Máy Gia tốc vòng MICROTRON

MICROTRON
GV:

Đặng Thúy Hằng

SV:

Nguyễn Mai Chi
Nguyễn Hồng Lam
Phạm Thị Ngọc
Lê Thùy Trang


Nội dung báo cáo
I- Giới thiệu chung về máy gia tốc
1, Định nghĩa và nguyên lí gia tốc hạt
2, Phân loại
3, Ứng dụng
II- Microtron
1, Cấu tạo
2, Nguyên lí hoạt động
3, Ứng dụng máy Microtron
III- Giới thiệu về Racetrack Microtron (RMT)
IV- So sánh 1 số máy gia tốc vòng
V- So sánh máy Microtron với máy gia tốc thẳng (linac)


I- Giới thiệu chung
1, Định nghĩa và nguyên lý gia tốc hạt
 Định nghĩa: Thiết bị dùng điện trường hay cả điện trường và từ trường để tăng tốc các hạt tích điện được gọi là
máy gia tốc hạt.

 Nguyên lí gia tốc hạt: các hạt tĩnh điện cần được gia tốc được đưa vào máy gia tốc. Dưới tác động của điện
trường, từ trường chúng chuẩn trực vào 1 tia và chuyển động theo quỹ đạo xác định trong chân không cho tới khi
đạt được động năng cần thiết. Khi đó chùm tia được tách khỏi máy gia tốc hoặc sử dụng để bắn phá mục tiêu tạo
hiệu quả mong muốn.
2, Phân loại
 Máy gia tốc thẳng: là loại máy gia tốc cổ: cho chùm hạt mang điện đi qua dãy nối tiếp các miền trong đó có điện
trường, các hạt mang điện sẽ được tăng tốc nhờ điện trường và các hạt mang điện có thể có năng lượng khoảng
vài trăm MeV.
 Máy gia tốc vòng: là máy gia tốc trong đó các hạt chuyển động theo đường vòng. Để buộc các hạt chuyển động
theo đường vòng, người ta dùng từ trường của các nam châm có dạng thích hợp để uốn cong quỹ đạo của hạt. Và
dùng điện trường để tăng tốc hạt.
Một số máy gia tốc vòng: Betatron, Cyclotron, Microtron, Synchrotron.


I- Giới thiệu chung
3, Ứng dụng các máy gia tốc


II- Microtron
1, Cấu tạo


II- Microtron
1, Cấu tạo:

 Buồng gia tốc:
- Có dạng hình trong chân không cao (~3x10^-6 torr) được
nối với nam châm điện để tạo 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

vào năng lượng chùm điện tử cần gia tốc.
- Từ trường trong Microtron thường khoảng 2-3 KOestese.
- Yêu cầu về độ đồng nhất của từ trường phụ thuộc vào số
quỹ đạo của hạt:
Trong đó: B là từ trường trong máy
N là số quỹ đạo
 Cần tăng độ đồng nhất của từ trường đối với máy gia tốc có
số quỹ đạo lớn.


II- Microtron
1, Cấu tạo:

 Hộp cộng hưởng:
- Là 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.
- Thường được chế tạo bằng đồng nguyên
chất, hoạt động của hộp cộng hưởng đòi
hỏi điều kiện chân không cao (~2x10^-6
mmHg).

 Nguồn phát xạ electron:


II- Microtron
1, Cấu tạo:

  Nguồn phát xạ electron:

- Thường là súng phóng điện tử (electron gun) với
catot làm bằng chất LaB6 (là 1 hợp chất rắn có
dạng tinh thể nhỏ, nhiệt độ nóng chảy 2200ᵒC, độ
dẫn điện cao và hiệu suất phát xạ điện tử lớn và
ổn định trong điện trường xoay chiều cường độ
lớn).
- Nguồn phát e lắp trực tiếp trong buồng gia tốc và
gắn với hộp cộng hưởng.
- Trong điện trường của hộp cộng hưởng
Microtron mật độ dòng phát xạ đạt đến 100-200
A/.
- Trong điện trường của hộp cộng hưởng
Microtron mật độ dòng phát xạ đạt đến 100-200
A/.


