Khảo sát đặc trưng chuyển động của electron trong máy gia tốc tuyến tính dùng sóng RF

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ - VẬT LÝ KỸ THUẬT
BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN

--------------------------------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

KHẢO SÁT ĐẶC TRƯNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA
ELECTRON TRONG MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH
DÙNG SÓNG RF

SVTH: Phùng Thị Thế
CBHD: ThS. Trịnh Hoa Lăng
CBPB: PGS.TS. Châu Văn Tạo

----------------------------------TP. HỒ CHÍ MINH – 2013


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ-VẬT LÝ KỸ THUẬT
BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN

----------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
ĐỀ TÀI:

KHẢO SÁT ĐẶC TRƯNG CHUYỂN ĐỘNG
CỦA ELECTRON TRONG MÁY GIA TỐC
TUYẾN TÍNH DÙNG SÓNG RF

SVTH: Phùng Thị Thế
CBHD: ThS. Trịnh Hoa Lăng
CBPB: PGS.TS. Châu Văn Tạo

TP. Hồ Chí Minh – Năm 2013


1

MỤC LỤC
MỤC LỤC ............................................................................................................

1

DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .....................................................

3

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .......................................................................

5

MỞ ĐẦU ..............................................................................................................

7

CHƢƠNG 1. SƠ LƢỢC VỀ MÁY GIA TỐC .....................................................

9

1.1. Lịch sử phát triển của máy gia tốc .................................................................

9

1.2. Ứng dụng và thành tựu của máy gia tốc ........................................................

11

1.2.1. Trong nghiên cứu các hạt cơ bản ...................................................

11

1.2.2. Trong y học ....................................................................................

13

1.2.3. Trong công nghiệp, chiếu xạ thực phẩm ........................................

14

1.3. Máy gia tốc tại Việt Nam ..............................................................................

14

CHƢƠNG 2. MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH RF ..............................................

16

2.1. Nguyên lý, cấu tạo của máy gia tốc tuyến tính RF .......................................

16

2.1.1. Nguồn phát electron .......................................................................

17

2.1.2 Nguồn phát và khuếch đại sóng RF .............................................

19

2.2. Ống dẫn sóng ...............................................................................................

19

2.2.1. Cấu trúc ống dẫn sóng kiểu disk – loaded ...................................

20

2.2.2. Cấu trúc ống dẫn sóng kiểu couple – cavity ...............................

21

2.3. Cơ sở lý thuyết của máy gia tốc tuyến tính RF ...........................................

21

2.3.1. Định luật Newton .........................................................................

21

2.3.2. Động năng của hạt .......................................................................

22

2.3.3. Công thức tƣơng đối tính .............................................................

23

2.3.4. Phƣơng trình Maxwell .................................................................

24

2.3.5. Vận tốc pha và vận tốc nhóm.......................................................

24

CHƢƠNG 3. KHẢO SÁT ĐẶC TRƢNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA ELECTRON
TRONG MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH RF................................

27

3.1. Phƣơng pháp tính toán cho hạt tích điện chuyển động trong điện từ trƣờng

27

3.1.1. Phƣơng pháp tính toán cho điện trƣờng, từ trƣờng và mật độ dòng điện 27


2

3.1.2. Mối quan hệ phân tán trong không gian plasma ..............................

30

3.1.3. Phƣơng pháp Buneman – Boris cho hạt chuyển động tƣơng đối tính

31

3.2. Thông số của code Kempo1 ..........................................................................

33

3.3. Phân tích kết quả khảo sát .............................................................................

36

3.3.1. Thăng giáng nhiệt tĩnh điện ............................................................

36

3.3.2. Mối quan hệ phân tán ω – k của sóng trong không gian plasma ....

38

3.3.3. Truyền sóng điện từ ........................................................................

41

KẾT LUẬN ..........................................................................................................

45

TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................

46

PHỤ LỤC .............................................................................................................

47


3

DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

J

Véctơ mật độ dòng điện

B

Véctơ cảm ứng từ

E

Véctơ cƣờng độ điện trƣờng

F

Véctơ lực

p

Véctơ động lƣợng

c

Vận tốc ánh sáng

q

Điện tích hạt mang điện

f

Tần số sóng điện từ

I

Cƣờng độ dòng điện chạy qua ống dây

k

Số sóng

m0

Khối lƣợng nghỉ

m

Khối lƣợng tƣơng đối tính

RF

Radio – frequency (tần số vô tuyến)

t

Thời gian

vg

Vận tốc nhóm của sóng

vp

Vận tốc pha của sóng

ε0

Độ điện thẩm trong chân không

μ0

Độ từ thẩm trong chân không

ρ

Mật độ điện tích

λD

Bƣớc sóng Debye

TE

Mật độ năng lƣợng nhiệt

FE

Mật độ năng lƣợng tĩnh điện

ωp

Tần số góc plasma

W(x)
u

Hàm trọng số
Vận tốc hạt trong hệ quy chiếu quán tính


4

v

Vận tốc hạt trong hệ quy chiếu tƣơng đối tính

ωc

Tần số góc cyclotron

Vt

Vận tốc nhiệt của hạt

Φ

Góc nghiêng

n

Mật độ dòng hạt

Vd

Vận tốc trôi của hạt

γ

Hệ số tƣơng đối tính

TM

Sóng từ ngang

TE

Sóng điện ngang

DTL

Drift Tube Linac (ống trôi Linac)

