Máy Gia tốc vòng MICROTRON

MICROTRON GV: Đặng Thúy Hằng SV: Nguyễn Mai Chi Nguyễn Hồng Lam Phạm Thị Ngọc Lê Thùy Trang Nội dung báo cáo I- Giới thiệu chung máy gia tốc 1, Định nghĩa nguyên lí gia tốc hạt 2, Phân loại 3, Ứng dụng II- Microtron 1, Cấu tạo 2, Nguyên lí hoạt động 3, Ứng dụng máy Microtron III- Giới thiệu Racetrack Microtron (RMT) IV- So sánh số máy gia tốc vòng V- So sánh máy Microtron với máy gia tốc thẳng (linac) I- Giới thiệu chung 1, Định nghĩa nguyên lý gia tốc hạt  Định nghĩa: Thiết bị dùng điện trường hay điện trường từ trường để tăng tốc hạt tích điện gọi máy gia tốc hạt  Nguyên lí gia tốc hạt: hạt tĩnh điện cần gia tốc đưa vào máy gia tốc Dưới tác động điện trường, từ trường chúng chuẩn trực vào tia chuyển động theo quỹ đạo xác định chân không đạt động cần thiết Khi chùm tia tách khỏi máy gia tốc sử dụng để bắn phá mục tiêu tạo hiệu mong muốn 2, Phân loại  Máy gia tốc thẳng: loại máy gia tốc cổ: cho chùm hạt mang điện qua dãy nối tiếp miền có điện trường, hạt mang điện tăng tốc nhờ điện trường hạt mang điện có lượng khoảng vài trăm MeV  Máy gia tốc vòng: máy gia tốc hạt chuyển động theo đường vòng Để buộc hạt chuyển động theo đường vòng, người ta dùng từ trường nam châm có dạng thích hợp để uốn cong quỹ đạo hạt Và dùng điện trường để tăng tốc hạt Một số máy gia tốc vòng: Betatron, Cyclotron, Microtron, Synchrotron I- Giới thiệu chung 3, Ứng dụng máy gia tốc II- Microtron 1, Cấu tạo II- Microtron 1, Cấu tạo:  Buồng gia tốc: - Có dạng hình chân không cao (~3x10^-6 torr) nối với nam châm điện để tạo từ trường Các cực nam châm có dạng phẳng tạo nên buồng gia tốc - Kích thước nam châm cường độ từ trường phụ thuộc vào lượng chùm điện tử cần gia tốc - Từ trường Microtron thường khoảng 2-3 KOestese - Yêu cầu độ đồng từ trường phụ thuộc vào số quỹ đạo hạt: Trong đó: B từ trường máy N số quỹ đạo  Cần tăng độ đồng từ trường máy gia tốc có số quỹ đạo lớn II- Microtron 1, Cấu tạo:  Hộp cộng hưởng: - Là phận Microtron, điện tử phát đưa vào gia tốc sau lại hội tụ tăng thêm lượng thông qua hộp cộng hưởng - Thường chế tạo đồng nguyên chất, hoạt động hộp cộng hưởng đòi hỏi điều kiện chân không cao (~2x10^-6 mmHg)  Nguồn phát xạ electron: II- Microtron 1, Cấu tạo:   Nguồn phát xạ electron: - Thường súng phóng điện tử (electron gun) với catot làm chất LaB6 (là hợp chất rắn có dạng tinh thể nhỏ, nhiệt độ nóng chảy 2200ᵒC, độ dẫn điện cao hiệu suất phát xạ điện tử lớn ổn định điện trường xoay chiều cường độ lớn) - Nguồn phát e lắp trực tiếp buồng gia tốc gắn với hộp cộng hưởng - Trong điện trường hộp cộng hưởng Microtron mật độ dòng phát xạ đạt đến 100-200 A/ - Trong điện trường hộp cộng hưởng Microtron mật độ dòng phát xạ đạt đến 100-200 A/ II- Microtron 1, Cấu tạo:  Nguồn phát xạ cao tần: - Hệ siêu cao tần Microtron bao gồm nguồn phát sóng, ống dẫn sóng hộp cộng hưởng - Hầu hết hệ sóng cao tần (RF) Microtron có bước sóng 10 cm Thường dùng đèn magnetron công suất lớn cỡ vài MW làm nguồn phát cao tần Hệ số có ích magnetron