II- Microtron
1, Cấu tạo:

 Nguồn phát xạ cao tần:
- Hệ siêu cao tần của Microtron bao gồm nguồn phát sóng, ống dẫn sóng và hộp cộng hưởng.
- Hầu hết các hệ sóng cao tần (RF) trong Microtron có bước sóng 10 cm. Thường dùng 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 1-5µs.
 Ống dẫn sóng: có chức năng truyền đi với hiệu suất lớn và ổn định sóng cao tần từ nguồn phát cao tần
và hộp cộng hưởng nơi mà các điện tử được gia tốc.
 Bơm chân không: bơm hút chân không cho máy gia tốc
 Kênh ra: kênh ra của chùm hạt sau khi được gia tốc.

II- Microtron

2, Nguyên lí hoạt động
 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.
 Máy Microtron là máy gia tốc hạt tương đối tính theo nguyên lí đồng pha tự động, chỉ phù hợp với các
hạt nhẹ như e và p.
 Hạt chuyển động theo quỹ đạo trong có 1 tiếp điểm chung.
 Tại tiếp điểm người ta đặt một hộp cộng hưởng mà điện trường siêu cao tần gia tốc các điện từ. Hộp
cộng hưởng được kích thích bằng 1 nguồn dao động siêu cao tần công suất lớn là đèn magnetron xung
công suất hàng trăm kW.
 Mỗi lần đi qua hộp cộng hưởng các điện tử nhận được 1 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 1 kênh từ (kênh ra).
 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.


II- Microtron

 Nguyên
 
2,
lý hoạt động

 Điều kiện đồng bộ trong Microtron:
trong đó: µ,ν là các số nguyên
là một số nguyên của chu kì sóng cao tần
: Năng lượng dừng của hạt

 Khi điều kiện đồng bộ thỏa mãn, điện tử đi qua hộp cộng hưởng cùng pha với trường siêu cao tần.
 Ta có :
Với

B: từ trường trong máy
: Năng lượng dừng của hạt(=mc^2)

Ω là thông số đặc trưng cơ bản của chế độ gia tốc với rất nhiều tính chất cơ bản của máy
gia tốc liên quan tới thông số này.
 Trường cyclotron được xác định bằng chu kì của trường gia tốc:


II- Microtron
 Nguyên
 
2,
lý hoạt động
 Bằng việc sử dụng tham số Ω, điều kiện đồng bộ có thể viết:
Г là năng lượng toàn phần tính bằng năng lượng dừng, năng lượng tương đối của điện tử trên quỹ đạo thứ n bằng:
>> Như vậy năng lượng toàn phần phụ thuộc vào số quỹ đạo và cường độ từ trường.
 Trong các máy gia tốc khác sự gia tăng năng lượng qua 1 vòng quay là rất nhỏ, vì vậy số vòng quay là rất lớn, với
Microtron số vòng quay nhỏ hơn đáng kể và không vượt quá 60.
 Khi ∆Г~1 cường độ điện trường gia tốc gần bằng cường độ từ trường B
 Độ gia tăng đường kính quỹ đạo hạt: ∆D =
 Microtron cho chùm e với cường độ cao, độ phân tán nhỏ và phân giải năng lượng rất tốt.
 Tóm lại: trong một máy gia tốc Microtron, các electron xoay trong một từ trường đều và tăng tốc mỗi khi đi
qua điện trường của khoang máy gia tốc. Khi các e tăng tốc đạt được một mức độ năng lượng xác định trước,
chúng bị đưa ra ngoai qua 1 kênh ra.

