Máy gia tốc cyclotron KIRAMS13 gia tốc hạt proton tới năng lượng 13MeV. Máy sử dụng trong sản xuất đồng vị phóng xạ 18F phục vụ trong kỹ thuật chụp ảnh PET dùng cho chuẩn đoán ung thư sớm. Nguồn ion trong máy KIRAMS13 sử dụng công nghệ Penning Ionization Gauges (PIG), đây là một công nghệ nguồn ion truyền thống trên thế giới nhưng ở Việt Nam công nghệ này còn khá mới. Quá trình gia tốc hạt proton bao gồm 3 công đoạn chính: tạo nguồn ion, đưa hạt ion vào máy gia tốc và lấy hạt ra khỏi máy gia tốc. Sau khi hạt ra khỏi máy gia tốc, hệ dẫn dòng sẽ điều khiển hướng chuyển động của hạt tới bia cần nghiên cứu. Thông thường, hạt ion được tạo thành từ sự bắn phá các hạt điện tử với các nguyên tử khí trung hòa. Để đạt được hiệu suất tạo ion hóa cao, người ta sử dụng nhiều phương pháp, trong đó phương pháp tăng quãng chạy của hạt điện tử trong vùng ion hóa là phương pháp đơn giản được sử dụng nhiều. Khi đó hạt điện tử không chuyển động trên đường thẳng mà chuyển động theo đường xoáy trôn ốc hoặc đường ziczac. Nguồn ion của KIRAMS13 đã sử dụng theo công nghệ PIG tạo quỹ đạo chuyển động xoáy trôn ốc cho các hạt điện tử trong vùng ion hóa và sử dụng công nghệ tạo ra ion âm H. Báo cáo này sẽ trình bày chi tiết nguyên lý hoạt động của nguồn ion theo công nghệ PIG và các kỹ thuật tạo ion âm H được sử dụng trên máy KIRAMS13
CÔNG NGHỆ NGUỒN ION SỬ DỤNG TRONG MÁY GIA TỐC CYCLOTRON KIRAMS13 TẠI TRUNG TÂM CHIẾU XẠ HÀ NỘI LÊ VIỆT PHONG Phòng Gia Tốc, Trung Tâm Chiếu Xạ Hà Nội Email: iamleephong@gmail.com Tóm tắt: Máy gia tốc cyclotron KIRAMS13 gia tốc hạt proton tới năng lượng 13MeV. Máy sử dụng trong sản xuất đồng vị phóng xạ 18 F phục vụ trong kỹ thuật chụp ảnh PET dùng cho chuẩn đoán ung thư sớm. Nguồn ion trong máy KIRAMS13 sử dụng công nghệ Penning Ionization Gauges (PIG), đây là một công nghệ nguồn ion truyền thống trên thế giới nhưng ở Việt Nam công nghệ này còn khá mới. Quá trình gia tốc hạt proton bao gồm 3 công đoạn chính: tạo nguồn ion, đưa hạt ion vào máy gia tốc và lấy hạt ra khỏi máy gia tốc. Sau khi hạt ra khỏi máy gia tốc, hệ dẫn dòng sẽ điều khiển hướng chuyển động của hạt tới bia cần nghiên cứu. Thông thường, hạt ion được tạo thành từ sự bắn phá các hạt điện tử với các nguyên tử khí trung hòa. Để đạt được hiệu suất tạo ion hóa cao, người ta sử dụng nhiều phương pháp, trong đó phương pháp tăng quãng chạy của hạt điện tử trong vùng ion hóa là phương pháp đơn giản được sử dụng nhiều. Khi đó hạt điện tử không chuyển động trên đường thẳng mà chuyển động theo đường xoáy trôn ốc hoặc đường ziczac. Nguồn ion của KIRAMS13 đã sử dụng theo công nghệ PIG tạo quỹ đạo chuyển động xoáy trôn ốc cho các hạt điện tử trong vùng ion hóa và sử dụng công nghệ tạo ra ion âm H - . Báo cáo này sẽ trình bày chi tiết nguyên lý hoạt động của nguồn ion theo công nghệ PIG và các kỹ thuật tạo ion âm H - được sử dụng trên máy KIRAMS13 Từ khóa: cyclotron, KIRAMS, PIG, ion source I. GIỚI THIỆU Máy gia tốc KIRAMS13 do hãng Samyoung Unitech thiết kế là máy gia tốc sản xuất dược phẩm phóng xạ FDG dùng trong công nghệ chuẩn đoán ung thư sớm PET. Máy KIRAMS13 sắp được lắp đặt tại Trung tâm Gia tốc trong thời gian tới. Trong thiết kế của KIRAMS13 nguồn ion được đặt bên trong máy gia tốc và sử dụng công nghệ nguồn