Nguyên tắc hoạt động và vận hành máy gia tốc 5SDH2 PELLETRON

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA VẬT LÝ

Vi Hồ Phong

NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG VÀ VẬN HÀNH MÁY GIA TỐC
5SDH-2 PELLETRON

Khóa luận tốt nghiệp hệ đại học chính quy
Ngành: Vật lý hạt nhân

Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Thế Nghĩa

Hà nội - 2011


MỤC LỤC


PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ HỆ MÁY GIA TỐC 5SDH-2
PELLETRON
Hệ máy gia tốc HUS 5SDH-2 Pelletron đặt tại trường Đại học khoa học
tự nhiên - Đại học quốc gia Hà Nội bao gồm các thành phần chính sau đây:
- Nguồn ion
- Buồng gia tốc chính
- Hệ chân không
- Các bộ phận hội tụ, điều chỉnh chùm tia
- Kênh phân tích
- Kênh cấy ghép

1. Nguồn ion
Với các mục đích sử dụng các chùm tia khác nhau trong phân tích và cấy
ghép, hệ máy gia tốc HUS-5SDH có hai loại nguồn phát chùm tia với hai cơ chế
hoàn toàn khác nhau, đó là nguồn RF và nguồn SNICS II.
1.1. Nguồn ion RF (Radio Frequency)
Nguồn trao đổi Ion RF của NEC được lấy làm kiểu mẫu sau khi nguồn này
được sử dụng bởi H.T.Richards ở đại học Wisconsin - Madison từ năm 1976.
Khi được ứng dụng cho việc tạo nguồn He- thì được đặt tên là Alphtross. Phiên
bản gốc được phát triển từ năm 1967 và về sau được ứng dụng vào việc tạo
nguồn ion sử dụng bởi NEC. Trong quá trình vận hành, một chùm ion dương
được giải phóng từ một trạng thái plasma được tạo ra từ nguồn RF và được gia
tốc vào trong ống trao đổi điện tích ở 6keV nơi mà 1 tỉ lệ khoảng (1-2%) chùm
tia được chuyển đổi thành các ion dương và sau đó được giải phóng và được gia
tốc với năng lượng mong muốn.


Ống trao đổi điện tích dùng hơi Rubidium vì nó có tiết diện tạo He - cao.
NEC Alphatross sử dụng một bình ngưng tụ Rubidium để ngăn cản sự di chuyển
hơi Rubidium vào trong bình thạch anh và plasma. Một tấm chắn nữa được đặt ở
phía đầu ra của bộ chuyển đổi điện tích để cách li khí rubidium khỏi các thấu
kính, van...
1.2. Nguồn ion SNICS II (Source of Negative Ions by Cesium Sputtering)
Thiết kế: Thiết kế của nguồn ion âm bởi phún xạ Cesium (SNICS) được
phân phối bởi NEC dựa trên các bài luận văn của J.H.Billen, H.T.Richards và
G.T.Caskey, ở đại học Wisconsin và một bài luận văn đọc lập khác của R.
Middleton, ở đại học Pennsylvania. SNICS II là nguồn ion thế hệ thứ 2 được
phát triển như một sự cải tiến nguồn SNICS ở việc vận chuyển cesium trong
nguồn, độ tin cậy và dễ dàng hơn trong việc tiếp cận cathode.

Hình 1: Sơ đồ nguồn SNICS II
Nguyên tắc hoạt động: Hơi Cs đi từ lò nung cesium vào trong một buồng
kín nằm giữa cathode được làm lạnh và bề mặt ionzer bị nung nóng. Một ít
cesium ngưng tụ ở mặt trước cathode và một ít cesium bị ion hóa bởi bề mặt
ionzer được nung nóng. Các ion cesium được gia tốc bay về phía cathode, các
hạt phún xạ từ cathode đi qua những lớp cesium bị ngưng tụ. Một vài vật liệu sẽ
<<ưu tiên>> cho các ion phún xạ âm. Các vật liệu khác sẽ <<ưu tiên> các ion
phún xạ trung hòa hoặc các ion phún xạ dương đã nhận thêm electron khi chúng
đi qua lớp cesium ngưng tụ, qua đó sản sinh ra các ion âm,
Nguồn SNICS II được đặt trong một buồng kín làm bằng kim loại. Chỉ có
những o-ring nằm ở đằng sau vùng làm lạnh trên giá đỡ cathode. Sự sắp xếp này
cho phép phần thân của nguồn vẫn được giữ ấm cùng với cathode. Thêm vào đó,
thể tích xung quanh buồng ion hóa và cathode luôn được bọc kín hoàn toàn.
Thiết kế này đã được cân nhắc kỹ để luôn giữ được hơi cesium trong vùng thể
tích yêu cầu để tạo được chùm ion lớn tối đa.
Nguồn SNICS II được trang bị một van trên bộ giá đỡ cathode. Điều này
cho phép thay cathode mà không ảnh hưởng gì đến chân không của nguồn. Khi
đó Cathode, extractor và bộ tạo chênh thế (bias voltage) cần phải được ngắt.
Nói chung cường độ chùm tia được tạo ra bởi SNICS II là hàm phụ thuộc
vào thành phần cấu tạo của cathode, thế của cathode, thông lượng ion cesium và
nhiệt độ của cathode được điều chỉnh bởi nước làm mát.

