Nghiên cứu chuyển động của electron trong máy gia tốc tuyến tính RF

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ***** NGUYỄN HẢI CHÂU NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỘNG CỦA ELECTRON TRONG MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH RF Chuyên ngành: Vật

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

*****

NGUYỄN HẢI CHÂU

NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỘNG CỦA ELECTRON TRONG MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH RF

Chuyên ngành: Vật lý Nguyên tử, Hạt nhân và Năng lượng cao

Mã số: 604405

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN HUY BÍCH

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH–NĂM 2013

2

LỜI CẢM ƠN

Với sự đồng ý của Bộ môn Vật lý hạt nhân–Khoa Vật lý và Vật lý kỹ thuật– Trường Đại học Khoa Học tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh, tôi đã hoàn thành xong đề tài này Thông qua quyển luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành

o Các thầy cô phản biện và hội đồng chấm luận văn đã cho những nhận xét và góp ý quý giá về luận văn

o Các thầy cô trong Bộ môn Vật lý hạt nhân–Khoa Vật Lý và Vật lý Kỹ thuật–Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh đã tận

tình giảng dạy và hướng dẫn tôi trong suốt quá trình tôi học cao học

o Gia đình và các bạn trong lớp cao học Vật lý Hạt nhân K21 đã ủng hộ tôi trong suốt thời gian qua

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2013 NGUYỄN HẢI CHÂU

3

MỤC LỤC

Trang

LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC……… ………1

DANH MỤC BẢNG BIỂU……… 3

DANH MỤC HÌNH VẼ………… ……… 4

DANH MỤC KÍ HIỆU……… 6

MỞ ĐẦU……… ……… …… 8

CHƯƠNG 1 SƠ LƯỢC VỀ MÁY GIA TỐC……… ………11

1.1 Các cột mốc trong sự phát triển của máy gia tốc……… ……… ….11

1.2 Ứng dụng máy gia tốc trong khoa học ứng dụng ……… 18

1.2.1 Ứng dụng máy gia tốc trong y học……… … ……….18

1.2.2 Ứng dụng máy gia tốc trong công nghiệp………… ……… 19

1.3 Ứng dụng máy gia tốc trong khoa học cơ bản……… ………22

1.4 Ứng dụng máy gia tốc tuyến tính RF ở Việt Nam và trên thế giới … … 24

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO CỦA MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH RF……… ……… ………28

2.1 Sơ đồ cấu tạo của máy gia tốc tuyến tính RF……….28

2.2 Các bộ phận chính trong cấu tạo của máy gia tốc tuyến tính RF……… 30

2.2.1 Ống dẫn sóng……… ……….30

2.2.1.1 Ống dẫn sóng kiểu disk-loaded……… ……… 31

4

2.2.1.2 Ống dẫn sóng kiểu coupled-cavity……… …………33

2.2.2 Nguồn phát và khuếch đại sóng……… ……….34

2.2.3 Nguồn phát electron……… ……… 34

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN TỌA ĐỘ CỦA ELECTRON TRONG MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH RF……….……… …37

3.1 Chuyển động tương đối của electron trong ống dẫn sóng ……… ……… 37

3.2 Khảo sát điện từ trường trong ống dẫn sóng……… 45

3.3 Chuyển động của electron theo trục ngang trong ống dẫn sóng………46

3.3.1 Khảo sát trường hợp chuyển động của electron theo trục ngang khi không có tọa độ …….………… ……… ……… 46

3.3.2 Xây dựng chương trình tính tọa độ r của electron….…….….…… … 49

3.3.3 Phân tích số liệu thu được… …….………52

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……… ………58

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 60

PHẦN PHỤ LỤC……….………63

Hình 1.2: Máy gia tốc synchroton……… ……….15

Hình 1.3: Máy gia tốc betatron 25 MeV ………16

Hình 1.4: Máy gia tốc linac dùng sóng RF 100 MeV tại Úc…….…………18

Hình 1.5: Hệ chụp ảnh phóng xạ dùng phim……….20

Hình 1.6: Máy gia tốc LHC (Large Hadron Collider) đặt tại CERN…… 24

Hình 1.7: Máy gia tốc tevatron……… ………25

Hình 1.8: Máy gia tốc synchrocyclotron 600 MeV được lắp đặt tại Cern,

năm 1957……… ………27

Hình 1.9: Máy gia tốc linac dùng trong xạ trị ung bướu tại Bệnh viện Chợ

Rẫy……… ……….30

Hình 1.10: Máy gia tốc trị xạ prise được mua từ hãng Elekta (Anh) với kinh

phí hơn 28 tỷ đồng được lắp đặt Viện y học phóng xạ và Ung bướu quân đội… 30

Hình 1.11: Eclipse HP (Siemens) là máy gia tốc cyclotron dùng để sản xuất

đồng vị phóng xạ trong xạ hình tại Bệnh viện Chợ Rẫy……… … ……… 30

Hình 2.1: Sơ đồ cấu tạo của máy gia tốc tuyến tính RF……… ………….31

Hình 2.2: Hình dạng chùm hạt trong ống dẫn sóng……… …… …….…32

Hình 2.3: Ống dẫn sóng kiểu disk-loaded……… ……….33

7

Hình 2.4: Các thông số của ống dẫn sóng disk-loaded… ………….…….34

Hình 2.5: Trường gia tốc cho kiểu từ trường ngang trong hốc hình trụ……35

Hình 2.6: Ống dẫn sóng kiểu doupled-cavity…… ……….……36

Hình 2.7: Nguồn phát electron bằng catốt quang điện…… ……….……38

Hình 3.1: Phương pháp Euler……… ……….52

Hình 3.2: Đồ thị thể hiện tọa độ r của electron theo tọa độ z trong ống dẫn

sóng (phân bố điện trường trong ống dẫn sóng có tính tuần hoàn và có sự lặp lại sau

mỗi ba hốc tăng tốc, pha của sóng RF là k 0

6



Hình 3.3 Đồ thị biểu diễn năng lượng H của electron theo tọa độ z trong ống

dẫn sóng (phân bố điện trường trong ống dẫn sóng có tính tuần hoàn và có sự lặp lại

sau mỗi ba hốc tăng tốc, pha của sóng RF làk 0

6



Hình 3.4: Đồ thị thể hiện tọa độ r của electron theo tọa độ z trong ống dẫn

sóng (phân bố điện trường trong ống dẫn sóng có tính tuần hoàn và có sự lặp lại sau mỗi ba hốc tăng tốc, pha của sóng RF là k 0 0)……… 57

