mô phỏng quỹ đạo của proton trong máy gia tốc cyclotron bằng chương trình geant4

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN CAO THỊ VĨNH PHƯƠNG MÔ PHỎNG QUỸ ĐẠO CỦA PROTON TRONG MÁY GIA TỐC CYCLOTRON BẰNG CHƯƠNG TRÌNH GEANT4 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Tp. Hồ Chí Minh, năm 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN CAO THỊ VĨNH PHƯƠNG MÔ PHỎNG QUỸ ĐẠO CỦA PROTON TRONG MÁY GIA TỐC CYCLOTRON BẰNG CHƯƠNG TRÌNH GEANT4 Chuyên ngành: Vật lý Nguyên tử, Hạt nhân và Năng lượng cao Mã số chuyên ngành: 604405 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HOÀNG THỊ KIỀU TRANG Tp. Hồ Chí Minh, năm 2014 LỜI CẢM ƠN Mở đầu cho cuốn luận văn này, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn khích lệ tôi trong thời gian tôi thực hiện đề tài. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Hoàng Thị Kiều Trang. Cô đã luôn theo sát tôi, tận tình chỉ bảo định hướng cho tôi thực hiện luận văn này. Tôi xin cảm ơn chân thành đến TS. Trịnh Hoa Lăng. Thầy đã cung cấp cho tôi nhiều tài liệu hay và góp ý cho tôi giải quyết những vướng mắc trong quá trình làm luận văn. Tôi xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô trong bộ môn Vật lý Hạt Nhân đã nhiệt tình chỉ dẫn tôi trong suốt hai năm học qua. Các thầy cô không chỉ truyền đạt kiến thức về môn học mà còn truyền cả nhiệt huyết và tình yêu của nhà giáo cho tôi. Đó là những bài học quý giá cho một giáo viên phổ thông như tôi. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn các anh chị trong bộ môn Vật Lý Hạt Nhân, bạn bè trong lớp Vật lý Hạt nhân K22 đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong việc tiếp cận và sử dụng chương trình mô phỏng Geant4. Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2014. CAO THỊ VĨNH PHƯƠNG 1 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 4 DANH MỤC CÁC BẢNG 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 7 TỔNG QUAN 10 CHƢƠNG 1 CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA MÁY GIA TỐC VÒNG CYCLOTRON 13 1. 1. Vai trò của các định luật vật lý trong máy gia tốc cyclotron 13 1. 2. Cơ sở gia tốc hạt 15 1.2.1. Cấu trúc cyclotron 15 1.2.2. Lực điện trƣờng 16 1.2.3. Quỹ đạo của proton trong cyclotron 16 1.2.4. Phƣơng trình chuyển động của proton trong cyclotron khi từ trƣờng đều 19 1.2.5. Phƣơng trình chuyển động của proton trong từ trƣờng biến thiên 21 CHƢƠNG 2 KHÁI QUÁT VỀ CHƢƠNG TRÌNH GEANT4 VÀ CÔNG CỤ G4BEAMLINE 26 2. 1. Giới thiệu về chƣơng trình GEANT4 26 2. 2. Giới thiệu về công cụ G4beamline 27 2. 3. Các dữ liệu cần thiết trong mô phỏng máy gia tốc cyclotron 29 CHƢƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA CYCLOTRON 30 3.1. Sơ đồ thiết kế hệ mô phỏng 30 2 3.2. Thông số kỹ thuật 31 3.2.1. Bán kính nam châm 31 3.2.2. Bán kính vòng D 31 3.2.3. Bề dày vòng cực D 32 3.2.4. Khoảng cách giữa hai vòng D 33 3.2.5. Cƣờng độ điện trƣờng giữa hai vòng D 34 3.2.6. Tần số của điện trƣờng 38 CHƢƠNG 4 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 40 4. 