DH4521電子束測試儀
（電子比荷的測定實驗講義）
DH4521電子束測試儀用來研究電子在電場、磁場中的運動規律。該儀器採用一體式設計，便於學生操作，五個表頭分別顯示電偏轉電壓、磁偏轉電流、陽極電壓、聚焦電壓及磁聚焦電流，性能穩定可靠，結構更加合理。內置電偏轉電源、磁偏轉電源及磁聚焦電源。不需附加任何儀器，即可完成電偏轉、磁偏轉、電聚焦、磁聚焦等實驗內容。
一、電偏轉
１．原理
在陰極射線管中，如圖一所示。
K.陰極 G.柵極 A1.聚焦陽極 A2.第二陽極 Y.垂直偏轉板 X.水平偏轉板 S.螢光屏。由陰極Ｋ，控制柵極Ｇ，陽極Ａ1、A2…組成電子槍。陰極被燈絲加熱而發射電子，電子受陽極的作用而加速。
電子從陰極發射出來時，可以認為它的初速度為零。電子槍內陽極Ａ２相對陰極Ｋ具有幾百甚至幾千伏的加速正電位U２。它產生的電場使電子沿軸向加速。電子從速度為０到達Ａ２時速度為。由能量關係有：
所以 （1）
過陽極Ａ２的電子具有ν的速度進入兩個相對平行的偏轉板間。若在兩個偏轉板上加上電壓Ud，兩個平行板間距離為ｄ。則平行板間的電場強度, 電場強度的方向與電子速度ν的方向相互垂直。如圖二所示：
圖二
設電子的速度方向為Ｚ，電場方向為Ｙ（或Ｘ）軸。當電子進入平行板空間時，t0=0,電子速度為ν,此時有νz=ν, νy=0。設平行板的長度為，電子通過所需的時間為ｔ，則有
（2）
電子在平行板間受電場力的作用，電子在與電場平行的方向產生的加速度為 。其中ｅ為電子的電量，ｍ為電子的質量。負號表示Ａｙ方向與電場方向相反。當電子射出平行板時，在ｙ方向電子偏離軸的距離
將代入得
，再將 代入得
（3）
由圖二可以看出，電子在螢光屏上偏轉距離Ｄ為
, 又 （4）
將（3）、（4）式代入得：
（5）
從⑤式可看出,偏轉量D隨Ud增加而增加,與成正比。偏轉量與U２和ｄ成反比。
２．實驗步驟：
實驗裝置儀器面板如下圖三所示。
圖三
①先用專用10芯電纜連接測試儀和示波管，再開啟電源開關，將「電子束－荷質比」選擇開關打向電子束位置，輝度適當調節，並調節聚焦，使屏上光點聚成一細點。應注意：光點不能太亮，以免燒壞螢光屏。
②光點調零，將面板上鈕子開關打向ｘ偏轉電壓顯示，調節「Ｘ調節」旋鈕，使電壓表的指針在零位，再調節ｘ調零旋鈕，使光點位於示波管垂直中線上；同ｘ調零一樣，將面板上鈕子開關打向Y偏轉電壓顯示，將ｙ調節後，光點位於示波管的中心原點。
３．測量偏轉量Ｄ隨電偏轉電壓Ud變化：調節陽極電壓旋鈕，給定陽極電壓U２。將電偏轉電壓表顯示打到顯示Y偏轉調節（垂直電壓），改變Ud測一組Ｄ值。改變U2後再測Ｄ－Ud變化。（U２：600-1000V）
４．求ｙ軸電偏轉靈敏度Ｄ/Ud。並說明為什麼U２不同，Ｄ/Ud不同。
５．同ｙ軸一樣，也可以測量Ｘ軸的電偏轉靈敏度。
二、磁偏轉
１．原理
電子通過Ａ２後，若在垂直於ｚ軸的Ｘ方向放置一個均勻磁場，那麼以速度ν飛越的電子在Ｙ方向上也將發生偏轉。由於電子受洛倫茲力Ｆ=eBν，大小不變，方向與速度方向垂直，因此電子在Ｆ的作用下作勻速圓周運動，洛倫茲力就是向心力，有 , 所以 。
