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1、精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结一、带点粒子在电场中的加速问题高频考点复习:回旋加速器可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结问题 1如何使一个带电的微粒获得速度(能量)?可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结由动能定理 WEKqU1 mv2v22qUm图可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结问题 2.如何使一个带电粒子获得很大的速度 能量 .拓展: 如: 增大加速电压。使微粒的核质比增大,等等。问题 3.带电粒子肯定,即 q/m 肯定,要使带电粒子获得的能量增大,可实行什么方法? 问题 4.实际所加的电压,能不能使带电粒子达到所需要
2、的能量?(不能)怎么办?多级加速 :带电粒子增加的动能为0E1 mv21 m v2qU22qU 1qU 2qU n可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结qU 1U 2U 3U n 图可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结分析:方法可行,但所占的空间范畴大。能不能在较小的范畴内实现多级加速了? 二、回旋加速器1、回旋加速器图(1)回旋加速器的构造:两个D形金属盒,粒子源,半径为RD, 大型电磁铁,高频振荡交变电压U. (2)用途:回旋加速器是产生大量高能量的带电粒子的试验设备可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结3 原理: a.电场加速: qU1 mv 22b.磁场
3、约束偏转:BqVmv, rmv2rBq可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结C 加速条件:高频沟通电源的周期与带电粒子在D形盒中运动的周期相同,即:T电场2 mT回旋可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结Bq(4)高频考点: 1回旋加速器中的 D形金属盒,它的作用是静电屏蔽.D(2) 回旋加速器最终使粒子得到的可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结最大速度:2mvmaxBqR= 12B 2q 2R 2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结BqV,(R 为 D 形盒半径)RV max, 最大动能: Emaxm
4、mv22m可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结(3) 交变电压的周期与带电粒子做匀速圆周运动的周期相等:2 mT交T粒Bq可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结(4) M和 N间的加速电场很窄 , 可忽视加速时间 . 故粒子在回旋加速器中运动时间为:可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结DnUq2m vmax, tn T ,tmax1 2 mB2 R 2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结22Uq2Bq2U可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2
5、m vmaxTV max可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结带电粒子在电场中的时间不能忽视:tt1t 2 ,nUq, t22n, t1或者2aFt1mvmax可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结(5) 回旋加速器的优点是体积小, 缺点是粒子的能量不会很高. 依据狭义相对论 , 当粒子速度接近光速时 , 质量变大 , 就圆周运动的周期发生变化 , 粒子就不会总是赶上加速电场, 这破坏了回旋加速器的工作条件.命题分析考查方式一定性考查回旋加速器【命题分析】 定性考查回旋加速器一般以挑选题显现,难度一般不大。例 1( 2022 广东物理卷第4 题) 1930 年劳伦斯制成了世
6、界 上第一台回旋加速器,其原理如图1 所示, 这台加速器由两个铜质D形盒 D1 、D2 构成,其间留有间隙,以下说法正确选项 A离子由加速器的中心邻近进入加速器B离子由加速器的边缘进入加速器C离子从磁场中获得能量 D离子从电场中获得能量考查方式二定量考查回旋加速器【命题分析】 定量考查回旋加速器一般以运算题显现,难度一般较大。图 2例 2(2022 年江苏物理第 14 题) 1932 年,劳伦斯和利文斯设计出了回旋加速器. 回旋加速器的工作原理如图2 所示,置于高真空中的 D 形金属盒半径为 R,两盒间的狭缝很小, 带电粒子穿过的时间可以忽视不计. 磁感应强度为B 的匀强磁场与盒面垂直 .A