DX

Khoảng cách giữa các điểm lƣới liền kề

DT

Khoảng chênh lệch thời gian giữa các điểm lƣới liền kề

CV

Tỉ số vận tốc ánh sáng so với vận tốc hạt

WC

Tần số góc cyclotron của hạt

ANGLE
NX
NTIME

Góc giữa tĩnh từ B0 và véctơ sóng k
Số điểm lƣới trong code Kempo1
Khoảng thời gian chạy chƣơng trình

QM

Tỷ số giữa điện tích và khối lƣợng hạt

WP

Tần số góc plasma

VPE

Vận tốc nhiệt vuông góc trong hệ quy chiếu của hạt

VPA

Vận tốc nhiệt song song trong hệ quy chiếu của hạt

VD

Vận tốc trôi của hạt so với ống trôi

PCH

Góc giữa VD và ống trôi

NP

Số hạt trong code Kempo1

AJAMP

Cƣờng độ dòng điện ngoài

WJ

Tần số góc của cƣờng độ dòng điện ngoài

IEX

Thông số tùy chọn cho tĩnh điện

NPLOT

Số điểm để vẽ đồ thị


5

DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ

Hình 1.1.

Mô hình của Winderoe về máy gia tốc sử dụng điện

Trang 10

từ trƣờng biến thiên.
Hình 1.2.

Mô hình máy gia tốc LHC cùng với các bộ phận phân

Trang 12

tích hạt CMS, ALICE, ALAS, LHCb.
Hình 1.3.

Máy xạ trị gia tốc BJ-6B/400.

Trang 13

Hình 2.1.

Sơ đồ khối của máy gia tốc tuyến tính RF.

Trang 16

Hình 2.2.

Bó hạt trong máy gia tốc RF.

Trang 17

Hình 2.3.

Điện trƣờng và từ trƣờng trong khoang cộng hƣởng

Trang 17

hình trụ.
Hình 2.4.

Nguồn phát electron bằng catod quang điện.

Trang 18

Hình 2.5.

Ống dẫn sóng kiểu disk – loaded.

Trang 20

Hình 2.6.

Hình dạng khái quát ống dẫn sóng kiểu side – coupled.

Trang 21

Hình 2.7.

Sóng truyền với hai thành phần tần số góc và số sóng

Trang 25

khác nhau.
Hình 2.8.

Đƣờng cong phân tán trong ống dẫn sóng đồng nhất.

Trang 25

Hình 2.9.

Gói sóng.

Trang 26

Hình 3.1.

Các điểm chia lƣới.

Trang 28

Hình 3.2.

Mối quan hệ véctơ trong phƣơng pháp Buneman – Boris.

Trang 32

Hình 3.3.

Đồ họa của chƣơng trình cài đặt thông số Kempo1.

Trang 34

Bốn nút phía dƣới tải thông số, lƣu thông số, bắt đầu
chạy, và kết thúc chƣơng trình.

Hình 3.4.

Đồ thị năng lƣợng ứng với hai giá trị tỷ số

Trang 38

λD/∆x = 0,2 và λD/∆x = 0,5.
Hình 3.5.

Mối quan hệ ω – k của sóng plasma song song với
trƣờng tĩnh từ với góc ANGLE = 0 o.

Trang 39


6

Hình 3.6.

Mối quan hệ ω – k của sóng plasma song song với

Trang 40

trƣờng tĩnh từ với góc ANGLE = 90 o.
Hình 3.7.

Điện trƣờng và từ trƣờng theo phƣơng z trong không

Trang 42

gian plasma chƣa từ hóa (WC = 0) và từ hóa (WC = -1).
Hình 3.8.

Sự truyền kiểu sóng whistler trong không gian plasma

Trang 43

từ hóa (WC = -1).
Hình 3.9.

Năng lƣợng và sự truyền kiểu sóng trong không gian

Trang 44

plasma chƣa từ hóa (WC = 0) và từ hóa (WC = -1).
Hình PL1.

Mối quan hệ ω – k của sóng plasma song song với

Trang 47

trƣờng tĩnh từ với góc ANGLE = 30o.
Hình PL2.

Mối quan hệ phân tán trong 1 chu kì cấu trúc của ống
dẫn sóng chiều dài L.

Trang 48

7

MỞ ĐẦU

Vật lý hạt nhân là ngành khoa học có ý nghĩa rất lớn trong việc khám phá thế
giới và nó cũng có nhiều ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực đời sống. Khi khoa học
đi sâu nghiên cứu nguyên tử, phân tử thì điều mà các nhà khoa học quan tâm tới là hạt
vô cùng nhỏ cấu thành vật chất. Chúng có thể có thể còn nhỏ hơn các hạt sơ cấp có bán
kính cỡ 10-18m đến 10-15m không một loại kính hiển vi hay thiết bị nào vào thời điểm
đó có thể giúp chúng ta nhận biết đƣợc sự có mặt của chúng trong không gian. Quy luật
chuyển động của chúng rất phức tạp trong thế giới vi mô, chúng vừa có tính chất sóng
vừa có tính chất hạt.
Vì thế các nhà khoa học đã tạo ra thiết bị gọi là máy gia tốc dùng để sản sinh
ra các hạt có năng lƣợng cao nhằm sử dụng chúng một cách có hiệu quả hơn cho việc
nghiên cứu các hạt sơ cấp. Trải qua rất nhiều nghiên cứu từ các máy gia tốc tĩnh điện
cho tới các máy gia tốc tuyến tính rồi tới các máy gia tốc vòng. Máy gia tốc không
ngừng đƣợc cải tiến và phát triển sao cho nó có hiệu suất càng ngày càng cao mà lại
giảm đƣợc kích thƣớc máy gia tốc và độ lớn của hạt nghiên cứu ngày càng nhỏ.
Không chỉ dừng ở việc nghiên cứu vật lý hạt cơ bản. Máy gia tốc còn đƣợc
sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhƣ phân tích biến tính vật liệu và quang phổ
học… đặc biệt là trong lĩnh vực khoa học môi trƣờng, máy gia tốc hạt sử dụng làm
nguồn sản xuất ion cho biến tính bề mặt và sử dụng để khử trùng. Trong y học, máy
gia tốc đƣợc sử dụng nhƣ một công cụ tạo ra chùm tia năng lƣợng cao dùng để phục
vụ cho việc chẩn đoán, phẫu thuật và liệu pháp điều trị ung thƣ. Ngoài ra, máy gia
tốc còn tạo ra các nguyên tố phóng xạ dùng làm chất đánh dấu trong y khoa, sinh
học và khoa học vật liệu.
Tại Việt Nam, máy gia tốc đƣợc lắp đặt đầu tiên vào năm 1974 để nghiên cứu
khoa học. Cho đến ngày nay rất nhiều máy gia tốc đã đƣợc lắp đặt tại các trung tâm
nghiên cứu và các bệnh viện phục vụ cho việc nghiên cứu, chẩn đoán và điều trị bệnh.

