Nghiên cứu tối Ưu hóa sản xuất Đồng vị phóng xạ f 18 trên máy gia tốc cyclotron dùng trong y tế

Nghiên cứu tối Ưu hóa sản xuất Đồng vị phóng xạ f 18 trên máy gia tốc cyclotron dùng trong y tế Nghiên cứu tối Ưu hóa sản xuất Đồng vị phóng xạ f 18 trên máy gia tốc cyclotron dùng trong y tế

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS Phạm Đức Khuê

TS Nguyễn Thế Nghĩa

Hà Nội – Năm 2023

Lời cảm ơn

Lời đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc hai thầy hướng dẫn là PGS.TS Phạm Đức Khuê và TS Nguyễn Thế Nghĩa đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm chuyên môn quý báu, động viên và tạo mọi điều kiện cho tác giả hoàn thiện bản luận văn này

Tác giả xin gửi lời cảm ơn các thầy cô Bộ môn Vật lý hạt nhân và Khoa Vật lý

đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ và hỗ trợ tác giả trong quá trình học tập, nghiên cứu

và thực hiện luận văn

Cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn ủng hộ và đồng hành cùng tác giả trong quá trình học tập và công tác

Bản luận văn không tránh khỏi còn nhiều khiếm khuyết, thiếu sót, tác giả mong muốn nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô, đồng nghiệp và những người quan tâm, để bài luận văn được hoàn thiện

Hà Nội, ngày 08 tháng 01 năm 2023

Tác giả luận văn

Dương Đình Quý

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 - NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 4

1.1 Phản ứng hạt nhân gây bởi chùm proton 4

1.1.1 Các đại lượng đặc trưng của phản ứng hạt nhân 4

1.1.2 Các cơ chế xảy ra phản ứng hạt nhân 11

1.1.3 Các phản ứng hạt nhân gây bởi chùm proton 13

1.2 Máy gia tốc Cyclotron trong sản xuất đồng vị phóng xạ 15

1.2.1 Cơ sở vật lý của máy gia tốc Cyclotron 16

1.2.2 Nguyên lý chung và cấu tạo 17

1.2.2.1 Nguồn ion 20

1.2.2.2 Từ trường 23

1.2.2.3 Nguồn RF 24

1.2.2.4 Hệ thống chân không 26

1.2.2.5 Hệ thống kiểm soát chùm tia 27

1.2.2.6 Hệ thống phân kênh chiếu 28

2.1 Xác định năng lượng ngưỡng của phản ứng 18O(p,n)18F 37

2.2 Suy giảm năng lượng chùm proton trong bia nước H218O 38

2.3 Tính toán tiết diện phản ứng hạt nhân 18O(p,n)18F 41

2.4 Xác định suất lượng phản ứng 18O(p,n)18F 43

2.4.1 Xác định suất lượng phản ứng theo lý thuyết 43

2.4.2 Xác định suất lượng phản ứng theo thực nghiệm 43

CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45

3.1 Kết quả xác định độ suy giảm năng lượng và quãng chạy của chùm proton 45 3.2 Kết quả tính toán tiết diện phản ứng hạt nhân 49

3.3 Kết quả xác định suất lượng phản ứng 18O(p,n)18F 53

KẾT LUẬN 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

PHỤ LỤC 62

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ

AVF Azimuthally Varying Field Trường thay đổi theo góc

phương vị

CT Computed tomography Ghi hình cắt lớp vi tính

DWBA Distorted Wave Born

Approximation

Mô hình xấp xỉ sinh sóng biến dạng

EXFOR Experimental Nuclear Reaction

Data

Cơ sở dữ liệu thực nghiệm các phản ứng hạt nhân [18F] FDG [18F] FluoroDeoxyGlucose Dược chất phóng xạ FDG

GE General Electric Công ty tập đoàn đa quốc gia

PET Positron emission tomography Ghi hình cắt lớp bằng phát xạ

positron PIG Penning Ionization Gauge Nguồn ion PIG

RFPG RF Power Generator Bộ phát nguồn công suất RF

SPECT Single photon emission

computed tomography

Ghi hình cắt lớp phát xạ đơn photon

SRIM Stopping and Range of Ions in

Matter

Chương trình tính toán quãng chạy và năng lượng hãm của các ion trong vật chất

TALYS Nuclear reaction code Chương trình tính toán phản

ứng hạt nhân

TENDL TALYS - Evaluated Nuclear

Data Library

Cơ sở dữ liệu phản ứng hạt nhân dựa trên TALYS

TRIM Transport of Ions in Matter Chương trình tính toán vận

chuyển, quỹ đạo của các ion trong vật chất

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Một số đặc trưng của đồng vị phóng xạ dùng trong ghi hình PET 34

Bảng 3.1: Độ mất năng lượng và quãng chạy của chùm proton năng lượng 1-30 MeV 47

Bảng 3.2: So sánh kết quả tính toán với dữ liệu thực nghiệm tại năng lượng 9 MeV 51

Bảng 3.3: Kết quả tính toán tiết diện phản ứng 18O(p,n)18F với các mức năng lượng điển hình của chùm proton sử dụng TALYS code 52

Bảng 3.4: Kết quả thực nghiệm suất lượng phản ứng tại vị trí bia chiếu số 1 54

Bảng 3.5: Kết quả thực nghiệm suất lượng phản ứng tại vị trí bia chiếu số 2 54

Bảng 3.6: So sánh kết quả tính suất lượng với các dữ liệu thực nghiệm 55

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Suất lượng của phản ứng 18O(p,n)18F theo năng lượng hạt tới [16] 10

Hình 1.2: Các cơ chế của phản ứng hạt nhân [6] 11

Hình 1.3: Cấu tạo của các máy gia tốc Cyclotron [21] 18

Hình 1.4: Máy gia tốc Cyclotron GE MINItrace [9] 19

Hình 1.5: Cấu tạo của nguồn ion PIG [9] 21

Hình 1.6: Nguồn ion PIG của máy gia tốc GE MINItrace [10] 22

Hình 1.7: Hệ thống từ trường trong Cyclotron [10] 23

Hình 1.8: Cấu trúc từ trường Hill-Valley của máy gia tốc theo nguyên lý AVF[23] 24

