偏转电流I的增大而增大；当I不变时，Dm随着Uz的变大而减小，如图：（取I为100mA为基点）
C 电聚焦的观测
由于聚焦是一种直观的感受，所以何时真正地聚焦了就属于自己的感觉了。由图9可以看出，各个数据之间的相关程度R2=0.9812，相关性较低。但它们仍然是线性相关的。随着阳极电压的增大，聚焦电压随之增大。
然后我分析了一下不同阳极电压下偏转电压随偏转量变化快慢。显然，斜率即电偏转灵敏度，分别为：0.105,0.0915，0.082, 0.0753, 斜率是随着阳极电压的增大而减小的。为了清晰明了，我把两者的关系用图表示出来
上图说明阳极电压与图1,2,3,5的电偏转灵敏度之间几乎是成线性变化的。
阳极电压的增大导致了初速度的增加，而初速度越大偏转就越难，因而偏转灵敏度越小。
偏转量/cm
0.5
1
1.5
2
2.5
偏转电压/V
6.51
12.61
18.76
24.88
30.87
阳极电压1000V
偏转量/cm
0.5
1
1.5
2
2.5
偏转电压/V
6.74
13.41
20.08
26.66
30.04
B 磁偏转的观测数据
阳极电压800V
偏转量/cm
0.5
1
1.5
2
2.5
磁偏电流I+/mA
17.2
实验的总体构成很简单，我们两个的合作也很顺利。
A 磁偏转的测量数据如下
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用电子光学模拟软件研究电子聚焦系统的性能
龚觉，顾霏霏，乐永康
（复旦大学物理学系，上海200433）
几何光学的研究对象是运动轨迹可用光线来代替的光子，而电子光学是研究带电粒子在电磁场中运动规律的科学。
带电粒子在电磁场中的运动也有反射、折射、偏转、聚焦、成像等现象，因而可以将带电粒子束类比成光束，将电磁系统类比成透镜，从而将几何光学中的研究手段用于研究电子光学。
本实验研究的对象是X射线管的电子束聚焦系统。
由某医疗器械长提供的旋转阳极X 射线管通过在阴极头上加-50 ~ -100kV的负高压，与阳极靶之间形成聚焦电场，使电子束聚焦。
实际生产中，这类系统的设计基于多年加工经验的结累，缺乏系统的分析方法，新产品的设计制作周期长、投入大，且很难实现性能指标较大的突破。
我们用SIMION软件建立静电透镜系统的模型，分析加速电压、电子初能以及飞行距离不同时该系统的聚焦效果，并和实际测量结果进行比较，以验证基于模拟软件进行新产品设计的可行性。
我们首先用3D建模软件对X射线管的电子聚焦系统进行建模，并导入SIMION软件。
在SIMION软件中对阴、阳极加上相应的电压，以模拟空间中的电场分布，在设定了发射电子的初始参数之后，我们就可以用软件的“发射”功能观察电子束在该电场中的运动轨迹。
通过分析打在阳极上的电子分布就可以得出系统的聚焦效果。
电子运动轨迹分析发现，静电透镜系统的聚焦使电子由初始的全角度发射变成了近似平行的电子束。
阳极上收集的电子束的宽度主要受电极电势分布、电子初能影响，而与阴极外部飞行距离关系不大。
要改善该系统的聚焦效果，需降低电子初能，增大阴极上的负高压，并将阳极置于聚焦系统的“焦点”位置。
本实验还发现发射电子束在不同的飞行距离上的强度分布有变化：在发射点附近呈边缘强度大的双峰分布模式，随着飞行距离增大，逐渐过渡为集中在中心的单峰分布模式，在焦点附近出现最密集的分布。