Đề tài về máy gia tốc vòng MICROTRON

MICROTRON Giáo viên hướng dẫn: Đặng Thúy Hằng Sinh viên thực hiện: 1, Nguyễn Mai Chi 2, Nguyễn Hồng Lam 3, Phạm Thị Ngọc 4, Lê Thùy Trang Nội dung báo cáo: I) II) III) IV) Giới thiệu chung máy gia tốc 1, Định nghĩa nguyên lí gia tốc hạt 2, Phân loại 3, Ứng dụng Microtron 1, Cấu tạo 2, Nguyên lí hoạt động Giới thiệu Racetrack Microtron (RMT) So sánh số máy gia tốc vòng Chi tiết: I) - Giới thiệu chung 1, Định nghĩa nguyên lí 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 hoạt động, cấu tạo, kích thước máy gia tốc khác Máy gia tốc dùng nhiều lĩnh vực 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: Được chia thành loại: - - II) 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 3, Ứng dụng máy gia tốc: 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 gai tốc có số quỹ đạo lớn 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 e:  - - +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/ +Để đốt nóng nguồn phát e cần dùng dòng điện có cường độ lên đến 50A - 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 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 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 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 : : 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: - 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 gai 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 • Một số máy gia tốc Microtron  - - • Một số đặc trưng số máy gia tốc Microtron xạ trị y tế Đặc tính Số quỹ đạo Năng lượng e lớn đầu Từ trường, T Đường kính nam châm, m Nguồn xung RF, MW Tần số RF, GHz Chiều rộng xung, µs Năng lượng cho điều trị ung thư, MeV Liều lượng thuốc lớn nhất, Gy/s Electrons Photons Năng lượng Microtron M22 22 22 Microtron M10 10 10 Microtron M22 20 20 0,2 1,27 0,2 0,65 0,2 0,96 1,6 2,5 2,5 2,8 2,8 2,8 8,12,15,18,20,22 2,4,6,8,10 6,9,12,15,18,20 0,083 0,05 0.083 0,05 0,083 0,05 20 10 15,18 20 photon lớn nhất, MV Kích thước lớn vùng mà chùm tia qua, cm^2 Electrons Photons Nguồn AC, kW Lượng nước làm mát, l/phút Máy tính điều khiển III) - - - - 20x20 30x30 20x20 30x30 20x20 30x30 26 20 15 15 20 20 Không Có Có 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 Vấn đề máy RMT: + bán kính quỹ đạo thứ không đủ lớn để xem cấu trúc linac + e quỹ đạo thứ không đủ tương đối tính, cần hiệu chỉnh chiều dài quãng đường quỹ đạo thứ Các e sau qua linac lần thứ thay hệ thống nam châm sau phản xạ ngược linac tứ cực Điều kiện cộng hưởng: - ∆E: lượng hạt nhận qua hốc cộng hưởng RF : bước sóng cao tần n: số nguyên Điều kiện cộng hưởng: độ gia tăng quãng đường hạt qua quỹ đạo bội số nguyên bước sóng • Một số máy RMT IV) So sánh betatron, cyclotron, microtron, synchrotron Tiêu chí so sánh Nguyên lí gia tốc hạt Cyclotron Gia tốc hạt điện trường xoay chiều tần số cao Betatron Gia tốc hạt từ thông biến thiên Microtron Gia tốc hạt tương đối tính theo nguyên lí đồng pha từ thông Các loại hạt gia tốc Quỹ đạo chuyển động hạt Các hạt proton ion nặng Quỹ đạo tròn, chu kì gồm vòng quay Năng lượng cao khoảng 600MeV Các hạt nhẹ điện tử Quỹ đạo tròn có bán kính không đổi Năng lượng phụ thuộc giá trị tuyệt đối từ thông quỹ đạo chuyển động thời gian quay quỹ đạo Năng Các hạt electron positon Quỹ đạo tròn có tiếp điểm chung Năng lượng phụ thuộc vào số quỹ đạo cường độ từ trường Năng lượng giới hạn khoảng từ đến Năng lượng photon Synchrotron -Ban đầu gia tốc từ thông biến thiên -Khi lượng đạt 1MeV gia tốc điện trường xoay chiều Các proton Quỹ đạo tròn Năng lượng lớn nhiều, tới vài GeV cao Loại nam châm sử dụng Hạn chế lượng giới hạn khoảng 500MeV Nam châm hội tụ Nam châm có quạt nam châm dạng đặc biệt truyền thống 20MeV Nam châm điện có kích thước phụ thuộc lượng chùm tia cần gia tốc Các hạt Cần trường Có kích thước qua khe gia tốc điều khiển có lớn nặng thời điểm dạng đặc biệt cường độ trường cần thiết để giữ cho hạt cyclotron thấp chuyển động theo Ngoài số quỹ quỹ đạo tròn có đạo bị hạn chế bán kính xác định không đồng từ trường Dạng hình nhẫn, tạo từ trường gia tốc ban đầu, điều khiển chuyển động quỹ đạo tròn Chu trình hoạt động phức tạp, thông lượng dòng trung bình thấp [...]... độ gia tăng quãng đường đi của hạt qua mỗi quỹ đạo là một bội số nguyên của bước sóng • Một số máy RMT IV) So sánh betatron, cyclotron, microtron, synchrotron Tiêu chí so sánh Nguyên lí gia tốc hạt Cyclotron Gia tốc hạt bằng điện trường xoay chiều tần số cao Betatron Gia tốc hạt bằng từ thông biến thiên Microtron Gia tốc hạt tương đối tính theo nguyên lí đồng pha từ thông Các loại hạt được gia tốc. .. đầu được gia tốc bằng từ thông biến thiên -Khi năng lượng đạt 1MeV thì gia tốc bằng điện trường xoay chiều Các proton Quỹ đạo tròn Năng lượng lớn hơn rất nhiều, có thể tới vài GeV và cao hơn Loại nam châm sử dụng Hạn chế lượng giới hạn khoảng 500MeV Nam châm hội tụ Nam châm có quạt và nam châm dạng đặc biệt truyền thống 20MeV Nam châm điện có kích thước phụ thuộc năng lượng chùm tia cần gia tốc Các... tốc Các hạt không thể Cần một trường Có kích thước đi qua khe gia tốc điều khiển có lớn và nặng do đúng thời điểm dạng đặc biệt do cường độ trường cần thiết để giữ cho hạt cyclotron thấp chuyển động theo Ngoài ra số quỹ quỹ đạo tròn có đạo bị hạn chế bán kính xác định bởi sự không đồng nhất của từ trường Dạng hình nhẫn, tạo ra từ trường gia tốc ban đầu, và điều khiển chuyển động quỹ đạo tròn Chu trình... hạt được gia tốc Quỹ đạo chuyển động của hạt Các hạt proton và các ion nặng Quỹ đạo tròn, mỗi chu kì gồm 2 vòng quay Năng lượng cao nhất khoảng 600MeV Các hạt nhẹ là các điện tử Quỹ đạo tròn có bán kính không đổi Năng lượng phụ thuộc giá trị tuyệt đối của từ thông trên quỹ đạo chuyển động và thời gian quay 1 quỹ đạo Năng Các hạt electron và positon Quỹ đạo tròn có 1 tiếp điểm chung Năng lượng phụ thuộc ... Và dùng điện trường để tăng tốc hạt Một số máy gia tốc vòng: Betatron, Cyclotron, Microtron, Synchrotron 3, Ứng dụng máy gia tốc: Microtron 1, Cấu tạo: - Buồng gia tốc: + có dạng hình chân không... 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... 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 gai tốc gần cường độ từ trường B Độ gia