Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của một số máy gia tốc hạt phần 3

Nguyên lý cấu tạo và hoạt động
của một số máy gia tốc hạt
(tiếp theo)
VI. Máy gia tốc microtron
VII. Máy phát nơtron
 Nguyên lý chung
− Trong microtron các hạt được gia tốc chuyển động trong từ trường không
đổi và đồng nhất, việc gia tốc hạt diễn ra dưới tác dụng của điện trường
biến thiên có tần số không đổi.
− Microtron là máy gia tốc hạt tương đối tính theo nguyên lý đồng pha tự
động, chỉ phù hợp gia tốc các hạt nhẹ như electron và positron.
− Hạt chuyển động theo quỹ đạo tròn có một tiếp điểm chung.
− Tại tiếp điểm người ta đặt một hộp cộng hưởng mà điện trường siêu cao
tần gia tốc các điện tử. Hộp cộng hưởng được kích thích bằng một nguồn
dao động siêu cao tần công suất lớn. Đó là một đèn magnetron xung công
suất hàng trăm kW.
− Mỗi lần đi qua hộp cộng hưởng các điện tử nhận được một năng lượng
xác định E và sau đó bắt đầu chuyển động sang quỹ đạo tiếp theo. Khi
điện tử đạt đến quỹ đạo cuối cùng chúng được đưa ra khỏi buồng gia tốc
qua một kênh từ.
VI. Máy gia tốc Microtron
− Sự đồng bộ trong chuyển động của điện tử và sự thay đổi của điện trường
gia tốc siêu cao tần dựa trên sự thay đổi chu kỳ vòng quay sau mỗi quỹ
đạo một số nguyên của chu kỳ dao động siêu cao tần.
− Tỷ số thời gian quay vòng của hạt và chu kỳ điện trường gia tốc được gọi
là "bội số chế độ gia tốc" .
− Chu kỳ vòng quay của hạt trong từ trường B sau n vòng là:
ecB
E
T
n

n

2

trong đó : E là năng lượng toàn phần của hạt.
- Như vậy thời gian hoàn thành một vòng quay tỷ lệ thuận với năng lượng
toàn phần.
- Thời gian gia tăng sau mỗi chu kỳ là:
B
E
ec
T



2
- Thời gian quay của quỹ đạo thứ nhất, T
1
là một số nguyên của của chu kỳ
sóng cao tần T
0
. Hai điều kiện đồng bộ trong microtron có thể viết dưới
dạng:
E= E
0
;
01
TT



trong đó: ,  là các số nguyên
(6.1)
(6.2)
- Khi điều kiện đồng bộ thỏa mãn, điện tử đi qua hộp cộng hưởng cùng pha
với trường siêu cao.
- Chu kỳ của siêu cao tần trong hộp cộng hưởng.
0
0
0
2
ecB
E
T


- Ta có:






00
// BBEE
trong đó E
0
= mc
2
là năng lượng dừng của hạt. Đối với điện tử E
0

=0,511 MeV.
0
B
B

- Trường cyclotron được xác định bằng chu kỳ của trường gia tốc:


e
E
B
0
0
2

 là thông số đặc trưng cơ bản của chế độ gia tốc và rất nhiều tính chất cơ
bản của máy gia tốc liên quan tới thông số này.
(6.3)
(6.4)
(6.5)
(6.6)
- Bằng việc sử dụng tham số , điều kiện đồng bộ có thể viết :


011
/ EE





Gọi  là năng lượng toàn phần tính bằng năng lượng dừng, năng lượng
tương đối của điện tử trên quỹ đạo thứ n bằng :






n
n 1
- Như vậy năng lượng toàn phần chỉ phụ thuộc vào số quỹ đạo và cường độ
từ trường.
- Trong các máy gia tốc khác sự gia tăng năng lượng qua một vòng quay là
rất nhỏ, vì vậy số vòng quay là rất lớn, với microtron số vòng quay nhỏ hơn
đáng kể và thường không vượt quá 60.
- Khi ~1 cường độ điện trường gia tốc gần bằng cường độ từ trường B.
(6.7)
(6.8)
(6.9)
- Độ gia tăng đường kính quỹ đạo hạt:


D
- Microtron cho chùm electron với cường độ cao, độ phân tán nhỏ và phân
giải năng lượng rất tốt.
(6.10)
1
2
5
3

e
-
6
4
Hình 1: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc Microtron
1: Nguồn phát sóng siêu cao tần; 2: Ống dẫn sóng; 3: Hộp cộng hưởng;
4: Buồng gia tốc nối với nam châm điện; 5: Bơm chân không; 6: Kênh ra.
Hình 2: Buồng gia tốc Microtron
+ Buồng gia tốc:
- Buồng gia tốc trong Microtron có dạng hình tròn chân không cao (~310
-6
torr) được nối với nam châm điện để tạo ra từ trường. Các cực nam châm
có dạng phẳng tạo nên buồng gia tốc.
- Kích thước nam châm và cường độ của từ trường phụ thuộc và năng
lượng chùm điện tử cần gia tốc.
- Từ trường trong Microtron thường khoảng 2 - 3 KOestest .
- Yêu cầu về độ đồng nhất của từ trường phụ thuộc vào số quỹ đạo của hạt:
Cấu tạo của máy gia tốc Microtron:
- Do đó cần tăng độ đồng nhất của từ trường đối với những máy gia tốc có
số quỹ đạo lớn.
- Độ không đồng nhất của từ trường do sự chế tạo và lắp ráp thiếu chính
xác, do không đồng nhất của vật liệu làm cực và chất dẫn từ.
2
1
N
B
B


(6.11)

+ Hộp cộng hưởng:
- Hộp cộng hưởng là một bộ phận rất cơ bản của Microtron, các điện tử
được phát ra và đưa vào gia tốc sau đó lại hội tụ tăng thêm năng lượng
đều thông qua hộp cộng hưởng.
- Hộp cộng hưởng thường được chế tạo bằng Cu nguyên chất, hoạt động
của hộp cộng hưởng đòi hỏi điều kiện chân không cao, thường khoảng
2x10
-6
mmHg.
+ Nguồn phát xạ electron:
- Thường là súng phóng điện tử (electron gun) với catot làm bằng chất LaB
6
.
- Nguồn phát electron lắp trực tiếp trong buồng gia tốc và gắn với hộp cộng
hưởng.
- LaB
6
là một hợp chất rắn có dạng tinh thể nhỏ, nhiệt độ nóng chảy 2200
0
C,
có độ dẫn điện cao và hiệu suất phát xạ điện tử lớn và ổn định trong điện
trường xoay chiều cường độ lớn.
- Trong điện trường của hộp cộng hưởng Microtron mật độ dòng phát xạ đạt
đến 100-200 A/cm
2.
- Để đốt nóng các nguồn phát electron cần dùng dòng điện có cường độ lên
đến 50 A .
+ Nguồn phát sóng cao tần:
- Hệ siêu cao tần của Microtron bao gồm nguồn phát sóng, ống dẫn sóng và
hộp cộng hưởng.