2. Buồng gia tốc chính
Buồng gia tốc 5SDH-2 Pelletron là loại buồng gia tốc tĩnh điện 2 triệu
volt, có khả năng gia tốc nhiều loại ion khác nhau trong một khoảng năng lượng
rộng trong phân tích bằng tán xạ ngược Rutherford (RBS), PIXE, cấy ghép ion
và các thí nghiệm vật lý hạt nhân.
Buồng gia tốc có cấu trúc cách điện cao, một hệ thống nạp điện tạo ra điện
thế lớn, và ống gia tốc được hút chân không trên đường đi của chùm tia. Ở giữa

của buồng gia tốc là điện thế đỉnh lớn (TV) và hai bên là ống gia tốc năng lượng
thấp và ống gia tốc năng lượng cao.
Nguyên lý hoạt động: Chùm ion âm sinh ra trong các nguồn ion âm được
gia tốc trước để đạt đến một năng lượng trung bình trước khi bay vào 5SDH-2.
Chùm tia đi vào vùng năng lượng thấp của máy gia tốc, các ion âm bị hút bởi
điện tích dương ở điện thế đỉnh lớn (TV) do đó chúng được gia tốc. Ở điểm giữa
buồng gia tốc, các ion âm đi vào một thiết bị gọi là “stripper”(bộ tước) ở đó
chúng được “tước bỏ” 2 hoặc nhiều electron và biến thành các ion dương. Khi
các ion dương này đi ra khỏi bộ tước và trôi về tầng gia tốc thứ hai của buồng
gia tốc (vùng năng lượng cao) thì được cao thế dương ở điểm giữa tác động lực
đẩy vào và do đó được gia tốc một lần nữa.
Cấu trúc gia tốc kép này cho phép tăng gấp đôi năng lượng của các ion
đơn lẻ mà đã được gia tốc ở tầng gia tốc thứ nhất, với cùng một điện thế đỉnh
(TV), các ion sẽ mang điện tích +n và năng lượng cuối cùng (n+1)*e*V, với e là
điện tích electron, V là điện thế đỉnh.
Ngoài các thành phần cơ bản được đề cập ở trên, 5SDH-2 còn các thiết bị
ngoại vi khác để điều khiển, điều chỉnh, đo đạc, giữ ổn định các chức năng gia
tốc.Các thành phần cụ thể của buồng gia tốc 5SDH-2 có thể kể ra dưới đây:
2.1. Buồng chứa và các bộ phận liên quan, hệ thống truyền dẫn khí SF6
Toàn bộ các thành phần gia tốc của 5SDH-2 được chứa trong một buồng
chứa chịu áp lực. Mục đích của buồng chứa này là chứa đầy khí SF 6, cách ly
lượng khí này với bên ngoài, khí SF 6 là loại khí cần thiết cho quá trình vận hành
ở điện thế cao. Áp suất làm việc tiêu chuẩn của khí SF 6 tinh khiết ở thế cao nhất
là 80 psig. Buồng cũng có thể được hút chân không, phục vụ cho việc chuyển
khí SF6.
Buồng chứa được làm từ hai phần: Phần hình quả chuông dài và một bản
tròn phẳng ở phần cuối có gắn bộ khung ở đó. Phần bản tròn phẳng có bánh xe
phụ trợ, có thể được đẩy ra khỏi phần hình chuông, từ đó đẩy ra toàn bộ cấu trúc

khung gia tốc. Phần giữa của bản phẳng có một lỗ tròn để cho chùm tia ra và các


lỗ khác để cho các đầu vào của các bộ phận điều khiển và nước làm mát… Tất cả
các cửa vào đã được thiết kế một cách cẩn thận để ngăn cản mọi sự rò rỉ khí SF6.
2.2. Khung sườn phụ trợ và vùng thế đỉnh.
- Khung sườn phụ trợ có cấu trúc phức hợp để nâng đỡ cho ống gia tốc,
vùng thế đỉnh cũng như các bộ phận cách điện, bộ phận phân thế giữa điện thế
đỉnh và thế nối đất.
- Vùng thể đỉnh chứa hệ tước (gas stripper) và phần cao thế cuối của quá
trình nạp điện, còn gọi là thế đỉnh (terminal). Một vỏ hình trụ nhẵn bóng bao
quanh các cấu trúc của vùng này, được gắn chặt bằng ốc vít.
2.3. Hệ chân không
Ống gia tốc, bộ tước, ống trôi ở phần cuối là những bộ phận của hệ chân
không. Các bộ phận này đều được làm từ kim loại và gốm, các vật liệu hỗ trợ
chân không cao.
Các máy bơm chân không cao được đặt ở gần lối vào và lối ra của buồng
gia tốc, các bơm chân không này cần phải là loại không thải ra các hơi hữu cơ
(Cryogenic pumps, ion pumps hay turbo molecular pumps). Cùng với đó là các
máy đo chân không, cần tránh vận hành buồng gia tốc nếu áp suất vượt qua
1x10-5 Torr, khi đó hiện tượng phóng điện sẽ xảy ra.
2.4. Ống gia tốc
Ống gia tốc tạo ra môi trường chân không cao cách ly với bên ngoài trên
đường gia tốc chùm tia nằm giữa thế đỉnh và thế nối đất. Nó được ghép từ các
phần khác nhau, mỗi phần được làm từ các miếng kim lọa xen kẽ nhau và các
vành gốm được liên kết chặt với nhau bằng một công đoạn đặc biệt. Mỗi phần
của ống gia tốc có thể chịu được điện thế cao và có thể duy trì chân không trong
ống ở mức dưới 5x10-8 Torr.

