实验二十四电子束的偏转

实验二十四 电子束的偏转示波器中用来显示电信号波形的示波管和电视机、摄像机里显示图像的显像管、摄像管都属于电子束线管，虽然它们的型号和结构不完全相同，但都有产生电子束的系统和电子加速系统，为了使电子束在荧光屏上清晰的成像，还要设聚焦、偏转和强度控制系统。

对电子束的聚焦和偏转，可以利用电极形成的静电场实现，也可以用电流形成的恒磁场实现。

前者称为电聚焦或电偏转。

随着科技的发展，利用静电场或恒磁场使电子束偏转、聚焦的原理和方法还被广泛地用于扫描电子显微镜、回旋加速器、质谱仪等许多仪器设备的研制之中。

本实验在了解电子束线管的结构基础上，先讨论电子束的偏转特性及其测量方法。

【目的】1.了解示波管结构和原理。

2.研究带电粒子在电场和磁场中偏转的规律。

3.测试示波管的电偏灵敏度和磁偏灵敏度与加速电压的关系。

【原理】示波管的基本结构主要由以下4个部分组成 （1）示波管示波管的构造如图4-43所示。

当加热电流通过灯丝时，阴极K 被加热并发射电子，栅极G 加上相对于阴极为负的电压，调节栅极电压的大小，可以控制阴极发射电子的多少，即控制光点的亮度。

第一阳极A １相对于阴极K 有很高的电压（约1 500V ）用以加速电子；第二阳极A ２与第一阳极A １之间构成聚焦电场，使发散的电子束在聚焦电的作用下汇聚起来，打在荧光屏上发出荧光。

X 、Y 偏转板是2对分别平行且相互垂直的属极，在平行板上加不同的电压控制荧光屏上的光点的位置。

光点移动距离的大小与加在偏转板上的电压成正比。

(2)扫描电压发生器扫描电压发生器是产生扫描电压的装置。

示波器通常是要观察轴输入的周期性信号电压的波形。

如果只把被测信号（如正弦电压）加在Y 偏转板上，而亮线。

要在荧光屏上显示出正弦电压的波形，就必须使亮点在Y 轴上的运动沿X 方向展开。

为此必须在X 偏转板上加一周期性随时间线性变化的电压，这种电压称为扫描电压。

这样荧光屏上光点在作竖直运动的同时还要作自左向右的匀速运动。

如果扫描电压的周期T ｘ与正弦电压的周期T ｙ相同，荧光屏上将显示一个完整的正弦波形。

如果T ｘ是T ｙ的整数倍，则荧光屏上将显示出n 个完整的正弦波形。

若用频率表示，则为：f Ｘ＝nf Ｙ为了能用示波器观察各种频率的信号电压波形，扫描电压的频率必须在很大的范围内连续可调，调节扫描电压的频率，使其与Y 轴输入信号电压的频率成整数比方可。

这一调整过程称为“同步”。

人工“同步”可以很容易达到f Ｘ＝nf Ｙ，使其出现暂时稳定的图形。

由于图4-52 电子束的电偏转图4-43 电子射线示波管 A １-第一阳极 A ２-第二阳极 f-灯丝G-栅极 K-阴极 X 、Y-偏转转板U Ｘ和U Ｙ是来自两个相互独立的信号源，它们各自的频率总会有些起伏，因此稳定状态很快又遭破坏。

为了解决这一问题，示波器内部设有同步装置。

在两频率基本满足整数倍的条件下，该装置将待测信号电压分出一部分，自动地去调节扫描电压发生器的振动频率，使它与被测信号的频率严格保持整数比关系，使图形稳定。

（3）电压放大和衰减装置由于示波器的灵敏度不高（0.1～1 mm/V ），当信号电压小时，电子束不能发生足够的偏荧光屏上亮点的位移过小，不便观察，为此，示波器内设有X 轴放大器和Y 轴放大器。