8

Với sự yêu thích khoa học công nghệ, cũng nhƣ mong muốn hiểu biết phần
nào về cỗ máy kì diệu đó, tác giả chọn đề tài: “Khảo sát đặc trƣng chuyển động của
electron trong máy gia tốc tuyến tính dùng sóng RF” cho khóa luận tốt nghiệp đại
học của mình. Với mục đích bƣớc đầu tìm hiểu cấu tạo, cơ sở lý thuyết gia tốc hạt
trong máy gia tốc tuyến tính RF. Khảo sát một số đặc trƣng chuyển động của các
electron. Tìm hiểu cơ chế chuyển động của chúng trong máy gia tốc với các thông
số kỹ thuật.
Khóa luận đƣợc chia làm 3 chƣơng với các nội dung chính sau
Chƣơng 1 – Tìm hiểu lịch sử phát triển của các thế hệ máy gia tốc qua.
Ứng dụng và các thành tựu đạt đƣợc của các máy gia tốc trong các lĩnh vực nhƣ
khoa học, đời sống…
Chƣơng 2 – Cấu tạo và nguyên lý của máy gia tốc tuyến tính RF. Trình bày
cơ sở lý thuyết của các hạt mang điện trong điện từ trƣờng.
Chƣơng 3 – Khảo sát các đặc trƣng chuyển động của electron trong điện từ
trƣờng biến thiên bằng cách sử dụng code Kempo1. Khảo sát các vấn đề nhƣ thăng
giáng nhiệt và thăng giáng tĩnh điện, mối quan hệ phân tán ω – k của sóng trong
môi trƣờng plasma, sự truyền sóng trong ống dẫn sóng.


9

CHƢƠNG 1
SƠ LƢỢC VỀ MÁY GIA TỐC
1.1. Lịch sử phát triển của máy gia tốc
Máy gia tốc là thiết bị công nghệ cao, cho phép gia tốc các hạt mang điện tới
những mức năng lƣợng khác nhau từ thấp đến cao và siêu cao. Ngoài ra, với chùm
hạt thứ cấp đa dạng thu đƣợc sau quá trình gia tốc hạt nhƣ: neutron, meson, các ion

nặng… đã mở rộng phạm vi ứng dụng của máy gia tốc. Vì vậy, có thể coi máy gia
tốc là một nguồn phóng xạ nhân tạo đặc biệt phát ra đủ các loại hạt có cƣờng độ và
năng lƣợng mong muốn.
Từ những năm 1896, Joseph John Thomson đã nghiên cứu bản chất của tia
cathode. Ông thấy chúng tích điện, có điện tích và khối lƣợng một cách chính xác.
Việc khám phá ra hạt cơ bản đầu tiên là hạt electron, đã đánh dấu sự bắt đầu của
một kỉ nguyên điện tử mới. Trong các máy gia tốc hạt đầu tiên, các hạt đƣợc gia tốc
bằng một hiệu điện thế cao đặt vào khe giữa cathode và anode (các điện cực). Máy
gia tốc phổ biến nhất ngày nay có sử dụng ống tia cathode là các bộ hiển thị truyền
hình và máy tính.
Khoảng năm 1920, John Douglas Cockcroft và Ernest Thomas SintonWalton đã
phát minh ra chiếc máy gia tốc hạt hiệu điện thế cao đầu tiên gồm hai điện cực đặt bên
trong một bình chân không có hiệu thế khoảng 100 kV. Cuối thập niên 1920, ngƣời ta
đề xuất sử dụng hiệu điện thế biến thiên theo thời gian đặt qua hàng loạt các khe. Với
loại máy gia tốc tĩnh điện này chùm hạt nhận đƣợc năng lƣợng từ điện trƣờng tĩnh. Hạn
chế của nó là chùm hạt tăng tốc không đạt đƣợc năng lƣợng quá lớn (do điện áp đặt vào
không thể vƣợt quá vài chục MV) nếu không muốn bị đánh thủng.
Vì vậy, vào năm 1924 Gustaf Ising nhà vật lý ngƣời Thụy Điển đã đề xuất ý
tƣởng sử dụng trƣờng điện từ biến thiên theo thời gian giữa các ống hình trụ. Ý
tƣởng này là cha đẻ của các máy gia tốc hiện đại ngày nay dựa trên dao động điện
từ. Tuy nhiên vào thời điểm này thì ý tƣởng đã không đƣợc triển khai.


