Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của một số máy gia tốc hạt phần 1

Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của một số máy gia tốc hạt phần 1

Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của một số máy gia tốc hạt (Phần 1) I. Máy gia tốc tĩnh điện II. Máy gia tốc thẳng (Linac) I. Máy gia tốc tĩnh điện − Năm 1932 Cockcroft và Walton cho ra đời máy gia tốc nối tầng (cascade accelerator) đầu tiên với điện áp 800 kV và đã thành công trong việc tách nguyên tử lithium chỉ với 400 keV proton. − Phương pháp gia tốc: sử dụng trường tĩnh điện (điện áp cao một chiều) dựa trên mạch nhân áp. − Mạch nhân áp là một sơ đồ nối tiếp các tụ điện và các chỉnh lưu có thể từng bước nâng điện áp tới giá trị rất lớn. − Mỗi điện cực chỉ có thể đặt một điện áp giới hạn, cho nên cần dùng nhiều đôi điện cực để nhân điện áp. − Gặp khó khăn khi tăng điện áp lên cao do hiện tượng phóng điện qua không khí và dọc theo các bề mặt vật liệu. − Cần chân không cao, vì khi chuyển động trong không khí các hạt tích điện liên tục va chạm với các phân tử của các chất khí và bị mất năng lượng. − Các ion được đưa vào điện trường gia tốc và được gia tốc qua các điện cực, nhận được năng lượng gia tốc bằng hiệu điện thế giữa điện cực thứ nhất và cuối cùng. I.1. Máy gia tốc Cockcroft - Walton − Điện áp phân bố trên nhiều điện cực còn có tác dụng điều khiển việc hội tụ chùm hạt. − Lợi thế lớn nhất của mạch nhân áp là điện áp của mỗi tầng chỉ gấp đôi điện áp vào, do đó có thể dễ dàng trong việc cách điện và giá thành các vật liệu cũng thấp. − Ưu điểm của mạch nhân áp so với biến thế là không cần lõi thép nặng, và một khối lượng lớn chất cách điện. − Mạch nhân áp cho điện áp 1 chiều ổn định rất hữu dụng đối với các nghiên cứu vật lý hạt nhân năng lượng thấp trong vùng năng lượng tới 1 MeV. − Trong các hệ đóng kín với áp suất khí trơ cao, điện áp có thể đạt tới 6 MV. − Máy gia tốc Cockcroft-Walton ngày nay được sử dụng nhiều trong việc tạo chùm sơ cấp cho các máy gia tốc có năng lượng và cường độ lớn. Hình 1: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc Cockcroft – Walton đầu tiên − Máy biến thế T tạo điện áp 200 kV, chỉnh lưu K tạo điện áp 1 chiều tích điện cho tụ C' 1 , nối tiếp tụ điện này với các tụ điện bổ sung C' 2 , C' 3 , C' 4 . Nhóm tụ điện này được nối với nhóm tụ điện C 1 , C 2 , C 3 , bằng các công tắc đóng mở, các công tắc có thể ở hai vị trí. − Bằng việc sử dụng các quá trình đóng ngắt của các công tắc, các tụ điện sẽ được tích điện tới điện áp 200 kV, và hiệu điện thế hai đầu A1A3 sẽ là 800 kV. − Công tắc đóng ngắt thường là các điot chỉnh lưu. Nguyên lý mạch nhân áp Hình 2: Sơ đồ nguyên lý mạch nhân áp trong máy gia tốc Cockcroft - Walton Hình 3: Một số bộ nhân điện áp Cockcroft - Walton I.2. Máy gia tốc Van de Graff - Năm 1929 R. Van de Graaff, người Mỹ đưa ra mô hình máy gia tốc tĩnh điện đầu tiên. - Điện tích qua một thanh đầu nhọn được truyền lên băng tải làm bằng vật liệu cách điện chuyển động liên tục. − Thanh đầu nhọn được nối với nguồn điện áp vài chục kV. − Băng tải truyền điện tích cho quả cầu lớn thông qua một mũi nhọn phóng điện khác. Một điện áp cao được tạo thành trên quả cầu. − Nguồn ion được đặt bên trong máy gia tốc và được gia tốc từ nguồn tới bia bằng điện áp giữa nguồn cao áp và đất qua một ống chân không. − Nguyên nhân hạn chế việc tích điện: + Quả cầu không hoàn toàn được cách điện, hiện tượng rò rỉ do qua phần cách điện gắn quả cầu. + Phóng điện (breakdown) qua không khí do độ ẩm. + Độ thô ráp của quả cầu. + Kích thước quả cầu cũng hạn chế việc nâng cao điện áp. − Độ rò rỉ càng lớn khi điện áp càng cao. − Do đó phải tích điện liên tục cho quả cầu. − Cần chọn quả cầu có độ dẫn điện, độ nhẵn cao, kích thước lớn. − Sử dụng khí trơ để hạn chế việc rò rỉ và đánh thủng cao áp, máy được đặt trong vỏ bọc đặc biệt chứa khí trơ có áp suất cao. Điện áp có thể đạt tới 20 MV. − Một số loại máy dùng 2 quả cầu tích điện dương và âm. − Kích thước của máy gia tốc tĩnh điện có thể giảm nếu tăng tính chất cách điện với môi trường xung quanh. − Máy gia tốc Van de Graaff cho điện áp ổn định, nhưng dòng thấp hơn so với loại máy gia tốc nối tầng. Hình 4: Sơ đồ nguyên lý máy gia tốc Van de Graaff − Hầu hết các máy gia tốc tĩnh điện đang sử dụng hiện nay là loại máy gia tốc Tandem Van de Graff 2 tầng. − Máy gồm hai ống gia tốc nối tiếp nhau. Tâm của máy gia tốc (gọi là terminal) được đặt một điện áp dương. − Nguồn ion tạo ra chùm proton được gia tốc tới một năng lượng thấp bằng một nguồn điện áp cao bổ trợ. Chùm ion này đi qua một vùng chứa một chất khí ở áp suất thấp, ở đây một số proton được chuyển thành ion âm bằng cách nhận thêm electron. − Trong ống gia tốc thứ nhất, chùm ion âm được gia tốc theo hướng điện cực dương có điện áp cao. − Tại tâm của máy gia tốc các hạt đi qua một màng các bon mỏng và bị tước đi ít nhất 2 electron, chuyển thành ion dương. Sau đó tiếp tục được gia tốc qua phần thứ hai của ống gia tốc. − Với cơ chế như vậy chùm ion được gia tốc hai lần, máy gia tốc Tandem tạo ra chùm hạt gia tốc với năng lượng gấp đôi điện áp cung cấp. − Phần cuối của máy gia tốc các ion proton được phân tách bằng từ trường và cho va đập vào bia. I.3. Máy gia tốc Tandem Van de Graff [...]... liền và nét đứt) Một số kiểu cấu trúc của bộ phận gia tốc ( RF cavity) <