先把信号电压放大，然后加到偏转板上。

其放大倍数是连续可调的。

衰减器是用来把放大的信号电压减小，以适应放大器的要求，否则放大器不能正常工作，甚至受损。

衰减器通常分1、1/10、1/100三挡，习惯上是在示波器面板上用倒数1、10、100标出。

（4）电源供给示波器、扫描电压发生器、X 轴放大器、Y 轴放大器正常工作所需的各种高、低压装置。

1.电子束的电偏转电偏转是通过在垂直于电子射线的方向上外加电场来实现的，最简单的办法就是在示波管的垂直偏转板（或水平偏转板）上加上偏转电压U 。

当电子束经加速极以初速x v 由x 正方向射入，因受到与y 轴平行的偏转电场的作用，而使电子束偏离轴线发生偏转，如图4-52所示。

设偏转板间距离为D ，长度为b ，偏转板到荧光屏之间的距离为L ，则电子束受电场力DeUeE f Y ==，产生加速度mD eU m f a y y ==。

电子在x 方向上没有加速度，故从偏转板的左端运动到右端的时间x b v b t =，再从右端运动到荧光屏的时间为xv b l t ⎪⎭⎫⎝⎛-=21。

电子离开板右端的垂直距离22.22⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==x by b v b mD eU t a y ，在同一点的垂直速度x b y y v bmD eU t a v ⋅=。

电子离开板右端时不再受电场力的作用，作匀速直线运动。

到达荧光屏的垂直距离为11t u y y =＝xx v b l v b mD eU ⎪⎭⎫ ⎝⎛-⋅⋅2。

由此得到电子束到荧光屏上的总的偏转距离为 21xb mDv eULby y y =+= (4-45) 设进入偏转板之前，使电子最后加速的第二阳极上的加速电压为2u ，则加速场对电子所做的功等于电子的动能，即2221x mv eU =(4-46)将式(4-46)代入式(4-45) 得y ＝222U UK D U bLU E = (4-47)可见比例系数DbLK E 2=是与偏转板结构有关的常量，对于一定的示波管，电子束偏离中心轴线的距离与偏转电压成正比，与加速极的加速电压成反比。

若定义电偏转灵敏度为当偏转板上加单位电压时所引起的电子束在荧光屏上的偏转距离21U K U y E ==电δ (单位 mm/V) (4-48) 由此可见，当偏转电压为一定值的时候，电偏转灵敏度与加速电压2U 成反比，加速电压越大，δ电越低。

2.电子束的磁偏转为使电子束偏转，通常在电子枪和荧光屏之间放置一对线圈，当线圈通以励磁电流I 时，在横向水平方向上将产生与电子束方向垂直的一均匀磁场，如图4-53所示。

当电子以速度X V 垂直射入磁场时，必受洛仑兹力B ev f x =作用在磁场区域内作圆周运动，洛仑兹力就是向心力R mv x 2，所以电子旋转的半径eBmv R x=（4-49） 电子离开磁场区域之后，因为B ＝ 0，电子不受任何作用力，应作直线运动，打在荧光屏上，由图4-53知，当ϕ角不很大时LhR b ==ϕtan (4-50) 由式(4-49)和(4-50)得磁偏转距离B mv ebLh x=(4-51) 设电子进入磁场前加速电压为2U ，则加速场对电子做的功全部转变为电子的动能2221eU mv x = 所以式(4-51)改写为22emU bLBeh =(4-52)式中,磁感应强度B 通常用产生磁场两偏转线圈中通过的电流的安培匝数表示，即B ＝图4-53 电子束的磁偏转KnI 。

其中n 是偏转线圈单位长度匝数；I 是通过线圈的励磁电流；K 是比例系数，是与偏转线圈几何尺寸和磁介质有关的常量。

所以22emU knIbLeh =(4-53)由此可知，磁偏距离h 与励磁电流I 成正比，励磁电流越大，磁偏距离也越大。

若定义磁偏灵敏度δ磁为单位励磁电流所引起的电子束在荧光屏上偏转的距离Ih =磁δ (单位为mm/A) (4-54)将式(4-54)代入，得22emU knbLe=磁δ (4-55)式（4-55）表明，磁偏灵敏度δ磁与加速度电压U ２的平方根成反比。

