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 việchội tụ chùm hạt.

− Lợi thế lớn nhất của mạch nhân áp là điện áp của mỗi tầng chỉ gấp đôiđiện áp vào, do đó có thể dễ dàng trong việc cách điện và giá thànhcác vật liệu cũng thấp

− Ưu điểm của mạch nhân áp so với biến thế là không cần lõi thépnặng, và một khối lượng lớn chất cách điện

− Mạch nhân áp cho điện áp 1 chiều ổn định rất hữu dụng đối với cácnghiên cứu vật lý hạt nhân năng lượng thấp trong vùng năng lượng tới

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 C1, C2, C3, 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 tĩnhđiện đầu tiên

- Điện tích qua một thanh đầu nhọn được truyền lên băng tải làm bằngvật 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 nhọnphóng 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 tớibia 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 quaphần 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 đượcđặt trong vỏ bọc đặc biệt chứa khí trơ có áp suất cao Điện áp có thểđạt 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 giatốc Tandem Van de Graff 2 tầng.

− Máy gồm hai ống gia tốc nối tiếp nhau Tâm của máy gia tốc (gọi làterminal) được đặt một điện áp dương

− Nguồn ion tạo ra chùm proton được gia tốc tới một năng lượng thấp bằngmột nguồn điện áp cao bổ trợ Chùm ion này đi qua một vùng chứa mộtchất khí ở áp suất thấp, ở đây một số proton được chuyển thành ion âmbằng cách nhận thêm electron

− Trong ống gia tốc thứ nhất, chùm ion âm được gia tốc theo hướng điệncực dương có điện áp cao

− Tại tâm của máy gia tốc các hạt đi qua một màng các bon mỏng và bịtước đi ít nhất 2 electron, chuyển thành ion dương Sau đó tiếp tục đượcgia tốc qua phần thứ hai của ống gia tốc

− Với cơ chế như vậy chùm ion được gia tốc hai lần, máy gia tốc Tandemtạo 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

- Một hạn chế đối với máy gia tốc Tandem là cần bắt đầu với ion âm, đây làvấn đề khó khăn đối với một số nguyên tố, nguồn ion dương là khả dĩ vớirất nhiều nguyên tố và cũng có thể tạo ra các ion dương có điện tích caohơn các ion từ nguồn ion âm.

- Các máy gia tốc Tandem hiện đại có thể cung cấp chùm hạt tới hơn 40loại ion khác nhau từ hydro tới urani

- Máy gia tốc Tandem được sử dụng nhiều trong các nghiên cứu vật lý hạtnhân, đặc biệt là vật lý ion nặng Ngoài ra còn là nguồn ion sơ cấp cho cácmáy gia tốc lớn

- Trong ứng dụng thực tế máy gia tốc Tandem được sử dụng trong phântích nguyên tố (RBS, PIXE), cấy ghép ion (implantation)…

- Một trong những ứng dụng mới và thú vị của máy Tandem là kiểm tra cácchip vi mạch dưới sự bắn phá của chùm ion để mô phỏng hiệu ứng bức xạtrên không gian cũng như trên mặt đất nhằm cải thiện độ tin cậy của máytính cũng như các thiết bị điện tử

Hình 5: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo và hoạt động của máy gia tốc Tandem Van de Graff.

Hình6: Sơ đồ hệ thiết bị Tandem Van de Graaff(3 ,9) hai máy gia tốc Van de Graaff; (2, 7) nguồn ion; (4,10) nam châm tách dòng; (11,12,16) phòng đặt bia; (5) bộ phận nối hai máy gia tốc; (15) phòng điều khiển; (8) cửa che chắn; phòng thiết bị cơ khí (1); (6) thùng lưu trữ khí cách điện; (14) khu

phòng thí nghiệm và văn phòng.

Hình 7: Máy gia tốc Tandem Pelletron- ĐH KHTN Hà Nội

II Máy gia tốc thẳng (Linac)

 Nguyên lý chung:

− Năm 1924 Ising đề xuất ý tưởng sử dụng điện từ trường biến đổi theothời gian để gia tốc hạt Có thể thay thế điện cực đơn bằng việc đặt dọctheo đường đi của hạt các điện cực hình trụ rỗng mang điện áp dạngxung Đây là sự gia tốc cộng hưởng, có thể đạt năng lượng lớn hơn điện

áp cao nhất của hệ thống

− Wideroe nhận thấy rằng nếu thay đổi pha của điện áp xoay chiều 1800

trong khi hạt đi qua các khe (gaps) tiếp giáp giữa các ống trụ rỗng sẽnhận thêm năng lượng tại các khe này

− Từ ý tưởng này năm 1928, ông thiết kế máy gia tốc thẳng ba tầng đầutiên theo nguyên lý của Ising sử dụng điện trường tần số siêu cao (radiofrequency, RF) tạo chùm ion kali năng lượng 50 keV

− Nguyên lý chung của máy gia tốc linac là các hạt được đưa vào các ốnggia tốc có chứa các điện cực và được gia tốc bởi điện trường xoay chiều

có tần số cao đặt tại các trạm giữa các điện cực Hạt chuyển động theomột đường thẳng