10

Năm 1928, Rolf Wideroe chế tạo thành công máy gia tốc tuyến tính dùng
sóng RF đầu tiên dựa trên thừa kế của Gustaf Ising. Máy hoạt động với điện áp
25 kV, tại tần số 1 MHz, chùm hạt tạo ra có năng lƣợng 50 KeV [9].
Tuy nhiên, bản thiết kế của Rolf Wideroe chỉ phù hợp để gia tốc ion và các
hạt nặng nó không phù hợp để gia tốc các hạt nhẹ nhƣ proton hay electron (những

đối tƣợng đƣợc dùng để nghiên cứu vật lý hạt). Song nó cũng là nền tảng là nguyên
mẫu cho tất cả các máy gia tốc hiện đại sau này.

Hình 1.1. Mô hình của Winderoe về máy gia tốc sử dụng điện từ trƣờng biến thiên.
S: Nguồn phát hạt mang điện hay ion liên tục.
D: Ống trôi (drift tube), hạt mang điện sẽ chuyển động thẳng đều khi qua ống trôi.
Chiều dài các ống tăng dần.
V: Nguồn điện áp xoay chiều nối với các ống trôi.
G: Khoảng cách giữa các ống trôi liền kề (gap), nơi tồn tại điện từ trƣờng để
tăng tốc hạt.
B: Bộ phận biến đổi chùm hạt mang điện liên tục thành xung hay bó hạt để phóng
vào ống tăng tốc.
L: Khoảng cách giữa bộ phận biến đổi chùm hạt và ống trôi đầu tiên.
Sau chiến tranh thế giới thứ hai, vào năm 1946 nhà vật lý ngƣời Mĩ Luis
Alvarez, đã đƣa ra một thiết kế Linac cải thiện đó là DTL (Drift Tube Linac). Các
DTL có một cấu hình chung nhƣ các các máy gia tốc tuyến tính ban đầu, nhƣng
DTL đã có một ống kim loại bọc bên ngoài các ống hình trụ. Các ống trụ này không
kết nối điện trực tiếp đến các điện cực đƣợc gọi là các “ống trôi”. Năng lƣợng đạt
đƣợc từ 4 – 32 MeV. Cũng trong thời gian này, một loạt các Linacs RF công suất


11

cao cho các proton và các deuteron đƣợc xây dựng và thử nghiệm tại phòng thí
nghiệm quốc gia Lawrence Liverrnore [11].
Năm 1950, một cấu trúc tăng tốc hiệu quả cũng đƣợc đề xuất. Nó bao gồm
một chuỗi các hốc cộng hƣởng có lỗ thông với nhau để chùm hạt mang điện và
năng lƣợng từ điện từ đƣợc truyền đi. Cấu trúc này có tên là ống dẫn sóng kiểu
iris – loaded hay kiểu disk – loaded. Các máy gia tốc này có thể tạo ra chùm ion
có năng lƣợng từ 10 – 300 MeV hay gia tốc các điện tích nặng lên tới 4 GeV.

Vấn đề hạn chế ở đây là khi muốn có năng lƣợng của chùm hạt càng lớn
thì số lƣợng các ống trôi hay các hốc tăng tốc phải tăng lên. Khó khăn trong việc
thiết kế và xây dựng các máy gia tốc. Các đề xuất gia tốc hạt theo kiểu lặp đi lặp
lại đã thúc đẩy Orlando Lawrence đi tới một quan niệm mới cho việc gia tốc các
hạt. Ông đã phát minh ra cyclotron, các hạt chuyển động theo quỹ đạo tròn trong
từ trƣờng nhờ vào các nam châm và đi qua đi lại nhiều lần qua một khe gia tốc.
Thay cho hiệu điện thế một chiều, ngƣời ta thiết kế một hiệu điện thế cao vào
khe sao cho các hạt đƣợc gia tốc trong quỹ đạo xoắn ốc theo kiểu lặp lại. Nhƣng
hạn chế của cyclotron là khi hạt gia tốc đến một năng lƣợng càng cao thì bán
kính quỹ đạo hạt càng lớn, do đó đòi hỏi nam châm có kích thƣớc lớn gây ra khó
khăn trong việc xây dựng và kinh phí. Mặt khác thì tần số của của hạt gia tốc
phải bằng tần số nguồn.
Những năm 1958, để khắc phục nhƣợc điểm của máy cyclotron. Máy gia
tốc synchrotron đã ra đời sử dụng dòng điện xoay chiều để gia tốc hạt. Đặc biệt
các nam châm không cần phải làm dạng bản tròn mà đƣợc gắn dọc theo đƣờng
đi của hạt, điều này tiết kiệm chi phí rất lớn vì khoảng không gian bên trong
quỹ đạo của hạt không cần phải có nam châm. Các hạt có thể đƣợc gia tốc lên
tới năng lƣợng 730 – 1000 MeV.
Ngày nay với sự phát triển vƣợt bậc của khoa học kỹ thuật, ngƣời ta đã
thiết kế đƣợc những chiếc máy gia tốc tạo ra chùm hạt có năng lƣợng hàng GeV.
Tìm ra các phƣơng pháp mới để gia tốc hạt sao cho nó có thể rút gọn kích thƣớc
của các máy gia tốc nhƣng chùm hạt thì vẫn có năng lƣợng cao. Đó là máy gia


12

tốc sử dụng plasma. Các hạt sẽ đƣợc “cƣỡi” lên một con sóng plasma có thể
đƣợc gia tốc đến năng lƣợng cỡ 4 GeV trên một quãng đƣờng 10 cm. Sóng
plasma có thể chịu đựng đƣợc những điện trƣờng rất mạnh, từ 10 ngàn đến trăm
ngàn lần lớn hơn điện trƣờng có mặt trong những máy gia tốc truyền thống.