将式（4-48）与式(4-55)相比较可以看出，提高加速电压U ２对磁偏转灵敏度降低的影响比对电偏转灵敏度的影响小。

因此使用磁偏转时，提高显像管中电子束的加速电压来增加荧光屏上图象亮度水平比使用电偏转有利，而且磁偏转便于得到电子束的大角度偏转，更适合于大屏幕的需要。

因此显像管往往采用磁偏转，但是偏转线圈的电感与分布电容都增大，不利于高频使用，而且由于它的体积与质量较大，都不及电偏转系统，所以示波管往往采用电偏转。

【仪器】SJ-SS-2型电子束实验仪，交流稳压电源，万用表等。

【实验内容与步骤】本实验采用SJ-SS-2型电子束实验仪，其使用方法见【仪器描述】。

1.电子束的电偏转⑴测试偏转距离与偏转电压的关系 测试步骤如下。

①将功能选择开关置于Y （或X ）电偏位置，面板插孔按图4-54要求插入导线。

②接通高压电源开关，调节“高压调节”、“辅助聚焦V ２”，将V ２调到最大值，辉度保持适中，调节“聚焦V １”。

③调节“X 轴移位”、“Y 轴移位”旋钮，使光点移到坐标原点。

④调节电偏电压，使光点朝Y （或X ）方向偏转，每偏转5 mm ，读取相应的电偏电压U 值（由mA-V 表直接读数×3），测到光点偏转30 mm 为止。

⑤做y-U(或x-U)图，以验证在加速电压U ２不变时，y 与U 成正比并由图求δ电 。

⑵测试电偏转灵敏度δ电与加速电压U ２的关系 测试步骤如下。

①、②、③方法同前。

④调节电偏电压，使光点在荧光屏上向Y （或X ）预偏15 mm ，保持电偏电压的值不变。

⑤调节“高压调节”，使U ２下降，每降100 V （或200 V ）读取相应的偏转量y(或x)。

计算出uy =电δ 图4-54 电偏转接线⑥做电δ～21u 正比图，以检验当偏转电压不变时，δ电与U ２成反比关系。

2.电子速的磁偏转⑴测试偏转量与励磁电流I 的正比关系测试 步骤如下。

①将“功能选择”开关置“磁偏”位置，按图4-55要求插入导线。

②接通高压电源开关，将V ２调至最大，调节“聚焦V １”旋钮使光点聚焦，保持辉度适中，调节“X 轴移位”旋钮，使光点位于坐标Y 轴某点y ｎ，并记下该点坐标。

③“励磁电流”复位旋到零，接通励磁电源开关，顺时针方向调节“励磁电流”旋钮，使光点偏转，读取不同偏转量Y 及其对应的I 值，并计算出磁偏灵敏度δ磁及其平均值。

④根据测量数据，做y -I 图，验证y 与I 的正比关系。

⑤按图4-55虚线位置改变偏转线圈电源极性，观察磁场方向改变后光点反方向偏转，以验证洛仑兹力F ＝e v × B 的矢量关系。

⑵测试磁偏灵敏度与加速电压U ２的关系 测试步骤如下。

①，②方法同前。

③接通励磁电源开关，调节“励磁电流”旋钮使光点从坐标Y ｎ点往下(或上)偏转15 mm ，保持I 不变。

调节“高压调节”旋钮使U ２值减少，读取不同U ２值及相应的y 值，并计算各δ磁。

④做磁δ～21u 图，以验证磁偏灵敏度与加速电压U ２平方根的反比关系。

【数据处理】 1.电子束的偏转表4-12 电偏转距离与偏转电压关系测试条件 偏转距离/mm 51015202530U ２＝ V 垂直上偏电压/v 垂直下偏电压/v 水平左偏电压/v水平右偏电压/v在直角坐标纸上做出y -U 图线。

表4-13 δ电和U 2数据测试表测试条件预偏转电压U ＝V 预偏转y ＝15mm加速电压 U ２ 1/U ２ 偏转距离/mm δ电测试值按表中数值在坐标纸上做出电δ～21u 图。