Hình 3.5: Đồ thị thể hiện tọa độ r của electron theo tọa độ z trong ống dẫn

sóng (phân bố điện trường trong ống dẫn sóng có tính tuần hoàn và có sự lặp lại sau

mỗi ba hốc tăng tốc, pha của sóng RF là k 0

6



   )……….… 58

Hình 3.6: Đồ thị thể hiện tọa độ r của electron theo tọa độ z trong ống dẫn

sóng (phân bố điện trường trong ống dẫn sóng có tính tuần hoàn và có sự lặp lại sau

mỗi ba hốc tăng tốc, pha của sóng RF là k 0

3



   )……… 59

an Hệ số khai triển Fourier

b Bán kính bên trong hốc tăng tốc

b0 Bán kính ống dây quấn bên ngoài ống dẫn sóng

c Vận tốc ánh sáng trong chân không

d Chiều dài mỗi hốc tăng tốc

L Chiều dài ống dây quấn bên ngoài ống dẫn sóng

m Khối lượng tương đối tính

 Động lượng suy rộng theo động năng

 Thời gian sóng RF truyền qua mỗi hốc

0

 Độ thay đổi pha của sóng RF khi đi qua mỗi hốc tăng tốc

TM Chế độ hoạt động Transverse Magnetic mode

RF Radio Frequency- Tần số vô tuyến

TeV Tetra electron volt

MeV Mega electron volt

10

MỞ ĐẦU

Ngày nay, cuộc sống con người đã đạt được những thành công rực rỡ nhưng cũng phải đối mặt với không ít thách thức mang ý nghĩa tồn vong Để vượt qua điều

đó, loài người đã không ngừng tìm kiếm, sáng tạo trong mọi lĩnh vực của đời sống

và khoa học công nghệ là một trong những lĩnh vực chủ lực Do đó, các thành công của khoa học cộng được ứng dụng một cách sâu rộng, toàn diện vào cuộc sống hiện đại trên toàn thế giới Nó giúp con người làm chủ được tri thức, mở rộng mọi giới hạn

Nên Việt Nam cũng không thể đứng ngoài xu hướng đó Với mục tiêu trở thành một nước công nghiệp phát triển vào năm 2020, nước ta đã đề các dự án lớn trong việc ứng dụng rộng rãi thành tựu của khoa học công nghệ Một trong các dự

án đang được tiến hành là ứng dụng máy gia tốc trong lĩnh vực công nghiệp, y học

và nghiên cứu khoa học cơ bản.Máy gia tốc là một thiết bị điện tử dùng để gia tốc các hạt mang điện như electron, prôtôn, deuteron hay các ion nặng khác đạt đến

năng lượng mong muốn nhất định Tại Việt Nam, máy gia tốc đầu tiên được lắp đặt

vào năm 1974 để phục vụ cho nghiên cứu khoa học Theo thời gian, số lượng máy gia tốc xuất hiện ngày càng nhiều tại các trung tâm nghiên cứu khoa học như Trường đại học Khoa học tự nhiên Hà Nội, Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai công nghệ bức xạ,… Ngoài ra, nhiều máy gia tốc được lắp đặt tại những bệnh viện

để phục vụ cho việc chẩn đoán và điều trị bệnh Có thể nói rằng máy gia tốc đang dần trở nên phổ biến tại nước ta Chắc chắn trong tương lai không xa kỹ thuật gia tốc ở nước ta sẽ phát triển

Trên thực tế hiện nay, Việt Nam có một số lượng đáng kể các máy gia tốc tuyến tính như linac, cyclotron đang được sử dụng trong các bệnh viện, các cơ sở công nghiệp Hàng năm, nước ta cũng sẽ nhập về các thế hệ máy gia tốc tuyến tính mới Với xu hướng phát triển của công nghệ gia tốc như vậy, việc nghiên cứu về nguyên lý hoạt động cũng như cấu tạo của máy gia tốc tuyến tính là điều cần thiết

Chương 1 Sơ lược về máy gia tốc: tóm tắt một cách sơ lược về các cột mốc

quan trọng trong lịch sử phát triển của máy gia tốc; các ứng dụng máy gia tốc trong khoa học cơ bản, y học và công nghiệp Đồng thời, trình bày tình hình các ứng dụng của máy gia tốc tuyến tính RF trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay

Chương 2 Nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc tuyến tính RF: mô tả khái

quát nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc tuyến tính RF bằng sơ đồ khối Những module quan trọng sẽ được giới thiệu một cách chi tiết như ống dẫn sóng; nguồn phát và khuếch đại sóng; nguồn phát electron

Chương 3 Xây dựng chương trình tính toán tọa độ của electron trong máy gia tốc tuyến tính RF: trong chương này, ta sẽ đi khảo sát quá trình chuyển

động của một electron cụ thể khi bay trong trường điện từ của máy gia tốc tuyến tính RF Và xem xét một trường hợp đặc biệt trong chuyển động của electron theo trục ngang Giả lập một máy gia tốc cụ thể với những thông số cần thiết để viết chương trình tính tọa độ của electron