PIG cathode lạnh. Bản báo cáo sau sẽ trình bày cụ thể: quá trình tạo proton với thiết kế nguồn PIG thêm vào đó là một số cải tiến công nghệ nguồn ion PIG của hãng Samyoung Unitech. II. CẤU TẠO NGUỒN ION PIG (PENNING IONZATION GAUGE) 1. Nguyên lý hoạt động nguồn ion PIG. Quá trình tạo ion âm H - trong nguồn ion PIG dựa trên khả năng bắn phá của các điện tử vào nguyên tử khí H 2 trung hòa. Nguồn ion cathode lạnh PIG trong máy KIRAMS13 có thiết kế gồm một ống anode hình trụ rỗng (được gọi là chimney) cùng với một cathode nằm ở mỗi đầu ống và trong một từ trường nhằm hạn chế electron di chuyển về phía anode làm các điện tử chỉ chuyển động xoáy trôn ốc trong vùng tâm của chimney tạo trong đó một vùng ion hóa cao được gọi là plasma. Khi có điện áp đặt ở hai đầu anode và cathode thì các điện tử bề mặt cathode được cung cấp năng lượng và chuyển động với động năng lớn về phía anode. Các điện tử này gặp phải từ trường B ngăn cản chúng làm chúng không thể nào tiến về anode. Chuyển động của các điện tử chỉ là xoáy trôn ốc dọc theo ống chimney. Từ trường B có tác dụng giữ cho vùng plasma luôn được nằm ở giữa buồng chimney. Nếu không có từ trường B, vùng plasma sẽ đi về phía anode và ở môi trường nhiệt độ cao, ion hóa cao thì anode sẽ bị phá hủy. [1] Đây là nguyên lý giúp cho ống chimney của nguồn ion đạt được trạng thái plasma. Lúc này, vùng plasma trong ống có chứa các điện tử chuyển động với động năng lớn giúp tăng khả năng ion hóa các phân tử khí được bơm vào. Hình 1: Cấu tạo cơ bản của buồng chimney. Vùng plasma tạo ra gồm các điện tử có động năng lớn vào cỡ hơn 20 eV. Khi khí được bơm vào trong buồng ion hóa lập tức xảy ra quá trình tương tác: H 2 (n =0) + e - (n>5 eV) H 2 * +e + hn [2] H 2 * + e(n < 1 eV) H - + H [2] Quá trình tương tác này có thể được trình bày cụ thể như sau: khi điện tử sinh ra được gia tốc nhờ điên trường và bắn phá vào các lớp vỏ của nguyên tử khí. Các nguyên tử này sẽ nhận được động năng và chuyển đến trạng thái kích thích (quá trình này xảy ra ở gần đầu cathode nơi các điện tử sinh ra có động năng lớn ~ 20 eV). Sau đó các nguyên tử khí H 2 * có xu hướng đính kèm thêm điện tử có động năng thấp (cỡ ~ 1eV) để tạo thành ion âm H - và chỉ với điện tử có động năng thấp thì nguyên tử khí kích thích mới có khả năng bắt được điện tử [2]. Nhưng nếu động năng của điện tử trong vùng plasma giảm xuống 1 eV thì hiệu suất tạo H 2 * kích thích sẽ lại giảm xuống. 2. Công nghệ tạo nguồn ion âm H- Một điều phải lưu ý đó là nguồn ion tạo ra trong máy KIRAMS13 là nguồn ion âm H Trong vùng plasma của ống chimney, động năng của điện tử cao vào khoảng ~20 eV đây là điều kiện thuân lợi để tương tác sinh ra các phân tử kích thích H 2 * . Nhưng điều kiện này, lại không thuận lợi cho việc các phân tử kích thích H 2 * bắt điện tử động năng thấp để tạo ra ion âm H - . Nếu ta giảm động năng của tất cả các điện tử trong vùng plasma xuống ~ 1 eV, điều này sẽ kéo theo các phân tử kích thích H 2 * không được tạo ra. Dựa trên những đặc điểm này, công nghệ thiết kế nguồn PIG chia buồng chimney làm hai vùng plasma riêng biệt: khu vực plasma nóng (động năng ~ 20eV) có nhiệm vụ tạo ra các phân tử kích thích và khu vực plasma lạnh (động năng giảm xuống dưới 1eV) để tạo ra các ion âm. Sự phân