7、处粒子源产生的粒子,质量为m、电荷量为 +q ,在加速器中被加速,加速电压为U. 加速过程中不考虑相对论效应和重力作用.(1) 求粒子第 2 次和第 1 次经过两 D 形盒间狭缝后轨道半径之比。(2) 求粒子从静止开头加速到出口处所需的时间t。(3) 实际使用中,磁感应强度和加速电场频率都有最大值的限制. 如某一加速器磁感应强度和加速电场频率的最大值分别为Bm、f m,试争论粒子能获得的最大动能Ekm.考查方式三与其它学问综合定量考查回旋加速器【命题分析】回旋加速器在核科学、核技术、核医学等高新技术领域有广泛应用,与其它学问综合定量考查回旋加速器可表达高考理综的综合性。试题一般作为压轴题,分值
8、高,难度较大。例 3(2022 天津理综物理第 12 题)(1)当今医学影像诊断设备PET/CT 堪称“现代医学高科技之冠” ,它在医疗诊断中,常利用能 放射正电子的同位素碳11 作示踪原子。 碳 11 是由小型回旋加速器输出的高速质子轰击氮14 获得, 同时仍产生另一粒子,试写出核反应方程。如碳 11 的半衰期 t 为 20min ,经 2.0h 剩余碳 11 的质量占原先的百分之几?(结果取2 位有效数字)(2) 回旋加速器的原理如图,D1 和 D2 是两个中空的半径为R 的半圆金属盒,它们接在电压肯定、频率为f 的沟通电源上,位于D1圆心处的质子源 A 能不断产生质子(初 速度可忽视,重
9、力不计) ,它们在两盒之间被电场加速,D1、D2 置于盒面垂直的磁感应强度为 B的匀强磁场中。 如质子束从回旋加速器输出时的平均功率为P,求输出时质子束的等效电流I 与 P、 B 、R、f 的关系式(忽视质子在电场中的运动时间,其最大速度远小于光速)。(3) 试推理说明:质子在回旋加速器中运动时,随轨道半径r 的增大,同一盒中相邻轨道的半径之差r 是装置大、减小仍是不变?三、经典例题例 1: 东城区1( 18 分)回旋加速器是用来加速带电粒子的装置,如下列图。它的核心部分是两个D 形金属盒,两盒相距很近(缝隙的宽度远小于盒半径),分别和高频沟通电源相连接,使带电粒子每通过缝隙时恰好在最大电压下
10、被加速。两盒放在匀强磁场中,磁场方向垂直于盒面,带电粒子在磁场中做圆周运动,粒子通过两盒的缝隙时反复被加速,直到最大圆周半径时通过特别装置被引出。如D 形盒半径为 R,所加磁场的磁感应强度为 B。设两 D 形盒之间所加的沟通电压的最大值为 U,被加速的粒子为 粒子,其质量为 m、电量为 q。粒子从 D 形盒中心开头被加速(初动能可以忽视) ,经如干次加速后, 粒子从 D 形盒边缘被引出。求:(1) 粒子被加速后获得的最大动能 Ek。(2) 粒子在第 n 次加速后进入一个 D 形盒中的回旋半径与紧接着第 n+1 次加速后进入另一个 D 形盒后的回旋半径之比。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名
11、师归纳总结(3) 粒子在回旋加速器中运动的时间。(4) 如使用此回旋加速器加速氘核,要想使氘核获得与粒子相同的动能,请你通过分析,提出一个简洁可行的方法。例 2:北京 11 年海淀区零模m 的打印机是办公的常用工具,喷墨打印机是其中的一种。图11 是喷墨打印机的工作原理简化图。其中墨盒可以喷出半径约为10-5墨汁微滴,大量的墨汁微滴经过带电室时被带上负电荷,成为带电微粒。墨汁微滴所带电荷量的多少由运算机的输入信号依据文字的排列规律进行掌握。带电后的微滴以肯定的初速度进入由两块平行带电金属板形成的偏转电场中,微滴经过电场的作用发生偏转后打在纸面上,显示出字体。如某种喷墨打印机的偏转电场极板长度为
12、l,两板间的距离为 d,偏转电场极板的右端距纸面的距离为b,某个带电微滴的质量为m,沿两板间的中心线以初速度v0 进入偏转电场。偏转电场两极板间电压为U。该微滴离开电场时的速度大小为 v,不计微滴受到的重力和空气阻力影响,忽视电场边沿处场强的不匀称性。(1) 该该带电微滴所带的电荷量q。(2) 该该带电微滴到达纸面时偏离原入射方向的距离y。(3) 在微滴的质量和所带电荷量以及进入电场的初速度均肯定的条件下,分析打算打印在纸上字体大小的因素有哪些?如要使纸上的字体高度放大,可以实行的措施是什么?纸墨盒带电室偏转板可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结11 年高年模拟海淀区图 11可编辑
13、资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结例 3 18 分)在高能物理争论中,粒子加速器起着重要作用,而早期的加速器只能使带电粒子在高压电场中加速一次,因而粒子所能达到的能量受到高压技术的限制。1930 年, Earnest O. Lawrence提出了回旋加速器的理论,他设想用磁场使带电粒子沿圆弧形 轨道旋转,多次反复的通过高频加速电场,直至达到高能量。图12 甲为 Earnest O. Lawrence设计的回旋加速器的示意图。它由两个铝制 D 型金属扁盒组成, 两个 D 形盒正中间开有一条狭缝。 两个 D 型盒处在匀强磁场中并接有高频交变电压。图 12 乙为俯视图, 在 D 型盒上半面中
14、心 S 处有一正离子源,它发出的正离子,经狭缝电压加速后,进入D 型盒中。在磁场力的作用下运动半周,再经狭缝电压加速。为保证粒子每次经过狭缝都被加速,应设法使交变电压的周期与粒子在狭缝及磁场中运动的周期一样。如此周而复始,最终到达D 型盒的边缘,获得最大速度后被束流提取装置提取出。已知正离子的电荷量为q,质量为 m,加速时电极间电压大小恒为 U,磁场的磁感应强度为B,D 型盒的半径为 R,狭缝之间的距离为d。设正离子从离子源动身时的初速度为零。(1) 试运算上述正离子从离子源动身被第一次加速后进入下半盒中运动的轨道半径。(2) 尽管粒子在狭缝中每次加速的时间很短但也不行忽视。试运算上述正离子在
