Đề tài về máy gia tốc vòng 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: 1, Định nghĩa và nguyên lí gia tốc hạt 2

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:

1, Định nghĩa và nguyên lí gia tốc hạt

2, Phân loại

3, Ứng dụng

1, Cấu tạo

2, Nguyên lí hoạt động

III) Giới thiệu về Racetrack Microtron (RMT)

Chi tiết:

1, Định nghĩa và nguyên lí gia tốc hạt:

tăng tốc các hạt tích điện được gọi là máy gia tốc hạt

Máy gia tốc dùng trong nhiều lĩnh vực

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:

- 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

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:

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:

N là 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:

đổi và đồng nhất, việc gia tốc hạt diễn ra dưới tác dụng của điện trường biến thiên có tần số không đổi

động, chỉ phù hợp với các hạt nhẹ như e và p

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

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)

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

trong đó: µ,ν là các số nguyên

là một số nguyên của chu kì sóng cao tần

: Năng lượng dừng của hạt

với trường siêu cao tần

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

Г là năng lượng toàn phần tính bằng năng lượng dừng, năng lượng tương đối của điện tử trên quỹ đạo thứ n bằng:

trường

nhỏ, vì vậy số vòng quay là rất lớn, với Microtron số vòng quay nhỏ hơn đáng kể và không vượt quá 60

lượng rất tốt

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

Năng lượng e

lớn nhất ở đầu

ra

Đường kính

nam châm, m

Nguồn xung

RF, MW

Chiều rộng

xung, µs

Năng lượng cho

điều trị ung thư,

MeV

Liều lượng

thuốc lớn nhất,

Gy/s

Electrons

Photons

0,083 0,05

0.083 0,05

0,083 0,05

photon lớn nhất,

MV

Kích thước lớn

nhất của vùng

mà chùm tia đi

qua, cm^2

Electrons

Photons

20x20 30x30

20x20 30x30

20x20 30x30

Lượng nước

làm mát, l/phút

Máy tính điều

khiển

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

lên tới hàng trăm MeV

thẳng đặt tại phần thẳng giữa 2 cực có khả năng nhận năng lượng gia tốc lớn hơn trong Microtron vòng

cách lớn so với kích thước của chúng

khác

+ 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

và sau đó phản xạ ngược trong linac bằng tứ cực chính

∆E: năng lượng hạt nhận được qua hốc cộng hưởng RF : bước sóng cao tần

n: số nguyên

là một bội số nguyên của bước sóng

• Một số máy RMT

IV) So sánh betatron, cyclotron, microtron, synchrotron

Nguyên lí gia tốc

hạt

Gia tốc hạt bằng điện trường xoay chiều tần số cao

Gia tốc hạt bằng

từ thông biến thiên

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

-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 electron

và positon

Các proton

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

Năng lượng các

photon

Năng lượng cao nhất khoảng 600MeV

Năng lượng phụ thuộc giá trị tuyệt đối của từ thông trên quỹ đạo chuyển động và thời gian quay 1 quỹ đạo Năng

Năng lượng phụ thuộc vào số quỹ đạo và cường độ từ trường Năng lượng giới hạn khoảng từ 8 đến

Năng lượng lớn hơn rất nhiều, có thể tới vài GeV và cao hơn

lượng giới hạn khoảng 500MeV

20MeV

Loại nam châm

sử dụng

Nam châm hội tụ quạt và nam châm truyền thống

Nam châm có dạng đặc biệt

Nam châm điện

có kích thước phụ thuộc năng lượng chùm tia cần gia tốc

Dạng hình nhẫn, tạo ra từ trường gia tốc ban đầu, và điều khiển chuyển động quỹ đạo tròn

đi qua khe gia tốc đúng thời điểm cần thiết

Cần một trường điều khiển có dạng đặc biệt do

để giữ cho hạt chuyển động theo quỹ đạo tròn có bán kính xác định

Có kích thước lớn và nặng do cường độ trường cyclotron thấp

Ngoài ra số quỹ đạo bị hạn chế bởi sự không đồng nhất của từ trường

Chu trình hoạt động phức tạp, thông lượng dòng trung bình thấp