chia nguồn thành 2 khu vực trong plasma đạt được bằng cách tạo ra một bộ lọc từ trường cục bộ (filter). Trong trạng thái plasma bình thường, tỷ lệ khuếch tán của điện tử qua plasma phụ thuộc vào tỷ lệ va chạm v c mà tại đó chúng va chạm với các hạt khác. Hệ số khuếch tán D e được ghi nhận như sau: D e = kT e 5 / 2 n e m e K [2] ở đây v c = n e KT e -3/2 , K là hằng số mô tả quá trình va chạm, v c là tỷ sô va chạm. Khi xuất hiện từ trường thì hệ số khuếch tán thay đổi theo từ trường là: D perp = kKn e m e ω 2 T e 1/2 [2] Với ω = e.B/m e là tần số chuyển động tròn của một electron trong mặt phẳng vuông góc với từ trường B.[3] Lúc này các điện tử có động năng thấp nhanh chóng đi qua từ trường, do đó vùng plasma được phân ra làm hai vùng, còn đối với các ion phân tử chúng vẫn đi qua từ trường lọc do chúng có khối lượng lớn hơn. Các phân tử trung hòa điện tích khuếch tán qua do không bị ảnh hưởng bởi từ trường lọc. Khi ở trong phân vùng plasma thứ hai các ion âm H - được sinh ra do quá trình tương tác: H 2 * + e - H - + H Quá trình này là quá trình tạo ion âm chính trong công nghệ nguồn PIG. Dựa trên khả năng tách lọc các điện tử có động năng cao và động năng thấp trong vùng plasma. Chia vùng plasma thành hai phân vùng rõ rệt: plasma nóng và plasma lạnh. Quá trình này được gọi là quá trình tạo ion âm trong thể tích vùng ion hóa Hình 2. Buồng chimney được chia làm hai vùng plasma. Vùng plasma nóng (bên trái) nơi tạo ra các điện tử nóng có động năng lớn và xảy ra quá trình tương tác tạo ra phân tử kích thích H 2 * . Các điện tử động năng thấp, phân tử H 2 * kích thích khuếch tán vào vùng plasma lạnh (bên phải) và xảy ra quá trình tạo ra ion âm H - Một vấn đề khác kèm theo với nguồn ion đó là vấn đề chiết xuất ion âm H - ra khỏi ống chimney để đưa vào gia tốc. Trước khi đưa vào khe, chùm tia ion âm H - phải được làm sạch các ion H+ cũng như các phân tử trung hòa H. Để giảm đi các phân tử H trung hòa khi chiết xuất chùm đưa vào khe gia tốc cũng như làm tăng hiệu suất tạo ion H - , nguồn ion PIG thiết kế thêm một lớp kim loại Cs làm bề mặt của Cathodes trong vùng plasma thứ 2. Điều này trên thực tế sẽ tạo nên quá trình tương tác như sau: Cs + H CsH Cs + + H - Quá trình tương tác trên được gọi là quá trình tạo ion dựa vào ion hóa bề mặt. Thiết kế nguồn ion PIG về lý thuyết ion âm H - được tạo ra là sự tổng hợp của hai quá trình: quá trình tạo ion trong thể tích vùng ion hóa và quá trình tạo ion dựa trên sự ion hóa bề mặt. Hình 3. Quá trình tương tác ion hóa bề mặt tạo ra H - 3. Công nghệ chiết xuất chùm tia của nguồn PIG Khi các ion âm H - được sinh ra trong buồng chimney, một điều quan trọng đó là quá trình dẫn chùm ion âm đưa vào để gia tốc. Để giải quyết vấn đề này, thiết kế nguồn ion PIG có một lỗ nhỏ dẫn chùm ion ra được gọi là điện cực puller. Puller có cấu tạo như một ống khói nhỏ được nối giữa nguồn ion và để gia tốc. Điện trường của giữa puller và khe gia tốc sẽ kéo các ion âm ra khỏi vùng plasma mà đi vào Dee gia tốc qua khe hở. Tuy nhiên, một điều ta không thể quên đó là điện tích của ion H - và điện tử đều là âm. Do đó, để giảm đi các điện tử ra khỏi chùm tia trước khi gia tốc là một điều cần lưu ý. Để khắc phục hiện tương đó, nguồn ion PIG được thiết kế thêm một hệ các nam châm đối xứng nhau nằm ở ngay khe hở đưa chùm ra. Hệ các nam châm này có tác dụng như một hệ lọc từ trường nhằm làm lệch quỹ đạo của các điện tử và tách điện tử ra khỏi chùm ion. Khối lượng của các điện tử nhỏ hơn rất nhiều so với các ion âm H - , do đó quỹ đạo của chúng sẽ bị lệch hoàn toàn ra khỏi chùm tia và loại bỏ gần như hoàn toàn các điện tử. Hình 4. Quỹ đạo của chùm ion âm (xanh dương) khi đi qua hệ các nam châm. Do tác dụng của từ trường lọc đã làm lệch quỹ đạo của chùm điện tử (màu đen ).[4] Chùm ion âm H - lúc này bắt đầu theo puller đưa vào để gia tốc. III. MỘT SỐ CẢI TIẾN, NÂNG CẤP NGUỒN ION CÔNG NGHỆ PIG CỦA HÃNG SAMYOUNG UNITECH. Máy gia tốc KIRAMS13 là máy gia tốc chuyên dụng dùng để sản xuất dược chất phóng xạ FDG. Do đó, hiệu suất tạo F18 phải nâng cao, chính vì thế nguồn ion của máy gia tốc cần có sự cải tiến để đạt được cường độ chùm tia proton là tối ưu nhất. Trong phần này sẽ đi vào giới thiệu một số cải tiến nguồn ion của máy gia tốc KIRAMS13 do hãng Samyoung Unitech nâng cấp. 1. Sự thay đổi kích cỡ hốc tạo điện tử và đường kính anode. Nhà thiết kế Samyoung Unitech đã cho thay đổi đường kính bên trong của anode và thay đổi kích cỡ hốc tạo điện tử điều này đồng nghĩa với việc tăng kích cỡ ống chimney và làm tăng thể tích vùng plasma trong ống chimney. Thông số hoạt động ban đầu của máy KIRAMS13 phiên bản đầu: từ tường trung tâm 1,288 T, tần số RF là 77,3 MHz, công suất RF từ 12 đến 14kW (tối đa là 20kW), tốc độ bơm khí nạp là 6,0 sccm (6,0cm 3 /h), điện áp cung cấp -2,5kV cường độ dòng là 1,2 - 1,8A. Samyoung Unitech cho thay đổi các thông số kích thước đường kính anode, kích cỡ hốc tạo điện tử và theo dõi cường độ chùm tia đạt được là bao nhiêu.[5] Đường kính của anode được Samyoung Unitech tăng dần từ 6,34 mm đến 9 mm và lấy giá trị cường độ chùm tia thu được để đánh giá được giá trị đường kính tối ưu nhất. Tương tự, như thế kích cỡ của hốc tạo điên tử của nguồn ion cũng được đánh giá theo thang giá trị từ 3mm đến 9mm và theo dõi giá trị cường độ chùm tia để có được giá trị tối ưu của kích cỡ hốc tạo điện tử. Hình 5. Bản sơ đồ hình vẽ nguồn PIG và đường kính thay đổi của andoe Mối liên hệ giữa cường độ chùm tia và kích thước hốc tạo điện tử và đường kính anode được hiển thị dưới biểu đồ dưới. Hình 6. Đồ thị biếu diễn cường độ chùm tia và kích thước hốc tạo điện tử Hình 7. Đồ thị biểu diễn cường độ chùm tia và đường kính anode Dựa vào hai đồ thị trên có thể thấy cường độ chùm tia tăng tuyến tính tới kích thước hốc là 7,5 mm và bắt đầu giảm khi kính thước lớn hơn và đường kình bên trong của anode có kích thước tối ưu chỉ với 8 mm, đường kính lớn hơn 8mm thì không có hiệu quả với cường độ chùm tia. Cụ thể là với đường kính anode 8 mm, kích thước hốc ion là 7,5 mm với công suất RF19 kW, tốc độ bơm khí là 6,5 sccm, điện áp cathode là – 2,5 kV và cường độ là 2,8 A, cường độ chùm tia tăng từ 50μA lên đến 120μΑ khi được đưa vào khe gia tốc.