15、某次加速过程当中从离开离子源到被第n 次加速终止时所经受的时间。(3) 不考虑相对论效应,试分析要提高某一离子被半径为R 的回旋加速器加速后的最大动能可采纳的措施。BS可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结例 5. (18 分)丰台区接沟通电源甲乙图 12可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结1932 年美国物理学家劳伦斯创造了回旋加速器,奇妙的利用带电粒子在磁场中的运动特点,解决了粒子的加速问题。现在回旋加速器被广泛应用于科学争论和医学设备中。BD出RA高 频 电D图图某型号的回旋加速器的工作原理如图甲所示,图为俯视图乙。回旋加速器的核心部分为D 形盒, D 形盒装在真空
16、容器中,整个装置可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结放在庞大的电磁铁两极之间的强大磁场中,磁场可以认为是匀强在场,且与D 形盒盒面垂直。两盒间狭缝很小,带电粒子穿过的时间可以忽视不计。 D 形盒半径为R,磁场的磁感应强度为B。设质子从粒子源 A 处时入加速电场的初速度不计。质子质量为m、电荷量为 +q。加速器接肯定涉率高频沟通电源,其电压为U。加速过程中不考虑相对论效应和重力作用。(1) 求质子第 1 次经过狭缝被加速后进入D 形盒运动轨道的半径 r 1。(2) 求质子从静止开头加速到出口处所需的时间t 。(3) 假如使用这台回旋加速器加速粒子,需要进行怎样的改动?请写出必要的分析
17、及推理。例 1( 2022 广东物理卷第4 题) 【解析】依据回旋加速器的原理可知,离子由加速器的中心邻近进入加速器,选项A正确 B 错误。 离子从电场中获得能量,选项C错误 D正确。【标准答案】 AD例 2( 2022 年江苏物理第14 题)【标准解答】:1 设粒子第 1 次经过狭缝后的半径为r 1,速度为 v 1 ,v212112mU可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结qU=2mv1 , qv1 B=mr1, 联立解得: r1Bq可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结解得E2222 mf R ., 当 f Bm fm 时
18、,粒子的最大动能由 f m 打算,vm2fm R可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结kmm4例 3( 2022 天津理综物理第 12 题)【标准解答 】:可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结N7(1) 核反应方程为 14111HC162 He , 设碳 11 原有质量为 m0 ,经过t1 =2.0h剩余的质量为mr ,依据半衰其定义有可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结t1mr12m0212012021.6% ,可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结(2) 设质子质量为 m,电荷量为 q,质子离子加速
19、器时速度大小为v,由牛顿其次定律知可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结如以单个质子为争论对象解答过程正确的同样得分。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结(3) 方法一 : 设 k kN *为同一盒中质子运动轨道半径的序数,相邻的轨道半径分别为rk 、rk1 rk 11rk ,rk21rk 12rk ,可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结在相应轨道上质子对应的速度大小分别为vk 、 vk1 , D1 、D2 之间的电压为 U,由动能定理知2 qUmvk 12mvk ,2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳
20、总结由洛伦兹力充当质子做圆周运动的向心力,知rmvk,就 2 qUq 2 B2k 1r 2kk1r 2 , 整理得r4mU可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结kqB2mkqB2 rrk 可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结因 U、q、m、B 均为定值,令 C4mU qB2, 由上式得Crkrkrk. 相邻轨道半径1rk 1 、 rk2 之差rk 1rk 2rk 1 来可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结源:Zxxk.ComC可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结同理rk 1, 由于 rk 2rrrk