Ngoài ra, còn có các chi tiết hình khuyên làm bằng thép không rỉ được gắn
trên ống gia tốc ở mỗi khoảng ½ inch (1.27mm) còn được gọi là “spark gaps”,
trên các “spark gaps” này là các điện trở 555MΩ,5% được dùng để tuyến tính
hóa sự phân bố điện thế giữa thế đỉnh và thế nối đất. Điện trở có giá trị sao cho
dòng đi qua nó (column current) là 45 µA ở thế đỉnh gần đạt mức tối đa (2 MV).
Khoảng (gap) cuối được dùng để đo dòng này. Các điện trở ở ống gia tốc năng
lượng thấp (lối vào) có giá trị nhỏ hơn ở phần ống gia tốc ở lối ra.
2.5. Hệ thống tước electron (stripping system)
Vùng thể đỉnh của 5SDH-2 bao gồm một hệ thống khí tước electron
hoặc/và hệ thống foil tước, dùng để chuyển các ion âm tới thành các ion dương,
bằng cách cho chùm tia đi qua bia bằng khí nitơ hoặc phoi carbon, dẫn đến các
va chạm trao đổi điện tích.
Thiết kế chuẩn của hệ khi tước electron này có đường kính 7.9 mm, ống
dài 610mm bên trong và ống bơm đường kính 100mm. Một vách ngăn có khe hở
đường kính 5/16 inch để cho chùm tia sau khi được tước electron đi qua, đồng
thời ngăn cản hầu hết khí tước đi vào ống gia tốc.
Bộ phận khí tước electron của 5SDH-2 sử dụng bơm turbo-phân tử trên
vùng thế đỉnh để tuần hoàn khí tước. Vòng tuần hoàn này giúp giảm thiểu lượng
khí có thể đi vào ống gia tốc. Một “cái bẫy” đặc biệt chứa một loạt các tấm hấp
thụ, có tác dụng làm sạch các khí tuần hoàn trước khi nó trở lại bộ tước.

2.6. Hệ thống nạp điện
Việc nạp điện trong buồng gia tốc được thực hiện bởi một xích tải điện.
Xích tải điện được làm từ các khối hình trụ bằng kim loại và nối với nhau bằng
các miếng cách điện bằng nylon. Xích tải điện chạy giữa rãnh của một bánh đệm
truyền động nằm ở phần cuối buồng gia tốc và một bánh đệm nằm ở vùng thế
đỉnh.
Điện tích dương được cảm ứng trên mỗi khối kim loại (pellets) khi chúng
rời khỏi bánh đệm ở phần cuối buồng gia tốc bằng các cuộn cảm có thể tạo

chênh thế từ 0 đến -50 kV qua nguồn cấp điện nằm ở bản phẳng cuối buồng gia
tốc. Trước khi đi vào vùng thế đỉnh, các khối tích điện đi qua một con quay (pick
off puli) nhỏ. Ở đây một vài điện tích được rút ra khỏi các khối tích điện (Thông
qua lớp dẫn điện bằng polyurethane) và được truyền đến cuộn cảm ở phía bên
kia vòng quay. Khi các khối kim loại tích điện tiến đến rãnh bánh đệm thì chúng
chịu ảnh hưởng của bộ triệt (Suppressor) có tác dụng ngăn chặn sự đánh lửa giữa
các khối kim loại và rãnh bánh đệm ở chỗ tiếp xúc giữa chúng. Khi các khối kim
loại đi ra khỏi Suspressor, điện tích của chúng được trôi đều vào trong thế đỉnh ở
giữa bánh đệm, tạo ra cao thế ở vùng giữa thế đỉnh là tổng hợp của các điện tích
này. Khi các khối kim loại không còn tích điện rời khỏi bánh đệm vùng thế đỉnh,
chúng sẽ được nạp điện tích âm bởi cuộn cảm. Sau đó các khối điện tích này đi
qua một con quay khác mà sẽ lấy đi một ít điện tích của chúng để cấp cho
Suppressor. Khi đi đến đoạn cuối buồng gia tốc ở phía dưới, các khối kim loại
loại tích điện dương lại chịu ảnh hưởng của một Suppressor khác được tạo thế
dương bởi nguồn điện bên ngoài cấp vào (+50 kV).
2.7. Vôn kế phát (GENERATING VOLTMETER)
Vôn kết phát (GVM) là một thiết bị đơn giản làm nhiệm vụ phát một tín
hiệu tỉ lệ với điện thế đỉnh của buồng gia tốc. Nó gồm có một môtơ 3600 RPM
có thể xoay một cánh (vane) và bốn tấm phẳng tĩnh hình quạt, các tấm này sẽ
cảm ứng từ thế đỉnh của buồng gia tốc (thế AC), từ đó phát ra tín hiệu, tín hiệu
này đã được chỉnh lưu và khuếch đại, chuyển thành hiển thị số ở đầu ra của bộ
điều khiển thế/nạp điện.

3. Hệ chân không
Hệ chân không của hệ máy gia tốc HUS-5SDH-2 bao gồm các bơm turbo,
bơm sơ cấp (bơm dầu) và bộ điều khiển, đo đạc chân không. Các bơm turbo đi
kèm với bơm dầu cùng các bộ điều kiển, đo đạc được bố trí ở nguồn (RF), ở
vùng chùm tia năng lượng thấp, ở vùng chùm tia năng lượng cao, buồng phân
tích và buồng cấy ghép.