lớn klystron làm việc anode thấp Microtron làm việc theo chế độ xung với độ dài xung từ 1-5µs  Ống dẫn sóng: có chức truyền với hiệu suất lớn ổn định sóng cao tần từ nguồn phát cao tần hộp cộng hưởng nơi mà điện tử gia tốc  Bơm chân không: bơm hút chân không cho máy gia tốc  Kênh ra: kênh chùm hạt sau gia tốc II- Microtron 2, Nguyên lí hoạt động  Trong Microtron hạt gia tốc chuyển động từ trường không đổi đồng nhất, việc gia tốc hạt diễn tác dụng điện trường biến thiên có tần số không đổi  Máy Microtron máy gia tốc hạt tương đối tính theo nguyên lí đồng pha tự động, phù hợp với hạt nhẹ e p  Hạt chuyển động theo quỹ đạo có tiếp điểm chung  Tại tiếp điểm người ta đặt hộp cộng hưởng mà điện trường siêu cao tần gia tốc điện từ Hộp cộng hưởng kích thích nguồn dao động siêu cao tần công suất lớn đèn magnetron xung công suất hàng trăm kW  Mỗi lần qua hộp cộng hưởng điện tử nhận lượng xác định ∆E sau bắt đầu chuyển động sang quỹ đạo Khi điện tử đạt đến quỹ đạo cuối chúng đưa khỏi buồng gia tốc qua kênh từ (kênh ra)  Sự đồng chuyển động điện tử thay đổi điện trường gia tốc siêu cao tần dựa thay đổi chu kỳ vòng quay sau quỹ đạo số nguyên chu kỳ dao động siêu cao II- Microtron  Nguyên   2, lý hoạt động  Điều kiện đồng Microtron: đó: µ,ν số nguyên số nguyên chu kì sóng cao tần : Năng lượng dừng hạt  Khi điều kiện đồng thỏa mãn, điện tử qua hộp cộng hưởng pha với trường siêu cao tần  Ta có : Với B: từ trường máy : Năng lượng dừng hạt(=mc^2) Ω thông số đặc trưng chế độ gia tốc với nhiều tính chất máy gia tốc liên quan tới thông số  Trường cyclotron xác định chu kì trường gia tốc: II- Microtron  Nguyên   2, lý hoạt động  Bằng việc sử dụng tham số Ω, điều kiện đồng viết: Г lượng toàn phần tính lượng dừng, lượng tương đối điện tử quỹ đạo thứ n bằng: >> Như lượng toàn phần phụ thuộc vào số quỹ đạo cường độ từ trường  Trong máy gia tốc khác gia tăng lượng qua vòng quay nhỏ, số vòng quay lớn, với Microtron số vòng quay nhỏ đáng kể không vượt 60  Khi ∆Г~1 cường độ điện trường gia tốc gần cường độ từ trường B  Độ gia tăng đường kính quỹ đạo hạt: ∆D =  Microtron cho chùm e với cường độ cao, độ phân tán nhỏ phân giải lượng tốt  Tóm lại: máy gia tốc Microtron, electron xoay từ trường tăng tốc qua điện trường khoang máy gia tốc Khi e tăng tốc đạt mức độ lượng xác định trước, chúng bị đưa ngoai qua kênh II- Microtron  Một số máy gia tốc Microtron Một số đặc trưng số máy gia tốc Microtron xạ trị y tế Đặc tính Microtron M22 Microtron M10 Microtron M20 Số quỹ đạo 22 10 20 Năng lượng e lớn đầu 22 10 20 Từ trường, T 0,2 0,2 0,2 Đường kính nam châm, m 1,27 0,65 0,96 Nguồn xung RF, MW 1,6 2,5 2,5 Tần số RF, GHz 2,8 2,8 2,8 Chiều rộng xung, µs 3 Năng lượng cho điều trị ung thư, MeV 8,12,15,18,20,22 2,4,6,8,10 6,9,12,15,18,20 Một số đặc trưng số máy gia tốc Microtron xạ trị y tế Đặc tính Microtron M22 Microtron M10 Microtron M22 Liều lượng thuốc lớn nhất, Gy/s Electrons Photons 0,083 0,05 0,083 0,05 0,083 0,05 Năng lượng photon lớn nhất, MV 20 10 15,18 