電子離開磁場將沿切線方向飛出，直射螢光屏。
２．實驗步驟
依照圖四完成以下步驟：
圖四
①開啟電源開關，將「電子束－荷質比」選擇開關打向電子束位置，輝度適當調節，並調節聚焦，使屏上光點聚成一細點，應注意：光點不能太亮，以免燒壞螢光屏。
②光點調零，通過調節「Ｘ調節」和「Ｙ調節」旋鈕，使光點位於Ｙ軸的中心原點。
③測量偏轉量Ｄ隨磁偏轉電流Ｉ的變化，給定U２，將磁偏轉電流輸出與磁偏轉電流輸入相連，調節磁偏轉電流調節旋鈕（改變磁偏轉線圈電流的大小）測量一組Ｄ值。改變磁偏轉電流方向，再測一組Ｄ－Ｉ值。改變U２，再測兩組Ｄ－Ｉ數據。（U２：600-1000V）。通過紐子開關切換磁偏轉電流方向,再次實驗。
④求磁偏轉靈敏度Ｄ/I，並解釋為什麼U２不同，Ｄ/I不同。
三、電聚焦
１．原理
電子射線束的聚焦是所有射線管如示波管、顯象管和電子顯微鏡等都必須解決的問題。在陰極射線管中，陽極被燈絲加熱發射電子。電子受陽極產生的正電場作用而加速運動，同時又受柵極產生的負電場作用只有一部分電子能通過柵極小孔而飛向陽極。改變柵極電位能控制通過柵極小孔的電子數目，從而控制螢光屏上的輝度。當柵極上的電位負到一定的程度時，可使電子射線截止，輝度為零。
聚焦陽極和第二陽極是由同軸的金屬圓筒組成。由於各電極上的電位不同，在它們之間形成了彎曲的等位面、電力線。這樣就使電子束的路徑發生彎曲，類似光線通過透鏡那樣產生了會聚和發散，這種電子組合稱為電子透鏡。改變電極間的電位分布，可以改變等位面的彎曲程度，從而達到了電子透鏡的聚焦。
２．實驗步驟
依照圖三完成以下步驟：
①開啟電源開關，將「電子束－荷質比」選擇開關打向電子束位置，輝度適當調節，並調節聚焦，使屏上光點聚成一細點，應注意：光點不能太亮，以免燒壞螢光屏。
②光點調零，通過調節「Ｘ調節」和「Ｙ調節」旋鈕，使光點位於Ｙ軸的中心原點。
③調節陽極電壓U２分別為600-1000V，對應的調節聚焦旋鈕（改變聚焦電壓）使光點達到最佳的聚焦效果，測量出各對應的聚焦電壓U1。
④求出U2/U1。
四、磁聚焦和電子荷質比的測量
１．原理
置於長直螺線管中的示波管，在不受任何偏轉電壓的情況下，示波管正常工作時，調節亮度和聚焦，可在螢光屏上得到一個小亮點。若第二加速陽極Ａ２的電壓為Ｕ２，則電子的軸向運動速度用ν//表示。
則有：
（6）
當給其中一對偏轉板加上交變電壓時，電子將獲得垂直於軸向的分速度（用Ｖ⊥表示），此時螢光屏上便出現一條直線，隨後給長直螺線管通一直流電流Ｉ，於是螺線管內便產生磁場，其磁場感應強度用Ｂ表示。眾所周知，運動電子在磁場中要受到羅侖茲力Ｆ=eＶ⊥B的作用，顯然Ｖ//受力為零,電子繼續向前作直線運動,而Ｖ⊥受力最大為Ｆ=eＶ⊥B，這個力使電子在垂直於磁場（也垂直於螺線管軸線）的平面內作圓周運動，設其圓周運動的半徑為Ｒ，則有：
（7）
圓周運動的周期為： （8）
電子既在軸線方面作直線運動，又在垂直於軸線的平面內作圓周運動。它的軌道是一條螺旋線，其螺距用ｈ表示，則有
