Nguyên lý mNguyên lý cấu tạo và hoạt động của một số máy gia tốc hạtáy gia tốc phần 3
Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của một số máy gia tốc hạt (tiếp theo) VI. Máy gia tốc microtron VII. Máy phát nơtron Nguyên lý chung − Trong microtron các hạt được gia tốc chuyển động trong từ trường không đổi và đồng nhất, việc gia tốc hạt diễn ra dưới tác dụng của điện trường biến thiên có tần số không đổi. − Microtron là máy gia tốc hạt tương đối tính theo nguyên lý đồng pha tự động, chỉ phù hợp gia tốc các hạt nhẹ như electron và positron. − Hạt chuyển động theo quỹ đạo tròn có một tiếp điểm chung. − Tại tiếp điểm người ta đặt một hộp cộng hưởng mà điện trường siêu cao tần gia tốc các điện tử. Hộp cộng hưởng được kích thích bằng một nguồn dao động siêu cao tần công suất lớn. Đó là một đèn magnetron xung công suất hàng trăm kW. − Mỗi lần đi qua hộp cộng hưởng các điện tử nhận được một năng lượng xác 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 một kênh từ. VI. Máy gia tốc Microtron − Sự đồng bộ trong chuyển động của điện tử và sự thay đổi của điện trường 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 tần. − Tỷ số thời gian quay vòng của hạt và chu kỳ điện trường gia tốc được gọi là "bội số chế độ gia tốc" . − Chu kỳ vòng quay của hạt trong từ trường B sau n vòng là: ecB E T n n 2 trong đó : E là năng lượng toàn phần của hạt. - Như vậy thời gian hoàn thành một vòng quay tỷ lệ thuận với năng lượng toàn phần. - Thời gian gia tăng sau mỗi chu kỳ là: B E ec T 2 - Thời gian quay của quỹ đạo thứ nhất, T 1 là một số nguyên của của chu kỳ sóng cao tần T 0 . Hai điều kiện đồng bộ trong microtron có thể viết dưới dạng: E= E 0 ; 01 TT trong đó: , là các số nguyên (6.1) (6.2) - Khi điều kiện đồng bộ thỏa mãn, điện tử đi qua hộp cộng hưởng cùng pha với trường siêu cao. - Chu kỳ của siêu cao tần trong hộp cộng hưởng. 0 0 0 2 ecB E T - Ta có: 00 // BBEE trong đó E 0 = mc 2 là năng lượng dừng của hạt. Đối với điện tử E 0 =0,511 MeV. 0 B B - Trường cyclotron được xác định bằng chu kỳ của trường gia tốc: e E B 0 0 2 là thông số đặc trưng cơ bản của chế độ gia tốc và rất nhiều tính chất cơ bản của máy gia tốc liên quan tới thông số này. (6.3) (6.4) (6.5) (6.6) - Bằng việc sử dụng tham số , điều kiện đồng bộ có thể viết : 011 / EE Gọi là năng lượng toàn phần tính bằng năng lượng dừng, năng lượng tương đối của điện tử trên quỹ đạo thứ n bằng : n n 1 - Như vậy năng lượng toàn phần chỉ phụ thuộc vào số quỹ đạo và cường độ từ trường. - Trong các máy gia tốc khác sự gia tăng năng lượng qua một vòng quay là rất nhỏ, vì vậy số vòng quay là rất lớn, với microtron số vòng quay nhỏ hơn đáng kể và thường không vượt quá 60. - Khi ~1 cường độ điện trường gia tốc gần bằng cường độ từ trường B. (6.7) (6.8) (6.9) - Độ gia tăng đường kính quỹ đạo hạt: D - Microtron cho chùm electron với cường độ cao, độ phân tán nhỏ và phân giải năng lượng rất tốt. (6.10) 1 2 5 3 e - 6 4 Hình 1: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc Microtron 1: Nguồn phát sóng siêu cao tần; 2: Ống dẫn sóng; 3: Hộp cộng hưởng; 4: Buồng gia tốc nối với nam châm điện; 5: Bơm chân không; 6: Kênh