Chúng tôi mong muốn các kết quả thu được từ đề tài này, sẽ đóng góp một viên gạch nhỏ trong việc xây dựng nền móng của công nghệ máy gia tốc ở Việt Nam Đồng thời, có thể xem đề tài như một tài liệu tiếng Việt để tham khảo Xa hơn nữa, chúng tôi hi vọng sẽ có thêm nhiều đề tài khoa học nghiên cứu về máy gia tốc tuyến tính và công nghệ máy gia tốc sẽ trở thành một xu hướng không thể thiếu trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa ở nước ta

12

CHƯƠNG 1

SƠ LƯỢC VỀ MÁY GIA TỐC

1.1 Các cột mốc trong sự phát triển máy gia tốc

Tùy theo nhu cầu sử dụng mà máy gia tốc có các mức năng lượng khác nhau

từ vài MeV được ứng dụng trong y tế, công nghiệp đến các dòng máy gia tốc hàng trăm triệu MeV ứng dụng trong các lĩnh vực nghiên cứu hạt nhân và vật lý năng lượng cao

Hình 1.1 Máy gia tốc cyclotron được sản xuất tại Zurich, Thụy Sĩ, năm 1937

Những nghiên cứu dẫn đến phát hiện hạt cơ bản và ý tưởng gia tốc các hạt được đánh dấu bằng một số mốc sự kiện đặc biệt quan trọng Điều này đã định hướng cho những nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm sau này Những khám phá

o Năm 1839: Faraday công bố kết quả thực nghiệm về dòng điện và mô

tả các hiện tượng phát tia lửa điện

o Năm 1858: Pluscker công bố các kết quả thực nghiệm về tia catốt và sự lệch hướng của chúng do từ trường Các kết quả thực nghiệm cũng cho thấy rằng tia sáng catốt cũng bị lệch hướng theo cùng chiều xoáy của dòng Am-pe chạy trong nam châm điện Do vậy, tia sáng điện phải mang từ tính

o Năm 1867: L.Lorenz nghiên cứu cùng lúc với Maxwell về lý thuyết trường điện từ tính theo các giá trị của các trường cổ điển

o Năm 1869: Hittorf thực hiện các thí nghiệm về sự lệch của các tia sáng điện do từ trường và hiệu chỉnh một số suy luận không chính xác của Pluscker

o Năm 1871: C.F.Varley khám phá ra rằng tia catốt là chùm hạt

o Năm 1874: H.Von Helmholtz công bố cấu trúc nguyên tử của dòng điện

o Năm 1883: J.C.Maxwell công bố lý thuyết điện từ Đây là lý thuyết cơ bản trong vật lý gia tốc hạt Cũng trong cùng năm này, T.A.Edison khám phá ra hiện tượng phát ion nhiệt

o Năm 1886: E.Goldstein quan sát các hạt mang điện được tách từ ống phát tia sáng qua các kênh trong catốt

o Năm 1887: H.Hertz khám phá ra sóng điện từ và hiệu ứng quang điện

o Năm 1891: G.J.Stoney đặt tên cho electron

o Năm 1894: P.Lenard thiết kế ống phóng cho phép đưa tia catốt ra không khí

14

o Năm 1895: W.Rosntgen khám phá ra tia X Cũng trong cùng năm Wiedemann đề nghị nghiên cứu bức xạ mới về tia lửa điện Thomson giải thích về sự phát xạ được tạo ra do gia tốc xảy ra trong quá trình va chạm của các hạt mang điện với các nguyên tử khác, từ đó tính được năng lượng phát xạ trong một đơn vị thời gian: E=(2e2a2)/(3c); trong đó, e là điện tích hạt phát xạ, a là gia tốc và c là vận tốc ánh sáng

o Năm 1897: J.J.Thomson đo tỷ số e/m của các tia kanal và catốt bằng phổ kế từ và nhận thấy rằng tỷ số e/m của các tia catốt lớn hơn 1700 lần so với tỷ số này của tia kanal Từ đó kết luận rằng tia catốt tạo bởi dòng điện

tự do dẫn đến bằng chứng về electron tự do Cũng trong năm này, J.Larmor đã đưa ra khái niệm về sự tịnh tiến Larmor

o Năm 1898: Lienard tính được điện trường và từ trường của hạt mạng điện chuyển động và năng lượng mất mát bởi bức xạ điện từ của hạt mang điện chuyển động trên quỹ đạo tròn

o Năm 1900: Wiechert dẫn ra biểu thức cho thế cổ điển của các điện tích điểm

o Năm 1905: A.Einstein công bố lý thuyết tương đối hẹp

o Năm 1907: Schott tính được lý thuyết đầu tiên về bức xạ synchrotron nhằm giải thích phổ nguyên tử Cũng trong năm này, W.Kaufmann và A.H.Bucherer đo sự tăng khối lượng của electron theo năng lượng Đây là thực nghiệm đầu tiên nhằm chứng minh lý thuyết tương đối hẹp

15

Hình 1.2 Máy gia tốc synchroton [27]

o Năm 1909: R.A.Millikan bắt đầu đo điện tích electron

o Năm 1913: J.Franck và G.Hertz thực hiện thí nghiệm đầu tiên nhằm kích thích nguyên tử bằng các electron được gia tốc

o Năm 1914: Marsden tạo ra chùm prôtôn đầu tiên bằng cách chiếu chùm hạt alpha vào parafin

o Năm 1920: H Greinacher thiết kế máy phát đa tầng đầu tiên

o Năm 1922: R.Wideroe khi còn là sinh viên đã phát thảo ra máy biến thế chùm hạt

o Năm 1924: Ising phát minh ra máy gia tốc thẳng electron dùng các ống trôi và phát hiện ra sự kích thích khe sáng

o Năm 1928: Wideroe công bố hoạt động của máy gia tốc thẳng cho chùm ion kali và natri Khảo sát hoạt động của betatron và bị thất bại trong việc thu chùm tia do không đạt được sự hội tụ Trong cùng năm P.A.M.Dirac đã tiên đoán về sự tồn tại của pôzitron

o Năm 1931: Van de Graaff lắp ráp máy phát cao thế đầu tiên

o Năm 1932: Lawrence và Livingston lần đầu tiên gia tốc được chùm prôtôn bằng cyclotron 1,2 MeV Trong năm này còn có một số sự kiện