20 Kích thước lớn vùng mà chùm tia qua, cm^2 Electrons Photons 20x20 30x30 20x20 30x30 20x20 30x30 Nguồn AC, kW 26 15 20 Lượng nước làm mát, l/phút 20 15 20 Máy tính điều khiển Không Có Có II- Microtron 3, Ứng dụng Microtron - Vật lý hạt nhân - Máy bơm cho vòng lưu trữ synchrotron - Ứng dụng y tế (xạ trị) - Ứng dụng công nghiệp (ví dụ chụp X quang xạ điều trị) III- Giới thiệu Racetrack Microtron (RMT)  Vì máy Microtron dạng vòng tròn cho lượng điện tử khoảng vài chục MeV, có kích thước lớn nặng cường độ trường cyclotron thấp Mặt khác số quỹ đạo bị hạn chế bới không đồng từ trường  Để khắc phục hạn chế người ta chế tạo máy RMT gia tốc hạt lên tới hàng trăm MeV  Máy RMT bao gồm nam châm tạo từ trường đồng máy gia tốc thẳng đặt phần thẳng cực có khả nhận lượng gia tốc lớn Microtron vòng  Các nam châm uốn dòng 180ᵒ đặt đối diện cách khoảng cách lớn so với kích thước chúng  Các e đưa vào linac từ súng bắn e, từ máy gia tốc sơ cấp khác  Các e sau qua linac lần thứ thay hệ thống nam châm sau phản xạ ngược linac tứ cực III- Giới thiệu Racetrack Microtron (RMT)   Vấn đề máy RMT: + Bán kính quỹ đạo thứ không đủ lớn để xem cấu trúc linac + Các e quỹ đạo thứ không đủ tương đối tính, cần hiệu chỉnh chiều dài quãng đường quỹ đạo thứ  Điều kiện cộng hưởng: ∆E: lượng hạt nhận qua hốc cộng hưởng RF : bước sóng cao tần n: số nguyên H: cường độ từ trường lưỡng cực  Điều kiện cộng hưởng: độ gia tăng quãng đường hạt qua quỹ đạo bội số nguyên bước sóng III- Giới thiệu Racetrack Microtron (RMT) Clip III- Giới thiệu Racetrack Microtron (RMT)  Một số máy RMT III- Giới thiệu Racetrack Microtron (RTM)  Ứng dụng RTM - Máy bơm vòng lưu trữ synchrotron - Vật lý hạt nhân - Ứng dụng công nghiệp, ví dụ chụp X quang điều trị xạ electron - Ứng dụng y tế: xạ trị, nơi lượng cao chất lượng chùm tốt sử dụng cho kỹ thuật chùm quét tia Các lượng cao có sẵn sản xuất chất đồng vị sống ngắn từ phản ứng quang hạt nhân - Ứng dụng giải phóng điện tử laser IV- So sánh betatron, cyclotron, microtron, synchrotron Tiêu chí so sánh Cyclotron Betatron Microtron Synchrotron Nguyên lí gia tốc hạt Gia tốc hạt điện trường tần số cao (RF) không đổi từ trường đồng Các hạt xoay trôn ốc theo điều khiển từ trường Gia tốc hạt lực điện động cảm ứng: gia tốc hạt cần có từ trường có từ thông biến thiên (trường gia tốc) Gia tốc hạt tương đối tính theo nguyên lí đồng pha tự động -Ban đầu gia tốc từ thông biến thiên -Khi lượng đạt 1MeV gia tốc điện trường xoay chiều Các loại hạt gia tốc Các hạt proton ion nặng Các hạt nhẹ điện tử Các hạt nhẹ Các proton electron positon Quỹ đạo chuyển động hạt Quỹ đạo tròn, chu kì gồm vòng quay Quỹ đạo tròn có bán kính không đổi Quỹ đạo tròn có tiếp điểm chung Quỹ đạo tròn cố định IV- So sánh betatron, cyclotron, microtron, synchrotron Tiêu chí so sánh Cyclotron Năng lượng photon Năng lượng cao khoảng 600MeV Betatron Microtron Synchrotron Năng lượng phụ thuộc Năng lượng phụ thuộc Năng lượng lớn giá trị tuyệt đối từ vào số quỹ đạo cường nhiều, tới vài GeV