ra. Hình 2: Buồng gia tốc Microtron + Buồng gia tốc: - Buồng gia tốc trong Microtron có dạng hình tròn chân không cao (~310 -6 torr) được nối với nam châm điện để tạo ra 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 và năng lượng chùm điện tử cần gia tốc. - Từ trường trong Microtron thường khoảng 2 - 3 KOestest . - Yêu cầu về độ đồng nhất của từ trường phụ thuộc vào số quỹ đạo của hạt: Cấu tạo của máy gia tốc Microtron: - Do đó cần tăng độ đồng nhất của từ trường đối với những máy gia tốc có số quỹ đạo lớn. - Độ không đồng nhất của từ trường do sự chế tạo và lắp ráp thiếu chính xác, do không đồng nhất của vật liệu làm cực và chất dẫn từ. 2 1 N B B (6.11) + Hộp cộng hưởng: - Hộp cộng hưởng là một 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. - Hộp cộng hưởng thường được chế tạo bằng Cu nguyên chất, hoạt động của hộp cộng hưởng đòi hỏi điều kiện chân không cao, thường khoảng 2x10 -6 mmHg. + Nguồn phát xạ electron: - Thường là súng phóng điện tử (electron gun) với catot làm bằng chất LaB 6 . - Nguồn phát electron lắp trực tiếp trong buồng gia tốc và gắn với hộp cộng hưởng. - LaB 6 là một hợp chất rắn có dạng tinh thể nhỏ, nhiệt độ nóng chảy 2200 0 C, có độ dẫn điện cao và hiệu suất phát xạ điện tử lớn và ổn định trong điện trường xoay chiều cường độ lớn. - Trong điện trường của hộp cộng hưởng Microtron mật độ dòng phát xạ đạt đến 100-200 A/cm 2. - Để đốt nóng các nguồn phát electron cần dùng dòng điện có cường độ lên đến 50 A . + Nguồn phát sóng cao tần: - Hệ siêu cao tần của Microtron bao gồm nguồn phát sóng, ống dẫn sóng và hộp cộng hưởng. - Hầu hết các hệ phát sóng cao tần (RF) trong Microtron có bước sóng 10 cm. Thường dùng các 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 1-5 s. - Ống dẫn sóng có chức năng truyền đi với hiệu suất lớn và ổn định sóng cao tần từ nguồn phát cao tần vào hộp cộng hưởng nơi mà các điện tử được gia tốc. + Ngoài ra Microtron còn có các bộ phận khác như: bộ phận tách chùm hạt, nguồn nuôi, bơm chân không, hệ làm mát, hệ điều khiển và kiểm tra…. + Máy gia tốc Mictrotron được sử dụng nhiều trong nghiên cứu cơ bản cũng như ứng dụng trong thực tế như xạ trị y tế, công nghiệp… [...]... đồ nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc Racetrack Microtron Hình 8: Một số máy gia tốc Racetrack Microtron VII Máy phát nơtron − Máy phát nơtron thực chất là nguồn phát nơtron đơn năng có năng lượng và cường độ lớn Đó là sự khác biệt so với nguồn nơtron đồng vị và nguồn nơtron phân hạch − Các máy phát nơtron điện thế gia tốc thấp (cỡ vài trăm kV) tạo ra nơtron theo các phản ứng sau đây: 2H(d,n)3He ; Q =3, 268...Hình 3: Nguồn phát electron 1,4: Các điện cực để đốt nóng dây xoắn; 2: Catot làm bằng LaB; 3: Bộ phận dẫn từ dây đốt, 5: Bộ phận dẫn từ Catot; 6: Phần cách điện; 7: Một phần hộp cộng hưởng Hình 4: Một số loại nguồn phát electron Hình 5: Một số máy gia tốc Mictrotron Bảng: Một số thông số đặc trưng của máy gia tốc Microtron trong xạ trị y tế Racetrack Microtron (RMT): − Các máy gia tốc Microtron... khoảng vài chục MeV, 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 − Máy gia tốc RMT khắc phục được các hạn