1.2. Ứng dụng và thành tựu đạt đƣợc của máy gia tốc
1.2.1. Trong nghiên cứu các hạt cơ bản
Sự ra đời của máy gia tốc là một kết quả vƣơt bậc và tuyệt vời của nhân loại,
nó đã giúp chúng tìm ra các hạt, giải thích rất nhiều những hiện tƣợng vật lý có trong
tự nhiên. Chính vì vậy, mà các nhà khoa học không ngừng nâng cao và cải thiện nó.

Hình 1.2. Mô hình máy gia tốc LHC cùng với các bộ phận phân tích hạt
CMS, ALICE, ALAS, LHCb.
Năm 1983, Tevatron ra đời và đƣợc hoàn thiện. Nó là cỗ máy gia tốc lớn
nhất thế giới vào thời điểm đó. Tevatron tăng tốc proton và phản proton tới năng
lƣợng lên tới 1 TeV. Các thành tựu mà Tevatron đạt đƣợc nhƣ tìm ra các hạt quark,
neutrino, các loại hạt cơ bản… đã đóng góp một phần không nhỏ cho vật lý hiện
đại. Tuy nhiên do thiếu kinh phí, năm 2011 đã tạm thời ngừng hoạt động [10].
LHC (Large Hadron Collider) ra đời hoạt động vào năm 2008, nó trở máy
gia tốc hạt lớn nhất mạnh nhất thế giới. Với năng lƣợng lớn tới hàng TeV, máy gia


13

tốc LHC là một cỗ máy mang hy vọng giúp con ngƣời có thể sớm giải mã đƣợc sự
hình thành vũ trụ. LHC đã tìm ra Higgs bosson và rất nhiều hạt khác nhƣ
quark, lepton. Ngƣời ta tin rằng trong tƣơng lai sẽ tìm ra đƣợc các loại hạt khác
tƣơng tự nhƣ vậy góp phần làm sáng tỏ “mô hình chuẩn” của vũ trụ [10].
1.2.2. Trong y học
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, con ngƣời đã sáng tạo ra nhiều
phƣơng pháp điều trị để giúp ngƣời mắc ung thƣ kéo dài tuổi thọ và có cuộc sống
tốt đẹp hơn. Một trong các phƣơng pháp này là xạ phẫu bằng máy gia tốc tuyến
tính. Với hiệu quả điều trị của nó, phƣơng pháp này đƣợc coi là một cứu cánh của
bệnh nhân ung thƣ.
Ƣu điểm của các máy gia tốc này là có thể điều trị triệt để đƣợc các bệnh ung

thƣ giai đoạn sớm, cải thiện triệu chứng các bệnh ung thƣ giai đoạn muộn giúp bệnh
nhân giảm đau và sống lâu hơn. Trong trƣờng hợp không thể phẫu thuật bằng dao,
kéo đƣợc thì có thể dùng máy xạ trị. Chúng ta cũng có thể kết hợp xạ trị bằng máy
với phẫu thuật hoặc xạ trị bằng máy kết hợp hóa chất.

Hình 1.3. Máy xạ trị gia tốc BJ-6B/400.


14

1.2.3. Trong công nghiệp, chiếu xạ thực phẩm
Trên thế giới đã biết đến công nghệ chiếu xạ công nghiệp từ rất lâu bằng
cách sử dụng năng lƣợng bức xạ ion hóa để xử lý thực phẩm nhằm nâng cao chất
lƣợng vệ sinh và an toàn thực phẩm. Thực phẩm chiếu xạ đƣợc chứng minh là lành
tính và mang lại hiệu quả kinh tế xã hội to lớn.
Tại các cơ sở chiếu xạ khử trùng sử dụng máy gia tốc chùm ion với mức
năng lƣợng từ 5 MeV tới 12 MeV, công suất máy từ 50 kW tới 150 kW. Các thiết bị
chiếu xạ đặt tại nhà máy để khử trùng sản phẩm y tế và các sản phẩm plastic…
Thiết bị chiếu xạ thực phẩm sử dụng loại máy gia tốc mà chùm tia điện tử có
biến đổi X – quang. Chiếu xạ công nghiệp đối với các mặt hàng thực phẩm (khô) và
thủy hải sản xuất khẩu. Rau trái tƣơi xuất nhập khẩu cần chiếu cách ly. Ngoài ra còn
có khử nấm mốc, bảo quản lƣơng thực, khử trùng các vật phẩm y tế, thuốc đông
nam dƣợc, sản xuất polyme siêu hấp thụ nƣớc, xử lý đổi màu đá quý.
1.3. Máy gia tốc tại Việt Nam
Năm 2009, với sự đam mê nghiên cứu khoa học của các nhà vật lý, nƣớc ta
đã thành lập trung tâm máy gia tốc C18. Trung tâm đƣợc trang bị một máy gia tốc
cyclotron 30 MeV có khả năng gia tốc hai loại hạt là proton và deuteron [12].
Hiện tại trung tâm đang tạo ra các đồng vị phóng xạ nhƣ:
11

201

Tl,

67

Ga,

18

F,

C, 123I,… dùng nghiên cứu cơ bản về vật lý, hóa học. Đồng vị phóng xạ 201Tl, 67Ga

dùng cho chụp hình trên máy SPECT. Đồng vị phóng xạ

18

F, 11C dùng cho chụp

hình trên máy PET/CT.
Mục tiêu của trung tâm là vận hành an toàn máy gia tốc 30MeV, sản xuất các
loại dƣợc chất phóng xạ đáp ứng nhu cầu theo dõi, chuẩn đoán các loại bệnh lý ung
thƣ, tim mạch, thần kinh. Nghiên cứu phát triển các dƣợc chất mới trên cơ sở nhân
phóng xạ 18F và 11C nhƣ

11

C–Methyonine, 11C–Choline…phục vụ cho chuẩn đoán

các bệnh lý ung thƣ, tim mạch, thần kinh. Triển khai kênh sản xuất 123I và 124I phục
vụ cho cả chuẩn đoán và điều trị ung thƣ tuyến giáp.
Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học kĩ thuật. Đặc biệt là máy gia tốc ra đời
với nguồn phát siêu cao tần, có thể thay đổi liều xạ trị cho phù hợp với tính chất
nông sâu của từng khối u khác nhau.


