thiết kế nguyên tắc hệ thống dẫn chùm positron chậm bằng chương trình mô phỏng simion

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH TẠP CHÍ KHOA HỌC HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF EDUCATION JOURNAL OF SCIENCE KHOA HỌC TỰ NHIÊN VÀ CÔNG NGHỆ NATURAL SCIENCES AND TECHNOLOGY ISSN: 1859-3100 Tập 15, Số 12 (2018): 167-175 Vol 15, No 12 (2018): 167-175 Email: tapchikhoahoc@hcmue.edu.vn; Website:http://tckh.hcmue.edu.vn THIẾT KẾ NGUYÊN TẮC HỆ THỐNG DẪN CHÙM POSITRON CHẬM BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG SIMION Bùi Xn Huy1*, Cao Thanh Long2, Trần Quốc Dũng2 Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh Trung tâm Hạt nhân Thành phố Hồ Chí Minh Ngày nhận bài: 05-10-2018, ngày nhận sửa: 15-11-2018, ngày duyệt đăng: 21-12-2018 TÓM TẮT Hệ thống dẫn chùm positron chậm thiết bị quan trọng nghiên cứu vật lí kĩ thuật positron, đặc biệt ứng dụng nghiên cứu vật liệu Bài báo trình bày kết nghiên cứu áp dụng chương trình mơ quỹ đạo hạt mang điện Simion để xây dựng mô hình thiết kế khả thi cho hệ thống Một số tính tốn mơ thử nghiệm quỹ đạo chuyển động chùm hạt positron tiến hành nhằm mục đích so sánh mơ hình Từ đó, mơ hình thiết kế ngun tắc đề xuất để làm sở cho việc xây dựng hệ thống dẫn chùm positron chậm thực tế thực tương lai Việt Nam Từ khóa: chương trình mơ phỏng, hệ thống dẫn chùm positron chậm, Simion, thiết kế nguyên tắc ABSTRACT Conceptual design of a slow positron beam system using Simion simulation program The slow positron beam system is an important device in the study of positron physics and techniques, especially in materials research Article presents the obtained results in studying and applying a charged particles trajectory simulation program – Simion to build feasible design models for the system Some positron beam trajectory calculation tests have been performed by comparison between the models From that, a conceptual design model has been proposed as a basis for building a real slow positron beam system in the future in Vietnam Keywords: conceptual design, slow positron beam system, Simion, simulation program Mở đầu Phương pháp phổ kế hủy cặp positron (Positron Annihilation Spectroscopy – PAS) đóng vai trò quan trọng việc nghiên cứu dạng sai hỏng vật liệu, cấu trúc nano trạng thái kim loại, tạp chất bên vật liệu [1] Do nguồn positron đồng vị truyền thống sử dụng phương pháp PAS có đặc trưng phát positron với phổ phân bố lượng liên tục, phương pháp không cung cấp thông tin chi tiết sai hỏng bề mặt vật liệu nằm độ sâu khác [2] Để khắc phục nhược điểm trên, hệ thống dẫn chùm positron chậm chế tạo đưa vào hoạt động số viện nghiên cứu, phòng thí nghiệm trường đại học lớn nước phát triển, * Email: xuanhuy_vl@yahoo.com 167 TẠP CHÍ KHOA HỌC - Trường ĐHSP TPHCM Tập 15, Số 12 (2018): 167-175 nhằm mục đích tạo chùm positron đơn có lượng thấp để thay cho nguồn phát đồng vị truyền thống Các hệ thống này, có thiết kế khác tuân theo nguyên lí thiết kế chung Một tỉ lệ positron có lượng cao phát từ nguồn phát làm chậm để trở thành positron chậm có lượng thấp (vài eV) tương đối đơn Các positron chậm sau gia tốc nhẹ nhờ phận tiền gia tốc dẫn qua phận lọc lượng để tách hạt positron có lượng cao khỏi chùm tia Chùm positron chậm tương đối đơn sau lọc khỏi chùm tia ban đầu tiếp tục dẫn qua phận gia tốc để gia tốc đến mức lượng cần thiết dẫn đến buồng chứa mẫu để bắn phá bề mặt vật