[5] 2. Vấn đề tuổi thọ của cathode Nguyên bản ban đầu cửa nạp khí của KIRAMS được đặt ở phía dưới. Samyoung Unitech đã đánh giá tuổi thọ của máy dựa vào các vị trí cửa nạp khí H ở tại các vị trí trên, vị trí dưới và vị trí cả hai chiều. Trong thực nghiệm của Samyoung Unitech, tuổi thọ cathode được tăng lên 25.000 phút với vị trí trên đỉnh và 5.000 phút với vị trí cả hai chiều và 3.300 phút với vị trí phía dưới (hình 8 là một ngày, 2 lần, chiếu xạ 180 phút). Tuy nhiên, cường độ chùm tia không cải thiện với vị trí cửa nạp H nhưng cường độ chùm tia lại ổn định (dữ liệu trong hình không thể hiện được rõ điều đó). Hình 8. Biểu diễn tuổi thọ của cathode với các vị trí của cửa nạp khí H. Giá trị này biểu diễn giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn theo thời gian mà cyclotron hoạt động Về cơ bản, cường độ chùm tia tạo ra so với điều kiện ban đầu không thể quá 50µA nhưng khi cải tiến, cường độ chùm khi vào khe gia tốc lên tới 120µA. Quá trình sản xuất F18 cũng được nâng từ 1.000mCi/h (30µA) tới 2.300mCi/h (75µA) với bia F18. Khi chạy ở chế độ phù hợp, cường độ chùm tia thu được là ổn định thì so với vị trí cửa nạp nguyên bản là phía dưới thì tuổi thọ cathode sẽ tăng được 1,7 lần với vị trí cả hai chiều và 8,3 lần với vị trí ở phía trên.[5] IV. KẾT LUẬN Bản báo cáo này trình bày về nguyên tắc hoạt động và công nghệ chế tạo nguồn ion PIG. Dựa trên nguyên tắc tạo ra các ion H - , hãng Samyoung Unitech đã cải tiến các thiết kế ban đầu do KIRAMS thực hiện để đạt được các thông số tối ưu cho nguồn ion của máy gia tốc KIRAMS13. Việc lựa chọn các thông số tối ưu cho hoạt động của nguồn ion như điện thế anode, tốc độ bơm khí… sẽ được tiếp tục thực hiện trong các nghiên cứu tiếp theo. ION SOURCE TECHNOLOGY IS USED IN THE CYCLOTRON ACCELERATOR KIRAMS13 AT HANOI IRRADIATION CENTER LÊ VIỆT PHONG Accelerator Department, Hanoi Irradiation Center Email: iamleephong@gmail.com Abstract: The cyclotron accelerator KIRAMS13 has been used to accelerate proton up to energy of 13MeV. The production of radiation isotopes [ 18 F] are applied for PET, which diagnosis a cancer early. Ion source of KIRAMS13 used Penning Ionization Gauge technology, which is a traditional ion source is still the new technology in Vietnam. There are three steps of proton acceleration: create negative H - source, injection beam to cyclotron, acceleration and extraction beam from cyclotron. After going out from accelerator, proton will be guided to the target. Normally, ions are created by bombardment of electrons to neutral atom gases. In order to get high ionization efficiency, some methods are applied. A simple method is to increase a path of electron in ionization chamber. Instead of straight paths, electrons move with the zigzags or spiral line. Ion source’s KIRAMS13 used the PIG technology, which make spiral trajectory of electrons in a ionization region and the negative ion source H- technology. The report present the detail of principle of PIG ion source applied in cyclotron KIRAMS13. KeyWord: cyclotron, KIRAMS13, PIG, ion source. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] December.2007, Yong-Seok-Hwang, Dept. of Nuclear Engineering Seoul National University, Ion Sources for Accelerators. [2] The Series 4/3N Injector Training Course at IBA, (1.1. A Brief Guide to the Formation of H - Ions): 2-3 [3] http://en.wikipedia.org/wiki/Plasma_parameters [4] Peter Spadtke, BEAM FORMATION: 15-16 [5] 2010, Byung Chul Lee, Hong Jin Lee, Intensification of the KOTRON-13 Cyclotron by Optimizing the Ion Source