thông quỹ đạo độ từ trường Năng cao chuyển động thời gian lượng giới hạn khoảng từ quay quỹ đạo Năng đến 20MeV lượng giới hạn khoảng 500MeV Loại nam châm sử dụng Nam châm hội tụ quạt Nam châm có dạng đặc Nam châm điện có kích Dạng hình nhẫn, tạo nam châm truyền thống biệt thước phụ thuộc từ trường gia tốc ban lượng chùm tia cần gia đầu, điều khiển tốc chuyển động quỹ đạo tròn Hạn chế Các hạt qua Cần trường điều Có kích thước lớn Chu trình hoạt động khe gia tốc thời khiển có dạng đặc biệt nặng cường độ trường phức tạp, thông lượng điểm cần thiết để giữ cho hạt chuyển cyclotron thấp Ngoài dòng trung bình thấp động theo quỹ đạo tròn số quỹ đạo bị hạn chế có bán kính xác định không đồng từ trường V- So sánh Microtron Linac MeV Microtron MeV Linac V- So sánh Microtron Linac MeV Microtron MeV Linac Các e di chuyển từ trường đồng tăng tốc qua khoang Các e bó trước bới khoang tụ nhóm cho phù hợp với giai đoạn tăng tốc khoang Các e lấy kênh chắn từ trường sau đạt lượng cần thiết Các e gia tốc qua tế bào gia tốc tuyến tính Năng lượng điện tử xác định hình dạng điểm gia tốc, kênh chọn lọc từ trường Các e chọn lọc thông qua lỗ thoát, lượng điện tử xác định công suất RF Các e lượng thấp không chọn Các e lượng thấp gia tốc Chênh lệch lượng nhỏ 2% Chênh lệch lượng lớn 4% [...]... các electron xoay trong một từ trường đều và tăng tốc mỗi khi đi qua điện trường của khoang máy gia tốc Khi các e tăng tốc đạt được một mức độ năng lượng xác định trước, chúng bị đưa ra ngoai qua 1 kênh ra II- Microtron  Một số máy gia tốc Microtron Một số đặc trưng của 1 số máy gia tốc Microtron trong xạ trị y tế Đặc tính Microtron M22 Microtron M10 Microtron M20 Số quỹ đạo 22 10 20 Năng lượng e lớn... các máy gia tốc khác sự gia tăng năng lượng qua 1 vòng quay là rất nhỏ, vì vậy số vòng quay là rất lớn, với Microtron số vòng quay nhỏ hơn đáng kể và không vượt quá 60  Khi ∆Г~1 cường độ điện trường gia tốc gần bằng cường độ từ trường B  Độ gia tăng đường kính quỹ đạo hạt: ∆D =  Microtron cho chùm e với cường độ cao, độ phân tán nhỏ và phân giải năng lượng rất tốt  Tóm lại: trong một máy gia tốc Microtron, ... tạo máy RMT có thể gia tốc hạt lên tới hàng trăm MeV  Máy RMT bao gồm 2 nam châm tạo từ trường đồng nhất và một máy gia tốc thẳng đặt tại phần thẳng giữa 2 cực có khả năng nhận năng lượng gia tốc lớn hơn trong Microtron vòng  Các nam châm uốn dòng 180ᵒ đặt đối diện nhau và cách nhau một khoảng cách lớn so với kích thước của chúng  Các e được đưa vào linac từ một súng bắn e, đôi khi từ 1 máy gia tốc. .. sánh betatron, cyclotron, microtron, synchrotron Tiêu chí so sánh Cyclotron Betatron Microtron Synchrotron Nguyên lí gia tốc hạt Gia tốc hạt bằng điện trường tần số cao (RF) không đổi trong một từ trường đồng nhất Các hạt xoay trôn ốc theo sự điều khiển của từ trường Gia tốc hạt bằng lực điện động cảm ứng: gia tốc hạt cần có từ trường có từ thông biến thiên (trường gia tốc) Gia tốc hạt tương đối tính... sánh Microtron và Linac 4 MeV Microtron 4 MeV Linac V- So sánh Microtron và Linac 4 MeV Microtron 4 MeV Linac Các e di chuyển dưới từ trường đồng nhất và được tăng tốc khi đi qua khoang Các e được bó trước bới khoang tụ nhóm cho phù hợp với giai đoạn tăng tốc trong khoang Các e được lấy ra bởi các kênh lá chắn từ trường sau khi đạt được năng lượng cần thiết Các e được gia tốc khi đi qua tế bào gia tốc. .. 