− Các hạt chuyển động qua ống sẽ được gia tốc trong các khoảng trốnggiữa các điện cực nếu có sự phù hợp giữa pha của sóng điện từ và tốc

độ hạt Khoảng cách giữa các điện cực tăng dần dọc theo chiều dài củaống để đảm bảo sự phù hợp về pha

− Để đảm bảo sự đồng bộ khi hạt chuyển động trong các ống thì thời gianchúng chuyển động trong các ống phải bằng nhau Độ dài các ống phảităng dần vì năng lượng và tốc độ hạt tăng dần

− Thông thường máy gia tốc linac hoạt động với từ trường biến đổi dạngsin và được gọi là gia tốc RF (radio frequency) Trường gia tốc RF đượctạo trong một thể tích giới hạn còn gọi hốc gia tốc (cavity)

− Sóng cao tần thường được phát ra từ một đèn Magnetron đối với cácmáy công suất nhỏ hoặc từ các Klystron đối với loại công suất lớn

− RF linac hoạt động trong giải tần số từ vài MHz tới vài GHz Chúng thíchhợp cho việc gia tốc các hạt nhẹ như electron (giải tần GHz) cũng nhưcác hạt nặng hơn như proton (giải tần MHz)

− Nguồn hạt: electron được phát ra từ các loại nguồn catôt lạnh, catôtnóng, catôt quang điện, nguồn RF… proton phát ra từ các loại nguồn ionkhác nhau

− Giữa 2 cực đặt một điện trường xoay chiều

− Các ống 1, 2, 3, 4 , i+1 có độ dài khác nhau được đặt giữ hai điện cực.

− Độ dài của các ống được chọn sao cho mỗi lần khi điện trường đổi dấu, hạt chuyển động từ ống này sang ống kia được gia tốc.

− Các hạt được gia tốc khi đi qua các không gian giữa hai ống (gaps) bởi sự tác động của điện trường.

− Toàn bộ thời gian còn lại hạt đã được gia tốc chuyển động trong các ống được bảo vệ khỏi tác động của điện trường và không bị mất năng lượng.

Hình 8: Sơ đồ nguyên lý gia tốc kiểu Alvarez

Nguyên lý gia tốc kiểu Alvarez (drift-tube)

- Thời gian hạt đi trong ống là :

l v

l t

eU

mv

 2

; 2

2

;

2

3 2

1

m

eU v

m

eU v

: : : 2 3 4 5

li RF RF

2

sin 2

− Nguyên lý gia tốc kiểu Alvarez được áp dụng chủ yếu với proton và cácion nặng.

− Đối với electron do tốc độ rất lớn (gần tốc độ ánh sáng khi năng lượngcòn thấp), do đó cần phải tăng kích thước ống rất dài, điều này khó thựchiện

− Do chiều dài ống tỷ lệ với  lên có thể thu ngắn các ống bằng việc sửdụng có một nguồn điện áp gia tốc siêu cao tần

− Vấn đề gặp phải khi sử dụng sóng cao tần là sự mất năng lượng do phát

xạ cao tần Để khắc phục hiện tượng này có thể đặt các ống gia tốc trong

1 cái hốc sao cho năng lượng điện từ được tích trữ dưới dạng từ trường.Trong cùng thời điểm tần số cộng hưởng của hốc có thể trùng hợp vớitần số trường gia tốc

− Pha của các tín hiệu ở mỗi trạm được điều chỉnh sao cho các electron cóthể liên tục nhận được năng lượng từ sóng chuyển động và nó đạt tới vịtrí đỉnh của sóng ở điểm cuối của những ống dẫn sóng, như vậy cácelectron liên tục được gia tốc

− Việc hội tụ dòng electron được thực hiện bởi từ trường được tạo ra từcác nam châm điện bên ngoài ống dẫn sóng Các electron chuyển độngtheo một đường thẳng

− Năng lượng điện trường truyền chỉ

theo một hướng Vận tốc pha lớn

hơn c

− Điện tử được phát ra từ một dây đốt

(electron gun) được đưa vào ống gia

tốc Các điện tử chịu tác dụng của

sóng siêu cao tần trong đó thành

phần điện trường gia tốc chạy dọc

theo trục của ống dẫn sóng

− Các điện tử được phát thành chùm

dưới dạng xung và cưỡi lên trên đỉnh

sóng

− Năng lượng nhận được bằng tích

eEd (d là độ dài quãng chạy có tác

dụng của điện trường E)

− Tốc độ điện tử phù hợp với tốc độ

pha của sóng siêu cao tần để điện tử

có thể liên tục nhận năng lượng từ

điện trường sóng siêu cao tần

Nguyên lý gia tốc kiểu sóng chạy (traveling wave)

Hình 9: Sơ đồ nguyên lý gia tốc

kiểu sóng chạy

- Năng lượng được phản xạ trước và sau ở điểm cuối của hốc cộng hưởng.