3.1. Bộ điều khiển trạm bơm turbo (các trạm bơm turbo khác ngoài bơm turbo ở
buồng phân tích)
Bộ điều khiển trạm bơm turbo khóa an toàn có tác dụng bảo vệ bằng khóa
an toàn cho một hoặc hai trạm bơm turbo. Các van bơm turbo, van cửa, van bơm
sơ cấp đều được khóa an toàn để vận hành một cách tự động và an toàn. Trong
quá trình tắt bơm turbo, các van cửa sẽ tự động đóng để bảo toàn nguyên vẹn hệ
thống chân không. Ngoài ra, các van bơm sơ cấp sẽ được đóng. Nguồn điện của
bơm turbo được khóa an toàn với van bơm sơ cấp, nhưng có thể được bỏ qua
(bypass) thông qua một công tắc khóa ở mặt sau của bộ điều khiển. Một đèn
LED xanh ở mặt trước sẽ sáng khi hệ điều khiển bơm turbo được cấp nguồn. Bộ
điều khiển này yêu cầu sự can thiệp của người vận hành để bật lại bơm turbo sau
khi gặp sự cố hư hỏng khóa an toàn hoặc sau khi bị mất nguồn điện xoay chiều.
Một đầu dây nối trên mặt sau của bộ điều khiển cung cấp các thông tin trạng thái
cho việc điều khiển từ xa của bộ điều khiển.
Ngoài việc cung cấp khả năng bảo vệ bằng khóa bảo vệ, bộ điều khiển này
còn cho phép điều khiển bằng tay cả van bơm sơ cấp và van cửa, bằng cách bỏ
qua (bypass) các khóa an toàn bằng với các công tắc ở mặt trước, khi đang trong
quá trình khởi động ban đầu của bơm turbo hoặc khi không đòi hỏi bảo vệ bằng
khóa an toàn. Một trạng thái LED màu đỏ sẽ chỉ rõ điều kiện bỏ qua(bypass)
này. Có một công tắc chọn ở mặt sau quyết định việc bộ điều khiển có tự động
trở về chế độ khóa an toàn (interlock) sau khi các điều kiện khóa an toàn được
thỏa mãn hay không.
3.2. Bộ điều khiển chân không buồng phân tích (RBS vaccum controller)
Bộ phận điều khiển chân không RBS tự động hóa các quá trình điều khiển
van chân không và ngăn ngừa các tai nạn về chân không có thể xảy ra do lỗi của
người vận hành và sự cố về nguồn điện. Bộ phận điều khiển sử dụng rơle logic
để định vị trí đóng mở của 6 van ở trạm phân tích cuối RBS. Ba thiết bị điều
khiển chân không gửi tín hiệu vào từ 6 điểm đến bộ điều khiển. Tín hiệu vào này

và các vị trí của các chốt chuyển (Switch) sẽ quyết định van nào được đóng, van


nào được mở. Các vị trí của van và trạng thái chân không được hiển thị rõ ràng
bởi hệ thống các LED được bố trí chặt chẽ trên bảng điều khiển của hệ.
Hệ điều khiển chân không RBS có chức năng như một thiết bị khóa an
toàn. Nó sẽ khóa an toàn các vị trí của van và các trạng thái chân không để ngăn
ngừa hư hại đến hệ chân không. Bộ phân điều khiển giúp người vận hành không
phải suy tính về các phương án an toàn, và người điều khiển cũng dễ dàng làm
quen với việc điều khiển hệ chân không với việc điều khiển thông qua hệ thống
sơ đồ trên mặt trước của bộ phận điều khiển chân không RBS. Mặc dù hầu hết
các tính năng bảo vệ đều được bộ phận điều khiển đảm nhận, nhưng người vận
hành vẫn cần phải có những chú ý an toàn khi vận hành hệ thống chân không
này.

4. Các bộ phận hội tụ, điều chỉnh chùm tia
Các bộ phân hội tụ điều chỉnh chùm tia trong hệ máy gia tốc HUS- 5-SDH
có thể chia thành ba thành phần:
Phần hội tụ, điều chỉnh chùm tia năng lượng thấp, chủ yếu bằng điện
trường .
Phần hội tụ, điều chỉnh chùm tia năng lượng cao, chủ yếu bằng từ trường.
Nam châm phun và nam châm chuyển kênh
4.1. Phần hội tụ, điều chỉnh chùm tia năng lượng thấp
Các bộ phận thuộc phần này nằm ở trước buồng gia tốc, gồm có: Bộ phận
hội tụ và gia tốc ban đầu ở nguồn RF – Thấu kính khe kép, thấu kính Einzel, bộ
phận lái chùm tia trục X-Y.
4.1.1. Bộ phận hội tụ ban đầu ở nguồn RF
Bộ phận hội tụ và gia tốc ban đầu ở nguồn RF - Thấu kính khe kép là một
thiết bị có chức năng gia tốc và hội tụ ban đầu chùm ion âm sau khi đi ra khỏi
Extractor. Do tính năng đặc biệt này nên bộ phận hội tụ và gia tốc ban đầu của

nguồn RF bao gồm hai thành phần chính:


Một thành phần tạo chênh thế (Bias) sử dụng các điện trở được bố trí so le
để tạo chênh lệch điện thế dọc theo đường đi của chùm tia, mức chênh thế là 15
kV.
Một thành phần hội tụ chùm tia có nguyên tắc làm việc của thấu kính
Einzel, gồm ba bản cực, một bản cực ở giữa được nối đất, hai bản cực hai bên
được nối với thế -15 kV. Giữa các bản cực được cách điện bằng gốm sứ, tạo ra
hai khoảng(khe) cách điện – nên bộ phận này còn gọi là thấu kính khe kép
(double gap lens)
4.1.2. Thấu kính Einzel
Thấu kính Einzel nằm ở phần giữa của nguồn và buồng gia tốc chính, có
nhiệm vụ hội tụ sơ bộ chùm tia vừa đi ra khỏi nguồn qua nam châm phun
(injector magnet). Cấu tạo của thấu kính Einzel gồm nhiều bộ bản cực điện như
đã đề cập ở phần thấu kính khe kép, tạo ra điện trường có tác dụng hội tụ chùm
tia, theo sơ đồ sau:

Hình 2: Sơ đồ thấu kính Einzel
Sự thay đổi vận tốc hướng tâm của hạt khi đi qua một cặp bản cực trong
thấu kính là :
[7]
Với z là trục tọa độ đi qua tâm của thấu kính, r là khoảng cách đến trục
này. Er là độ lớn điện trường theo phương hướng vào tâm phụ thuộc vào khoảng
cách đến trục z là r và tọa độ theo trục z. vz là vận tốc hạt , q là điện tích của hạt.