liệu cần khảo sát Trung tâm Hạt nhân Thành phố Hồ Chí Minh (Trung tâm) bước đầu áp dụng phương pháp PAS, bao gồm phương pháp đo thời gian sống positron giãn nở Doppler để nghiên cứu số tính chất vật liệu kim loại, ống nano carbon, zeolite có số kết định [3] - [6] Tuy nhiên, nguồn phát positron chủ yếu sử dụng nguồn 22Na có phổ lượng rộng, gây hạn chế lớn nghiên cứu tính chất bề mặt vật liệu Do đó, nhu cầu xây dựng hệ thống phát chùm positron chậm tương lai Trung tâm để phục vụ cho nghiên cứu ứng dụng chuyên sâu cần thiết Để đảm bảo tính khả thi cho việc xây dựng hệ thống, công việc tiên cần làm giai đoạn đầu tìm hiểu sử dụng chương trình mơ quỹ đạo hạt để phục vụ cho việc thiết kế nguyên tắc cho hệ thống Trong số chương trình mơ tiêu biểu, chương trình Simion với nhiều tính tốt sử dụng rộng rãi với ứng dụng mơ trường điện từ tính tốn quỹ đạo hạt mang điện điện từ trường Chương trình Simion sử dụng cho việc nghiên cứu xây dựng hệ thống dẫn chùm positron chậm số phòng thí nghiệm giới như: Viện nghiên cứu Rossendorf (Đức), Phòng Thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore (Hoa Kì), Trường Đại học Bath (Anh) nước khác Israel, Trung Quốc [7] - [10] Bên cạnh đó, số tính tốn mơ thử nghiệm dựa thiết kế tham khảo hệ thống SPONSOR thuộc Viện nghiên cứu Rossendorf chương trình Simion nhóm nghiên cứu Trung tâm thực [11] phù hợp kết mô với kết tính tốn, đo đạc thực nghiệm hệ thống SPONSOR chứng tỏ chương trình Simion cơng cụ tính tốn thích hợp, sử dụng cho việc thiết kế nguyên tắc hệ thống dẫn chùm positron chậm Bài báo trình bày kết nghiên cứu áp dụng chương trình mơ Simion để xây dựng mơ hình thiết kế khả thi hệ thống dẫn chùm positron chậm dựa nguyên lí thiết kế số hệ thống tiêu biểu đưa vào hoạt động giới từ đưa mơ hình thiết kế ngun tắc khả thi làm sở cho việc thiết kế kĩ thuật, chế tạo xây dựng hệ thống dẫn chùm positron chậm thực tương lai Trung tâm 168 TẠP CHÍ KHOA HỌC - Trường ĐHSP TPHCM Bùi Xuân Huy tgk Nội dung 2.1 Tổng quan chương trình mơ Simion Simion chương trình mơ chun dụng sử dụng để mơ hình hóa, mơ trường tĩnh điện từ trường đồng thời tính tốn quỹ đạo chuyển động hạt mang điện điện từ trường [12] Một cách tổng quan, chương trình Simion giải hai tốn phương pháp số bao gồm tính toán trường tĩnh điện, từ trường toán xác định quỹ đạo chuyển động hạt mang điện điện từ trường tính tốn Phương pháp sai phân hữu hạn (Finite differential method) tối ưu hóa kĩ thuật lặp over-relaxation chương trình sử dụng để giải tốn tìm nghiệm phương trình đạo hàm riêng phần, cụ thể phương trình Laplace (hoặc phương trình Poisson) nhằm xác định giá trị điểm không gian trường Đối với toán xác định quỹ đạo chuyển động hạt mang điện, chương trình sử dụng phương pháp tích phân số Runge-Kutta bậc bốn để dự đoán vận tốc vị trí hạt mang điện dựa vào thông số phát hạt ban đầu xác định người dùng dựa trường tính tốn, qua xác định quỹ đạo hạt trường tĩnh điện từ trường xác định trước Một tính hữu ích chương trình Simion việc sử dụng ngơn ngữ lập trình bên chương trình, trình biên dịch ngơn ngữ Lua (Lua 5.1) nhúng trực tiếp bên chương trình Simion từ phiên 8.0 trở Việc sử dụng ngôn ngữ Lua giúp mở rộng khả mô chương trình cách linh hoạt hiệu 2.2 Phương pháp nghiên cứu Dựa thơng tin tiếp cận từ thiết kế hệ thống dẫn chùm positron chậm mà nhóm nghiên cứu tham khảo, số mơ hình thiết kế hệ thống xây dựng chương trình mơ Simion Vì hạn chế khả ứng