（9）
有趣的是，我們從（8）、（9）兩式可以看出，電子運動的周期和螺距均與Ｖ⊥無關。不難想像，電子在作螺線運動時，它們從同一點出發，儘管各個電子的Ｖ⊥各不相同，但經過一個周期以後，它們又會在距離出發點相距一個螺距的地方重新相遇，這就是磁聚焦的基本原理。由（9）式可得：
（10）
長直螺線管的磁感應強度Ｂ，可以由下式計算。
（11）
將（11）代入（10），可得電子荷質比為：
（12）
μ０為真空中的磁導率μ０=4π×10-7亨利/米
本儀器的其它參數如下:
螺絲管內的線圈匝數：N=535±1（具體以螺絲管上標註為準）
螺線管的長度：L=0.235m
螺線管的直徑：D０=0.092m
螺距(Y偏轉板至螢光屏距離) h=0.135m
2. 實驗步驟
依照圖六完成以下步驟：
圖六
①開啟電子束測試儀電源開關，「電子束——荷質比」開關置於荷質比方向，此時螢光屏上出現一條直線，陽極電壓調到700V。
②將勵磁電流部分的調節旋鈕逆時針方向調節到頭，並將勵磁電流輸出與勵磁電流輸入相連（螺線管）。
③電流換向開關打向正向，調節輸出調節旋鈕，逐漸加大電流使螢光屏上的直線一邊旋轉一邊縮短，直到出現第一個小光點，讀取此時對應的電流值I正，然後將電流調為零。再將電流換向開關打向反向（改變螺線管中磁場方向），重新從零開始增加電流使屏上的直線反方向旋轉並縮短，直到再得到一個小光點，讀取此時電流值I反。
④改變陽極電壓為800V,重複步驟③,直到陽極電壓調到1000V為止。
⑤數據記錄和處理。
將所測各數據記入表中，通過（12）式，計算出電子荷質比e/m。
五、數據記錄與處理
1、電偏轉
（1）不同陽極電壓下，X軸電偏轉靈敏度測量表：
（2）作D-Vd圖，求出曲線斜率，即為不同陽極電壓下X軸電偏轉靈敏度；
（3）同理，記錄不同陽極電壓下，Y軸電偏轉靈敏度測量表；
（4）作D-Vd圖，求出曲線斜率，即為不同陽極電壓下Y軸電偏轉靈敏度；
2、電聚焦
記錄不同V2下的V1值，填入下表：
V2（V）
600
700
800
900
1000
V1（V）
V2/V1
3、磁偏轉
（1）記錄不同V2時磁偏轉數據：
V2=600V
D（mm）
I（mA）
V2=700V
D（mm）
I（mA）
（2）作D-I圖，求出曲線斜率，即為不同陽極電壓下磁偏轉靈敏度；
4、電子荷質比測量
陽極電壓
勵磁電流
700V
800V
900V
1000V
I正（A）
I反（A）
I平均（A）
電子荷質比e/m（C/Kg）
五、注意事項
1．在實驗過程中，光點不能太亮，以免燒壞螢光屏。
2. 實驗通電前，用專用10芯電纜連接測試儀和示波管。
3．在改變螺線管勵磁電流方向或磁偏轉電流方向時，應先將電流調到最小後再換向。
4．改變陽極電壓Ｕ２後，光點亮度會改變，這時應重新調節亮度，若調節亮度後加速電壓有變化，再調到現定的電壓值。
5．勵磁電流輸出中有10A保險絲，磁偏轉電流輸出和輸入有0.75A保險絲用於保護。
6．切勿在通電的情況下拆卸面板對電路進行查看或維修，以免發生意外。