II- Microtron
 Một số máy gia tốc Microtron


Một số đặc trưng của 1 số máy gia tốc Microtron trong xạ trị y tế

Đặc tính

Microtron M22

Microtron M10

Microtron M20

Số quỹ đạo

22

10

20

Năng lượng e lớn nhất ở đầu ra

22

10

20

Từ trường, T

0,2

0,2

0,2

Đường kính nam châm, m

1,27

0,65

0,96

Nguồn xung RF, MW

1,6

2,5

2,5

Tần số RF, GHz

2,8

2,8

2,8

Chiều rộng xung, µs

3

3

3

Năng lượng cho điều trị ung thư, MeV

8,12,15,18,20,22

2,4,6,8,10

6,9,12,15,18,20


Một số đặc trưng của 1 số máy gia tốc Microtron trong xạ trị y tế

Đặc tính

Microtron M22

Microtron M10

Microtron M22

Liều lượng thuốc lớn

nhất, Gy/s
Electrons
Photons

0,083
0,05

0,083
0,05

0,083
0,05

Năng lượng photon lớn
nhất, MV

20

8 hoặc 10

15,18 hoặc 20

Kích thước lớn nhất của
vùng mà chùm tia đi qua,
cm^2
Electrons
Photons

20x20
30x30

20x20
30x30

20x20
30x30

Nguồn AC, kW

26

15

20

Lượng nước làm mát,
l/phút

20

15

20

Máy tính điều khiển

Không

Có

Có


II- Microtron
3, Ứng dụng Microtron
- Vật lý hạt nhân
- Máy bơm cho vòng lưu trữ và synchrotron
- Ứng dụng y tế (xạ trị)
- Ứng dụng công nghiệp (ví dụ như chụp X quang và bức xạ điều trị).


III- Giới thiệu Racetrack Microtron (RMT)

 Vì máy 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. Mặt khác số quỹ đạo bị hạn chế bới sự
không đồng nhất của từ trường.
 Để khắc phục các hạn chế này người ta chế tạo máy RMT có thể gia tốc hạt lên tới hàng trăm
MeV.
 Máy RMT bao gồm 2 nam châm tạo từ trường đồng nhất và một máy gia tốc thẳng đặt tại
phần thẳng giữa 2 cực có khả năng nhận năng lượng gia tốc lớn hơn trong Microtron vòng.
 Các nam châm uốn dòng 180ᵒ đặt đối diện nhau và cách nhau một khoảng cách lớn so với kích
thước của chúng.
 Các e được đưa vào linac từ một súng bắn e, đôi khi từ 1 máy gia tốc sơ cấp khác.
 Các e 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.


III- Giới thiệu Racetrack Microtron (RMT)

  Vấn đề đối với máy RMT:

+ Bán kính quỹ đạo thứ nhất có thể không đủ lớn để có thể xem như cấu trúc linac.
+ Các e 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.
 Điều kiện cộng hưởng:
∆E: năng lượng hạt nhận được qua hốc cộng hưởng RF
: bước sóng cao tần
n: số nguyên
H: cường độ từ trường lưỡng cực
 Điều kiện cộng hưởng: độ gia tăng quãng đường đi của hạt qua mỗi quỹ đạo là một bội số
nguyên của bước sóng.


III- Giới thiệu Racetrack Microtron (RMT)

Clip


III- Giới thiệu Racetrack Microtron (RMT)
 Một số máy RMT


III- Giới thiệu Racetrack Microtron (RTM)
 Ứng dụng RTM
- Máy bơm vòng lưu trữ và synchrotron
- Vật lý hạt nhân.
- Ứng dụng công nghiệp, ví dụ chụp X quang và điều trị bức xạ electron.
- Ứng dụng y tế: xạ trị, nơi năng lượng cao và chất lượng chùm tốt
được sử dụng cho kỹ thuật chùm quét tia. Các năng lượng cao có sẵn cũng
sản xuất các chất đồng vị sống ngắn từ phản ứng quang hạt nhân.

- Ứng dụng trong giải phóng điện tử laser.