dụng chương trình, mơ hình thiết kế dùng để mơ nguyên lí hoạt động hệ thống dẫn chùm positron chậm cách đơn giản chưa phải thiết kế chi tiết kĩ thuật Các mô hình mơ chia làm hai loại sau: - Mơ hình mơ thiết kế theo dạng thẳng, sử dụng phương pháp lọc chùm positron chậm lọc điện từ trường ExB (Hình 1) - Mơ hình mơ thiết kế theo dạng cong, sử dụng phương pháp lọc chùm positron chậm đoạn ống cong kết hợp với từ trường chia làm hai mơ hình riêng lẻ bao gồm mơ hình sử dụng đoạn ống cong với góc cong 500 dựa thiết kế hệ thống SPONSOR [13], [14] mơ hình dùng đoạn ống cong với góc cong 900 dựa thiết kế hệ thống Trường Đại học Halle [15] (Hình 2, 3) 169 TẠP CHÍ KHOA HỌC - Trường ĐHSP TPHCM Tập 15, Số 12 (2018): 167-175 Hình Mơ hình hệ thống thiết kế theo dạng thẳng Hình Mơ hình hệ thống thiết kế theo dạng cong với góc cong 500 Hình Mơ hình hệ thống thiết kế theo dạng cong góc cong 90 Sau xây dựng thành cơng mơ hình mơ trên, nhóm nghiên cứu tiến hành số tính tốn thử nghiệm mô quỹ đạo chuyển động chùm hạt positron nhằm mục đích so sánh mơ hình dựa việc khảo sát chất lượng chùm hạt positron thu bia mẫu cho ba mơ hình thiết kế Chùm hạt positron mơ với thông số đầu vào giống cho mơ hình cho trường hợp khảo sát Các trường hợp khảo sát thực bao gồm: - Khảo sát tính tốn quỹ đạo bay chùm hạt positron đơn Khảo sát thực nhằm đánh giá độ hội tụ độ đơn chùm hạt positron thu bia mẫu mơ hình 170 TẠP CHÍ KHOA HỌC - Trường ĐHSP TPHCM Bùi Xuân Huy tgk - Khảo sát tính toán quỹ đạo bay chùm hạt positron đơn trường hợp cuộn solenoid bị lệch khỏi vị trí tối ưu ban đầu Khảo sát thực với mục đích đánh giá độ nhạy chất lượng chùm hạt positron thu bia mẫu phát sinh tình lắp đặt sai vị trí cuộn dây solenoid, dẫn đến sai lệch từ trường tối ưu dọc theo trục mơ hình Nhóm nghiên cứu đánh giá, so sánh kết tính tốn mơ đưa lựa chọn thiết kế xem tối ưu số mơ hình Mơ hình tối ưu đề xuất làm mơ hình thiết kế ngun tắc cho hệ thống dẫn chùm positron chậm xây dựng tương lai Bản thông số thiết kế cuối mơ hình bao gồm thơng số dạng hình học hệ thống, thơng số thiết kế cuộn dây điện tạo từ trường thông số điện áp mơ hình tối ưu lựa chọn Kết thảo luận Trường hợp Khảo sát mô với chùm hạt positron đơn Chương trình Simion sử dụng để mơ quỹ đạo bay chùm hạt bao gồm 1000 hạt positron đơn năng, có động ban đầu eV phát đẳng hướng từ cửa sổ nguồn giả định cho mơ hình thiết kế Giá trị cao cung cấp cho phận tiền gia tốc phận gia tốc cho ba mơ hình cách tương ứng 27 V 30 kV Các kết thống kê chùm hạt positron thu bia mẫu cho mơ hình trình bày Bảng Các kết biểu diễn phân bố chùm hạt phân bố lượng chùm hạt bia mẫu cho mơ hình mơ tả Hình Hình Bảng Kết thống kê bia mẫu trường hợp khảo sát với chùm hạt positron đơn Tổng số positron phát từ nguồn Tổng số positron đến bia mẫu Tỉ lệ positron đến bia mẫu Bán kính tiết diện chùm positron bia mẫu Mơ hình dạng thẳng Mơ hình dạng cong với góc cong 500 Mơ hình dạng cong với góc cong 900 1000 1000 1000 789 807 795 78,9% 80,7% 79,5% 2,75 mm 2,39 mm 2,79 mm 171 TẠP CHÍ KHOA HỌC - Trường ĐHSP TPHCM (a) y Tập 15, Số 12 (2018): 167-175 y (b) y (c) x x x Hình Phân bố chùm hạt bề mặt bia mẫu cho mơ hình thiết kế theo dạng thẳng (a), thiết kế theo dạng cong với góc cong 500 (b) góc cong 900(c) cho trường hợp khảo sát chùm hạt positron đơn (a) (b) (c) Hình Phân bố lượng chùm hạt bề mặt bia mẫu cho mơ hình thiết kế theo dạng thẳng (a), thiết kế theo dạng cong với