Hình 1.9: Điện cực Dee [10] 25

Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý bộ nguồn RF [10] 25

Hình 1.11: Hệ thống bơm chân không cho buồng gia tốc [10] 27

Hình 1.12: Các thành phần của hệ thống kiểm soát chùm tia [10] 28

Hình 1.13: Quá trình tước điện tử bởi lá tước cacbon 29

Hình 1.14: Lá tước để định hướng chùm ion dương đi ra buồng gia tốc 29

Hình 1.15: Hệ thống phân kênh chiếu trên máy gia tốc [10] 30

Hình 1.16: Bộ tước điện tử bằng lá cacbon 30

Hình 1.17: Cấu tạo của hệ thống bia lỏng MT-18F-Nb25[10] 32

Hình 1.18: Sơ đồ nguyên lý hệ thống làm mát.[10] 33

Hình 1.19: Sơ đồ phân rã đồng vị phóng xạ 18F 36

Hình 2.1: Mô hình hóa bia chiếu MT-18F-Nb25 39

Hình 2.2: Chương trình TRIM, năng lượng chùm proton và cấu trúc phoi Havar 40

Hình 2.3: Thiết lập thông số cho môi trường bia chiếu H218O 40

Hình 2.4: Các mô hình tính toán theo các cơ chế phản ứng hạt nhân trên TALYS[6] 41

Hình 2.5: Thiết lập thông số phản ứng 18O(p,n)18F với chương trình TALYS 42

Hình 2.6: Các mô hình tính tiết diện phản ứng 18O(p,n)18F từ 0 - 30MeV 43

Hình 2.7: Xác định hoạt độ phóng xạ 18F trên thiết bị tổng hợp dược chất phóng xạ 44

Hình 3.1: Mô phỏng sự lan truyền của chùm proton năng lượng 9,6MeV đi vào trong bia trong bia MT-18F-Nb25 45

Hình 3.2: Quãng chạy của chùm proton trong nước H218O 45

Hình 3.3: Quá trình suy giảm năng lượng của chùm proton trong bia 46

Hình 3.4: Quãng chạy của proton vào năng lượng của chùm hạt tới 48

Hình 3.5: Độ suy giảm năng lượng chùm proton trong nước H218O 48

Hình 3.6: Hàm kích thích phản ứng 18O(p,n)18F 49

Hình 3.7: Tiết diện phản ứng 18O(p,n)18F chùm proton năng lượng từ 3-30 MeV 50

Hình 3.8: Các phản ứng cạnh tranh trên bia H218O (97%) 52

Hình 3.9: Suất lượng phản ứng theo tính toán và so sánh với dữ liệu IAEA[13] 53

Hình 3.10: Sự phụ thuộc của suất lượng phản ứng vào thời gian chiếu 57

1

MỞ ĐẦU

Bệnh ung thư hiện nay đang có sự gia tăng về số lượng cũng như mức độ nghiêm trọng ở trên toàn thế giới Việc phát hiện bệnh ở giai đoạn sớm và có phác đồ điều trị kịp thời giúp người bệnh giảm thiểu được nguy cơ đối với các biến chứng nặng và kéo dài thời gian sống trong nhiều trường hợp Nhiều phương pháp chẩn đoán bệnh sớm đang được áp dụng hiện nay như sử dụng các xét nghiệm cận lâm sàng hoặc các phương pháp chẩn đoán hình ảnh: siêu âm, chụp cắt lớp vi tính (CT), cộng hưởng từ (MRI) Tuy nhiên, các phương pháp này vẫn còn tồn tại những hạn chế về độ phân giải hình ảnh, việc đánh giá định vị về hình thái và kích thước khối u còn phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm thực tế lâm sàng của các bác sĩ chẩn đoán

Khắc phục những nhược điểm kể trên, các phương pháp chẩn đoán hình ảnh

sử dụng các đồng vị phóng xạ như chụp cắt lớp phát xạ positron (PET), chụp cắt lớp đơn photon (SPECT) đang dần khẳng định được vị thế đặc biệt so với các phương pháp chẩn đoán truyền thống Cơ chế của phương pháp là tái tạo lại hình ảnh thông qua việc ghi nhận bức xạ gamma (SPECT) hoặc bức xạ gamma trùng phùng (PET) phát ra từ đồng vị phóng xạ đã được đưa vào trong cơ thể thông qua các hợp chất đánh dấu hay còn được gọi là “Dược chất phóng xạ” Tùy thuộc vào đặc điểm và chức năng chuyển hóa khác nhau của các cơ quan trong cơ thể, các dược chất phóng

xạ phải đảm bảo sự hài hòa giữa các đặc trưng vật lý của đồng vị phóng xạ với cấu trúc hóa học của phân tử sinh học được đánh dấu và các đặc tính sinh học của các cơ quan, khối u hấp thu hợp chất đánh dấu

PET/CT là một hệ thống tích hợp hai thiết bị ghi hình PET và CT Đây là sự kết hợp giữa hình ảnh chức năng, chuyển hoá ở mức độ tế bào, mức độ phân tử, giúp chẩn đoán sớm, đặc hiệu của PET với hình ảnh cấu trúc giải phẫu rõ nét của các cơ quan, định vị chính xác của CT Do vậy PET/CT có khả năng phát hiện tổn thương

và các biến đổi bất thường trong cơ thể ở những giai đoạn rất sớm, mức độ phân tử, đặc biệt là sự hình thành, phát triển và di căn của các khối u Các đồng vị phóng xạ được sử dụng trong kỹ thuật PET/CT điển hình như: 18F, 11C, 13N, 15O là những đồng

từ 3 MeV đến 30 MeV Một số Cyclotron trong y tế có thể gia tốc cả chùm proton và đơtron với cường độ chùm tia lên đến cỡ mA

Tại Việt Nam, cả nước có trên 30 cơ sở y học hạt nhân với trên 60 thiết bị ghi hình y học hạt nhân hiện đang triển khai hoạt động chẩn đoán và điều trị bệnh, 80% các chỉ định dùng dược chất phóng xạ để chẩn đoán và điều trị là cho các bệnh nhân ung thư Cả nước hiện có 05 trung tâm Cyclotron (03 ở Hà Nội, 01 ở Đà Nẵng và 02

ở Tp Hồ Chí Minh) sản xuất, cung cấp dược chất phóng xạ cho 13 hệ thống xạ hình PET/CT tại các cơ sở y học hạt nhân Hầu hết các cơ sở PET/CT trong nước đều đang chỉ định dùng dược chất phóng xạ [18F]FDG trong chẩn đoán

Như vậy, nhu cầu sử dụng đồng vị phóng xạ trong chẩn đoán y tế là rất lớn trong bối cảnh số lượng bệnh nhân ung thư ngày một gia tăng, trong khi các máy gia tốc Cyclotron tại Việt Nam còn đang rất hạn chế về số lượng và công suất sử dụng Việc nghiên cứu tối ưu hóa sản xuất đồng vị phóng xạ trên các máy gia tốc Cyclotron, nâng cao hiệu quả sử dụng và có phương án nâng cấp phù hợp đang là vấn đề cần thiết và có ý nghĩa thiết thực đối với các cơ sở sản xuất dược chất phóng xạ Bài luận

văn với đề tài: “Nghiên cứu tối ưu hóa sản xuất đồng vị phóng xạ F-18 trên máy gia tốc Cyclotron dùng trong y tế” được thực hiện nhằm cung cấp các thông tin về

thiết bị gia tốc Cyclotron và xác định một số đặc trưng của phản ứng hạt nhân

3

18O(p,n)18F như tiết diện phản ứng, suất lượng phản ứng, làm cơ sở cho việc tối ưu các hóa các thông số kỹ thuật và quy trình sản xuất đồng vị phóng xạ 18F trên máy gia tốc Cyclotron