15

Do lĩnh vực chiếu xạ ứng dụng tại Việt Nam chƣa lâu do trình độ hiểu biết về
mặt công nghệ chƣa sâu nên chiếu xạ công nghiệp mới đƣợc bắt đầu từ những năm
1980. Công nghệ này chỉ mới phát triển vào khoảng mƣời năm trở lại đây với sự
thành lập trung tâm nghiên cứu và triển khai công nghệ bức xạ VINAGAMMA tại
thành phố Hồ Chí Minh. Trung tâm chiếu xạ sử dụng máy gia tốc LINAC–10 MeV
với công nghệ chiếu xạ điện tử trực tiếp.
Hiện nay, Việt Nam đƣợc xem là nƣớc chiếu xạ thực phẩm khá mạnh trong
khu vực Đông Nam Á, cả về số lƣợng thiết bị chiếu xạ và lƣợng hàng đƣợc chiếu xạ.
Các nghiên cứu và ứng dụng chiếu xạ công nghiệp ở nƣớc ta tập trung vào các lĩnh
vực nhƣ chiếu xạ khử trùng thực phẩm, khử trùng vật phẩm y tế, biến tính polyme
tự nhiên, chế tạo chế phẩm sinh học. Các nghiên cứu này đã và đang đƣợc phát triển
và ứng dụng ở quy mô công nghiệp.


16

CHƢƠNG 2
MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH RF

2.1. Nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc tuyến tính RF

Hình 2.1. Sơ đồ khối của máy gia tốc tuyến tính RF [1].
Trong hình 2.1 là sơ đồ khối đơn giản của một máy gia tốc tuyến tính RF.
Nó bao gồm một nguồn phát hạt phát ra các hạt nhƣ electron hay ion. Hệ thống
chân không giúp cho hạt truyền tốt nhất. Hệ thống làm mát (nƣớc cho gia tốc
thƣờng, heli lỏng cho gia tốc siêu dẫn) giúp loại bỏ các nhiệt sinh ra do tổn thất
của điện trƣờng.
Vì máy gia tốc tuyến tính sử dụng điện trƣờng hình sin khác nhau cho khả
năng tăng tốc, các hạt có thể tăng hay giảm năng lƣợng tùy thuộc vào pha tƣơng đối
tính so với đỉnh của sóng. Để có khả năng tăng tốc hiệu quả nhất , các chùm tia phải
đƣợc tạo thành các bó giống nhƣ hình 2.2 thông qua bộ phận tạo bó (xung) chia ra
theo từng chu kì của RF.


17

Hình 2.2. Bó hạt trong máy gia tốc RF [1].
Hình 2.3 biểu thị thành phần của điện trƣờng và từ trƣờng trong khoang
cộng hƣởng hình trụ đơn giản hoạt động theo kiểu cộng hƣởng từ ngang.

Hình 2.3. Điện trƣờng và từ trƣờng trong khoang cộng hƣởng hình trụ [1].
2.1.1. Nguồn phát electron
Nguồn phát hạt có nhiệm vụ tạo ra chùm electron và đƣa chúng vào ống dẫn
sóng của máy gia tốc tuyến tính để thực hiện quá trình tăng tốc.
Chùm electron đƣợc phát ra nhờ vào sự phát xạ nhiệt electron từ catod bị
nung nóng bởi dòng điện một chiều. Cũng có thể chùm electron đƣợc phát ra từ
hiện tƣợng quang điện khi chiếu vào catod quang điện bằng ánh sáng laser.
Chùm electron đƣợc phát ra dƣới dạng những xung, chiều dài của xung
hạt có thể thay đổi từ vài nano giây (ns) đến hàng micro giây (µs) tùy thuộc vào
ứng dụng nghiên cứu.

18

Hình 2.4. Nguồn phát electron bằng catod quang điện.
1: Ống dẫn hƣớng để chùm laser chiếu vào catod quang điện.
2: Catod quang điện có nhiệm vụ phóng ra dòng electron quang điện khi bị chiếu
sáng bởi chùm laser.
3: Các hốc nơi xảy ra quá trình sóng RF tạo ra những xung electron từ dòng
electron liên tục.
Chùm electron cần phải có hƣớng chính xác với độ sai số cho phép chỉ vài
miliradian nhằm hạn chế sự tác động không mong đợi từ sóng vô tuyến điện từ
trong ống dẫn sóng. Trƣớc khi đi vào ống, chùm electron bị nén thành những xung
rất ngắn gọi là micropulse.
Bộ phận có nhiệm vụ nén chùm electron thành những xung hạt là một hốc
chứa sóng RF hoặc là một phần nhỏ trong ống dẫn sóng kiểu disk – load và hoạt
động với cùng tần số của sóng RF dùng để tăng tốc electron. Ban đầu chùm electron
đƣợc tạo hầu nhƣ là liên tục nhƣng sóng RF tác dụng lên từng electron có tác dụng
khác nhau, có electron ở một vị trí nào đó đƣợc tăng tốc nhƣng cũng có electron ở
vị trí khác lại giảm tốc. Kết quả là electron giảm tốc ở phía trƣớc kết hợp với
electron tăng tốc ở sau thành những nhóm. Quá trình này tiếp diễn cho đến khi mỗi
nhóm trở thành một xung rất ngắn [9].