góc cong 500 (b) góc cong 900 (c) cho trường hợp khảo sát chùm hạt positron đơn Từ kết khảo sát cho trường hợp 1, thấy chùm hạt positron thu trường hợp sử dụng mơ hình với góc cong 50o có bán kính tiết diện chùm hạt phân bố bề mặt bia mẫu nhỏ nhất, có độ hội tụ tốt so với hai mơ hình lại Ngồi ra, phổ phân bố lượng chùm hạt positron thu cho ba mô hình thiết kế có đỉnh phổ nằm xung quanh mức lượng 30030 eV Kết phù hợp với đỉnh lượng dự đoán thu khảo sát chùm hạt positron đơn eV tiền gia tốc với điện áp 27 V gia tốc với cao 30 kV Bên cạnh đó, kết đánh giá phổ phân bố lượng cho thấy độ rộng bán cực đại phổ mơ hình thiết kế với góc cong 50 o (FWHM = 1,34 eV) nhỏ so với kết tính tốn cho mơ hình thiết kế theo dạng thẳng (FWHM = 5,50 eV) mơ hình thiết kế với góc cong 90o (FWHM = 5,71 eV) Kết cho thấy chùm hạt positron thu bia mẫu mơ hình thiết kế với góc cong 50 o tương đối đơn so với hai mơ hình lại 172 TẠP CHÍ KHOA HỌC - Trường ĐHSP TPHCM Bùi Xuân Huy tgk Trường hợp Khảo sát mô với chùm hạt positron đơn trường hợp cuộn solenoid bị lệch khỏi vị trí tối ưu ban đầu Quỹ đạo bay chùm hạt đơn mô với thông số đầu giống trường hợp khảo sát trường hợp cuộn solenoid bao quanh phận gia tốc mơ hình thiết kế giả định bị lệch khỏi vị trí tối ưu ban đầu với độ lệch cm cm Các kết so sánh phân bố chùm hạt positron thu bia mẫu cho mơ hình thiết kế mơ tả tương ứng Hình 6, Hình Hình Hình Phân bố chùm hạt bề mặt bia mẫu cho mơ hình thiết kế theo dạng thẳng khơng làm lệch cuộn solenoid (a) làm lệch cuộn solenoid cm (b) cm (c) Hình Phân bố chùm hạt bề mặt bia mẫu cho mơ hình thiết kế theo dạng cong 50o khơng làm lệch cuộn solenoid (a) làm lệch cuộn solenoid cm (b) cm (c) Hình Phân bố chùm hạt bề mặt bia mẫu cho mơ hình thiết kế theo dạng cong 90o khơng làm lệch cuộn solenoid (a) làm lệch cuộn solenoid cm (b) cm (c) 173 TẠP CHÍ KHOA HỌC - Trường ĐHSP TPHCM Tập 15, Số 12 (2018): 167-175 Từ kết khảo sát cho trường hợp 2, thấy với mơ hình thiết kế theo dạng thẳng sử dụng lọc ExB, độ lệch cuộn solenoid bao quanh phận gia tốc ảnh hưởng nhiều đến tỉ lệ hạt positron đến bia mẫu Với trường hợp cuộn solenoid bị lệch cm, sai lệch từ trường làm cho positron chậm sau khỏi lọc ExB gần bị chặn hoàn toàn khối collimator làm cho số hạt đến bia mẫu Trong trường hợp cuộn solenoid bị lệch cm, chí khơng có hạt positron đến bia mẫu Đối với hai mơ hình thiết kế theo dạng cong, kết so sánh cho thấy chùm hạt positron thu bia mẫu với mơ hình thiết kế theo dạng cong với góc cong 90o bị sai lệch nhiều so với việc sử dụng mơ hình với góc cong 50 o, chí chùm hạt positron thu bị thay đổi hình dạng trường hợp cuộn solenoid giả định bị lệch cm mô tả Hình Các kết so sánh cho thấy chất lượng chùm hạt positron thu với mơ hình thiết kế theo dạng cong với góc cong 50o nhạy với sai số gây lệch vị trí cuộn solenoid so với việc sử dụng hai mơ hình lại Kết luận Thơng qua việc thực nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu nắm nguyên lí chung thành phần hệ thống dẫn chùm positron chậm; đồng thời, sử dụng chương trình mơ Simion để xây dựng thành cơng mơ hình thiết kế khả thi cho hệ thống dẫn chùm positron chậm Từ việc xem xét tính khả thi mơ hình thiết kế đánh giá kết tính tốn mơ thử nghiệm dẫn đến kết luận mơ hình thiết kế theo dạng cong với góc cong 50o tối ưu so với hai mơ hình lại Đây mơ hình đề xuất làm thiết kế nguyên tắc làm sở cho việc thiết kế chi tiết kĩ thuật thành phần