21、,比较rk 、rk 1 得rk 1 rk11 ,可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结k 1k 2说明随轨道半径 r 的增大,同一盒中相邻轨道的半径之差r 减小。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结方法二:设k kN 为同一盒中质子运动轨道半径的序数,相邻的轨道半径分别为r k、 rrr ,rrr ,在可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结*k 1k 1kkk 1k可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结相应轨道上质子对应的速度大小分别为vk 、vk1,D1、D2 之间的电压为U。由洛化兹力充当质子做圆周运动的向心力,知 rkmvk,qB可编辑资料 -
22、- - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结rk故rk 1vkvk 112 , 由动能定理知,质子每加速一次,其动能增量EKqU 13 , 以质子在 D2 盒中运动为例,第 k 次进入 D2 时,可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结被电场加速 2k1 次,速度大小为可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结k2r 2k 1r1, 由于rr ,比较r 、 r得可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2k1rk 1rk 2 k 2kkk 1可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结r
23、k 1 rk 15 , 说明随轨道半径 r 的增大,同一盒中相邻轨道的半径之差r 减小。用同样的方法也可得到质子在D1 盒中运动时具可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结有相同的结论。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结东城区参考答案2( 18 分)(1)粒子在 D 形盒内做圆周运动, 轨道半径达到最大时被引出, 具有最大动能。 设此时的速度为 v,有qvBmv2 R可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结(1) 可得 vqBR,粒子的最大动能 Ek=1 mv2q 2 B 2 R2( 4 分) ,可编辑资料 - -
24、- 欢迎下载精品名师归纳总结m22m可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结n(2) 粒子被加速一次所获得的能量为qU ,粒子被第 n 次和 n+1 次加速后的动能分别为12Emvknnq2 B 2R2nqU(2)可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结n1E1 mv2q 2 B 2R2n1qU( 3) ,可得Rnn22m( 5 分) ,(3)设 粒子被电场加速的总次数为a,就可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结kn 1n 1可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结22 mRn 1n1可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢
25、迎下载精品名师归纳总结Ek= aqUq 2 B2 R22m( 4),可得 aq B 2R22mU( 5),粒子在加速器中运动的时间是粒子在 D 形盒中旋转 a 个半圆周的总时间可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结t。T2 mBR221q2 B 2R2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结ta( 6), T 2(7), 解得 tqB(5 分) ,( 4)加速器加速带电粒子的能量为Ek=2Umv2 2m,由 可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结粒子换成氘核,有q2 B2R22m q2 B2 R212,就mB12B ,
26、即磁感应强度需增大为原先的2 倍。高频沟通电源的周期可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结22可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结T2m qB2,由 粒子换为氘核时,沟通电源的周期应为原先的倍。2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结海淀区零模 参考答案23(18 分)解:(1)带电微滴进入电场后,做类平抛运动,离开电场时,沿垂直电场方向的速度大小为v0,沿电场方向的速度大可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结小为 vy22vv0( 2 分),设带电微滴在电场中运动的时间为t,依据牛顿其次定律与运动学公式qU(1 分)tlvtymdv0可编辑资料 -