16

quan trọng khác như Crockcroft và Walton đã cải tiến máy phát đa tầng để gia tốc prôtôn và tạo phản ứng hạt nhân đầu tiên Li+p  2He; C.D.Anderson phát hiện ra pôzitron; Chadwick khám phá nơtron; và H.C.Urey khám phá ra đơteri

o Năm 1939: W.W.Hansen, R.Varian và S.Varian phát minh ra ống phát sóng vi ba klystron tại Stanford

o Năm 1941: Kerst và Serber hoàn thành máy betatron đầu tiên Cũng trong năm này, Touschek và Wideroe tính được nguyên lý vòng tích lũy

Hình 1.3 Máy gia tốc betatron 25 MeV [27]

o Năm 1944: Ivanenko và Pomeranchuk cùng với Schwinger đồng thời tìm được giới hạn năng lượng trong các máy gia tốc vòng do mất mát từ bức xạ synchrotron

o Năm 1945: Veksler và McMillan cùng lúc phát hiện nguyên lý hội tụ pha Trong năm này, Bletwett khám phá bằng thực nghiệm bức xạ synchrotron bằng cách đo năng lượng mất mát của electron

17

o Năm 1947: Alvarez thiết kế máy gia tốc thẳng prôtôn đầu tiên tại Berkeley của Mỹ Trong năm này, nhóm Ginxton đã thực hiện thí nghiệm gia tốc electron lên đến 6 MeV bằng máy gia tốc thẳng Mark I tại Stanford của Mỹ

o Năm 1949: Nhóm E.M McMillan xây dựng synchrotron electron 320 MeV

o Năm 1950: Christofilos đưa ra khái niệm về hội tụ mạnh

o Năm 1951: Motz xây dựng nam châm Wiggler đầu tiên nhằm tạo bức

xạ synchrotron giả đơn sắc

o Năm 1952: Nhóm Livingson công bố thiết kế cosmotron 2,2 GeV tại Brochaven Trong năm này còn có nhóm Courant công bố bài báo đầu tiên

về hội tụ mạnh và nhóm Chodorow hoàn thành máy gia tốc tuyến tính electron 600 MeV Mark III

o Năm 1954: Nhóm R.R.Wilson vận hành synchrotron electron AG đầu tiên tại Cornell ở Mỹ đạt năng lượng đến 1,1 GeV Trong năm này, Nhóm Lofgren gia tốc prôtôn đạt đến năng lượng 5,7 GeV trong bevatron

o Năm 1955: Sands xác định giới hạn hội tụ pha do kích thích nguyên tử

o Năm 1958: Courant và Snyder xuất bản bài báo đầu tiên về lý thuyết synchrotron

18

Hình 1.4 Máy gia tốc linac dùng sóng RF 100 MeV tại Úc [23]

Quá trình nghiên cứu và phát triển máy gia tốc nở rộ vào những năm năm mươi, nhờ sự hỗ trợ của máy phát tần số vô tuyến công suất cao Cùng với sự phát triển của kỹ thuật máy gia tốc là những hiểu biết vượt bậc về lý thuyết được công bố trên rất nhiều bài báo, tạp chí khoa học Giai đoạn phát triển rầm rộ này đã thúc đẩy

sự phát triển công nghệ gia tốc như ngày nay, giúp các nhà khoa học phát triển hơn nữa những nghiên cứu khoa học cơ bản

Từ đây những ứng dụng của máy gia tốc trong các lĩnh vực khác như công nghiệp, nông nghiệp, y tế và các ngành công nghệ vật liệu được phát triển như vũ bão tạo ra một giá trị thị trường hàng năm rất lớn cho các thiết bị gia tốc

19

1.2 Ứng dụng máy gia tốc trong khoa học ứng dụng

Mặc dù những phát triển về công nghệ gia tốc thay đổi không nhiều nhưng tốc độ ứng dụng máy gia tốc trong các quá trình xử lý trong các ngành công nghiệp vẫn tăng đều đặn hàng năm Điều này là kết quả của sự phát triển nhanh chóng của ngành kinh doanh sản xuất máy gia tốc của nhiều công ty và viện nghiên cứu trên toàn thế giới Số lượng các nhà cung cấp máy gia tốc tăng theo nhu cầu sử dụng máy gia tốc theo sự tăng trưởng của các ngành công nghiệp của các nền kinh tế mới nổi

Hiện nay, phần lớn các máy gia tốc công nghiệp được sản xuất bởi các nhà cung cấp lớn ở Bắc Mỹ, Châu Âu và Nhật Bản Nhưng có một số nhà cung cấp ở Nga, Ấn Độ, Hàn Quốc và Trung Quốc cũng đang phát triển rất nhanh chóng Những nhà cung cấp mới này sản xuất máy phục vụ trong các lĩnh vực địa chất và

số lượng máy sẽ tiếp tục tăng khi kỹ thuật gia tốc được chấp nhận sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp của những nước này Theo số liệu thống kê được công

bố từ các nhà cung cấp lớn thì hệ thống máy gia tốc công nghiệp được sản xuất trên một năm hơn gấp hai lần số lượng máy gia tốc được sản xuất cho nghiên cứu và điều trị y khoa

1.2.1 Ứng dụng máy gia tốc trong y học

Một số ứng dụng quan trọng của máy gia tốc trong y học là chẩn đoán và điều trị một số căn bệnh, đặc biệt là bệnh ung thư Ngày nay, các bệnh viện đều được trang bị máy chụp X-quang Trong những thiết bị này luôn có một bộ phận đóng vai trò là máy gia tốc để tạo ra chùm electron năng lượng cao, sau đó chùm electron này được cho va chạm với bia kim loại làm sinh ra chùm tia X Dựa vào tính chất hấp thụ và truyền qua của tia X khi chiếu qua cơ thể, người ta thu được hình ảnh bên trong cơ thể phục vụ việc chẩn đoán

