SCIENCE TECHNOLOGY NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG, LẮP ĐẶT VÀ XÁC ĐỊNH THỰC NGHIỆM CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT NGUỒN ION PIG TRONG MÁY GIA TỐC CYCLOTRON KOTRON13 THE PRINCIPLES OF OPERATION, INSTALLATION AND DETERMINATION OF TECHNICAL PARAMETERS OF INTERNAL PIG ION SOURCE IN KOTRON-13CYCLOTRON Nguyễn Tiến Dũng*, Nguyễn Tuấn Anh, Phạm Minh Đức TÓM TẮT Nguồn ion máy gia tốc nơi tạo hạt tích điện phục vụ trình gia tốc hạt buồng gia tốc Nguồn ion phân nhiều loại khác phù hợp với máy gia tốc sử dụng với mục đích khác Nguồn ion theo cơng nghệ PIG thuộc loại nguồn có cấu tạo đơn giản thích hợp với loại máy PET cyclotron sử dụng nhiều thị trường Máy gia tốc cyclotron KOTRON13 lắp đặt Trung tâm chiếu xạ Hà Nội thuộc Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam sử dụng nguồn ion theo công nghệ PIG Máy dùng để sản xuất dược chất phóng xạ 18FDG dùng kỹ thuật chụp ảnh PET/CT nhằm chẩn đoán bệnh ung thư sớm Bài cáo trình bày nguyên lý hoạt động, lắp đặt xác định thông số kỹ thuật cho nguồn ion PIG máy KOTRON13 Các thông số khí lắp đặt vị trí nguồn ion, nguồn điện tạo vùng plasma, lưu lượng dịng khí hydro đưa vào nguồn ion xác định thực nghiệm nhằm đạt dòng cực đại bia tối ưu hoạt động KOTRON13 Từ khóa: PIG, Cyclotron, KOTRON13, 18FDG, plasma NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG NGUỒN ION PIG 1.1 Giới thiệu máy gia tốc cyclotron KOTRON13 Máy gia tốc cyclotron KOTRON13 hãng Samyoung Unitech chế tạo để sản xuất dược chất phóng xạ 18FDG dùng kỹ thuật chẩn đoán ung thư sớm PET/CT [1] Máy lắp đặt Trung tâm chiếu xạ Hà Nội thuộc Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam Máy gồm phận chính: Nguồn ion theo cơng nghệ PIG dùng để tạo ion âm H-, buồng gia tốc vòng hệ dẫn chùm tia khỏi máy gia tốc hướng tới bia Hạt proton gia tốc tới lượng 13MeV dịng bia đạt tới 50µA Trong thiết kế KOTRON13, nguồn ion đặt vùng tâm máy gia tốc sử dụng công nghệ nguồn PIG cathode lạnh Bài báo trình bày chi tiết nguồn PIG lắp đặt KOTRON13 Các kỹ thuật khác cyclotron bước công bố báo sau ABSTRACT Accelerators’ ion sources create electrostatic particles used in acceleration chamber There are several types of ion sources applicable to accelerators with different purposes The internal PIG ion source, thanks to its simple configuration, is largely used in many PET cyclotrons The KOTRON-13 cyclotron installed at Hanoi Irradiation Center, Vietnam Atomic Energy Institute uses this ion source The radiopharmaceutical 18FDG produced from KOTRON-13 center is used for PET/CT in early cancer diagnostic This report presents the principles of operation, installation and determination of technical parameters of KOTRON-13’s internal PIG ion source The position of internal ion source, the ARC current of the ion source, the flow of hydrogen gas, etc are determined by experiment with the purpose of achieving maximum current on target and optimalperformance for KOTRON13 Keywords: PIG, Cyclotron, KOTRON13, 18FDG, plasma Phòng Gia tốc, Trung tâm chiếu xạ Hà Nội * Email: ntdung@vinatom.gov.vn Ngày nhận bài: 15/9/2018 Ngày nhận sửa sau phản biện: 15/10/2018 Ngày chấp nhận đăng: 25/12/2018 Hình Hình ảnh máy gia tốc cyclotron KOTRON13 1.2 Nguyên lý hoạt động nguồn ion Penning Ionization Gauges (PIG) Quá trình tạo ion Hydro nguồn ion PIG dựa hiệu ứng ion hóa chất khí bắn phá hạt điện tử Số 49.