20 Lượng nước làm mát, l/phút 20 15 20 Máy tính điều khiển Không Có Có II- Microtron 3, Ứng dụng Microtron - Vật lý hạt nhân - Máy bơm cho vòng lưu trữ và synchrotron - Ứng dụng y tế (xạ trị) - Ứng dụng công nghiệp (ví dụ như chụp X quang và bức xạ điều trị) III- Giới thiệu Racetrack Microtron (RMT)  Vì máy Microtron dạng vòng tròn cho năng lượng điện tử khoảng vài chục MeV, có kích thước lớn và... số máy gia tốc Microtron trong xạ trị y tế Đặc tính Microtron M22 Microtron M10 Microtron M22 Liều lượng thuốc lớn nhất, Gy/s Electrons Photons 0,083 0,05 0,083 0,05 0,083 0,05 Năng lượng photon lớn nhất, MV 20 8 hoặc 10 15,18 hoặc 20 Kích thước lớn nhất của vùng mà chùm tia đi qua, cm^2 Electrons Photons 20x20 30x30 20x20 30x30 20x20 30x30 Nguồn AC, kW 26 15 20 Lượng nước làm mát, l/phút 20 15 20 Máy. .. tương đối tính theo nguyên lí đồng pha tự động -Ban đầu được gia tốc bằng từ thông biến thiên -Khi năng lượng đạt 1MeV thì gia tốc bằng điện trường xoay chiều Các loại hạt được gia tốc Các hạt proton và các ion nặng Các hạt nhẹ là các điện tử Các hạt nhẹ Các proton electron và positon Quỹ đạo chuyển động của hạt Quỹ đạo tròn, mỗi chu kì gồm 2 vòng quay Quỹ đạo tròn có bán kính không đổi Quỹ đạo tròn có... n: số nguyên H: cường độ từ trường lưỡng cực  Điều kiện cộng hưởng: độ gia tăng quãng đường đi của hạt qua mỗi quỹ đạo là một bội số nguyên của bước sóng III- Giới thiệu Racetrack Microtron (RMT) Clip III- Giới thiệu Racetrack Microtron (RMT)  Một số máy RMT III- Giới thiệu Racetrack Microtron (RTM)  Ứng dụng RTM - Máy bơm vòng lưu trữ và synchrotron - Vật lý hạt nhân - Ứng dụng công nghiệp, ví... dạng đặc Nam châm điện có kích Dạng hình nhẫn, tạo ra nam châm truyền thống biệt thước phụ thuộc năng từ trường gia tốc ban lượng chùm tia cần gia đầu, và điều khiển tốc chuyển động quỹ đạo tròn Hạn chế Các hạt không thể đi qua Cần một trường điều Có kích thước lớn và Chu trình hoạt động khe gia tốc đúng thời khiển có dạng đặc biệt nặng do cường độ trường phức tạp, thông lượng điểm cần thiết do để giữ ... tăng tốc hạt Một số máy gia tốc vòng: Betatron, Cyclotron, Microtron, Synchrotron I- Giới thiệu chung 3, Ứng dụng máy gia tốc II- Microtron 1, Cấu tạo II- Microtron 1, Cấu tạo:  Buồng gia tốc: ... trường khoang máy gia tốc Khi e tăng tốc đạt mức độ lượng xác định trước, chúng bị đưa ngoai qua kênh II- Microtron  Một số máy gia tốc Microtron Một số đặc trưng số máy gia tốc Microtron xạ... Racetrack Microtron (RMT) IV- So sánh số máy gia tốc vòng V- So sánh máy Microtron với máy gia tốc thẳng (linac) I- Giới thiệu chung 1, Định nghĩa nguyên lý gia tốc hạt  Định nghĩa: Thiết bị dùng