27、- - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2(1 分) , 解得: qmdv0v Ul2v0( 3 分) ,( 2)带电微滴离开电场后做匀速直线运动,设运动方向与v0 方向的夹角为 ,根可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结据平抛运动的特点,vytanvyl ( 3 分) , 解得 y22vv0 bvl ( 3 分) ,(3)由( 1)问和( 2)问的结果可知,2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结0b02可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结0微滴到达纸面上时偏离原入射方向的
28、距离yqUl b mdv2l (2 分) y 的数值越大,即纸面上的字体越大。在m、q 以及 v0 肯定2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结的条件下,如要使纸上的字体高度放大,可以增大偏转电场两极板间的电压U、偏转极板的右端距纸面的距离b 或偏转极板的长度l,也可以减小偏转电场两极板间的距离d。(3 分)可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结海淀区 参考答案23( 18 分)解:(1)设正离子经过窄缝被第一次加速加速后的速度为v1,由动能定理得 qU匀速圆周运动,半径为r1,由牛顿其次定律得12mv12(2 分) ,正离子在磁场中做可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名
29、师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结Bqv12m v1( 2 分) ,由以上两式解得r12mU2(1 分) ,(2)设正离子经过窄缝被第n 次加速加速后的速度为vn,由可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结动能定理得r1nqU1 mv2n2qB( 1 分) ,粒子在狭缝中经n 次加速的总时间2nmvnUt1 ( 1 分) , 由牛顿其次定律qma ad可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结(1 分) , 由以上三式解得电场对粒子加速的时间t 1d(1 分) ,正离子在磁场中做匀速圆周运动,由牛顿其次定律qU可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总
30、结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结Bqvv2m( 1 分) , 又 T r2r v( 1 分) , 粒子在磁场中做圆 周运动 的时 间 t2 n1 T 2,1 分, 由以上三式解得可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结t n1m2 ( 1 分) ,所以,粒子从离开离子源到被第n 次加速终止时所经受的时间tt1t2qBd2nm + nqU1) m qB可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结( 1 分)( 3)设 离 子从 D盒边缘离开时做 圆周运 动的 轨迹半径为r
31、m ,速 度为 vm,rmR ( 1 分) ,Bqvm2m vmrm可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结(1 分)离子获得的最大动能为E1 m v2 2q 2 B 2 R22m( 1 分) ,所以,要提高某一离子被半径为R 的回旋加速器加速后的最可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结m大动能可以增大加速器中的磁感应强度B。 (1 分)可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结23.(18 分)解析 : 1(6 分)设质子第1 次经过狭缝被加速后的速度为v1,qU12mv21 ( 2 分) ,qv B1mv21r1( 2
32、分) , 联立解得:r11B2mUq(2 分) ,2(8 分) , 设质子从静止开头加速到出口处被加速了n 圈,质子在出口处的速度为 v,2nqU12mv ( 2 分) , qvB2mv2R ( 1 分) , T2 mqB( 2 分) , tnT (1 分) , 联立解得tBR22U( 2 分) ,3(4 分) , 回旋加速器正常工作时高频电压的频率必需与粒子回旋的频率相同。设高频电压的频率为f,就 f1TqB2 m, 当 速 粒 子 时 粒 子 的比 荷为 质子比 荷 的 2 倍,f/qB4 mf, 所以 不用直 接 使 用。2(2 分)改动方法一:让回旋磁场的磁感应强度加倍。( 2 分) 改动方法二:让加速高频电压的频率减半。可编辑资料 - - - 欢迎下载