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 71 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ vào ngun tử khí hydro trung hòa Nguồn ion thiết kế gồm ống anode hình trụ rỗng với cathode nằm hai đầu ống Toàn nguồn ion đặt từ trường cố định B với chiều từ trường xác định hình Dưới tác dụng lực từ, hạt điện tử chuyển động xốy trịn từ cathode đến anode tác dụng điện Va hai điện cực Chuyển động hạt điện tử tạo vùng plasma tâm ống anode bao gồm hạt ion âm, ion dương, hạt điện tử nguyên tử khí hydro trung hịa [3] Q trình tương tác gọi trình tạo ion dựa vào hiệu ứng ion hóa bề mặt Tóm lại, q trình tạo ion âm H- vùng plasma nguồn ion PIG tạo tổng hợp hai trình: trình tạo ion âm H- thể tích vùng plasma (1) trình tạo ion dựa ion hóa bề mặt cathode (2) Hình Q trình tương tác ion hóa bề mặt tạo ion âm H- bổ sung Các ion âm H- tạo nguồn ion kéo tác dụng điện trường đưa vào buồng gia tốc LẮP ĐẶT VÀ XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT NGUỒN PIG Hình Cấu tạo nguồn ion cơng nghệ PIG Nguồn ion sử dụng máy KOTRON13 nguồn ion âm H- Việc tạo ion âm H- thực theo trình sau [2]: - Tạo phân tử hydro trạng thái kích thích qua tương tác: e (~200 eV) + H2 → e + H2* - Tạo ion âm H- dựa tương tác: - e (~1 eV) + H2* → H + H(1) Trong vùng plasma ống anode, lượng hạt điện tử với động khoảng ~200eV điều kiện thuận lợi để tương tác sinh phân tử khí trạng thái kích thích H2* Các phân tử khí kích thích H2* dễ dàng bắt hạt điện tử động thấp khoảng 1eV để tạo ion âm H- Để làm tăng hiệu suất tạo ion H-, nguồn ion PIG thiết kế thêm lớp kim loại Cs bề mặt cathodes Việc tạo H -bổ sung dựa trình tương tác sau: Cs + H CsH Cs+ + H(2) 72 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 49.2018 2.1 Lắp đặt nguồn ion PIG vào máy KOTRON13 Nguồn ion PIG lắp đặt vùng tâm buồng cộng hưởng điện từ trường RF máy KOTRON13 Khi lắp đặt nguồn ion PIG ta cần phải xác định thông số quan trọng: Vị trí nguồn ion theo khơng gian chiều bên buồng cộng hưởng góc tạo khe chùm hạt anode pháp tuyến điện cực puller Trong hệ tọa độ ĐềCác, vị trí nguồn ion theo trục Z xác định theo vị trí khe hạt nằm mặt phẳng trung tâm quỹ đạo hạt Hai vị trí khơng gian theo chiều X, Y xác định theo vị trí L1-L2 L3-L5 (hình 4) Sự phụ thuộc dịng máy gia tốc vào vị trí đặt nguồn ion tiến hành nghiên cứu Sơ đồ vị trí lắp đặt nguồn ion mơ tả hình Thí nghiệm tiến hành với điều kiện cho số liệu thực nghiệm: - Trở kháng buồng cộng hưởng điều chỉnh với giá trị 50Ω tần số RF 77,3MHz - Chân không buồng cộng hưởng khoảng x 10-7 mbar (Sau ngày hút chân không) Giải thích ký hiệu hình 4: L1: Khe trung tâm buồng cộng hưởng (Vị trí gốc) L2: Mép trái nguồn ion L3 : Mặt phẳng đầu ion H- chimney L4: Trục trung tâm buồng cộng hưởng L5: Mặt phẳng tạo mép puller hướng buồng chimney (Vị trí gốc) L6-L7: Khoảng cách khe puler cố định 2,1mm SCIENCE TECHNOLOGY cộng hưởng RF tác dụng lực điện trường Khi điện trường điện cực puller giữ cố định, hiệu suất kéo hạt ion âm hydro phụ thuộc vào khoảng cách từ L3 đến L5 Thực nghiệm tiến hành việc tăng dần khoảng cách L3 L5 đo dòng bia Các thông số kỹ thuật khác KOTRON13 cài đặt giá trị bảng Bảng Thông số cài đặt cố định khảo sát khoảng cách L3 L5 TT Hình Sơ đồ vị trí lắp đặt nguồn ion PIG vào máy gia tốc KOTRON13 2.1.1 Xác định mối quan hệ dòng bia phụ thuộc khoảng cách L1và L2 Khi tiến hành lắp đặt nguồn ion PIG vào buồng cộng hưởng gia tốc RF, khoảng cách từ khe trung tâm (Vị trí gốc L1) đến mép trái nguồn ion (Vị trí L2) ảnh hưởng lớn đến dịng protons đến bia Thí nghiệm tiến hành với điều kiện biên khác KOTRON13 xác lập bảng Bảng Thông số cài đặt cố định khảo sát khoảng cách L1 L2 TT Thông số cài đặt cố định Thông số cài đặt cố định Đơn vị đo Khoảng cách L1 L2 17,5 mm Góc lệch puller anode -1 độ Giá trị Duty cycle RF 35 % Lưu lượng dịng khí H2 vào buồng ion sccm ARC-Current nguồn nuôi cho PIG 1,2A Đơn vị đo Khoảng cách từ L3 tới L5 2,5 mm Góc lệch puller anode -1 độ Giá trị Duty cycle RF 35 % Lưu lượng dòng khí H2 vào buồng ion sccm ARC-Curent nguồn nuôi cho PIG 1,2 A Thực nghiệm tiến hành việc tăng dần khoảng cách L1 L2 đo dịng bia Các thơng số kỹ thuật khác KOTRON13 cài đặt giá trị bảng Hình Dịng bia phụ thuộc khoảng cách từ khe buồng cộng hưởng đến mép trái nguồn ion Nhận xét: Từ đồ thị thực nghiệm hình nhận thấy, khoảng cách khe trung tâm buồng cuộng hưởng mép trái nguồn ion 17,5mm dịng bia đạt giá trị cao khoảng 32µA 2.1.2 Xác định mối quan hệ dòng bia phụ thuộc khoảng cách L3 L5 Khi ion H- tạo vùng plasma ống anode điện cực puler có nhiệm vụ kéo ion H- khỏi nguồn ion hướng chùm hạt vào buồng gia tốc Hình Dịng bia phụ thuộc khoảng cách khe anode mép puller (L3 đến L5) Nhận xét: Từ đồ thị thực nghiệm hình nhận thấy, khoảng cách khe anode mép puller 2,6mm dòng tới bia cao 2.1.3 Khảo sát góc tạo khe anode pháp tuyến điện cực puler Nhiệm vụ điện cực puler hút ion âm H- sau tạo vùng plasma ống anode để đưa chúng vào buồng cộng hưởng gia tốc Thí nghiệm khảo sát phụ thuộc dịng bia với góc tạo khe anode pháp tuyến puller phục vụ q trình xác định vị trí khơng gian anode Thí nghiệm tiến hành với điều kiện biên KOTRON13 xác lập bảng Bảng Thông số cài đặt khảo sát phụ thuộc dịng bia vào góc khe anode pháp tuyến puller TT Thông số cài đặt cố định Khoảng cách L1 L2 Khoảng cách L3 L5 Giá trị Duty cycle RF Lưu lượng dịng khí H2 vào buồng ion ARC-Current nguồn nuôi cho PIG Đơn vị đo 17,5 mm 2,5 mm 35 % sccm 1,2A Thực nghiệm tiến hành cách quay anode xung quanh vị trí góc 00 (Góc 00 góc mà khe anode pháp tuyến puller trùng nhau) Kết thí nghiệm mơ tả hình Số 49.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 73 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Nhận xét: Khi ta tăng lưu lượng khí hydro vào nguồn ion dòng bia tăng dần Với lưu lượng dịng khí từ đến sccm, dịng bia tăng liên tục (hình 8) Thực nghiệm cho thấy khơng thể tăng lưu lượng dịng khí lớn 10 sccm chân khơng buồng gia tốc lớn 5x10-6 mbar dễ gây tượng phóng điện buồng gia tốc Hình Dịng bia phụ thuộc góc khe anode pháp tuyến puller Nhận xét: Từ đồ thị thực nghiệm hình nhận thấy, góc tạo khe anode pháp tuyến puller khoảng -1 độ dịng tới bia cao 2.2 Nghiên cứu phụ thuộc dòng bia vào lưu lượng dòng khí H2 nguồn ni ARC- Current KOTRON13 2.2.1 Sự phụ thuộc dòng bia vào lưu lượng dịng khí H2 2.2.2 Sự phụ thuộc dịng bia vào nguồn nuôi arc-curent Nguồn ion PIG nuôi nguồn ni chiều điện áp 2,5kV dịng đến 2A Các hạt điện tử phát từ cathode chuyển động đến anode tác dụng điện trường gây hiệu ứng ion hóa phân tử khí hydro Dịng điện lối nguồn điện chiều (Ký hiệu arccurrent) điều khiển theo giá trị đặt trước đến 2A Thí nghiệm tiến hành cách thay đổi dòng arccurrent đo dòng bia theo hai giá trị lưu lượng dịng khí hydro sccm sccm Hai thông số đầu vào ảnh hưởng trực tiếp đến trình tạo plasma ống anode lưu lượng dịng khí H2 vào nguồn ion dịng nguồn ni chiều arc current PIG Trong thiết kế nguồn ion PIG