4.1.3. Bộ phận lái chùm tia trục X-Y
Thực chất bộ phận này gồm hai bản tụ điện , tạo ra điện trường đều có tác
dụng điều chỉnh hướng chùm ion khi đi qua nó. Được bố trí để điều chỉnh chùm

ion theo chiều ngang (Trục X) và theo chiều dọc (Trục Y).
4.2. Phần hội tụ, điều chỉnh chùm tia năng lượng cao
Khi chùm tia đi ra khỏi buồng gia tốc có năng lượng cao, vận tốc lớn thì
việc hội tụ, điều chỉnh bằng điện trường trở nên kém hiệu quả hơn, vì vậy ở vùng
chùm tia năng lượng cao, người ta sử dụng các bộ phận hội tụ, điều chỉnh chùm
tia sử dụng từ trường.
Phần hội tụ, điều chỉnh chùm tia năng lượng cao bao gồm các bộ phận:
Nam châm tứ cực – Thấu kính ghép đôi, bộ phận lái chùm tia trục Y.
4.2.1. Nam châm tứ cực – Thấu kính ghép đôi
Bộ phận này gồm hai nam châm tứ cực, tạo ra từ trường theo sơ đồ như
trên, khi đó chùm tia sẽ chịu lực Lorentz tác động hướng vào tâm, lực này hướng
theo phương X, vì vậy cần phải có thêm một nam châm khác hướng chùm tia hội
tụ theo phương Y, do đó bộ phận này bao gồm hai nam châm tứ cực xếp song
song nhau, đảm bảo hội tụ chùm tia từ mọi phía hướng vào tâm.


Hình 3: Sơ đồ nguyên lý nam châm tứ cực - ghép đôi

4.2.2. Bộ phận lái chùm tia trục Y
Bộ phận lái chùm tia trục Y ở vùng chùm tia năng lượng cao khác với bộ
phận lái chùm tia ở vùng chùm tia năng lượng thấp ở chỗ nó sử dụng từ trường
để lái chùm tia, bộ phân này gồm hai cuộn nam châm điện tạo từ trường có thể
điều chỉnh được có hướng sao cho tác dụng lực lên toàn bộ chùm tia để lái
hướng chùm tia dọc theo trục Y.
4.3. Nam châm phun và nam châm chuyển kênh
Nam châm phun và nam châm chuyển kênh đều có cùng một nguyên tắc
hoạt động, đó là lái chùm tia theo những góc nhất định bằng từ trường hướng từ
trên xuống dưới. Nam châm phun điều chỉnh hướng chùm tia từ một trong hai
nguồn RF và SNICS đi vào vùng chùm tia năng lượng thấp. Nam châm chuyển
kênh điều chỉnh hướng chùm tia đi từ vùng chùm tia năng lượng cao sau buồng

gia tốc ra các kênh phân tích.


5. Kênh phân tích, kênh cấy ghép
5.1. Kênh phân tích
Kênh phân tích nằm ở góc [?] độ so với hướng chùm tia đi ra khỏi buồng
gia tốc, đi từ nam châm chuyển kênh đến cuối buồng chiếu mẫu, có các bộ phận
sau:
• Van cửa B1
• Khe đơn, khe kép để điều chỉnh độ rộng
• Bộ giám sát mặt cắt chùm tia (Beam profile monitor)
• Lồng Faraday B1
• Van cửa cách ly buồng chiếu
• Buồng chiếu mẫu

5.1.1. Bộ giám sát mặt cắt chùm tia (Beam profile monitor)
Bộ điều chỉnh mặt cắt chùm tia Model BPM-8 là thiết bị để đo phân bố
cường độ cũng như vị trí của chùm hạt tích điện. Nó có thể được sử dụng với cả
ion âm và dương hay với các electron.


Hình 4: Bộ phận Beam profile monitor
Bộ phận này là một dây kim loại được uốn cong thành một vành , vành
này xoay quanh trục giữa với tần số khoảng 19 cps để có thể quét qua toàn bộ
tiết diện chùm tia ở hai phía đối diện với nhau trong mỗi vòng.
Từ việc đo dòng electron thứ cấp được giải phóng từ vành khi nó quay
quét qua chùm tia và chặn một phần nhỏ chùm tia, sẽ xác định được cường độ
chùm tia mỗi lúc. Các tín hiệu thu được sau đó sẽ được hiển thị trên dao động
ký.

5.1.2. Buồng chiếu mẫu
Là một trong những bộ phận chính của hệ máy gia tốc HUS-5SDH-2, đáp
ứng yêu cầu của các phép phân tích RBS, NRA, PIXE, phân kênh Ion, buồng
chiếu mẫu là phức hợp của các bộ phận chân không, các detector, camera thay
mẫu, giá đặt mẫu, các mô tơ điều chỉnh vị trí của mẫu.

Hình 5: Sơ đồ buồng phân tích, các detector và vị trí của chúng


5.2. Kênh cấy ghép
Kênh cấy ghép nằm ở góc [?] độ so với hướng chùm tia đi ra khỏi buồng
gia tốc, phần quan trọng nhất của kênh cấy ghép là phần điều chỉnh, quét chùm
tia, đi từ nam châm chuyển kênh đến cuối buồng cấy ghép, có các bộ phận sau:
• Van cửa A1
• Bộ điều chỉnh mặt cắt chùm tia (Beam profile monitor)
• Khe đơn- Bộ điều chỉnh năng lượng
• Lồng Faraday A1
• Các bộ phận quét chùm tia: Máy quét dòng, Bộ phận trung gian bẫy,
làm lệch chùm tia
• Van cách ly buồng cấy ghép
• Buồng cấy ghép
Một bộ phận đáng chú ý trong kênh cấy ghép là các bộ phận quét chùm
tia, trong đó có máy quét dòng. Máy quét dòng điện từ - Model ERS-7 là một bộ
gồm bốn bản lái hướng trong khoang kín có chân không cao, được sử dụng để
làm lệch hướng, tạo hình mặt cắt của chùm ion bằng điện thế cao được cấp cho
bốn bản lái hướng này.

