Đề tài về máy gia tốc vòng MICROTRON

MICROTRON
Giáo viên hướng dẫn: Đặng Thúy Hằng
Sinh viên thực hiện: 1, Nguyễn Mai Chi
2, Nguyễn Hồng Lam
3, Phạm Thị Ngọc
4, Lê Thùy Trang
Nội dung báo cáo:
I)

II)

III)
IV)

Giới thiệu chung về máy gia tốc
1, Định nghĩa và nguyên lí gia tốc hạt
2, Phân loại
3, Ứng dụng
Microtron
1, Cấu tạo
2, Nguyên lí hoạt động
Giới thiệu về Racetrack Microtron (RMT)
So sánh 1 số máy gia tốc vòng

Chi tiết:
I)
-

Giới thiệu chung
1, Định nghĩa và nguyên lí 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 hoạt động, cấu tạo, kích thước của các máy gia tốc là khác nhau.
Máy gia tốc dùng trong nhiều lĩnh vực.
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:
Được chia thành 2 loại:


-

-

II)

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.
3, Ứng dụng các máy gia tốc:

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 gai tốc có số quỹ đạo
lớn.
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 e:

-

-

+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/.
+Để đốt nóng các nguồn phát e cần dùng dòng điện có cường độ lên đến
50A.

-

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.
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 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
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 :


: 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:

-

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 gai 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.
• Một số máy gia tốc Microtron

-

-



•

Một số đặc trưng của 1 số máy gia tốc Microtron trong xạ trị y tế
Đặc tính
Số quỹ đạo
Năng lượng e
lớn nhất ở đầu
ra
Từ trường, T
Đường kính
nam châm, m
Nguồn xung
RF, MW
Tần số RF, GHz
Chiều rộng
xung, µs
Năng lượng cho

điều trị ung thư,
MeV
Liều lượng
thuốc lớn nhất,
Gy/s
Electrons
Photons
Năng lượng

Microtron M22
22
22

Microtron M10
10
10

Microtron M22
20
20

0,2
1,27

0,2
0,65

0,2
0,96

1,6

2,5

2,5

2,8
3

2,8
3

2,8
3

8,12,15,18,20,22 2,4,6,8,10

6,9,12,15,18,20

0,083
0,05

0.083
0,05

0,083
0,05

20

8 hoặc 10

15,18 hoặc 20


photon lớn nhất,
MV
Kích thước lớn
nhất của vùng
mà chùm tia đi
qua, cm^2
Electrons
Photons
Nguồn AC, kW
Lượng nước
làm mát, l/phút
Máy tính điều
khiển
III)
-

-

-

-

20x20
30x30

20x20
30x30

20x20
30x30

26
20

15
15

20
20

Không

Có

Có

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.
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.
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.
Điều kiện cộng hưởng:


-

∆E: năng lượng hạt nhận được qua hốc cộng hưởng RF
: bước sóng cao tần
n: số nguyên
Điều kiện cộng hưởng: độ gia tăng quãng đường đi của hạt qua mỗi quỹ đạo
là một bội số nguyên của bước sóng.


•

Một số máy RMT



IV)

So sánh betatron, cyclotron, microtron, synchrotron

Tiêu chí so sánh
Nguyên lí gia tốc
hạt

Cyclotron
Gia tốc hạt bằng
điện trường xoay
chiều tần số cao

Betatron
Gia tốc hạt bằng
từ thông biến
thiên

Microtron
Gia tốc hạt
tương đối tính
theo nguyên lí
đồng pha từ
thông

Các loại hạt được
gia tốc
Quỹ đạo chuyển
động của hạt

Các hạt proton và

các ion nặng
Quỹ đạo tròn,
mỗi chu kì gồm 2
vòng quay
Năng lượng cao
nhất khoảng
600MeV

Các hạt nhẹ là các
điện tử
Quỹ đạo tròn có
bán kính không
đổi
Năng lượng phụ
thuộc giá trị tuyệt
đối của từ thông
trên quỹ đạo
chuyển động và
thời gian quay 1
quỹ đạo. Năng

Các hạt electron
và positon
Quỹ đạo tròn có
1 tiếp điểm
chung
Năng lượng phụ
thuộc vào số
quỹ đạo và
cường độ từ

trường. Năng
lượng giới hạn
khoảng từ 8 đến

Năng lượng các
photon

Synchrotron
-Ban đầu được gia
tốc bằng từ thông
biến thiên
-Khi năng lượng
đạt 1MeV thì gia
tốc bằng điện
trường xoay chiều
Các proton
Quỹ đạo tròn
Năng lượng lớn
hơn rất nhiều, có
thể tới vài GeV và
cao hơn


Loại nam châm
sử dụng

Hạn chế

lượng giới hạn
khoảng 500MeV

Nam châm hội tụ Nam châm có
quạt và nam châm dạng đặc biệt
truyền thống

20MeV

Nam châm điện
có kích thước
phụ thuộc năng
lượng chùm tia
cần gia tốc
Các hạt không thể Cần một trường
Có kích thước
đi qua khe gia tốc điều khiển có
lớn và nặng do
đúng thời điểm
dạng đặc biệt do
cường độ trường
cần thiết
để giữ cho hạt
cyclotron thấp.
chuyển động theo Ngoài ra số quỹ
quỹ đạo tròn có
đạo bị hạn chế
bán kính xác định bởi sự không
đồng nhất của từ
trường.

Dạng hình nhẫn,
tạo ra từ trường gia

tốc ban đầu, và
điều khiển chuyển
động quỹ đạo tròn
Chu trình hoạt
động phức tạp,
thông lượng dòng
trung bình thấp