thiết yếu hệ thống dẫn chùm positron chậm xây dựng tương lai Với mơ hình thiết kế nguyên tắc lựa chọn, thông số mơ hình thay đổi hồn thiện cách linh động qua tối ưu hóa thơng số kĩ thuật cách khả thi hợp lí trước tiến tới việc thiết kế, xây dựng hệ thống thực tế  Tuyên bố quyền lợi: Các tác giả xác nhận hồn tồn khơng có xung đột quyền lợi [1] [2] [3] TÀI LIỆU THAM KHẢO P K Pujari, K Sudarshan and D Dutta, “11th International Workshop on Positron and Positronium Chemistry (PPC-11),” J Phys Conf Ser., 618, p 11001, 2015 P G Coleman, Positron Beams and Their Applications World Scientific, 2000 L A Tuyen, Z Kajcsos, K Lázár, T D Tap, D D Khiem and P T Phuc, “Positron annihilation characteristics in multi-wall carbon nanotubes with different average diameters,” J Phys Conf Ser., 443(1), 2013 174 TẠP CHÍ KHOA HỌC - Trường ĐHSP TPHCM [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] Bùi Xuân Huy tgk A T Luu et al., “Multi-wall carbon nanotubes investigated by positron annihilation techniques and microscopies for further production handling,” Phys Status Solidi Curr Top Solid State Phys., 6(11), pp 2578-2581, 2009 N D Thanh, T Q Dung, L A Tuyen and K T Tuan, “Semi-empirical formula for large pore-size estimation from the o-Ps annihilation lifetime,” 4(2), pp 81-87, 2008 D TQ et al., “o-Ps Lifetimes in Iron Containing Micro- and Mesoporous Media,” Mater Sci Forum, 733, pp 197-202, 2013 F A Selim, A W Hunt, J A Golovchenko, R H Howell, R Haakenaasen and K G Lynn, “Improved source and transport of monoenergetic MeV positrons,” Nucl Instruments Methods Phys Res Sect B Beam Interact with Mater Atoms, 171(1), pp 182-188, 2000 S M -T Beck et al., “Design of the Slow POsitron faciliTy (SPOT) in Israel,” J Phys Conf Ser., 505, p 12026, 2014 C K Cheung, P S Naik, C D Beling, S Fung and H M Weng, “Performance of a slow positron beam using a hybrid lens design,” Appl Surf Sci., 252(9), pp 3132-3137, 2006 H X Xu, J D Liu, C B Gao, H M Weng and B J Ye, “SIMION simulation of a slow pulsed positron beam,” Chinese Phys C, 36(3), pp 251-255, 2012 C T Long, N T Hieu, T Q Dung and H D Phuong, “Some initial results of simulating a positron beam system by using Simion,” Nuclear Science and Technology., 7(3), pp 17-24, 2017 D J Manura and D A Dahl, Simion Version 8.0/8.1 User Manual, 5th ed Scientific Instrument Services, 2011 W Anwand, G Brauer, M Butterling, H R Kissener, and A Wagner, “Design and Construction of a Slow Positron Beam for Solid and Surface Investigations,” Defect Diffus Forum, 331, pp 25-40, 2012 W Anwand, “A magnetically guided slow positron beam for defect studies,” Acta Physica Polonica A, 88(1), pp 7-11, 1995 R Krause-Rehberg, “A simple design for a continuous magnetically guided positron beam – and – News from the EPOS project,” report in APOSB, 2010 175 ... chứng tỏ chương trình Simion cơng cụ tính tốn thích hợp, sử dụng cho việc thiết kế nguyên tắc hệ thống dẫn chùm positron chậm Bài báo trình bày kết nghiên cứu áp dụng chương trình mơ Simion để... hình thiết kế khả thi hệ thống dẫn chùm positron chậm dựa nguyên lí thiết kế số hệ thống tiêu biểu đưa vào hoạt động giới từ đưa mơ hình thiết kế ngun tắc khả thi làm sở cho việc thiết kế kĩ... hình đề xuất làm thiết kế nguyên tắc làm sở cho việc thiết kế chi tiết kĩ thuật thành phần thiết yếu hệ thống dẫn chùm positron chậm xây dựng tương lai Với mơ hình thiết kế nguyên tắc lựa chọn,