PHẦN II: QUY TRÌNH VẬN HÀNH HỆ MÁY GIA TỐC HUS5SDH-2

1. Các quy tắc an toàn

1.1. Các bộ phận nói chung
Các nguy hiểm có thể gặp phải ở:


- Các bộ phận nặng
- Điện thế nguy hiểm ở các bộ phận điện tử.
- Các chất lỏng có áp suất cao
- Các chất khí có áp suất cao
- Các kim loại kiềm hoạt động mạnh
- Các bộ phận quay và các bộ phận dẫn động
- Độ ồn của máy móc
- Các bề mặt nóng
- Các bức xạ do ion hóa
Trong quá trình vận hành và bảo trì bảo dưỡng cần chú ý những điểm sau:

1.2.1. Đề phòng nguy hiểm trên các thiết bị điện
- Đối với các lồng bảo vệ:
+ Đối những bộ phận của hệ thống vận hành ở điện thế nguy hiểm được
bao bởi lồng bảo vệ, lồng này sử dụng những vật liệu bao bọc chắc chắn và hệ
đo an toàn gồm các thanh tự động nối đất khi mở lồng, khóa ở cửa lồng, các
công tắc khóa interlock an toàn ở bàn điều khiển có thể tắt cao thế, các nút
emergency stop và các móc nối đất.
+ Không bao giờ vận hành các thành phần cao thế của thiết bị khi lồng bảo
vệ không được đóng. Các dây nối đất phải được kết nối với tất cả các panel và
được nối đất đúng.
+ Không bao giờ tiến hành một bypass hoặc vô hiệu các thanh nối đất tự
động, hay các công tắc interlock an toàn.
+ Nhớ vị trí của các nút emergency stop để đề phòng trường hợp khẩn cấp.
+ Khi cần phải mở lồng bảo vệ, luôn tiến hành theo các bước sau:
•

Đầu tiên LUÔN LUÔN TẮT nguồn cấp điện cho cao thế.


•
Sử dụng chiều khóa để mở lồng từ bàn điều khiển, việc này tắt
nguồn cung cấp cao thế một lần nữa.
Trên hệ thống có nhiều lồng bảo vệ, có những công tắc khóa riêng biệt
nhưng có chung chìa khóa.
•
tự động

Mở cửa lồng, để chìa khóa ở cửa lồng, kiểm tra lại các thanh nối đất

•

Nối đất bằng tay vùng cao thế bằng thanh móc

•

Khi thao tác xong, làm ngược lại như trên.

- Tuân thủ quy tắc an toàn đối với các thiết bị điện tử được đề cập ở phần
sau.

1.2.2. Đề phong nguy hiểm trên các thiết bị chịu áp suất
a. Vận hành
- Trước khi nối các đường phục vụ với các thiết bị chịu áp suất phải bảo
đảm rằng tất cả các đầu nối, các ống và các bộ phận ở đúng vị trí của nó và được
vặn chặt một cách an toàn.

- Thận trọng khi kết nối các đường chịu áp suất vào - ra. Chỉ dùng các
đường chịu áp suất phù hợp với mức chịu áp suất đối với chất lỏng hay chất khí
của nó.
- Chắc chắn rằng các chất khí/lỏng được kết nối vào các điểm được chỉ
định.
- Khi vận hành các thiết bị ở trong điều kiện có áp suất cao, cần bảo đảm
rằng tất cả các đầu nối, các đường dẫn và các bộ phận không bị rò rỉ.
- Không bao giờ vận hành cách thiết bị theo những cách không có trong
hướng dẫn sử dụng.
b. Bảo trì


- Khi các lối vào chịu áp lực được tắt đi hoặc một thiết bị được tắt đi, áp
suất còn lại vẫn được duy trì bên trong nó. Tuân theo các trình tự để giảm áp suất
thích hợp trên hướng dẫn sử dụng trước khi nới lỏng bất cứ bộ chịu áp suất nào.
- Chú ý đến danh sách các thiết bị, sơ đồ, hình vẽ.

1.2.3. Các bộ phận quay và các bộ phận dẫn động
Có rất nhiều các bộ phận trong buồng gia tốc hoạt động bởi các mô tơ điện
hoặc các bộ phận truyền động bằng điện hoặc khí nén. Nếu không có các thiết bị
bảo vệ, trong quá trình vận hành các bộ phận này có thể gây ra rủi ro như bị vỡ,
méo, đứt gãy hoặc bị mòn. Vì vậy các bộ phận này đều có các bộ phận bảo vệ
như các lồng, các khoang kín hoặc có thể cả các bình chịu áp lực.
Một số thiết bị có thể có cạnh sắc, xem các cảnh báo trên sách hướng dẫn
để tránh tai nạn xảy ra.
Một vài thiết bị có thể tạo ra độ ồn lớn, xem các cảnh báo trong sách
hướng dẫn sử dụng và các nhãn, các ký hiệu an toàn. Khi độ ồn vượt quá 85 dB,
cần phải có thiết bị bảo vệ tai thích hợp.
Một vài hệ thống có trang bị các bục bệ di động được, tuân theo các chỉ
dẫn an toàn đối với các thiết bị này.

a. Trong vận hành
Luôn vận hành các thiết bị với các bộ phận bảo vệ được bọc chắc một
cách an toàn. Không bao giờ bypass hoặc chỉnh sửa các chức năng bảo vệ của bộ
phận này. Đeo dụng cụ bảo vệ tai thích hợp nếu cần thiết.
b. Trong bảo trì
Khi cần thiết phải gỡ bỏ bộ phận bảo vệ để bảo trình, tuân theo trình tự
các bước như sau:
- Nếu có khóa, hãy mở nó và giữ nguyên chìa khóa ở vị trí đó.
- Tất cả các công tắc khóa phải được đánh dấu tên người bảo trì, ngày
tháng