máy gia tốc KOTRON13, từ trường B cố định với hướng dọc ống anode hình 2, tạo chuyển động xốy trịn hạt điện tử từ cathode đến anode Thông số hoạt động máy gia tốc khảo sát phụ thuộc dịng khí hydro vào PIG: - Giá trị RF Duty Cycle: 60% - Dòng arc current: 1,2A - Dịng ni cuộn dây nam châm: 145,340A - Giá trị gia tốc: 40kV - Chân không máy gia tốc: 1,5.10-7 mbar Bảng Sự phụ thuộc dịng bia lưu lượng khí hydro vào nguồn ion STT Lưu lượng dòng Dòng carbon foil Dịng bia (µA) (µA) khí H2 (sccm) 10,2 4,1 17,6 6,7 41,7 15,6 82,2 33,4 98,6 39,5 Hình Sự phụ thuộc dịng bia vào lưu lượng dịng khí hydro 74 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 49.2018 Hình Sự phụ thuộc dòng bia vào dòng nguồn ni arc-current Nhận xét: Khi dịng arc-current tăng dịng bia tăng theo Dịng bia có xu tăng chậm dòng Arc 1,5A Giới hạn cho dịng arc-current KOTRON13 2,0 A (hình 9) CHẠY THỬ NGHIỆM KOTRON13 VỚI CÁC THÔNG SỐ NGUỒN PIG ĐƯỢC XÁC ĐỊNH TỪ THỰC NGHIỆM Các thông số kỹ thuật KOTRON13 cài đặt theo giá trị tối ưu theo thực nghiệm mô tả bảng Các thông số lắp đặt vị trí nguồn ion sử dụng từ nghiên cứu Dòng bia ghi nhận theo giá trị tăng dần duty cycle từ đến 70% Dòng cao bia đạt tới 60 µA (hình 10) Bảng Tổng hợp thơng số cài đặt cho KOTRON13 STT Thông số cài đặt Giá trị Dòng nam châm tạo từ trường 145,350A Dịng ARC ni nguồn ion 1,5A Nhiệt độ làm mát đầu từ chiller 14oC Công suất phát RF- Duty cycle 60% Lưu lượng dịng khí H2 Điện áp cho sợi đốt đèn công suất RF sccm 8V~ Ghi RF Forward đạt 95% SCIENCE TECHNOLOGY Điện áp cho sợi đốt đèn điện tử IPA Nhiệt độ phòng Cyclotron phòng điều khiển 6V~ Độ ẩm đặt cho máy hút ẩm 40% 10 Nhiệt độ đốt cho sợi đốt bơm khuếch tán dầu 320oC o 22 C Khi phát tia Chân không x 10-7 mbar TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Reference manual of cyclotron KOTRON13 [2] The Series 4/3N Injector Training Course at IBA, (1.1 A Brief Guide to the Formation of H- Ions): 2-3 [3] http://en.wikipedia.org/wiki/Plasma_parameters [4] Peter Spadtke, BEAM FORMATION: 15-16 [5] 2010, Byung Chul Lee, Hong Jin Lee, Intensification of the KOTRON-13 Cyclotron by Optimizing the Ion Source Hình 10 Dịng bia ghi nhận với thông số cài đặt bảng thơng số vị trí khơng gian PIG theo nghiên cứu với giá trị Duty Cycle tăng dần đến 70% Nhận xét: Các thông số xác định thực nghiệm cho hoạt động KOTRON13 lắp đặt Trung tâm chiếu xạ Hà Nội cho dòng bia đạt giá trị tới 60 µA Giá trị tương đương với nghiên cứu Viện Y học phóng xạ KIRAMS Hàn Quốc [5] KẾT LUẬN Bài báo trình bày nguyên lý hoạt động, lắp đặt tiến hành thực nghiệm xác định thông số kỹ thuật cho hoạt động nguồn ion PIG máy gia tốc KOTRON13 Các ion âm H- sinh vùng plasma ống anode theo hiệu ứng bản: Sự kết hợp hạt điện tử lượng thấp với nguyên tử hydro trạng thái kích thích hiệu ứng ion hóa bề mặt nguyên tố Cs bề mặt cathode H trung hòa tạo Việc lắp đặt, xác định vị trí khơng gian chiều nguồn ion PIG đảm bảo dòng bia cao trở kháng buồng gia tốc RF 50Ω Kết xác định khoảng cách L1, L2 17,5mm L3,L5 2,6mm Mối liên quan dịng bia thơng số đầu vào PIG lưu lượng dịng khí H2 dịng nguồn ni arc-curent khảo sát chi tiết Kết với thông số cài đặt cho KOTRON13 bảng 5, dòng bia đạt giá trị cao 60µA Thực nghiệm cho thấy với dịng bia 40µA sau bắn bia, hoạt độ phóng xạ 18F đạt 2,2 Ci đủ dùng cho máy PET/CT ngày hoạt động Các khảo sát chi tiết PIG đăng tải ấn phẩm Số 49.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 75