- Hầu hết các hệ phát sóng cao tần (RF) trong Microtron có bước sóng 10
cm. Thường dùng các đèn magnetron công suất lớn cỡ vài MW làm nguồn
phát cao tần. Hệ số có ích của magnetron lớn hơn klystron và có thể làm
việc ở thế anode thấp. Microtron làm việc theo chế độ xung với độ dài xung
từ 1-5 s.
- Ống dẫn sóng có chức năng truyền đi với hiệu suất lớn và ổn định sóng
cao tần từ nguồn phát cao tần vào hộp cộng hưởng nơi mà các điện tử
được gia tốc.
+ Ngoài ra Microtron còn có các bộ phận khác như: bộ phận tách chùm hạt,
nguồn nuôi, bơm chân không, hệ làm mát, hệ điều khiển và kiểm tra….
+ Máy gia tốc Mictrotron được sử dụng nhiều trong nghiên cứu cơ bản cũng
như ứng dụng trong thực tế như xạ trị y tế, công nghiệp…
Hình 3: Nguồn phát electron
1,4: Các điện cực để đốt nóng dây xoắn; 2: Catot làm bằng LaB; 3: Bộ
phận dẫn từ dây đốt, 5: Bộ phận dẫn từ Catot; 6: Phần cách điện; 7: Một
phần hộp cộng hưởng
Hình 4: Một số loại nguồn phát electron
Hình 5: Một số máy gia tốc Mictrotron
Bảng: Một số thông số đặc trưng của máy gia tốc Microtron trong xạ trị y tế
Racetrack Microtron (RMT):
− Các máy gia tốc Microtron dạng vòng tròn cho năng lượng điện tử khoảng
vài chục MeV, có kích thước lớn và nặng do cường độ trường cyclotron
thấp. Ngoài ra số quỹ đạo bị hạn chế bởi sự không đồng nhất của từ
trường.
− Máy gia tốc RMT khắc phục được các hạn chế này, có thể gia tốc electron
tới hàng trăm MeV.
− Máy gia tốc RMT bao gồm hai nam châm tạo từ trường đồng nhất và một
máy gia tốc thẳng đặt tại phần thẳng giữa hai cực có khả năng nhận năng
lượng gia tốc lớn hơn trong microtron tròn.
− RMT có thể xem là sự kết hợp của linac và microtron tròn.

− Các nam châm uốn dòng 180
0
đặt đối diện nhau và cách nhau một khoảng
cách lớn so với kích thước của chúng .
− Các electron được đưa vào linac từ một súng bắn electron, đôi khi từ một
máy gia tốc sơ cấp khác.
- Điều kiện cộng hưởng:
E là năng lượng hạt nhận được qua hốc cộng hưởng RF, H là cường độ từ
trường lưỡng cực, 
RF
là bước sóng cao tần và n là số nguyên.
ecH
E
n
RF



2
- Điều kiện cộng hưởng: độ gia tăng quãng đường đi của hạt qua mỗi quỹ
đạo là một bội số nguyên của bước sóng.
- Có hai vấn đề với quỹ đạo đầu tiên của RTM:
+ Thứ nhất, bán kính quỹ đạo thứ nhất có thể không đủ lớn để có thể xem
như cấu trúc linac.
+ Thứ hai, các electron trong quỹ đạo thứ nhất có thể không đủ tương đối
tính, do đó cần sự hiệu chỉnh chiều dài quãng đường quỹ đạo thứ nhất.
- Các electron sau khi đi qua linac lần thứ nhất được thay thế bởi hệ thống
nam châm và sau đó phản xạ ngược trong linac bằng tứ cực chính.
(6.12)
Hình 6: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy gia tốc

Racetrack Microtron
Hình 7: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc
Racetrack Microtron
Hình 8: Một số máy gia tốc Racetrack Microtron
VII. Máy phát nơtron
− Máy phát nơtron thực chất là nguồn phát nơtron đơn năng có năng lượng
và cường độ lớn. Đó là sự khác biệt so với nguồn nơtron đồng vị và
nguồn nơtron phân hạch.
− Các máy phát nơtron điện thế gia tốc thấp (cỡ vài trăm kV) tạo ra nơtron
theo các phản ứng sau đây:
2
H(d,n)
3
He ; Q=3,268 MeV (7.1)
3
H(d,n)
4
He ; Q=17,588 MeV (7.2)
− Phản ứng
3
H(d,n)
4
He có tiết diện rất lớn cho phép tạo ra chùm nơtron
nhanh với suất lượng lớn.
− Năng lượng của nơtron phát ra trong các phản ứng (7.1; 7.2) phụ thuộc
vào năng lượng đơteron bắn phá và góc phát xạ của nơtron tạo với
hướng chùm đơteron.
− Trong phản ứng D-D cho nơtron năng lượng thấp (2-4 MeV), còn phản
ứng D-T chúng ta nhận được năng lượng cao ( từ 13-15 MeV).
- Sự phụ thuộc của suất lượng và năng lượng vào năng lượng chùm đơteron:




n
i
i
diddn
EYEYEY
1
0
)(cos)()()(




n
i
i
diddn
EEEEEE
1
0
)(cos)()()(

(7.3)
(7.4)
Các giá trị Y
0
, Y
i

, E
0
; E
i
được rút ra từ việc làm khớp với các giá trị thực
nghiệm; n=3 và 5 đối với phản ứng D-D và n=2 và 3 đối với phản ứng D-T.
+ Để đo cường độ nơtron của phản ứng D-T người ta thường sử dụng các
phương pháp:
- Ghi nhận hạt đi kèm, ở đây ghi hạt
4
He bằng đầu dò alpha ở các góc khác
nhau.
- Dùng lá dò
27
Al(n,)
24
Na như là một monitor dòng nơtron.
- Buồng phân hạch
238
U và
232
Th cũng được sử dụng để ghi nhận nơtron.
Hình 9: Sự phụ thuộc của tiết diện các phản ứng D-T và D–D
vào năng lượng của đơtron
− Cao áp của máy phát là các nguồn tĩnh điện, thường sử dụng phương
pháp Cockroft-Walton. Do nguồn cao áp trên ống gia tốc không vượt quá
200 kV nên việc chế tạo không gặp khó khăn và khá gọn nhẹ.
− Các ion đơteron sau khi được gia tốc trong ống gia tốc được bắn vào bia
chứa đơteron hoặc triti, đế của bia thường được chế tạo bằng Ti hoặc Zr,
đơteron hoặc triti được hấp phụ trong các kim loại này.

− Có hai loại máy phát: hút chân không liên tục hoặc hàn kín.
− Loại hút chân không liên tục thường sử dụng trong các phòng thí nghiệm
và có thể làm việc ở chế độ xung hoặc liên tục.
− Loại thứ hai cho dòng nơtron thông lượng thấp và thường ở chế độ xung,
được sử dụng nhiều tại hiện trường.
− Máy phát nơtron có thể cho suất lượng phát nơtron tới 10
12
n/giây.
− Nhược điểm của máy phát nơtron là hiện tượng suy giảm cường độ do
việc đốt nóng và ăn mòn bia.
− Đối với dòng 1 mA và điện áp 150 kV sau một thời gian hoạt động 115-
117 phút, cường độ nơtron giảm hai lần.
− Sử dụng bia có độ bền nhiệt cao hơn làm bằng Er, áp dụng phương pháp
tự động bão hòa bia và việc quay bia có thể làm tăng thời gian làm việc
của bia.
Các nguồn tạo nơtron năng lượng thấp hơn 14 MeV:
− Tán xạ đàn hồi và không đàn hồi của các nơtron 14 MeV trong
bia, giá để mẫu, không khí, ống đếm
− Nơtron từ phản ứng D-D.
− Đóng góp của các phản ứng gây bởi các ion
2
D
+
và
3
D
+
trong
trường hợp các hạt này không được tách ra hoàn toàn.
− Nhằm giảm ảnh hưởng của những nơtron đi kèm này bia cần

phải đặt ở trung tâm của buồng chứa bia trên những khoảng
cách bằng nhau tính từ tường bao.
− Tường mỏng, giá đỡ bia được làm lạnh bằng không khí là điều
kiện lý tưởng để giảm đóng góp của phông nơtron năng lượng
thấp.
Hình 10: Sơ đồ khối của máy phát nơtron 14 MeV