Bản luận văn ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục, nội dung chính của luận văn được trình bày trong 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về phản ứng hạt nhân gây bởi proton, nguyên lý cấu tạo

và hoạt động của máy gia tốc Cyclotron và ứng dụng của chúng trong sản xuất đồng

vị phóng xạ

Chương 2: Trình bày về phương pháp và các chương trình, thuật toán tính toán các thông số đặc trưng của phản ứng: 18O(p,n)18F như ngưỡng phản ứng, năng lượng phản ứng, tiết diện và suất lượng của phản ứng, từ đó làm cơ sở xác định vùng năng lượng tối ưu đối với các máy gia tốc trong sản xuất đồng vị phóng xạ 18F

Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

4

CHƯƠNG 1 - NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

1.1 Phản ứng hạt nhân gây bởi chùm proton

Phần lớn các máy gia tốc Cyclotron hiện nay ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị đều sử dụng gia tốc chùm proton Hiểu rõ các đặc trưng của phản ứng hạt nhân để có các thay đổi thích hợp giúp nâng cao hiệu suất phản ứng, tối ưu hóa trong vận hành và bảo trì thiết bị

1.1.1 Các đại lượng đặc trưng của phản ứng hạt nhân

trong đó Z là nguyên tử số của hạt nhân bia, z là nguyên tử số của hạt nhân bay tới,

elà điện tích nguyên tố và R là khoảng cách giữa hai hạt nhân Trong trường hợp năng lượng hạt tới nhỏ hơn hàng rào thế Coulomb, các hạt nhân sẽ tán xạ đàn hồi hoặc không đàn hồi để lại hạt nhân bia ở trạng thái cơ bản hoặc trạng thái kích thích

- Năng lượng phản ứng (Q):

Phản ứng hạt nhân xảy ra cũng phải tuân theo các định luật bảo toàn: năng lượng, xung lượng, số nucleon Từ định luật bảo toàn năng lượng, xác định hiệu số giữa tổng động năng của các hạt sản phẩm tạo thành và tổng động năng của các hạt

tham gia phản ứng gọi là năng lượng của phản ứng (Q)

i

trong đó mi là khối lượng của hạt nhân thứ i được tạo ra

- Nếu giá trị Q = 0, quá trình tán xạ đàn hồi diễn ra

- Nếu giá trị Q > 0, phản ứng gọi là phản ứng tỏa nhiệt Động năng của các hạt tạo thành sau phản ứng lớn hơn động năng của các hạt trước phản ứng, do đó trong

5 trường hợp này phản ứng sẽ dễ dàng xảy ra khi năng lượng hạt tới chỉ cần lớn hơn hàng rào thế Coulomb

- Nếu giá trị Q < 0, phản ứng được gọi là thu nhiệt Một phần động năng của hạt tới sẽ phải chuyển thành năng lượng tĩnh của các hạt nhân tạo thành sau phản ứng dẫn tới tồn tại một mức năng lượng tối thiểu |Q| cung cấp cho phản ứng để phản ứng xảy ra gọi là ngưỡng phản ứng [2]:

1 | |

ng m

- Độ suy giảm năng lượng:

Sự suy giảm năng lượng của chùm proton trong môi trường hấp thụ có thể gây

ra bởi hai quá trình: tương tác trên hạt nhân và tương tác trên electron nguyên tử Tùy thuộc vào động năng chùm hạt tới mà hai quá trình trên sẽ chiếm ưu thế ở các mức năng lượng khác nhau Với chùm proton năng lượng một vài MeV, quá trình suy giảm năng lượng chủ yếu do sự ion hóa và kích thích các electron trong vật liệu bia

Độ suy giảm năng lượng tuyến tính (dE/dx) là tốc độ mất năng lượng trên một đơn vị chiều dài quãng đường mà hạt tích điện đi qua Độ suy giảm năng lượng khối bằng sự suy giảm năng lượng tuyến tính chia cho mật độ khối lượng môi trường hấp thụ Để tính toán sự suy giảm năng lượng, dùng công thức Bethe - Bloch [1]:

2 2 2

6

Na: Số Avogadro I: Thế kích thích trung bình

Z: Nguyên tử số của môi trường hấp thụ δ: Hiệu chỉnh mật độ

A: Số khốicủa môi trường hấp thụ C: Hiệu chỉnh hiệu ứng vỏ

ρ: Mật độ khối lượng môi trường hấp thụ z: Nguyên tử số hạt tới tương tác

Wmax: Năng lượng truyền cực đại trong một va chạm

β=v/c: v là năng lượng hạt tới, c là vận tốc ánh sáng trong chân không

- Quãng chạy:

Quãng chạy của chùm proton là khoảng cách từ nguồn tới vị trí mà tại đó một nửa số proton bị dừng lại trong môi trường Do đó, quãng chạy vốn dĩ là một đại lượng trung bình, được xác định cho một chùm chứ không phải cho các hạt riêng lẻ:

0 0

độ chùm tia là 1 hạt/cm2 bay tới 1 hạt nhân bia sẽ dẫn đến một quá trình vật lý cụ thể trong đó: hạt nhân tới, hạt nhân bia, kênh phản ứng và hạt nhân cuối cùng được xác định chính xác

Định nghĩa tiết diện phản ứng là xác suất xảy ra phản ứng trên một hạt nhân bia trong một đơn vị thời gian khi thông lượng hạt tới là 1 hạt/cm2.s.[2]

Trong đó: N a: Số hạt bay tới bia (hạt/cm2)

N b: Số phản ứng xảy ra trên bia trong 1 giây

a

N S

  : Thông lượng chùm hạt (hạt/cm2.s)

7

N o: Số hạt nhân A trong bia

dx: Bề dày bia (cm)

S: Diện tích bia (cm2)

n: Mật độ hạt nhân A trên bia (hạt/cm3)

Trong sản xuất đồng vị phóng xạ, tiết diện phản ứng toàn phần hay tổng tiết diện của tất cả các kênh phản ứng trên một hạt nhân bia là đại lượng được quan tâm nhất Xác định chính xác vùng năng lượng đặc trưng mà tại đó tiết diện phản ứng lớn

có thể tạo ra suất lượng đồng vị lớn nhất, đồng thời hạn chế các đồng vị tạp chất gây bởi các phản ứng cạnh tranh trên bia chiếu mỗi khi thiết kế một phản ứng hạt nhân Hạt nhân sản phẩm có thể được tạo ra gián tiếp thông qua sự phân rã của các hạt nhân phóng xạ trung gian được tạo ra đồng thời trên hạt nhân bia