chế này, có thể gia tốc electron tới hàng trăm MeV − Máy gia tốc RMT bao gồm hai nam châm tạo từ trường đồng nhất và một máy gia tốc thẳng đặt tại phần thẳng giữa hai cực có khả năng nhận năng lượng gia tốc lớn... châm và sau đó phản xạ ngược trong linac bằng tứ cực chính - Điều kiện cộng hưởng: n RF 2 E ecH (6.12) E là năng lượng hạt nhận được qua hốc cộng hưởng RF, H là cường độ từ trường lưỡng cực, RF là bước sóng cao tần và n là số nguyên - Điều kiện cộng hưởng: độ gia tăng quãng đường đi của hạt qua mỗi quỹ đạo là một bội số nguyên của bước sóng Hình 6: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy gia tốc Racetrack... tụ 7 Ống gia tốc 8 Máy bơm chân không 9 Van 10 Thấu kính tứ cực 11 Màng ngăn 12 Van xả Tantal 13 Hệ làm nguội bằng nước 14 Bia Hình 12: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy phát nơtron 14 MeV Hình 13: Máy phát nơtron xung 14 MeV Hình 11 : Máy phát nơtron xách tay Hình 14: Máy phát nơtron loại RF plasma Ứng dụng của máy phát nơtron 14 MeV − Máy phát nơtron được sử dụng trong nghiên cứu vật lý hạt nhân như... tâm của buồng chứa bia trên những khoảng cách bằng nhau tính từ tường bao − Tường mỏng, giá đỡ bia được làm lạnh bằng không khí là điều kiện lý tưởng để giảm đóng góp của phông nơtron năng lượng thấp Hình 10: Sơ đồ khối của máy phát nơtron 14 MeV Hình 11: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy phát nơtron 14 MeV 1 Nguồn cao áp 2 Bàn điều khiển 3 Máy biến thế 4 Nguồn ion 5 Tụ điện 6 Điện cực hội tụ 7 Ống gia. .. nhận hạt đi kèm, ở đây ghi hạt 4He bằng đầu dò alpha ở các góc khác nhau - Dùng lá dò 27Al(n,)24Na như là một monitor dòng nơtron - Buồng phân hạch 238 U và 232 Th cũng được sử dụng để ghi nhận nơtron Hình 9: Sự phụ thuộc của tiết diện các phản ứng D-T và D–D vào năng lượng của đơtron − Cao áp của máy phát là các nguồn tĩnh điện, thường sử dụng phương pháp Cockroft-Walton Do nguồn cao áp trên ống gia tốc. .. thể xem là sự kết hợp của linac và microtron tròn − Các nam châm uốn dòng 1800 đặt đối diện nhau và cách nhau một khoảng cách lớn so với kích thước của chúng − Các electron được đưa vào linac từ một súng bắn electron, đôi khi từ một máy gia tốc sơ cấp khác - Có hai vấn đề với quỹ đạo đầu tiên của RTM: + Thứ nhất, bán kính quỹ đạo thứ nhất có thể không đủ lớn để có thể xem như cấu trúc linac + Thứ... pháp tự động bão hòa bia và việc quay bia có thể làm tăng thời gian làm việc của bia Các nguồn tạo nơtron năng lượng thấp hơn 14 MeV: − Tán xạ đàn hồi và không đàn hồi của các nơtron 14 MeV trong bia, giá để mẫu, không khí, ống đếm − Nơtron từ phản ứng D-D − Đóng góp của các phản ứng gây bởi các ion 2D+ và 3D+ trong trường hợp các hạt này không được tách ra hoàn toàn − Nhằm giảm ảnh hưởng của những... nên việc chế tạo không gặp khó khăn và khá gọn nhẹ − Các ion đơteron sau khi được gia tốc trong ống gia tốc được bắn vào bia chứa đơteron hoặc triti, đế của bia thường được chế tạo bằng Ti hoặc Zr, đơteron hoặc triti được hấp phụ trong các kim loại này − Có hai loại máy phát: hút chân không liên tục hoặc hàn kín − Loại hút chân không liên tục thường sử dụng trong các phòng thí nghiệm và có thể làm