IV- So sánh betatron, cyclotron, microtron, synchrotron
Tiêu chí so sánh

Cyclotron

Betatron

Microtron

Synchrotron

Nguyên lí gia tốc
hạt

Gia tốc hạt bằng
điện trường tần số
cao (RF) không
đổi trong một từ
trường đồng nhất.
Các hạt xoay trôn
ốc theo sự điều
khiển của từ
trường.

Gia tốc hạt bằng
lực điện động cảm
ứng: gia tốc hạt

cần có từ trường
có từ thông biến
thiên (trường gia
tốc).

Gia tốc hạt tương
đối tính theo
nguyên lí đồng pha
tự động

-Ban đầu được gia
tốc bằng từ thông
biến thiên
-Khi năng lượng
đạt 1MeV thì gia
tốc bằng điện
trường xoay chiều

Các loại hạt được
gia tốc

Các hạt proton và
các ion nặng

Các hạt nhẹ là các
điện tử

Các hạt nhẹ
Các proton
electron và positon

Quỹ đạo chuyển
động của hạt

Quỹ đạo tròn, mỗi
chu kì gồm 2 vòng
quay

Quỹ đạo tròn có
bán kính không
đổi

Quỹ đạo tròn có 1
tiếp điểm chung

Quỹ đạo tròn cố
định


IV- So sánh betatron, cyclotron, microtron, synchrotron

Tiêu chí so sánh

Cyclotron

Năng lượng các photon Năng lượng cao nhất
khoảng 600MeV

Betatron

Microtron

Synchrotron

Năng lượng phụ thuộc Năng lượng phụ thuộc Năng lượng lớn hơn rất
giá trị tuyệt đối của từ vào số quỹ đạo và cường nhiều, có thể tới vài GeV
thông trên quỹ đạo
độ từ trường. Năng
và cao hơn
chuyển động và thời gian lượng giới hạn khoảng từ
quay 1 quỹ đạo. Năng 8 đến 20MeV
lượng giới hạn khoảng
500MeV
Loại nam châm sử dụng Nam châm hội tụ quạt và Nam châm có dạng đặc Nam châm điện có kích Dạng hình nhẫn, tạo ra
nam châm truyền thống biệt
thước phụ thuộc năng
từ trường gia tốc ban
lượng chùm tia cần gia đầu, và điều khiển
tốc
chuyển động quỹ đạo
tròn
Hạn chế
Các hạt không thể đi qua Cần một trường điều
Có kích thước lớn và
Chu trình hoạt động
khe gia tốc đúng thời
khiển có dạng đặc biệt nặng do cường độ trường phức tạp, thông lượng
điểm cần thiết
do để giữ cho hạt chuyển cyclotron thấp. Ngoài ra dòng trung bình thấp
động theo quỹ đạo tròn số quỹ đạo bị hạn chế

có bán kính xác định.
bởi sự không đồng nhất
của từ trường.


V- So sánh Microtron và Linac
4 MeV Microtron

4 MeV Linac


V- So sánh Microtron và Linac
4 MeV Microtron

4 MeV Linac

Các e di chuyển dưới từ trường đồng nhất và
được tăng tốc khi đi qua khoang.

Các e được bó trước bới khoang tụ nhóm cho
phù hợp với giai đoạn tăng tốc trong khoang.

Các e được lấy ra bởi các kênh lá chắn từ
trường sau khi đạt được năng lượng cần thiết.

Các e được gia tốc khi đi qua tế bào gia tốc
tuyến tính.

Năng lượng điện tử được xác định bởi hình
dạng giữa điểm gia tốc, kênh chọn lọc và từ

trường

Các e được chọn lọc thông qua các lỗ thoát,
năng lượng điện tử được xác định bởi công suất
RF

Các e năng lượng thấp không được chọn

Các e năng lượng thấp cũng được gia tốc

Chênh lệch năng lượng nhỏ hơn 2%

Chênh lệch năng lượng lớn hơn 4%