20

Trong xạ trị, chùm tia năng lượng thích hợp được dùng để chiếu vào vị trí có

tế bào ung thư Trước đây, người ta thường dùng chùm tia gamma phát ra từ nguồn côban (Co60) Ngày nay máy gia tốc được dùng để dần thay thế cho nguồn côban bởi vì nó có thể tạo ra được hai loại bức xạ: chùm electron và chùm tia X Máy gia tốc còn có ưu điểm linh hoạt trong việc điều chỉnh cường độ cũng như năng lượng của chùm hạt

1.2.2 Ứng dụng máy gia tốc trong công nghiệp

Trong công nghiệp, máy gia tốc được sử dụng rất đa dạng Các ứng dụng chủ yếu đó là: chụp ảnh công nghiệp, chụp ảnh phóng xạ, phân tích kích hoạt vật liệu…

Để tạo ra ảnh của 1 mẫu vật, chỉ ra những thay đổi ở độ sâu, các khuyết tật (bên trong và trên bề mặt), những thay đổi trong cấu trúc, các chi tiết… ta thường dùng phương pháp kiểm tra không phá mẫu, trong đó phương pháp chụp ảnh phóng

xạ là được sử dụng rộng rãi nhất

Hình 1.5 Hệ chụp ảnh phóng xạ dùng phim

Việc sử dụng các tia X hay tia gamma có năng lượng khác nhau để chụp ảnh phóng xạ hoàn toàn phụ thuộc vào độ dày của mẫu kiểm tra Nếu mẫu có độ dày nhỏ, người ta dùng các nguồn có năng lượng thấp, để lúc đi qua mẫu nó vẫn có thể

21

đến phim mà không bị hấp thụ hoàn toàn trong mẫu Nguồn ở đây thường là nguồn gamma năng lượng dưới 1 MeV hay ống Rơn-ghen năng lượng tầm 450 KeV Trong thực tiễn các ngành công nghiệp, để kiểm tra các mẫu kích thước lớn bằng phương pháp chụp ảnh phóng xạ, người ta thường những nguồn tia X có khả năng đâm xuyên cao hơn nhiều, tầm từ 1 đến 25 MeV Các thiết bị phù hợp nhất tạo ra các năng lượng này là máy gia tốc betatron, máy gia tốc thẳng Điểm cần lưu ý trong việc chụp ảnh phóng xạ các vật thể lớn là năng lượng tia X rất cao nhưng không được vượt quá ngưỡng phản ứng hạt nhân để đảm bảo an toàn phóng xạ Do vậy, năng lượng tia X từ máy gia tốc thường phải nhỏ hơn 10 MeV

Để có thể phân tích nhiều đối tượng khác nhau như mẫu môi trường, đất nông nghiệp, mẫu địa chất, các loại vật liệu… người ta thường dùng phương pháp phân tích vật liệu Trong phần này, chúng tôi muốn trình bày một trong những phương pháp rất phổ biến là phân tích kích hoạt sử dụng máy gia tốc Phân tích kích hoạt là phương pháp dựa trên việc đo cường độ phát xạ của các đồng vị phóng xạ được tạo ra trong các phản ứng hạt nhân, các phản ứng này xảy ra lúc mẫu được kích hoạt bởi một chùm hạt nơtron, hạt điện tích hay phôtôn Cường độ này tỉ lệ với hàm lượng nguyên tố cần xác định trong mẫu Những nhân tố ảnh hưởng đến việc xác định hàm lượng các nguyên tố trong mẫu gồm: tiết diện phản ứng hạt nhân; thông lượng dòng hạt kích hoạt; độ phổ cập đồng vị; thời gian sống; trọng lượng các nguyên tố; sơ đồ phân rã; thời gian chiếu, thời gian nghỉ và thời gian đo; hiệu suất đầu dò ghi bức xạ Để tiến hành một phép phân tích kích hoạt, chúng ta cần giải quyết ba khâu sau: mẫu phân tích và mẫu chuẩn (tức đối tượng cần phân tích); nguồn kích hoạt (nguồn chiếu xạ); hệ thống thiết bị đo đạc và xử lý phổ: gồm các đầu dò ghi phổ, máy tính được cài đặt chương trình xử lý phổ

Ngoài ra, một số ứng dụng chùm electron là sử dụng năng lượng electron trực tiếp để thay đổi một số đặc trưng hóa lý của vật liệu thông qua sự tích nhiệt, sự ion hóa và các tương tác với nguyên tử Trong khi đó, một số khác sử dụng bức xạ thứ cấp như bức xạ hãm của electron để tạo ra tia X hoặc bức xạ synchrotron dùng trong kiểm tra vật liệu Nhiều ứng dụng của chùm ion dựa vào tương tác trực tiếp

22

của hạt nhân cụ thể vào vật liệu bia Nhưng một số ứng dụng khác dựa vào năng lượng hãm của ion trong vật liệu bia như ứng dụng cấy ion trong vật liệu hoặc trong ứng dụng tạo chùm nơtron dùng trong kiểm tra vật liệu