1. Hệ cyclotron với điện từ trƣờng đều 40 4. 2. Hệ cyclotron với điện trƣờng biến thiên, từ trƣờng đều 42 4.2.1. Vị trí nguồn phát proton 44 4.2.2. Ảnh hƣởng của pha điện trƣờng đối với quá trình gia tốc proton 47 4.2.3. Ảnh hƣởng của pha điện trƣờng ban đầu φ 0 đối với quá trình gia tốc proton 49 4.2.4. Ảnh hƣởng của phƣơng phát proton đối với quá trình gia tốc 51 4.2.5. Đánh giá kết quả mô phỏng cyclotron trong điện trƣờng biến thiên, từ trƣờng đều 53 4. 3. Hệ cyclotron với từ trƣờng biến thiên theo phƣơng bán kính 54 4.3.1. Sự biến thiên của từ trƣờng B z theo bán kính 54 4.3.2. Dao động của proton trên mặt phẳng oxy dƣới tác dụng của B z 56 4.3.3. Sự dao động của proton trên trục oz 59 3 4.3.4. Đánh giá kết quả mô phỏng cyclotron trong điện từ trƣờng biến thiên 64 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 PHỤ LỤC 72 4 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Ý nghĩa Đơn vị a Bề dày vòng D mm B Từ trƣờng Tesla B r Từ trƣờng theo phƣơng bán kính Tesla B z Từ trƣờng theo trục oz Tesla d Khoảng cách giữa hai vòng cực D mm E Cƣờng độ điện trƣờng V/m E 0 Biên độ cƣờng độ điện trƣờng V/m  Tần số của điện trƣờng MHz F Lực N F r Lực theo phƣơng bán kính N F z Lực theo phƣơng oz N g Khoảng cách giữa hai cực của nam châm điện mm I Cƣờng độ dòng điện chạy trên cuộn solenoid Ampere m Khối lƣợng của proton kg m 0 Khối lƣợng nghỉ của proton kg N Số vòng dây quấn trên cuộn solenoid Vòng q Điện tích của proton C r Bán kính quỹ đạo của proton mm R D Bán kính vòng cực D m R nc Bán kính nam châm điện m T Động năng của proton MeV  Vận tốc của proton m/s V Điện thế giữa hai vòng cực D Volt ɷ Vận tốc góc của điện trƣờng rad/s θ Phƣơng phát proton deg 5 ϕ Pha của điện trƣờng deg φ 0 Độ lệch pha ban đầu của điện trƣờng rad ∆T Độ biến thiên năng lƣợng của proton MeV 6 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Giá trị các thông số trong cyclotron đã xác định đƣợc 38 Bảng 4.1: Năng lƣợng cực đại của proton sau khi gia tốc tƣơng ứng với các giá trị φ 0 50 Bảng 4.2: Năng lƣợng của proton tƣơng ứng với các góc phát hạt θ 52 Bảng 4.3: Kết quả mô phỏng và lý thuyết 53 7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Cấu trúc của cyclotron [19]. 15 Hình 1.2: Quỹ đạo proton trong cyclotron [7]. 17 Hình 1.3: Thành phần lực từ do     sinh ra trong cyclotron [7]. 18 Hình 1.4: Quỹ đạo của proton trong cyclotron dựa theo lý thuyết [16]. 18 Hình 1.5: Phân bố từ trƣờng  và điện trƣờng  trong cyclotron [5]. 19 Hình 1.6: Phân bố từ trƣờng và chỉ số n theo bán kính [17]. 23 Hình 2.1: Các tập tin trong Geant4. 26 Hình 2.2: Cửa sổ giao diện GUI khi sử dụng G4beamline 28 Hình 2.3: Các dữ kiện cần thiết cho việc mô phỏng. 