Do độ lớn của hàng rào thế Coulomb phụ thuộc mạnh vào nguyên tử số của các hạt tham gia tương tác nên tiết diện phản ứng có xu hướng đạt cực đại khi năng lượng hạt tới lớn hơn đáng kể so với hàng rào thế Coulomb

Tiết diện phản ứng có thứ nguyên là diện tích nên được đo bằng đơn vị cm2hoặc barn (b), trong đó 1 barn = 10-24 cm2 Trong thực tế thường sử dụng đơn vị milibarn (mb)

- Suất lượng phản ứng

Suất lượng của phản ứng (Y) là số phản ứng xảy ra trên bia trong một đơn vị thời gian Trong trường hợp chùm hạt đơn năng, suất lượng phản ứng được xác định theo công thức:

8

T

R n I (1.9) Tiết diện phản ứng luôn thay đổi phụ thuộc vào năng lượng hạt tới do đó:

( ) /

o

th

E

T EE

E là năng lượng của hạt tới; E th là ngưỡng phản ứng

x là quãng chạy của hạt;

dE/dx là độ suy giảm năng lượng

Ngoài quá trình các hạt nhân phóng xạ được tạo thành còn có sự cạnh tranh bởi quá trình phân rã của chính các hạt nhân đó, do vậy tốc độ phản ứng sẽ được biểu diễn như sau:

( )

/

t o

h

T E

E E

dE dn

n I

dx dt

Trong đó:

𝜆: Hằng số phân rã;

t: Thời gian chiếu bia;

N: Số hạt nhân phóng xạ trên bia

9

dE: vi phân độ suy giảm năng lượng

dx: vi phân quãng chạy của hạt trong bia

Trong trường hợp bia có độ dày với mật độ khối 𝜌, năng lượng mất mát dE của hạt đi qua bia có bề dày dx được cho bởi công thức:

( )

th o E A

T T

t

T E

Với N Alà số Avogadro, A T là số khối của hạt nhân bia, thành phần(1et)

trong phương trình (1.15) giải thích sự cạnh tranh giữa hai quá trình: tạo ra đồng vị

và đồng vị bị phân rã Khi quá trình chiếu xạ đủ dài để thành phần (1et) có xu hướng tiến tới 1, hoạt độ sản xuất khi đó tiến tới giá trị bão hòa ASAT :

( )( )

th o E A

( )( )

th o

E

T A

T

E S

Hình 1.1: Suất lượng của phản ứng 18 O(p,n) 18 F theo năng lượng hạt tới [16]

Suất lượng bão hòa cũng được định nghĩa tương tự trong TRS468-IAEA xuất bản bởi IAEA năm 2009 [16] và định nghĩa hai đại lượng A1 và A2 được sử dụng để

so sánh trong các thí nghiệm:

Hoạt độ ở thời điểm dừng chiếu xạ với cường độ chiếu 1 µA không đổi trên bia trong thời gian 1 giờ có liên quan chặt chẽ với hoạt độ đo được trong quá trình sản xuất đồng vị hàng ngày bằng máy gia tốc, cái gọi là suất lượng 1h -1µA, ký hiệu

là A1 trong TRS-468 IAEA Trong thực tế, đại lượng sau này có thể được sử dụng khi thời gian bắn phá ngắn hơn đáng kể hoặc có thể so sánh với chu kỳ bán rã của đồng vị được tạo ra Khi thời gian chiếu xạ dài hơn nhiều so với chu kỳ bán rã của đồng vị được tạo ra, thì số lượng hạt nhân phóng xạ có trong bia đạt tới độ bão hòa

và hoạt độ của chúng thực tế không phụ thuộc vào thời gian bắn phá ở cường độ chùm

11 tia không đổi Hoạt độ này được tạo ra bởi một số đơn vị hạt chùm tia tới được gọi là suất lượng bão hòa, ký hiệu là A2 trong TRS-468 IAEA [16]

Mối liên hệ giữa A1 và A2 được liên hệ với nhau thông qua hằng số phân rã của hạt nhân phóng xạ và thời gian chiếu xạ t người ta nhận được:

1.1.2 Các cơ chế xảy ra phản ứng hạt nhân

Các phản ứng hạt nhân xảy ra theo các cơ chế chính sau: tạo hạt nhân hợp phần, phản ứng tiền cân bằng, và phản ứng trực tiếp như trên Hình 1.2:

Hình 1.2: Các cơ chế của phản ứng hạt nhân [6]

- Phản ứng tạo hạt nhân hợp phần:

Mô hình hạt nhân hợp phần được đưa ra bởi Niels Bohr vào năm 1936 mô tả

về hạt nhân nguyên tử để giải thích các phản ứng hạt nhân như một quá trình gồm hai giai đoạn độc lập với nhau: sự hình thành một hạt nhân trung gian và sự phân rã của hạt nhân trung gian sau đó:

12 Giai đoạn 1: Hạt tới đi vào trong hạt nhân bia và tạo thành hạt nhân hợp phần

ở trạng thái kích cao: a  A O* Giai đoạn này mất một khoảng thời gian xấp xỉ

bằng khoảng thời gian để hạt tới bay qua của hạt nhân bia: 21

Do hạt nhân hợp phần tồn tại trong thời gian dài, nên hạt nhân hợp phần giật lùi đã dừng lại Trước khi hạt nhân hợp phần phân rã có động lượng bằng không nên các hạt b và hạt nhân B tạo thành không có hướng ưu tiên nào, các hạt bay ra có tính

chất đối xứng

Trong các mô hình thống kê để dự đoán các tiết diện phản ứng, mật độ mức hạt nhân là đại lượng đặc trưng cho số trạng thái kích thích của hạt nhân được sử dụng Các chương trình mô phỏng tính toán, dự đoán phản ứng hạt nhân thường sử dụng các mô hình phản ứng tương ứng với mật độ cụ thể sẽ cho ra kết quả tính toán phù hợp với dữ liệu thực nghiệm thu được Từ đó biết được phản ứng tuân theo cơ chế nào

- Phản ứng hạt nhân trực tiếp:

Khi năng lượng hạt tới tăng, bước sóng De Broglie giảm cho đến khi hạt có thể tương tác với từng nucleon hay từng nhóm nucleon cụ thể trong hạt nhân mà không phải với toàn bộ hạt nhân Hạt tới truyền động lượng chủ yếu cho một nhóm nucleon, do đó nucleon bay ra khỏi hạt nhân có hướng ưu tiên về phía trước, theo hướng của động lượng của hạt tới Thời gian phản ứng xảy ra nhanh cỡ bằng thời gian hạt tới bay qua hạt nhân bia 10-22 giây Các phản ứng này không đi qua giai đoạn hạt nhân hợp phần có nghĩa hạt tới không đi vào bên trong hạt nhân bia và hạt bay ra cũng không ở sâu bên trong hạt nhân, nên có thể coi phản ứng xảy ra trên bề mặt [2] Một số mô hình khác nhau cho các phản ứng trực tiếp được đưa vào sử dụng trong tính toán: Mô hình xấp xỉ sinh sóng biến dạng DWBA (Distorted Wave Born

13 Approximation) cho các hạt nhân hình cầu, mô hình các kênh ghép nối (coupled-chanel) cho các hạt nhân bị biến dạng, mô hình liên kết yếu (weak-coupling) cho các hạt nhân lẻ và cũng là một đóng góp cộng hưởng khổng lồ trong chuỗi liên tục Mô hình thế quang học (Optical Model Potentials - OMP) được sử dụng trong chương trình mô phỏng TALYS là các tham số cho các phản ứng gây bởi neutron và proton

Đối với các hạt nhân gần hình cầu, các phản ứng trực tiếp được tính toán bằng DWBA và sự tán xạ không đàn hồi hạt nhân lẻ A được mô tả bằng mô hình liên kết yếu (weak-coupling) Tương tự, tính toán mô hình quang học vi mô bằng phương pháp mô hình quang học bán vi mô (JLM- Jeukenne-Lejeune-Mahaux) có thể được thực hiện [5]

- Phản ứng tiền cân bằng:

Tiền cân bằng là cơ chế trung gian giữa hai cơ chế tạo hạt nhân hợp phần và phản ứng hạt nhân trực tiếp Đặc điểm của của cơ chế này do hạt nhân hợp phần ở trạng thái kích thích rất cao, trong khoảng thời gian thiết lập sự cân bằng, hạt nhân hợp phần có thể phân rã ra một hạt nào đó trước khi đạt được sự cân bằng hoàn toàn Đối với năng lượng trên vài MeV, các phản ứng tiền cân bằng đóng một vai trò quan trọng Đối với phản ứng nucleon, mô hình lượng tử kích thích-exciton hai thành phần

có dạng mới đối với tỷ lệ chuyển đổi nội bộ đã được áp dụng mang lại sự cải thiện trong mô tả các quá trình tiền cân bằng trên nhiều mức năng lượng [17]

1.1.3 Các phản ứng hạt nhân gây bởi chùm proton

Đối với trường hợp phản ứng hạt nhân gây bởi chùm proton, một số hạt sau phản ứng bay ra có thể: α, n ,p ,d và γ Xét phản ứng hạt nhân A(p,x)B, với A, B lần lượt là hạt nhân bia và hạt nhân tạo thành sau phản ứng, x là một trong các hạt có thể bay ra kể trên

Phản ứng (p,α): là phản ứng tỏa nhiệt, năng lượng phản ứng là hiệu số giữa

năng lượng liên kết hạt tới εp và năng lượng liên kết hạt bay ra khỏi bia εα: Q = εp-εα Trong bảng hệ thống tuần hoàn, tất cả các hạt nhân bền β có năng lượng liên kết protron trong hạt nhân gần như không đổi εp ≈ const với giá trị khoảng 8 MeV trong

14 khi năng lượng liên kết của α thay đổi từ giá trị nhỏ nhất εα = 0 (Z = 60) đến giá trị cao nhất εα = 8 (Z = 8), với Z > 60 thì năng lượng liên kết của α có giá trị âm Do đó:

Phản ứng (p,n): Đối với các hạt nhân bền, phản ứng loại này luôn là phản ứng

thu nhiệt với ngưỡng phản ứng lớn hơn 0.8 MeV Thật vậy, xét phản ứng A(p,n)B ta

B thông qua phân rã beta Năng lượng của phản ứng:

Q M B m nM Bm p1.3 0.5 0.8MeV (1.23) Mặt khác theo công thức tính năng lượng, suy ra Tth > 0.8 MeV

Trong các phản ứng (p,n), nguyên tử số Z tăng lên một đơn vị, số khối A không đổi: một proton đi vào trong hạt nhân và một neutron bay ra Kết quả của phản ứng khi đó là sự thay đổi bản chất hóa học của nguyên tố bay ra Điều này dẫn tới hạt nhân sản phẩm có thể có quá nhiều proton và có xu hương trở về trạng thái cân bằng

thông qua phân rã β+: Z AX Z A1Y e e



Phản ứng (p,p): Nếu động năng của hạt tới cao hơn hàng rào Coulomb xác

suất của phản ứng loại này tương đương với xác suất của phản ứng (p,n) Trong vùng

15 năng lượng thấp hơn, phản ứng (p,p) được dùng trong các trường hợp phản ứng (p,n) không xảy ra

Phản ứng (p,γ): Do xác suất phát ra các hạt từ hạt nhân hợp phần cao hơn xác

suất phát lượng tử γ, nên phản ứng (p,γ) có suất lượng rất thấp Tuy nhiên, vì một vài

lý do nào đó hạt phát ra bị cấm, thì lúc đó phản ứng (p,γ) đóng vai trò quan trọng Ví

dụ, nếu Tp < Tth của phản ứng (p,n), thì sẽ quan sát được phản ứng (p,γ) bên cạnh phản ứng (p,p) Ví dụ điển hình phản ứng 7Li(p,γ)8Be có suất lượng cao

Phản ứng (p,d): So với các phản ứng khác, phản ứng này rất hiếm vì đơteron

là hạt có liên kết yếu (εd = 2.22 MeV), và cần lượng lớn năng lượng để hình thành nó

Do đó, phản ứng (p,d) thường là phản ứng thu nhiệt, còn nếu là phản ứng tỏa nhiệt thì giá trị Q rất nhỏ: phản ứng 9Be(p,d)8Be có Q=0.56 MeV

1.2 Máy gia tốc Cyclotron trong sản xuất đồng vị phóng xạ

Vào năm 1930, máy gia tốc Cyclotron đầu tiên được Earnest Lawrence và Stanly Livingston thiết kế thành công nhằm khắc phục nhược điểm cần quá nhiều điện cực trong máy gia tốc linac, Lawrence đã hạn chế số cực chỉ còn hai và đưa vào một từ trường Ban đầu kích thước Cyclotron có đường kính chỉ 10 cm gia tốc proton đến năng lượng 80 keV Sau nhiều lần nghiên cứu, các Cyclotron kích thước 27 inch,