Trên thực tế, có nhiều hệ máy gia tốc được xây dựng cho việc cấy ion vào vật liệu ứng dụng trong ngành công nghiệp chất bán dẫn Các hệ máy gia tốc trong lĩnh vực này vượt trội hơn các hệ máy gia tốc ứng dụng trong các lĩnh vực khác cả

về số lượng máy lẫn giá trị kinh tế của sản phẩm tạo ra từ máy gia tốc

Các ứng dụng chùm ion trong công nghiệp khác như tạo chất đồng vị phóng

xạ ứng dụng trong các đánh dấu chất đồng vị; hay các máy gia tốc tạo ra nơtron đang còn hoạt động trong ngành công nghiệp dầu khí; các máy gia tốc tĩnh điện, hầu hết là các máy kiểu Van de Graaff, hiện đang được sử dụng để phân tích chùm ion

sử dụng trong công nghiệp

Ngành công nghiệp lớn nhất sử dụng máy gia tốc electron là ngành công nghiệp chế tạo vật liệu Trong ngành này, chùm electron chính xác có năng lượng tương đối được dùng trong công nghệ hàn, cắt, khoan, xử lý nhiệt, mài và làm cứng

bề mặt đòi hỏi độ chính xác cực kỳ cao Gia tốc chùm electron còn được sử dụng trong việc tạo ra các nhiệt độ nóng chảy chính xác cao cho các vật liệu có độ nóng chảy cao như tungsten hoặc molybden và dùng trong các chế tạo các kim loại siêu dẫn tinh khiết như niobium trong ngành công nghiệp luyện kim kỹ thuật cao Quá trình xử lý chùm electron đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp ôtô như dùng trong việc chế tạo hộp số, tôi luyện trục cam và các đầu thanh nối

Một ứng dụng khác của máy giá tốc electron là dùng chùm electron có năng lượng cao cỡ năng lượng ion hóa để chiếu xạ các vật liệu và các sản phẩm để tăng cường các đặc tính hóa, lý và sinh học Các máy gia tốc electron này còn được gọi

là máy chiếu xạ electron Những máy gia tốc này được sử dụng rất nhiều trong công nghệ ứng dụng gia tốc như các quá trình xử lý nối mạch và lưu hóa polyme, tạo các liên kết ngang của đơn phân tử và tạo liên kết cho vật liệu tổng hợp trên đế nhựa epoxy Những ứng dụng bao gồm sản xuất dây cách điện chịu nhiệt, ống co nhiệt và màng mỏng đóng gói thực phẩm, tạo bọt polyethylen, lốp cao su, tạo hydrogel cho

Những chùm electron năng lượng cao cũng được sử dụng để tạo ra các bức

xạ thứ cấp dùng trong thăm dò và xử lý vật liệu Các bức xạ thứ cấp như bức xạ hãm được tạo ra bằng cách bắn các electron năng lượng cao được tạo ra từ máy gia tốc tuyến tính vào các bia hoặc các bức xạ synchrotron được tạo ra từ các electron chuyển động tương đối tính trong máy gia tốc synchrotron

Việc sử dụng các kỹ thuật X-quang trong việc kiểm tra an ninh tại các sân bay và cửa khẩu đã tạo ra sự bùng nổ trong việc sử dụng các máy gia tốc electron tuyến tính trong kiểm tra không hủy thể Phương pháp này có ưu điểm so với các phương pháp chụp ảnh X-quang cũ là có thể kiểm tra các hàng hóa có bề dày lớn hơn và thành phần hành lý phức tạp hơn

1.3 Ứng dụng máy gia tốc trong khoa học cơ bản

Nhờ có máy gia tốc mà sự hiểu biết của con người về thế giới tự nhiên mới

có thể sâu rộng như những gì chúng ta đang có Thật vậy, cấu trúc và tính chất của vật chất có thể phát hiện khi có chùm hạt chuyển động với tốc độ cao tương tác với vật chất Muốn xảy ra điều này thì cần phải có một phương tiện để tạo ra một chùm hạt có năng lượng và cường độ đủ lớn Phương tiện này chính là máy gia tốc Ngay

từ khi ra đời vào khoảng nửa đầu của thế kỉ 20, máy gia tốc đã bắt đầu đóng góp cho sự phát triển của ngành vật lí học Ngày nay, máy gia tốc đã trở thành công cụ đắc lực để nghiên cứu hạt cơ bản Những máy gia tốc này có kích thước rất lớn, chu

vi của mỗi vòng tăng tốc lên đến hàng chục kilômét, chùm hạt sau khi được tăng tốc

sẽ đạt đến mức năng lượng hàng TeV

24

Hình 1.6 Máy gia tốc LHC (Large Hadron Collider) đặt tại CERN

Những sự kiện quan trọng trong lĩnh vực nghiên cứu hạt cơ bản có sử dụng máy gia tốc làm phương tiện nghiên cứu đó là:

o Năm 1990: nhóm nghiên cứu với máy gia tốc SLAC đã tìm được cấu trúc hạt quark bên trong prôtôn và nơtron [25]

o Năm 1995: các nhà vật lí tại SLAC tìm thấy hạt tau lepton [25]

o Năm 2006: máy gia tốc tevatron phát hiện hai loại hạt sigma baryon [22]

o Năm 2007: máy gia tốc tevatron phát hiện hạt xi baryon [22]

o Năm 2008: máy gia tốc tevatron tiếp tục phát hiện hạt omega baryon [22]

25

Hình 1.7 Máy gia tốc tevatron

1.4 Ứng dụng của máy gia tốc tuyến tính RF ở Việt Nam và trên thế giới

Máy gia tốc dùng để sản xuất các nhân phóng xạ (đồng vị phóng xạ) Các loại máy gia tốc tuyến tính có thể sản xuất nhân phóng xạ là linac, cyclotron Trong

đó, cyclotron là loại máy gia tốc chủ lực

Hiện nay, máy gia tốc linac là phương tiện chủ yếu trong xạ trị ung thư với các tia bức xạ electron và photon Xạ trị bằng prôtôn hay hạt cacbon ngày càng phát triển tại các nước phát triển và hứa hẹn có một tương lai tươi sáng

Tình hình máy gia tốc tuyến tính linac ở Việt Nam: Có khoảng 15 máy gia tốc tuyến tính linac trải đều trên khắp đất nước Nhưng tập trung chủ yếu vẫn là ở Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh

Gia tốc tuyến tính,

Linac - Hoạt động ổn định - Kích thước bia

Helium-3 Linac - Tiêu hao năng lượng ít

- Hoạt động ổn định

- Hoạt độ riêng thấp

- Vấn đề bia

Bảng 1.2 Tình hình máy gia tốc linac ở Việt Nam [25], [27]

27

Hình 1.8 Máy gia tốc linac dùng trong xạ trị ung bướu tại Bệnh Viện Chợ Rẫy

Hình 1.9 Máy gia tốc trị xạ prise được mua từ hãng Elekta (Anh) với kinh phí

hơn 28 tỷ đồng được lắp đặt tại Viện y học phóng xạ và Ung bướu quân đội Tình hình hiện tại có 3 máy gia tốc cyclotron tại Việt Nam chuyên cung cấp phóng xạ phục vụ cho các thiết bị y học hạt nhân khác Trong đó, có 2 máy gia tốc

28

cyclotron tại Hà Nội, 1 máy gia tốc cyclotron tại Thành phố Hồ Chí Minh Một số tỉnh thành khác cũng đang có dự án để triển khai như Đà Nẵng, Kiên Giang,…

Hình 1.10 Eclipse HP (Siemens) là máy gia tốc cyclotron dùng để sản xuất đồng vị

phóng xạ tại Bệnh viện Chợ Rẫy

Các ứng dụng máy gia tốc trong y học đã được triển khai được một thời gian khá dài Các cơ sở sử dụng máy gia tốc trong điều trị ung thư ở Việt Nam như: Bệnh viện Chợ Rẫy, Bệnh viện Ung Bướu, Bệnh viện 115…; Ở Hà Nội thì có Bệnh viện Bạch Mai, Xu hướng hiện nay của các bệnh viện trên cả nước đều muốn trang bị các thiết bị máy gia tốc điều trị ung thư như các bệnh viện ở Đà Nẵng, Kiên Giang, Long An,… Các ứng dụng máy gia tốc trong công nghiệp đã được triển khai

ở Thành phố Hồ Chí Minh như ở Trung tâm triển khai công nghệ bức xạ đã nhập về máy gia tốc electron UERL–10–15S2 ứng dụng trong khử trùng dụng cụ y tế và thực phẩm Các ứng dụng khác của máy gia tốc trong các ngành công nghiệp khác ở nước ta vẫn còn đang là một tiềm năng cần khai thác

29

CHƯƠNG 2

NGUYÊN LÝ CẤU TẠO CỦA MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH RF

2.1 Sơ đồ cấu tạo của máy gia tốc tuyến tính RF

Máy gia tốc tuyến tính dùng sóng vô tuyến RF là một trong những máy gia tốc có ý nghĩa quan trọng nhất trong lịch sử máy gia tốc hạt Các ưu điểm chính của máy gia tốc tuyến tính RF là khả năng tạo ra chùm hạt tích điện chất lượng cao có năng lượng lớn và cường độ cao Chất lượng chùm hạt liên quan đến khả năng tạo

ra chùm hạt nhỏ có độ phân tán năng lượng nhỏ

Hai cấu trúc gia tốc tuyến tính prôtôn và electron hiện đại đầu tiên trên thế giới đó là [19]:

o Máy gia tốc tuyến tính ống trôi DTL (Dirft Tube Linac) do Luis Alvarez và các cộng sự ở Đại học California đưa ra, hiệu quả trong việc gia tốc prôtôn

o Máy gia tốc tuyến tính có cấu trúc dẫn sóng đĩa tải hay dẫn sóng tải iris (disk-loaded waveguide hay iris-loaded waveguide) ở Stanford, hiệu quả hơn cho gia tốc electron

Sơ đồ các cấu tạo chủ yếu của máy gia tốc tuyến tính RF được trình bày trong hình 2.1, tùy theo từng loại máy gia tốc tuyến tính cụ thể, các cấu trúc này có thể thay đổi [3], [19]

30

Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo của máy gia tốc tuyến tính RF

Một nguồn điện được dùng để cung cấp năng lượng cho nguồn phát sóng vô tuyến điện từ RF Sóng RF được phát ra có tần số thích hợp nhưng công suất nhỏ

Vì vậy, sóng RF cần được khuếch đại bởi klystron đến một công suất đủ lớn để đưa vào ống dẫn sóng Trước khi đến được ống dẫn sóng, sóng RF phải đi qua cửa sổ cao tần Bộ phận này có nhiệm vụ đóng mở cửa sổ một cách hợp lí để đưa sóng RF vào ống dẫn sóng dưới dạng xung hoặc sóng liên tục Sóng RF có vai trò tăng tốc cho chùm hạt mang điện khi nó được đưa vào ống dẫn sóng Bên ngoài ống dẫn sóng được quấn quanh bởi các cuộn dây và nối vào nguồn cao áp Nguồn cao áp với một điện áp lớn sẽ tạo ra một dòng điện mạnh để sinh ra một từ trường bên trong ống dẫn sóng Từ trường này có nhiệm vụ làm hội tụ và tái hội tụ chùm hạt để đảm bảo nó chuyển động theo một hướng định trước trong quá trình nó được tăng tốc

Khi nguồn phát hạt (chẳng hạn như súng phóng điện tử) phóng chùm hạt mang điện vào ống dẫn sóng của máy gia tốc tuyến tính, thành phần điện trường của sóng RF sẽ tác dụng lực lên chùm hạt để tăng tốc cho nó Bên cạnh quá trình này, từ trường cũng tác dụng lên chùm hạt một lực để chống lại xu hướng chuyển động theo phương ngang và đảm bảo cho chùm hạt có xu hướng hội tụ và tái hội tụ khi

nó chuyển động dọc theo trục của ống dẫn sóng [3], [19]