29 Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc hệ cần mô phỏng. 30 Hình 3.2: Quan hệ giữa từ trƣờng với cƣờng độ dòng điện và số vòng dây quấn [13]. 32 Hình 3.3: Sự phân bố điện trƣờng giữa hai vòng D [18]. 33 Hình 4.1: Quỹ đạo của proton trong cyclotron khi có điện trƣờng đều. 40 Hình 4.2: Năng lƣợng của proton sau mỗi lần gia tốc trong điện từ trƣờng đều. 41 Hình 4.3: Thời gian bay của proton trong vòng cực D sau mỗi lần gia tốc trong điện từ trƣờng đều. 41 Hình 4.4: Quỹ đạo của proton trong cyclotron khi có điện trƣờng xoay chiều. Nguồn phát đặt tại tâm giữa hai vòng cực D. 43 Hình 4.5: Năng lƣợng của proton sau mỗi lần gia tốc bởi điện trƣờng xoay chiều khi nguồn phát đặt tại tâm hệ. 43 Hình 4.6: Năng lƣợng và bán kính quỹ đạo của proton khi nguồn phát đặt tại tâm hệ. 44 Hình 4.7: Mô hình quỹ đạo proton khi nguồn phát đặt cách tâm của hệ một đoạn ∆d 45 Hình 4.8: Năng lƣợng và bán kính quỹ đạo của proton khi R D = 80cm 46 [...]... hệ máy hiện đại Việc nghiên cứu về cơ chế hoạt động của máy và mô phỏng quỹ đạo của hạt trong cyclotron góp phần hỗ trợ cho công tác nghiên cứu chuyên sâu hơn về máy cyclotron nhƣ hiệu chỉnh các thông số kỹ thuật, tăng cƣờng hiệu suất của máy Với ý nghĩa đó, tác giả chọn đề tài “ mô phỏng quỹ đạo của proton trong máy gia tốc cyclotron bằng chƣơng trình Geant4 cho luận văn thạc sĩ của mình Mục đích của. .. Chƣơng 1 – Cơ sở vật lý của máy gia tốc vòng cyclotron: trình bày nguyên lý hoạt động của máy, cơ sở lý thuyết để gia tốc chùm hạt và phƣơng trình quỹ đạo của proton trong cyclotron Chƣơng 2 – Khái quát về chƣơng trình Geant4 và công cụ G4beamline: giới thiệu về chƣơng trình Geant4 và sự tiện ích của công cụ G4beamline trong mô phỏng các hệ tƣơng tác vật lý Chƣơng 3 – Mô hình hóa cyclotron: tính toán... vẽ lên quỹ đạo thực của 10 proton trong quá trình gia tốc, từ đó nghiên cứu và đánh giá các ảnh hƣởng của điện từ trƣờng lên chuyển động của hạt Để đạt đƣợc mục đích này, ta cần nghiên cứu nguyên tắc hoạt động của cyclotron kết hợp với các phân tích cơ lý thuyết, điện từ trƣờng và ứng dụng của Geant4 để thiết kế chƣơng trình mô phỏng Máy gia tốc cyclotron dựa trên hai nguyên tắc chính để gia tốc chùm... quát vai trò của từ trƣờng trong việc bẻ cong quỹ đạo của hạt mang điện và vai trò của điện trƣờng trong quá trình gia tốc hạt Bên cạnh đó, tác giả cũng mô tả chuyển động của hạt mang điện trong điện trƣờng biến thiên, từ trƣờng đều và chuyển động của proton trong điện từ trƣờng biến thiên 1 1 Vai trò của các định luật vật lý trong máy gia tốc cyclotron Điện từ trƣờng trong cyclotron đƣợc thiết lập và... nghiên cứu về cơ cấu và nguyên tắc hoạt động của máy gia tốc là điều cần thiết Máy gia tốc đƣợc phân làm hai loại chính là máy gia tốc sử dụng dòng điện một chiều và máy gia tốc sử dụng dòng điện xoay chiều Loại