60 inch được sử dụng sản xuất một số đồng vị phóng xạ: 14C, 24Na, 32P, 59Fe trong điều trị ung thư [22] Máy gia tốc Cyclotron lần đầu tiên được sử dụng cho mục đích

y tế tại Đại học Califonia, Berkeley, Hoa Kỳ vào năm 1935 [4]

Từ những năm 1970 trở đi, nhiều phiên bản nâng cấp Cyclotron đã được ra đời giúp nâng cao năng lượng và cường độ chùm tia Một số hãng cung cấp máy gia tốc Cyclotron y tế hiện nay như: General Electric (Hoa Kỳ), IBA (Bỉ), Siemens (Đức), Sumitomo (Nhật Bản) Các máy này chủ yếu gia tốc proton và deuteron năng lượng

từ 10-30 MeV với cường độ chùm tia lên đến 400 μA hoàn toàn đáp ứng nhu cầu sản xuất đồng vị và tối ưu hóa chi phí mua sắm Cyclotron

16

1.2.1 Cơ sở vật lý của máy gia tốc Cyclotron

Trong hầu hết các máy gia tốc hạt, điện trường có nhiệm vụ gia tốc tăng năng lượng các hạt tích điện và từ trường được sử dụng để định hướng và hội tụ chùm hạt

Xét hạt mang điện tích q chuyển động với vận tốc v trong trường điện trường

E và từ trường B vuông góc với mặt phẳng quỹ đạo chuyển động của hạt, hạt sẽ

chịu tác dụng của lực Lorentz được xác định bởi mối liên hệ:

)(E v B q

trong đó: F: lực tác dụng lên hạt; q: điện tích hạt; E : véc tơ điện trường; B : véc tơ

từ trường; v : véc tơ vận tốc của hạt

Để cung cấp năng lượng cho hạt tích điện cần có một điện trường dọc theo

hướng của xung lượng p ban đầu của hạt:

qE dt dp



(1.25) Quá trình uốn cong được thực hiện bởi một từ trường vuông góc với mặt phẳng

của quỹ đạo hạt Bán kính quỹ đạo r tuân theo hệ thức:

p Br q

Khi hạt tích điện chuyển động trong từ trường đồng nhất, dưới tác dụng của

cả lực hướng tâm và lực Lorentz, quỹ đạo chuyển động của hạt có dạng hình tròn thỏa mãn điều kiện:

2

mv qvB

17

m Bq

fc





(1.30) Đối với các hạt có tỉ số q/m khác nhau thì tần số cyclotron hoặc cường độ từ trường B cần có giá trị khác nhau

1.2.2 Nguyên lý chung và cấu tạo

Một máy gia tốc Cyclotron cơ bản sẽ phải bao gồm các bộ phận nằm phía trong buồng gia tốc: nguồn ion, hệ thống từ trường, hệ thống cao tần RF, hệ phân tách chùm và các bộ phận nằm bên ngoài như hệ bia chiếu, bơm chân không và hệ thống làm mát Cyclotron sử dụng quá trình gia tốc nhiều lần bằng điện trường xoay chiều tần số cao

Buồng gia tốc được duy trì ở mức chân không cao và đặt trong một từ trường Các ion được tạo ra bởi nguồn ion tại tâm buồng gia tốc được bộ phận được gọi là bộ kéo (puller) nằm trên cấu trúc gia tốc đưa các ion đang ở nguồn ion vào quỹ đạo gia tốc Cấu trúc điện trường gia tốc gồm một cặp điện cực Dee đặt đối xứng nhau có giúp tăng năng lượng ion mỗi khi đi qua khe giữa 2 Dee Điện áp RF luân phiên đổi dấu sau mỗi chu kỳ với tần số cao Dưới tác dụng của điện trường gia tốc và từ trường, chùm ion được gia tốc theo quỹ đạo gần tròn với bán kính r = mv/qB Mỗi khi đi qua khe giữa 2 Dee, proton nhận được năng lượng là E = qV do đó điện áp phải được luân phiên giữa 2 Dee hay tần số điện áp trên Dee giống với tần số Cyclotron fc (hoặc có

18 thể là bội số nguyên h của nó – h gọi là chế độ điều hòa) Khi các proton tăng tốc, chúng thu được năng lượng và bán kính quỹ đạo tăng lên, nhưng vẫn phải giữ nguyên

fc đồng thời phải giữ để khối lượng của chúng không tăng đáng kể Nhiều chùm ở các năng lượng và bán kính khác nhau có thể cùng tồn tại đồng thời trong một Cyclotron như vậy, cuối cùng mỗi chùm được tách ra ở bán kính ngoài của nam châm và được dẫn ra bia chiếu bằng cách cho đi qua một bộ làm lệch hoặc lá tước cacbon [21]

Hình 1.3: Cấu tạo của các máy gia tốc Cyclotron [21]

Khi năng lượng hạt được gia tốc lớn cỡ MeV, do hiệu ứng tương đối tính khối lượng hạt tăng theo tốc độ dẫn đến sự bất đồng bộ giữa tốc độ của hạt Điều này sẽ dẫn tới sự mất đồng bộ giữa tần số điện trường gia tốc và tần số của hạt được gia tốc Đối với hạt có vận tốc v(t) tăng dần theo thời gian thì khối lượng m(t) cũng tăng theo:

2

( )

( ) 1

o

m

m t

v t c



  

(1.34)

với mo là khối lượng nghỉ của hạt, c = 3×108 m/s là vận tốc ánh sáng

Để khắc phục hiệu ứng tương đối tính cần phải điều chỉnh từ trường hoặc tần

số hoặc cả hai trong quá trình gia tốc chùm hạt Trong trường hợp thứ nhất, điều chỉnh

từ trường, tần số RF được giữ nguyên trong khi độ dốc từ trường xen kẽ trong không gian nhưng không đổi theo thời gian bù cho độ tăng khối lượng tương đối tính của các hạt được gia tốc Loại Cyclotron này được gọi là Cyclotron đẳng thời hoặc

19 Cyclotron có từ trường thay đổi theo góc phương vị AVF (Azimuthally Varying Field) Trong trường hợp thứ hai, tần số RF của Cyclotron thay đổi theo bán kính để duy trì sự đồng bộ hạt trong chế độ tương đối tính trong khi từ trường được giữ không đổi Máy theo thiết kế này được gọi là SynchroCyclotron Trong trường hợp thứ ba,

cả từ trường và tần số RF đều khác nhau và năng lượng cao hơn rất nhiều đạt được

mà không có bất kỳ giới hạn nào ngoại trừ giá thành của máy Loại Cyclotron này được gọi là Synchrotron Các Cyclotron dùng trong y tế hiện nay thường sử dụng loại Cyclotron AVF