- Dựa trên nguyên tắc tạo sóng đứng do sự giao thoa giữa sóng tới và sóng phản xạ

- Phương trình sóng tới :

) sin(

0

2  E  t  kx  

E

trong đó : E0 : biên độ sóng

: tần số, k: số sóng; x: quãng đường truyền sóng; : pha của sóng phản xạ

- Giá trị biên độ cực đại 2E0 đạt được tại những điểm tương ứng với

kx-/2 = n

0 2

E

- Tại điểm giao thoa ta có :

Nguyên lý gia tốc kiểu sóng đứng (standing wave)

− Như vậy tại một số điểm sóng tổng hợp có biên độ gấp đôi, điện trườnggia tốc sẽ tăng gấp đôi.

− Để tạo ra sóng đứng người ta dùng các hốc đặt nối tiếp giữa các ốngdẫn sóng để tạo độ lệch pha 1800 giữa các hốc

− Chùm hạt gia tốc thường được tái hội tụ trước khi đi ra ngoài bắn vàocác bia hãm

− Kiểu gia tốc sóng chạy thường sử dụng đối với các hạt nhẹ gần với vậntốc ánh sáng Kiểu gia tốc sóng đứng gia tốc các hạt tốc độ chậm hơn

Hình 10: Sơ đồ nguyên lý gia

tốc kiểu sóng đứng

Hình 11: Biểu đồ cấu trúc tuần hoàn cơ chế gia tốc trong linac

- Gia tốc sóng chạy ( đường liền nét)

- Gia tốc kiểu sóng đứng (đường liền và nét đứt)

<<1 (ion): Cấu trúc Sloan và Lawrence: ( H.12a) các ống rỗng lớn, tần số 10 tới 100 MHz) Cấu trúc kiểu H ( H.12b) , điện trường ngang tạo lên sự gia tốc qua các ống

Một số kiểu cấu trúc của bộ phận gia tốc ( RF cavity)

hơn loại cấu trúc kiểu H ( tần số tới 200 MHz) , có thể gia tốc với cường độ lớn.

Hình 12bHình 12a

Hình 13

Các hốc cộng hưởng hai mặt (side

coupled, H.15), sự hội tụ được thiết

lập giữ các phần của hốc cộng hưởng

( tần số 600-1200 MHz)

Hình 15

=1 (electron)

Hốc cộng hưởng kiểu hình đĩa (Iris, H.16) với 3 hoặc 4 vòng trên một bước sóng ( tần số thường 3 GHz)

Hình 16

Hình 17: Klystron và Magnetron trong máy gia tốc linac

Hình 18: Sơ đồ khối của một máy gia tốc thẳng proton 650 MeV

4: Ống gia tốc thứ nhất; 5: Ống gia tốc thứ hai; 6: Bộ ba nam châm tứ cực ;

7: Nam châm phân tích dòng; 8: Nam châm điều tiêu; 9: Bia.

Nam châm tứ cực trên máy gia

tốc linac

Máy gia tốc electron linac 100 MeV

Máy gia tốc thẳng cảm ứng (induction linac)

− Nguyên lý gia tốc cảm ứng: một hộp (cell)

cảm ứng hình trụ kim loại rỗng cung cấp

cho các hạt đi qua một năng lượng cỡ eV

và mỗi cell được cung cấp một xung cao

áp cỡ Von Bằng việc sử dụng một số

lượng lớn (n) các cell cảm ứng, chùm hạt

tới với năng lượng eV0 sẽ cho chùm ra

với năng lượng e(V0+nV)

− Máy gia tốc cảm ứng cho phép gia tốc

chùm hạt tới năng lượng vài chục MeV

với các máy phát xung hoạt động ở điện

áp vài chục kV

− Máy gia tốc thẳng cảm ứng được Christofilos giới thiệu năm 1964, loại

máy gia tốc này ít được phổ biến, thường sử dụng để gia tốc các chùm

hạt năng lượng trung bình nhưng nhưng xung dài và cường độ rất lớn

Hình 20 : Sơ đồ nguyên lý của

máy gia tốc cảm ứng

 Ưu điểm của máy gia tốc linac:

- Dòng lớn, sự mất mát năng lượng do phát bức xạ thấp

- Linac có thể gia tốc các ion tới năng lượng cao mà các máy gia tốc tròn

bị giới hạn do độ lớn của từ trường để duy trì hạt chuyển động trên quỹđạo tròn

- Các linac năng lượng cao được phát triển để gia tốc các electron tớivận tốc tương đối tính mà ở các máy gia tốc tròn sẽ bị mất năng lượng

do phát bức xạ synchrotron

- Linac cho dòng ra với mật độ lớn được sử dụng để cung cấp chùm hạtcho các storage ring cho các nghiên cứu va chạm trực diện, tạo ra phảnvật chất và các nghiên cứu về sự hủy vật chất- phản vật chất

- Tạo nguồn nơtron có thông lượng lớn

- Máy gia tốc linac được sử dụng nhiều trong xạ trị y tế, trong côngnghiệp

 Nhược điểm:

- Giới hạn về độ dài trong việc lựa chọn vị trí xây dựng

- Đòi hỏi một số lượng lớn các thiết bị và nguồn năng lượng do đó tănggiá thành xây dựng và bảo dưỡng

- Giới hạn về dòng lối ra đối với các máy gia tốc lớn