- Ở những thiết bị không có khóa, hãy ngắt nguồn điện và/hoặc nguồn cấp
khí nén trong suốt quá trình bảo trì
- Khi quá trình bảo trì kết thúc và các bộ phận bảo vệ được lắp lại một
cách an toàn mới đóng khóa lại và khôi phục lại nguồn điện và nguồn cấp khí
nén.
1.2.4. Các bề mặt nóng
Một số thiết bị trong hệ máy gia tốc có thể tăng nhiệt độ đến mức gây
bỏng khi tiếp xúc, cần chú ý đến nhãn cảnh báo sau
a.Trong vận hành
Trong quá trình vận hành, không được tiếp xúc trực tiếp với các thiết bị
khác ngoài hệ thống điều khiển thông thường. Các bề mặt có thể bị nóng đều có
các nhãn an toàn.
b. Trong bảo trì
Trong quá trình bảo trì đối với các thiết bị nóng, cần phải ngắt nguồn điện
và để một thời gian để thiết bị đó nguội đi, trở về nhiệt độ phòng. Kiểm tra nhiệt
độ trước khi tiến hành bảo trì.
1.2.5. Các bức xạ ion hóa
Một vài hệ gia tốc NEC có thể phát ra bức xạ ion hóa phụ thuộc vào điều

kiện vận hành. Bức xạ này chỉ xuất hiện ở khi vận hành những nguồn năng
lượng cao, ở những khu vực như cao thế đỉnh, khung sườn phụ trợ. Không có
đồng vị phóng xạ nào được sử dụng trên hệ máy gia tốc NEC, vì vậy phóng xạ
chỉ có thể phát ra khi hệ thống được cấp điện.
Người điều hành hệ thống có thể điều khiển, giám sát các nguồn gây ra
bức xạ trên hệ máy gia tốc. Cần có các detector, các bộ đo bức xạ cần thiết...


1.2. Đối với các nguồn ion
- Cả hai nguồn ion đầu có bể chứa kim loại kiềm(Rb,Cs) có độ phản ứng
cao được nung nóng bằng điện.
- Cần phải cẩn thận khi vận hành để tránh tiếp xúc với các bề mặt nóng
của thiết bị để tránh bị bỏng.
- Các kim loại kiềm phản ứng rất mạnh với nước nên trong quá trình bảo
trì phải tuân theo chỉ dẫn một cách chính xác để tránh bị bỏng do tiếp xúc với các
kim loại kiềm này. Nếu để một lượng lớn kim loại kiềm này vào trong nước có
thể gây nổ.
- Trong quá trình vận hành, cần chú ý đến những điểm sau:
+ Dưới những điều kiện vận hành bình thường, các kim loại kiềm được
chứa toàn bộ trong buồng kín được hút chân không.
+ Không bao giờ vận hành khối thiết bị này theo cách mà không được chỉ
dẫn trong tài liệu hướng dẫn.
+ Luôn tuân thủ các giá trị của bộ gia nhiệt và các nhiệt độ được chỉ dẫn
trong tài liệu
+ Không được chạm vào các bề mặt nóng khi mà bộ gia nhiệt chưa được
tắt và chưa đợi đủ thời gian để khối thiết bị nguội đi.
+ Luôn duy trì khối thiết bị này ở trong môi trường chân không khi không
tiến hành bảo trì bảo dưỡng. Sự cố trong việc duy trì chân không có thể dẫn đến
các kim loại kiềm tiếp xúc với không khí, nhất là với không khí ấm có thể dẫn
đến cháy nổ tức thì.

- Trong quá trình bảo trì , cần chú ý đến các điểm sau:
+ Việc mở khoang kín chân không sẽ làm cho các kim loại kiềm hoạt động
mạnh tác dụng với hơi nước bên ngoài không khí dẫn đến cháy tức thì. Những
lỗi khi thao tác có thể dẫn đến cháy nổ.


+ Nếu kim loại kiềm tiếp xúc với da hoặc quần áo, rửa sạch chỗ tiếp xúc
thật nhiều nước. Nếu kim loại kiềm tiếp xúc với mắt, mũi hoặc miệng, cần rửa
sạch bằng nước và đưa ngay đến cơ sở y tế.
+ Không bao giờ được gỡ bỏ các nhãn cảnh báo trên thiết bị. Thay thế các
nhãn bị mất hoặc bị hỏng ngay (liên hệ hãng)
+ Đợi một thời gian đủ để thiết bị được làm nguội hoàn toàn sau khi vận
hành.
+ Khi mở khoang kín chân không chỉ được để phần chứa chân không mở
thông với khí Argon. KHÔNG được sử dụng khí Nitow hoặc các loại khí khác.
+ Duy trì khí trơ chảy trong thiết bị trong khi khoang kín chân không được
mở ra.
+ Tháo lò nung (Oven): Khi lò nung được tháo ra trong điều kiện có khí
quyển trơ, cẩn thận bịt kín nó trước khi đưa ra khỏi dòng khí trơ.
+ Làm sạch lò nung và nạp lại: Chú ý lò nung có thể chứa một lượng kim
loại kiềm có thể phản ứng với nước.
+ Làm sạch nguồn ion và các thấu kính: Nguồn ion và các thấu kính có thể
có một lượng nhỏ kim loại kiềm ở bề mặt bên trong. Việc lau rửa bằng nước có
thể dẫn đến các phải ứng nhỏ kèm theo những tiếng động nhỏ (những tiếng xì
xèo, lốp bốp nhỏ), tuy nhiên với lượng nhỏ như vậy thì sẽ không gây ra nổ. Cần
duy trì thông khí trong suốt quá trình làm sạch và đầu tiên CHỈ súc, rửa các bề
mặt bên trong bằng nướng, sau đó mới dùng một dung dịch như cồn. KHÔNG
được sử dụng các dung dịch trước.
+ Lắp lại lò nung: Chắc chắn rằng có khí trơ đang chảy trong nguồn ion,
CHỈ mở nắp lò nung dưới điều kiện có dòng khí trơ đi qua. Vặn chặt an toàn lò

nung với nguồn bằng cái miếng đệm mới.
+ Luôn sử dụng sách hướng dẫn của hãng, các sơ đồ, danh sách các thiết
bị và chi tiết về thiết bị đó.
- Đối với nguồn RF, cần chú ý các điểm sau đây trong các tình huống
nguy hiểm có thể xảy ra do vận hành, bảo trì và hỏng hóc các thiết bị