Trong máy gia tốc AVF, từ trường trung bình sẽ là một hàm của bán kính, có thể tăng sao cho tần số quay của các ion giữ nguyên mặc dù có sự tăng của khối lượng các ion được gia tốc Điều kiện đẳng thời chỉ có thể được đáp ứng nếu từ trường trung bình tăng theo γ: B r z( )( )r B z(0) Điều kiện sau này, được gọi là "đẳng thời" đảm bảo rằng các hạt đến khe gia tốc khi điện áp RF đạt gần giá trị đỉnh của nó.[4]

Máy gia tốc GE MINItrace được sản xuất bởi hãng General Electric Medical System (Hình 1.4), là một máy gia tốc ion âm, tự che chắn có thể gia tốc chùm proton

H- với năng lượng cực đại 9,6 MeV, cường độ chùm tia tối đa 50 μA Hệ thống được thiết kế có thể tạo ra một số đồng vị phổ biến sử dụng trong ghi hình chẩn đoán cho máy PET/CT như: 11C, 13N, 15O và 18F

Hình 1.4: Máy gia tốc Cyclotron GE MINItrace [9]

20 Một số đặc trưng của máy gia tốc GE MINItrace [9]:

Năng lượng chùm tia cực đại:

Cường độ chùm tia cực đại:

Loại hạt gia tốc:

Nguồn ion:

Hệ thống từ trường:

Đường kính cực Bán kính tước

0,7 m 0,34 m

4 2,2 T 0,9 T 1,6 T

1.2.2.1 Nguồn ion

Nguồn ion có nhiệm vụ tạo ra các ion ban đầu để đưa vào buồng gia tốc Nguồn ion được đặt bên trong ở vị trí tâm buồng gia tốc là nguồn PIG (Penning Ion Gauge)

có thể tạo ra chùm proton H- (Hình 1.5)

21

Hình 1.5: Cấu tạo của nguồn ion PIG [9]

Cấu tạo cơ bản của một nguồn ion PIG gồm: Hai catốt được làm bằng vật liệu Tantalum được liên kết vào hai đầu của một anốt được hình trụ được làm bằng hợp kim đồng-tungsten Các vật liệu này đều là vật liệu có khả năng chống chịu cao với nhiệt độ Trên anốt có một khe nhỏ để đưa ion vào gia tốc

Quá trình hình thành ion gồm 2 giai đoạn [3]:

1 Các electron sơ cấp do cực âm phát ra được gia tốc về phía thành cực dương ion hóa các phân tử khí H2 nằm trên đường đi của chúng, dưới tác dụng của

từ trường giam giữ các electron làm cho chúng phản xạ qua lại giữa 2 catốt làm quá trình ion hóa diễn ra càng nhiều trong khoang anốt-catốt:

22 trong khoang chứa giữa anốt và catốt Các phân tử khí H2 dưới tác dụng của điện trường giữa anốt và catốt sẽ bị ion hóa và hình thành lên trạng thái plasma trong khoang chứa Để tạo ra trạng thái plasma, ban đầu điện áp catốt phải được nâng lên vài kV, khi plasma tồn tại các catốt sẽ tự nóng lên bằng cách bắn phá ion và điện áp

hồ quang sẽ giảm khi dòng điện hồ quang tăng lên Thông thường điện áp lúc hoạt động khoảng vài trăm vôn là đủ để ion hóa khí bên trong Từ trường trong máy gia tốc dọc theo trục của anốt nhằm tăng cường sự giam giữ các điện tử trong plasma và tăng cường mức độ ion hóa của khí do đó các electron sẽ dao động lên xuống khi chúng bị phản xạ giữa hai catốt và biến thiên xung quanh từ trường thẳng đứng [8]

Các ion được tách ra từ nguồn thông qua một lỗ nhỏ gọi là khe (slit) được tạo

ra trên anốt tiếp xúc trực tiếp với chân không Cyclotron Các ion âm về cơ bản sẽ chỉ tồn tại ở “lớp vỏ” bên ngoài của plasma và do đó sẽ nồng độ các ion âm sẽ xuất hiện tập trung tại khe hở này Một bộ kéo “puller” nằm trên cấu trúc gia tốc RF (Dee) được phân thế dương trong mỗi nửa chu kỳ sẽ kéo các ion âm H- ra khỏi khe và đưa vào vùng trung tâm buồng gia tốc Các nguồn ion PIG ngày nay có thể tạo ra chùm proton

có cường độ lên đến vài trăm μA Hình 1.6 là hình ảnh và bản vẽ kỹ thuật của nguồn ion PIG của máy gia tốc Cyclotron GE MINItrace dùng trong y tế

Hình 1.6: Nguồn ion PIG của máy gia tốc GE MINItrace [10]

23 Phần lớn các máy Cyclotron hiện đại ngày nay đều sử dụng nguồn ion âm Ưu điểm của ion âm là khả năng dễ dàng thay đổi năng lượng của Cyclotron, khả năng trích xuất chùm ra gần 100% và có thể tách nhiều chùm tia đồng thời

Với nguồn ion đặt bên trong Cyclotron thường được thiết kế đơn giản, có thể gắn ngay tại vùng trung tâm buồng gia tốc Tuy nhiên, nguồn ion dạng này thường chỉ tạo ra được các ion đơn giản H-, H+, D-, He-3 hoặc He-4 với cường độ chùm tia

ở mức độ trung bình Vùng trung tâm buồng gia tốc cần được thiết kế với độ chính xác cao đảm bảo độ rộng chùm tia tối ưu và hội tụ theo phương thẳng đứng

1.2.2.2 Từ trường

Từ trường trong Cyclotron được tạo ra bởi hệ nam châm, được sử dụng để định hướng quỹ đạo chuyển động của chùm ion và hội tụ chùm ion trong quỹ đạo ổn định Hệ thống cung cấp từ trường trong Cyclotron cấu tạo bao gồm nam châm, cuộn dây và nguồn điện cung cấp cho nam châm Từ trường được tạo ra bởi nguồn điện có dòng lên đến 150A cung cấp cho hai cuộn dây đồng trên các cực của nam châm Do

đó hệ nam châm cần phải được làm mát trực tiếp bằng nước trên các cuộn dây Thông thường, nguồn điện cho nam châm được điều khiển từ xa thông qua một đường nối tiếp từ hệ điều khiển trung tâm [3]

Hình 1.7: Hệ thống từ trường trong Cyclotron [10]

24 Các nam châm trong Cyclotron GE MINItrace được bằng hợp kim thép với hàm lượng cacbon thấp dưới 0,05% được đúc nguyên khối Nam châm cấu tạo theo nguyên lý AVF gồm các sector hình quạt chia nam châm thành 2 vùng có từ trường cao được là vùng Hill (2.2 Tesla) và vùng có từ trường thấp được gọi là vùng Valley (0,9 Tesla) để tạo ra một từ trường trung bình 1,6 Tesla