19

2.1.2. Nguồn phát và khuếch đại sóng RF
Để cho máy gia tốc tuyến tính RF hoạt động thì sóng vô tuyến điện từ cần
phải đƣợc cung cấp cho các hốc tăng tốc của ống dẫn sóng nhằm thiết lập và duy
trì điện từ trƣờng tại đây. Vì vậy, cần có một hệ thống thực hiện chức năng tạo ra
một sóng RF và khuếch đại chúng đến một mức năng lƣợng cần thiết rồi cung cấp

cho các hốc tăng tốc nói trên, đó là nguồn phát và khuếch đại sóng RF. Việc chọn
lựa nguồn năng lƣợng sóng RF tùy thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ tần số, năng lƣợng
đỉnh và năng lƣợng trung bình của sóng điện từ, hiệu suất, độ tin cậy, giá thành…
của máy gia tốc [9].
Nếu máy gia tốc chỉ cần một nguồn phát sóng RF với công suất nhỏ thì dùng
magnetron. Khi đó, sóng RF do magnetron tạo ra sẽ trực tiếp đi vào ống dẫn sóng
mà không cần phải khuếch đại. Nếu máy gia tốc cần hoạt động với sóng RF công
suất lớn thì ngƣời ta dùng một nguồn phát sóng RF kết hợp với klystron. Klystron
đƣợc dùng để khuếch đại sóng RF dạng xung có chiều dài hơn 1μs hoặc sóng liên
tục với tần số khoảng 300 MHz. Thật vậy, sóng RF đƣợc sinh ra từ nguồn phát chỉ
có công suất khoảng 100 W nhƣng sau khi đƣợc klystron khuếch đại thì công suất
của sóng RF có thể đạt đến 7,5 MW. Nhƣ vậy sóng RF sau khi ra khỏi klystron có
năng lƣợng lớn hơn ban đầu rất nhiều.
2.2. Ống dẫn sóng
Trong kĩ thuật ngƣời ta dùng các hệ thống truyền dẫn định hƣớng để nâng
cao hiệu suất truyền tải năng lƣợng điện từ. Ở dải sóng mét ngƣời ta dùng đƣờng
dây để truyền tải năng lƣợng điện từ, từ nguồn điện tới angten hay từ angten tới
máy thu. Năng lƣợng sẽ bị tổn hao do nhiệt lƣợng bức xạ ở đây. Vì vậy đối với các
máy gia tốc tại tần số cao ngƣời ta sử dụng ống dẫn sóng.
Ống dẫn sóng là ống rỗng bằng kim loại, bên trong có chứa sóng RF, ống
dẫn sóng là nơi xảy ra quá trình tăng tốc cho hạt. Sóng điện từ truyền dọc ống dẫn
sóng, sự tổn hao nhiệt nhỏ bởi vì ống dẫn sóng không có lõi dây ở giữa ống. Do cấu
trúc đơn giản, tổn hao năng lƣợng bé nên ống dẫn sóng đƣợc ứng dụng trong máy
gia tốc RF. Để sóng điện từ không bị suy giảm đáng kể sau nhiều lần phản xạ và


20

giao thoa thì tần số sóng phải lớn hơn một giới hạn nào đó gọi là tần số tới hạn. Tiết
diện của ống dẫn sóng càng bé thì tần số tới hạn càng cao.

Do đó để kích thƣớc ống dẫn sóng không quá lớn, tần số sóng truyền trong
ống dẫn sóng phải lớn, thƣờng không thấp hơn 109 Hz. Sau đây chúng ta sẽ nghiên
cứu một vài cấu trúc ống dẫn sóng thƣờng gặp trong máy gia tốc RF.
2.2.1. Cấu trúc ống dẫn sóng kiểu dick – loaded
Ống dẫn sóng kiểu disk – loaded gồm một chuỗi các ống đồng nhất, liên tiếp
và nối thông với nhau mà chúng ta gọi là những cell. Giữa các hốc kề nhau đƣợc
ngăn cách bởi các đĩa bố trí cách đều nhau nhƣ hình 2.5, các đĩa đƣợc khoét lỗ ở
tâm và làm từ vật liệu giống thành ống dẫn sóng.

Hình 2.5. Ống dẫn sóng kiểu dick – loaded [9].
1: Lỗ đƣa chùm electron vào bên trong ống dẫn sóng.
2: Ống đƣa sóng RF từ nguồn phát sóng vào trong ống dẫn sóng.
3: Một hốc nhỏ của ống dẫn sóng (trong ống dẫn sóng có nhiều hốc nhỏ đồng nhất).
4: Vách ngăn cách hai hốc kề nhau, trên vách có lỗ rỗng ở giữa để electron tăng tốc
bay xuyên qua.
Ống dẫn sóng kiểu disk – loaded bên trong chia thành nhiều hốc riêng biệt
giúp cho quá trình cản trở sóng RF truyền qua, làm giảm vận tốc pha tạo sự đồng bộ
giữa chùm electron và sóng RF. Giúp các electron tăng tốc một cách liên tục.