+ Nguồn RF sử dụng nguồn cấp điện có điện thế cao và có bộ phận tạo
dao động năng lượng, tần số cao. Luôn luôn tắt tất cả các nguồn điện cấp trong
suốt quá trình bảo trì hoặc điều chỉnh. Nói chung các nguồn điện cấp này bao
gồm nguồn điện cấp cho Probe(đầu dò), cho Bias, Extractor, bộ phận hội tụ, bộ
tạo dao động, nam châm, lò nung. Sử dụng móc nối đất các thiết bị trong suốt
quá trình bảo trì hoặc lúc lồng kim loại an toàn bao ngoài nguồn được mở ra.
+ Kim loại Rubidium được sử dụng trong bộ trao đổi điện tích có thể phản
ứng với nước hoặc hơi ẩm từ không khí, phản ứng này có thể làm bắn các giọt
nhỏ rubidium ra ngoài có thể gây bỏng da. Vì vậy các thao tác trên các bộ phận
chứa khí rubidium cần phải được tiến hành trong túi kín(hoặc hộp kín) có găng
tay được bơm đầy khí argon.
+ Các thành phần của nguồn ion như lò nung, các thanh trao đổi điện tích,
nam châm, ống thạch anh, bộ phận tạo dao động sẽ rất nóng trong quá trình vận
hành bình thường, nên phải đợi một thời gian để làm lạnh các bộ phận đó trước
khi tiến hành bảo trì.
+ Dưới các điều kiện cụ thể, lỗ thoát nhỏ (exit canal) của nguồn ion có thể
bị bịt bởi chất rubidium, khi đó các khí thoát ra từ van định lượng có thể gây nên
sự tăng áp suất trong bình phóng điện thạch anh. Sự tăng áp suất này dẫn đến
plasma ở đó trở nên quá nhiệt khi nguồn được vận hành, làm chảy thạch anh ở
nơi quá nhiệt. Để ngăn chặn điều này xảy ra một van giảm áp suất phải được cài
đặt ở phần đường dẫn đến nguồn khí.Cũng như vậy khi mở van định lượng, luôn
luôn quan sát xem có sự gia tăng áp suất được đo bởi áp kế ion trên đường dẫn
chùm tia để chắc chắn rằng khí được thông suốt trong nguồn

+ Hộp bảo vệ nguồn chứa trong đó bộ phận tạo dao động 100 MHZ có thể
phát bức xạ RF đủ để gây hỏng các bộ phận điện khác. Vì vậy hộp bảo vệ nguồn
bao quanh nó phải được gắn vào đúng chỗ khi bộ phận tạo dao động được cấp
điện

1.3. Đối với các thiết bị điện tử
- Trước khi kết nối với nguồn đầu vào AC, chắc chắn rằng tất cả các vỏ
bọc bảo vệ đã ở vị trí của chúng và được bọc chắc một cách an toàn. Bảo đảm


rằng các bộ phận nối đất an toàn với bệ máy đã được cài đặt và có đủ lượng chất
làm lạnh cung cấp cho thiết bị.
- Cần có các đầu nối đất thích hợp từ nguồn AC đầu vào để giảm thiểu
nguy cơ sock điện và để tuân theo các tiêu chuẩn an toàn cơ bản.
- Cẩn thận khi kết nối nguồn AC vào bộ phận điện tử, chỉ cấp thế đầu vào
được chỉ định trên nhãn định mức (rating label) thế đầu vào (Ví dụ các bộ phận
điện tử thường được chỉ định thế đầu vào 110 V hay 220 V)
- Cẩn thận khi kết nối các cáp điện thế cao. Không bao giờ được cầm vào
các dây cáp cao thế khi nó đang có điện.
- Sau khi thiết bị được ngắt nguồn, có thể vẫn còn điện áp nguy hiểm ở các
đầu ra. Cần phải đợi đủ thời gian cho quá trình tự phóng điện trước khi có thể
cầm vào mọi bộ phận kết nối với đầu ra. Cần tính toán cẩn thận khoảng thời gian
yêu cầu này, ngoài ra sử dụng các công cụ nối đất nếu có thể.
- Đối với các thiết bị có cầu chì bảo vệ mà có thể bảo trì được, phải
thường xuyên thay các cầu chì đó bằng các cầu chì có cùng kiểu và cùng mức
điện thế/dòng.
- Không bao giờ vận hành thiết bị theo các cách không được chỉ dẫn trong
tài liệu
- Không bao giờ gỡ bỏ các nhãn cảnh báo trên các thiết bị. Thay thế ngay
các nhãn đó nếu chúng bị mất hoặc hỏng (liên hệ với hãng NEC)

2. Hệ điều khiển AccelNET
Người vận hành tương tác với hệ điều khiển máy gia tốc bằng cách sử
dụng các trạm làm việc (workstation). Một trạm làm việc gồm có một máy tính,
bàn phím, chuột, và có thể có một hệ thống đồng hồ đo/núm vặn gán giá trị
được. Trạm làm việc này cũng có thể được kết nối với CAMAC (Computer
Automated Measurement and Control - Hệ thống đo lường là điều khiển tự
động) hoặc các kiểu thu thập dữ liệu khác. Bất kỳ trạm làm việc nào cũng có thể
truy cập mọi thông số trong hệ thống và thay đổi thông số đó nếu nó được phân
quyền ghi dữ liệu.