Hình 1.8: Cấu trúc từ trường Hill-Valley của máy gia tốc theo nguyên lý AVF[23]

Trong thiết kế máy gia tốc Cyclotron theo nguyên lý AVF, nam châm thường có hình dạng quạt để có sự thay đổi góc phương vị của từ trường trong khi giữ nguyên tần số RF không đổi và hiệu chỉnh hiệu ứng tương đối tính bằng cách thay đổi từ trường sẽ có đặc điểm:

- Từ trường trung bình sẽ là một hàm của bán kính B r z( ) ( )r B z(0)(với hệ số

1 ( / )v c

   ), có thể tăng sao cho tần số quay của các ion giữ nguyên mặc

dù có sự tăng của khối lượng các ion được gia tốc Sự phân kì dọc trục của chùm tia phát sinh từ sự gia tăng từ trường trung bình theo bán kính sẽ được bù lại bằng sự hội

tụ trục do sự thay đổi góc phương vị của trường Tần số của điện thế gia tốc do đó có thể giữ không đổi trong khi vẫn duy trì một sự gia tốc đều đặn ở mỗi lần đi qua khe

- Sự hạn chế trong Cyclotron do giới hạn hội tụ của nam châm, góc xoáy trôn

ốc không thể tăng mãi, muốn tăng khả năng hội tụ trục thì phải giảm từ trường trong vùng thấp

1.2.2.3 Nguồn RF

Cấu trúc gia tốc RF có hai chức năng chính:

- Kéo các ion H- ra khỏi nguồn ion ở trung tâm của buồng chân và đưa vào cấu trúc gia tốc Dee bằng một bộ kéo mang điện thế dương gọi là Puller

25

- Tăng tốc các ion này với tốc độ cao khi chúng đi ra khe giữa 2 Dee

Nguồn có cấu tạo gồm: Bộ tạo công suất RFPG (RF Power Generator), cáp đồng trục RF, cặp Dee trong buồng chân không

Qua quá trình phát triển của tính toán tối ưu về tần số và năng lượng gia tốc, từ hình dạng nguyên bản điện cực hình chữ D, cặp Dee được điều chỉnh về thiết kế như Hình 1.9 với góc Dee chỉ còn 34 độ Các Dee được cung cấp một điện thế xoay chiều cực đại lên đến 35 kV làm việc ở tần số cao có thể đến 101 MHz để gia tốc chùm ion trong mỗi chu kỳ, do đó Dee cũng được kết nối với hệ thống làm mát để giải nhiệt

Hình 1.9: Điện cực Dee [10]

Các Dee được được đặt vào khe giữa hai cực của nam châm, thường là trong vùng có cường độ từ trường thấp-Valley của các bản cực

Bộ tạo công suất RF tạo ra sóng cao tần đưa vào khoang RF để thiết lập điện

áp gia tốc trên các Dee Bên trong cấu tạo gồm các bộ tạo dao động, bộ khuếch đại, mạch điều khiển và bộ nguồn tạo thành cấu trúc của bộ cộng hưởng λ/4 [3]

Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý bộ nguồn RF [10]

26 Điện trường gia tốc RF sau khi dc tạo ra bởi bộ phát sóng RF sẽ được khuếch đại truyền tới các Dee thông qua một cáp đồng trục Điện thế gia tốc luân phiên thay đổi trên 2 Dee trong mỗi chu kỳ để gia tốc chùm ion trong buồng

1.2.2.4 Hệ thống chân không

Với không gian làm việc bên trong buồng gia tốc tương đối nhỏ trong khi điện

áp trên các Dee cỡ hàng chục kilovôn thì buồng cần được hút chân không duy trì ở mức cao ở mức 10–6 – 10–7 mbar nhằm hai mục đích chính:

 Hạn chế sự phóng điện bên trong buồng do có sự tồn tại của các phân tử khí

tự do làm gián đoạn điện áp gia tốc trên các Dee

 Hạn chế tối đa sự suy giảm cường độ chùm tia trên quỹ đạo gia bởi các phân

tử khí tự do tước mất điện tích của ion âm đang được gia tốc

Hệ thống chân không của Cyclotron GE MINItrace (Hình 1.11) bao gồm: buồng chân không, bơm chân không, các van chân không và đồng hồ đo chân không kiểm soát chân không trên 2 dải áp suất khác nhau Hệ thống sử dụng cho Cyclotron gồm bơm quay (Rotary pump - RP) và bơm khuếch tán dầu (Diffusion pump - DP) Bơm

sơ cấp làm việc ở dải chân không thấp từ 102-10-3 mbar với lưu lượng bơm từ 4-40

m3/h Bơm khuếch tán làm việc ở dải chân không cao từ 10-3-10-8 mbar với tốc độ bơm 1750 l/s Bộ điều khiển hệ thống chân không chuyên dụng thực hiện kiểm soát

áp suất, trình tự bơm chân không và vận hành hệ thống

có dòng khí H2 áp suất 5 bar được cấp vào nguồn ion nên mức chân không sẽ giảm

về 10-5 mbar

27

Hình 1.11: Hệ thống bơm chân không cho buồng gia tốc [10]

1.2.2.5 Hệ thống kiểm soát chùm tia

Các đặc trưng của chùm tia trong quá trình gia tốc tại các quỹ đạo được theo dõi và điều khiển bằng máy tính, cho phép điều chỉnh tối ưu Theo dõi liên tục cường

độ chùm tia tại lá tước cacbon, bộ chuẩn trực và bia được cung cấp để cho phép khởi động, điều chỉnh và vận hành hoàn toàn tự động [10]

Hệ thống kiểm soát chùm tia có nhiệm vụ ghi nhận và phân tích đánh giá cường độ chùm tia tại các vị trí khác nhau trên quỹ đạo gia tốc trong buồng gia tốc

và trên bia giúp cho việc điều khiển chùm tia từ nguồn ion đến bia được hiệu quả Hệ thống bao gồm các bộ phận sau: Đầu đo Flip-in (Flip-in probe), Lá tước (Extraction foil), Chuẩn trực (Collimators), Bia chiếu (Target) thể hiện trên Hình 1.12

• Đầu đo Flip-in: nằm ở bán kính nhỏ gần nguồn ion, hoạt động như một “van

đóng mở dòng ion gia tốc” có thể lật vào trong để chắn dòng ion đang gia position) hoặc lật ra để dòng ion tiếp tục được gia tốc tới bia(OUT-position) Tại

tốc(IN-vị trí IN, toàn bộ chùm tia sẽ bị chặn lại để đánh giá hiệu suất tạo dòng ion tại bán kính gia tốc nhỏ so với dòng ion sinh ra từ nguồn Khi đạt yêu cầu, đầu đo sẽ chuyển sang vị trí OUT tiếp tục cho chùm tia được gia tốc ở bán kính lớn hơn