máy dùng dòng điện xoay chiều chiếm ƣu thế hơn về năng lƣợng gia tốc cho chùm hạt lớn Ngày nay các loại máy gia tốc dùng dòng điện xoay chiều đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đời sống nhƣ: nghiên... nhân, chiếu xạ thực phẩm, … Máy gia tốc dùng dòng điện xoay chiều gồm hai loại chính là máy gia tốc tuyến tính và máy gia tốc vòng Trong máy gia tốc vòng lại có nhiều loại khác nhau nhƣ cyclotron, microtron, synchrotron, … Máy gia tốc vòng đầu tiên ra đời vào năm 1932 có tên gọi là cyclotron cổ điển (hay cyclotron hội tụ yếu) Mặc dù đã xuất hiện cách đây hơn 80 năm nhƣng cyclotron vẫn là một đối tƣợng... vậy proton thực hiện đồng thời hai chuyển động: chuyển động tròn trên mặt phẳng ngang oxy và chuyển động theo phƣơng oz Do đó, quỹ đạo của proton chuyển động trong cyclotron có dạng nhƣ Hình 1.4 Hình 1.4: Quỹ đạo của proton trong cyclotron dựa theo lý thuyết [16] 18 1.2.4 Phƣơng trình chuyển động của proton trong cyclotron khi từ trƣờng đều Hình 1.5: Phân bố từ trƣờng ⃗ và điện trƣờng ⃗ trong cyclotron. .. sử dụng công cụ G4beamline để mô phỏng quỹ đạo của proton trong cyclotron 2 3 Các dữ liệu cần thiết trong mô phỏng máy gia tốc cyclotron Hình 2.3: Các dữ kiện cần thiết cho việc mô phỏng Trong tập tin đầu vào chứa đựng các thông tin cần thiết nhƣ: cấu trúc vật thể, môi trƣờng tƣơng tác, nguồn phát hạt Về mặt cấu trúc vật thể bao gồm việc khai báo thông tin kích thƣớc của hai vòng cực D và khe điện... 4.9: Quỹ đạo proton: RD = 73 cm, nguồn phát cách tâm hệ 5 cm 46 Hình 4.10: Năng lƣợng và bán kính quỹ đạo của proton khi RD = 73 cm, nguồn phát cách tâm hệ 5 cm 47 Hình 4.11: Quỹ đạo proton khi RD = 80 cm 48 Hình 4.12: Sự biến thiên năng lƣợng của proton theo pha điện trƣờng 49 Hình 4.13: Năng lƣợng proton sau khi gia tốc tƣơng ứng với các giá trị φ0 50 Hình 4.14: Năng lƣợng của proton. .. hƣởng đến năng lƣợng cần gia tốc cho proton Tiếp đến khảo sát chuyển động của proton trong điện trƣờng biến thiên và từ trƣờng biến thiên theo phƣơng bán kính nam châm điện, từ đây rút ra sự ảnh hƣởng của từ trƣờng đến quỹ đạo của proton và sự hội tụ chùm hạt Kết quả của những khảo sát này là cơ sở dữ liệu ban đầu cho việc nghiên cứu sâu hơn về cơ chế hoạt động của máy gia tốc cyclotron Dựa vào mục đích . hiệu suất của máy. Với ý nghĩa đó, tác giả chọn đề tài “ mô phỏng quỹ đạo của proton trong máy gia tốc cyclotron bằng chƣơng trình Geant4 cho luận văn thạc sĩ của mình. Mục đích của đề tài. Chƣơng 1 – Cơ sở vật lý của máy gia tốc vòng cyclotron: trình bày nguyên lý hoạt động của máy, cơ sở lý thuyết để gia tốc chùm hạt và phƣơng trình quỹ đạo của proton trong cyclotron. Chƣơng 2. trƣờng 16 1.2.3. Quỹ đạo của proton trong cyclotron 16 1.2.4. Phƣơng trình chuyển động của proton trong cyclotron khi từ trƣờng đều 19 1.2.5. Phƣơng trình chuyển động của proton trong từ trƣờng