31

Hình 2.2 Hình dạng chùm hạt trong ống dẫn sóng

Bởi vì máy gia tốc RF dùng thành phần điện trường biến thiên hình sin của sóng RF để tăng tốc cho hạt nên hạt có thể thu nhận thêm hoặc mất bớt năng lượng Điều này tùy thuộc vào mối liên hệ giữa pha của dòng hạt với đỉnh sóng Hình 2.2

mô tả sự biến thiên theo thời gian của thành phần điện trường thuộc sóng RF tại một điểm trong ống dẫn sóng và sự đồng bộ giữa pha của sóng RF với các chùm hạt được tăng tốc Ta thấy các chùm hạt mang điện chỉ đi qua vị trí ta khảo sát đúng vào thời điểm lực điện trường cùng chiều chuyển động để cho hạt được tăng tốc Nếu có một chùm hạt đi qua vị trí nói trên vào lúc pha của sóng lệch π so với trường hợp đầu thì lực điện trường sẽ ngược chiều chuyển động và chùm hạt sẽ bị hãm lại thay

vì tăng tốc Vì vậy, để quá trình tăng tốc có hiệu quả với mọi hạt, nguồn phát hạt phải phóng ra chùm hạt thành từng bó mà ta gọi là những xung hạt micropulse và được đưa vào ống dẫn sóng vào những thời điểm thích hợp

2.2 Các bộ phận trong cấu tạo của máy gia tốc tuyến tính RF

2.2.1 Ống dẫn sóng

Với hình dạng một ống hình trụ bên trong chứa sóng RF, ống dẫn sóng là nơi xảy ra quá trình tăng tốc cho hạt mang điện Tùy thuộc vào loại sóng RF được dùng trong quá trình tăng tốc cho hạt mà cấu trúc bên trong ống dẫn sóng cũng có nhiều kiểu khác nhau

Hình 2.3 Ống dẫn sóng kiểu disk-loaded

1: là lỗ đưa chùm electron vào bên trong ống dẫn sóng

2: là ống đưa sóng RF từ nguồn phát sóng vào trong ống dẫn sóng

3: là cấu tạo bên trong ống dẫn sóng kiểu disk-loaded được chia thành nhiều hốc nhỏ đồng nhất

4: là đĩa ngăn cách hai hốc kề nhau, trên đĩa có lỗ rỗng ở giữa để electron được tăng tốc bay xuyên qua

Các thông số của ống dẫn sóng như: b là bán kính của hốc tăng tốc, a là bán kính lỗ tại tâm các đĩa ngăn cách các hốc, d là chiều dài mỗi hốc,… phải phù hợp với các thông số của sóng điện từ lan truyền như tần số, vận tốc của sóng RF, độ lớn

33

của thành phần điện trường, thành phần từ trường,… Ngoài ra, tùy thuộc vào công suất của máy gia tốc, năng lượng của chùm electron sau khi tăng tốc,… mà những thông số nói trên có giá trị khác nhau [3], [19]

Hình 2.4 Các thông số của ống dẫn sóng disk-loaded

Sóng RF truyền trong ống dẫn sóng có thể là sóng liên tục hoặc truyền dưới dạng những xung gọi là macropulse Mỗi xung là một sóng tổng hợp của nhiều sóng đơn lẻ có tần số chênh lệch nhau trong một giới hạn nhất định Điện trường E bên trong ống dẫn sóng có thành phần chính hướng dọc theo trục z của ống trong khi từ trường Bthì chủ yếu có hướng theo phương ngang như hình 2.5 [3], [19]

độ lệch pha 1800

giữa các sóng nhằm tạo ra sóng dừng Mặt khác nó dùng để ổn định điện từ trường trong các hốc tăng tốc chống lại sự nhiễu loạn do những lỗi trong khâu chế tạo hoặc do bản thân chùm hạt được tăng tốc gây ra Trong thực tế những hốc liên kết có thể được đặt tại nhiều vị trí khác nhau trên ống dẫn sóng [3], [19]

35

Hình 2.6 Ống dẫn sóng kiểu coupled-cavity

2.2.2 Nguồn phát và khuếch đại sóng

Việc chọn lựa nguồn năng lượng sóng RF tùy thuộc vào nhiều yếu tố như tần

số, năng lượng đỉnh và năng lượng trung bình của sóng điện từ, hiệu suất, độ tin cậy, giá thành,… của máy gia tốc 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 người ta dùng một nguồn phát sóng RF kết hợp với klystron Klystron được 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 được sinh ra từ nguồn phát chỉ có công suất khoảng 100 W nhưng sau khi được klystron khuếch đại thì công suất của sóng RF có thể đạt đến 7,5 MW Như vậy sóng RF sau khi ra khỏi klystron có năng lượng lớn hơn ban đầu rất nhiều

2.2.3 Nguồn phát electron

Nguồn phát hạt có nhiệm vụ tạo ra chùm electron và đưa chúng vào ống dẫn sóng của máy gia tốc tuyến tính để thực hiện quá trình tăng tốc Chùm electron

36

được phát ra nhờ vào sự phát xạ nhiệt electron từ catốt bị nung nóng bởi dòng điện một chiều Cũng có thể chùm electron được phát ra từ hiện tượng quang điện khi chiếu vào catốt quang điện bằng ánh sáng laze

Chùm electron được phát ra dưới dạng những xung, chiều dài của xung hạt

có thể thay đổi từ vài nanô giây đến hàng micrô giây tùy thuộc vào ứng dụng nghiên cứu Chùm electron cần phải có hướng 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 Trước khi đi vào ống, chùm electron bị nén thành những xung rất ngắn gọi là micropulse Bộ phận có nhiệm vụ nén chùm êlectron 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 được tạo hầu như là liên tục nhưng sóng RF tác dụng lên từng electron có tác dụng khác nhau: có electron ở một vị trí nào đó được tăng tốc nhưng cũng có electron ở vị trí khác lại giảm tốc Kết quả là electron giảm tốc ở phía trước 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 Độ lệch pha của những electron trong mỗi xung phải dưới năm mươi để giảm thiểu sự phân tán về mặt năng lượng của chùm electron sau khi tăng tốc [3], [19]