21

2.2.2. Cấu trúc ống dẫn sóng kiểu couple – cavity
Ống dẫn sóng kiểu couple – cavity (CC) bao gồm các khoang cộng hƣởng
kết hợp với nhau tạo thành cấu trúc tăng tốc. Trong hình 2.5 là hình dạng của kiểu
side – coupled. Các ống dẫn sóng kiểu CC đƣợc sử dụng để tăng tốc chùm electron
hay proton có vận tốc cao trong khoảng 0, 4  β  1,0 . Mỗi một khoang cộng hƣởng
gọi là một cell, trong mỗi một cell tồn tại kiểu sóng TM101 .
Ngoài ra trong ống dẫn sóng kiểu side – couple còn có những hốc liên kết
đặt bên hông. Những hốc này có tác dụng tạo độ lệch pha 1800 giữa các sóng nhằm

tạo ra sóng dừng. Mặt khác, nó dùng để ổn định điện từ trƣờng trong các hốc tăng
tốc chống lại sự nhiễu loạn do những lỗi trong khâu chế tạo hoặc do bản thân chùm
hạt đƣợc tăng tốc gây ra. Trong thực tế những hốc liên kết có thể đƣợc đặt tại nhiều
vị trí khác nhau trên ống dẫn sóng [3].

Hình 2.6. Hình dạng khái quát của ống dẫn sóng kiểu side – coupled.
2.3. Cơ sở lý thuyết của máy gia tốc tuyến tính
2.3.1. Định luật Newton
Vi trí của một hạt đƣợc mô tả trong không gian ba chiều với vận tốc của nó
nhƣ một hàm của thời gian [3].
Trong tọa độ Đề-các, véctơ vị trí ⃗ có thể đƣợc viết nhƣ sau

r  (x, y,z)

(2.1)


22

Véctơ vận tốc của hạt





 dx dy dz
v  v x , v y , vz   , ,
 dt dt dt

 dr


 dt

(2.2)

Véctơ động lƣợng của hạt là tích của khối lƣợng và véctơ vận tốc

p  m0 v  ( px ,py , pz )

(2.3)

Định luật II Newton, xác định véctơ lực F từ phƣơng trình
dp
F
dt

(2.4)

Trong hệ trục tọa độ Đề-Các phƣơng trình (2.4) có thể viết lại nhƣ sau
dp y
dp x
dpz
 Fx ,
 Fy ,
 Fz
dt
dt
dt

(2.5)

Phƣơng trình chuyển động của hạt theo ba hƣớng đƣợc xác định nhƣ phƣơng
trình (2.5). Với các thành phần lực, thành phần vận tốc theo các hƣớng x, y và z
đƣợc xác định từ các phƣơng trình riêng biệt.
2.3.2. Động năng của hạt
Động năng là năng lƣợng một hạt có đƣợc khi chuyển động. Mục đích của
máy gia tốc là truyền cho hạt mang điện một năng lƣợng lớn dƣới dạng động năng
của hạt, T thay đổi dƣới tác dụng của lực F theo công thức
T   F dx

(2.6)

Trong máy gia tốc, lực tác dụng lên hạt mang điện chủ yếu theo một chiều.
Điều này phù hợp với tính đối xứng trục trong máy gia tốc tuyến tính. Xem rằng các
hạt đƣợc tăng tốc dọc theo trục z, phƣơng trình (2.6) có thể viết lại nhƣ sau
 dz 
 dt
 dt 

T   Fz dz   Fz 

(2.7)

Công thức cho T trong cơ học Newton có thể đƣợc viết theo F bằng cách sử
dụng phƣơng trình (2.4). Chọn T = 0 khi v = 0 và giả sử khối lƣợng của hạt không
phải là hàm của vận tốc
2
T   m0 vz ( dvz ) dt  m0 vz
dt
2

(2.8)


23

Khi lực tác dụng lên hạt là không đổi, thế năng U đƣợc xác định. Trong
trƣờng hợp này, tổng động năng và thế năng, T + U là không đổi và gọi là năng
lƣợng toàn phần. Nếu lực dọc theo trục z, động năng và thế năng sẽ chuyển hóa
lẫn nhau, khi đó.T = U = Uz. Giả sử U/t  0 thì
m0 v z (

dvz
U dz
 dz 
)
 Fz  
dt
z dt
 dt 

(2.9)

Từ phƣơng trình (2.9), lực và thế năng có mối liên quan nhƣ sau
Fz  

U
z

F  U

(2.10)

Trong đó toán tử  cho bởi công thức

=i




 j k
x y
z

(2.11)

Các đại lƣợng i, j, k là véctơ đơn vị trên các trục tọa độ Đề-các.
2.3.3. Công thức tƣơng đối tính
Xét một hạt có khối lƣợng m và vận tốc ⃗⃗. Nếu c là vận tốc ánh sáng
chúng ta có thể xác định tỉ số giữa vận tốc hạt và vận tốc ánh sáng β = v/c và hệ
số tƣơng đối tính γ  1/ 1  β2 .Khi đó động lƣợng tƣơng đối tính của hạt:

p  γm0 v.
Năng lƣợng toàn phần, E  W  m0c2  γm0c2 . Khi β « 1, chúng ta có thể
chuyển các công thức về không tƣơng đối tính một cách dễ dàng. Sử dụng các
công thức sau trong tƣơng đối tính ta thu đƣợc năng lƣợng của hạt
W   γ 1 m0c2

(2.12)

Chúng ta có thể tính

(W  m0c2 )

,
m0 c 2

β  1  (1/ γ 2 )
(2.13)

Mối quan hệ giữa véctơ lực và véctơ động lƣợng trong tƣơng đối tính

F

dp
 d(v) 
 m0 

dt
 dt 

(2.14)