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

Nguyên lý mNguyên lý cấu tạo và hoạt động của một số máy gia tốc hạtáy gia tốc 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 khôngđổi và đồng nhất, việc gia tốc hạt diễn ra dưới tác dụng của điện trườngbiến thiên có tần số không đổi

− Microtron là máy gia tốc hạt tương đối tính theo nguyên lý đồng pha tựđộng, 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 caotần gia tốc các điện tử Hộp cộng hưởng được kích thích bằng một nguồndao động siêu cao tần công suất lớn Đó là một đèn magnetron xung côngsuất hàng trăm kW

− Mỗi lần đi qua hộp cộng hưởng các điện tử nhận được một năng lượngxác định E và sau đó bắt đầu chuyển động sang quỹ đạo tiếp theo Khiđiện tử đạt đến quỹ đạo cuối cùng chúng được đưa ra khỏi buồng gia tốcqua một kênh từ

VI Máy gia tốc Microtron

− Sự đồng bộ trong chuyển động của điện tử và sự thay đổi của điện trườnggia tốc siêu cao tần dựa trên sự thay đổi chu kỳ vòng quay sau mỗi quỹđạo 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

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

E= E0 ; T1   T0 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

- Bằng việc sử dụng tham số , điều kiện đồng bộ có thể viết :

Gọi  là năng lượng toàn phần tính bằng năng lượng dừng, năng lượng

tương đối của điện tử trên quỹ đạo thứ n bằng :

- Khi ~1 cường độ điện trường gia tốc gần bằng cường độ từ trường B

(6.7)(6.8)

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 nănglượng 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

B





(6.11)

+ Hộp cộng hưởng:

- Hộp cộng hưởng là một bộ phận rất cơ bản của Microtron, các điện tửđược phát ra và đưa vào gia tốc sau đó lại hội tụ tăng thêm năng lượngđều thông qua hộp cộng hưởng

- Hộp cộng hưởng thường được chế tạo bằng Cu nguyên chất, hoạt độngcủa hộp cộng hưởng đòi hỏi điều kiện chân không cao, thường khoảng2x10-6 mmHg

+ Nguồn phát xạ electron:

- Thường là súng phóng điện tử (electron gun) với catot làm bằng chất LaB6

- Nguồn phát electron lắp trực tiếp trong buồng gia tốc và gắn với hộp cộnghưởng

- LaB6 là một hợp chất rắn có dạng tinh thể nhỏ, nhiệt độ nóng chảy 2200 0C,

có độ dẫn điện cao và hiệu suất phát xạ điện tử lớn và ổn định trong điệntrường xoay chiều cường độ lớn

- Trong điện trường của hộp cộng hưởng Microtron mật độ dòng phát xạ đạtđến 100-200 A/cm2.

- Để đốt nóng các nguồn phát electron cần dùng dòng điện có cường độ lênđến 50 A

+ Nguồn phát sóng cao tần:

- Hệ siêu cao tần của Microtron bao gồm nguồn phát sóng, ống dẫn sóng vàhộp 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 nguồnphát cao tần Hệ số có ích của magnetron lớn hơn klystron và có thể làmviệc 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 sóngcao tần từ nguồn phát cao tần vào hộp cộng hưởng nơi mà các điện tửđược 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 electron1,4: 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 khoảngvài chục MeV, có kích thước lớn và nặng do cường độ trường cyclotronthấp Ngoài ra số quỹ đạo bị hạn chế bởi sự không đồng nhất của từtrường

− Máy gia tốc RMT khắc phục được các hạn chế này, có thể gia tốc electrontới hàng trăm MeV

− Máy gia tốc RMT bao gồm hai nam châm tạo từ trường đồng nhất và mộtmáy gia tốc thẳng đặt tại phần thẳng giữa hai cực có khả năng nhận nănglượng 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 1800đặt đối diện nhau và cách nhau một khoảngcách lớn so với kích thước của chúng

− Các electron được đưa vào linac từ một súng bắn electron, đôi khi từ mộtmáy 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

- 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 xemnhư cấu trúc linac

+ Thứ hai, các electron trong quỹ đạo thứ nhất có thể không đủ tương đốitính, 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 thốngnam 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 vànguồn nơtron phân hạch

− Các máy phát nơtron điện thế gia tốc thấp (cỡ vài trăm kV) tạo ra nơtrontheo các phản ứng sau đây:

− Trong phản ứng D-D cho nơtron năng lượng thấp (2-4 MeV), còn phảnứng 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:

i d

i d

i d

(7.3)

(7.4)

Các giá trị Y0, Yi, E0; Ei 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 4He bằng đầu dò alpha ở các góc khác nhau

- Dùng lá dò 27Al(n,)24Na như là một monitor dòng nơtron

- Buồng phân hạch 238U và 232Th 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 phươngpháp 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 biachứa 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 1012 n/giây

− Nhược điểm của máy phát nơtron là hiện tượng suy giảm cường độ doviệc 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 việccủa 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

− 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

Hình 11: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy phát nơtron 14 MeV

6 Điện cực hội tụ 13 Hệ làm nguội bằng nước

Hình 12: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy phát nơtron 14 MeV

Hình 13: Máy phát nơtron xung 14 MeV

Hình 14: Máy phát nơtron loại RF plasma

Hình 11 : Máy phát nơtron xách tay

Ứng dụng của máy phát nơtron 14 MeV

− Máy phát nơtron được sử dụng trong nghiên cứu vật lý hạt nhânnhư xác định tiết diện phản ứng hạt nhân, đo tỷ số isome vớinơtron 14 MeV …

− Ứng dụng trong phân tích kích hoạt, phân tích nơtron - gamma tứcthời…

− Ứng dụng trong chụp ảnh phóng xạ, xạ trị trong y tế…

− Kiểm tra và phân tích các chất gây nổ bằng phương pháp phântích kích hoạt gamma tức thời…