- Nguyên tắc hoạt động của máy gia tốc thẳng LINAC
Nguyên lý chung của máy gia tốc linac là các hạt được đưa vào các ống gia tốc có chứa các điện cực và được gia tốc bởi điện trường xoay chiều có tần số cao đặt tại các trạm giữa các điện cực. Hạt chuyển động theo một đường thẳng.
Các hạt chuyển động qua ống sẽ được gia tốc trong các khoảng trống giữa các điện cực nếu có sự phù hợp giữa pha của sóng điện từ và tốc độ hạt. Khoảng cách giữa các điện cực tăng dần dọc theo chiều dài của ống để đảm bảo sự phù hợp về pha.Để đảm bảo sự đồng bộ khi hạt
33
chuyển động trong các ống thì thời gian chúng chuyển động trong các ống phải bằng nhau. Độ dài các ống phải tăng dần vì năng lượng và tốc độ hạt tăng dần. Đây là nguyên lý gia tốc kiểu Alvarez được áp dụng chủ yếu với proton và các ion nặng.
Đối với electron do tốc độ rất lớn, do đó cần phải tăng kích thước ống rất dài, điều này là khó có thể thực hiện được. Do chiều dài ống tỷ lệ với βλ, trong đó β là vận tốc tương đối, λ là bước sóng, nên có thể thu ngắn các ống bằng việc sử dụng có một nguồn siêu cao tần để gia tốc hạt.Pha của các tín hiệu ở mỗi trạm được điều chỉnh sao cho các electron có thể liên tục nhận được năng lượng từ sóng chuyển động và nó đạt tới vị trí đỉnh của sóng ở điểm cuối của những ống dẫn sóng, như vậy các electron liên tục được gia tốc.Việc hội tụ dòng electron được thực hiện bởi từ trường được tạo ra từ các nam châm điện bên ngoài ống dẫn sóng. Các electron chuyển động theo một đường thẳng. Các ống thường có cấu trúc đặc biệt để có thể gia tốc electron theo kiểu sóng chạy hoặc sóng đứng.
Đối với gia tốc kiểu sóng đứng: các electron được phát ra từ một súng điện tử và được đưa vào ống gia tốc.Các điện tử chịu tác dụng của sóng siêu cao tần trong đó thành phần điện trường gia tốc chạy dọc theo trục của ống dẫn sóng. Các điện tử được phát thành chùm dưới dạng xung và cưỡi lên trên đỉnh sóng.Tốc độ điện tử phù hợp với tốc độ pha của sóng siêu cao tần để điện tử có thể liên tục nhận năng lượng từ điện trường sóng siêu cao tần.
Nguyên lý gia tốc kiểu sóng đứng: Dựa trên nguyên tắc tạo sóng đứng do sự giao thoa giữa sóng tới và sóng phản xạ. Năng lượng được phản xạ trước và sau ở điểm cuối của hốc cộng hưởng. Để tạo ra sóng đứng người ta dùng các hốc đặt nối tiếp giữa các ống dẫn sóng để tạo độ lệch pha 1800 giữa các hốc.
34
Kiểu gia tốc sóng chạy thường sử dụng đối với các hạt nhẹ gần với vận tốc ánh sáng. Kiểu gia tốc sóng đứng gia tốc các hạt tốc độ chậm hơn
Thông thường máy gia tốc linac hoạt động với từ trường biến đổi dạng sin và được gọi là gia tốc RF (radio frequency). Trường gia tốc RF được tạo trong một thể tích giới hạn còn gọi hốc gia tốc (cavity).Sóng cao tần thường được phát ra từ một đèn Magnetron đối với các máy công suất nhỏ hoặc từ các Klystron với loại công suất lớn.RF linac hoạt động trong giải tần số từ vài MHz tới vài GHz. Chúng thích hợp cho việc gia tốc các hạt nhẹ như electron (giải tần GHz) cũng như các hạt nặng hơn như proton (giải tần MHz).
Nguồn hạt: electron được phát ra từ các loại nguồn catôt lạnh, catôt nóng, catôt quang điện, nguồn RF… proton phát ra từ các loại nguồn ion khác nhau.
-Nguồn nơtron xung trên máy gia tốc electrontuyến tính năng lượng 100 MeV
Nguồn nơtron xung được sử dụng trong nghiên cứu được tạo ra trên máy gia tốc electron tuyến tính (linac) và qua hệ thống làm chậm bằng nước.
Nguyên tắc tạo ra chùm nơtron từ các máy gia tốc điện tử như sau:trước hết, chùm electron đã được gia tốc bắn vào một bia hãm làm bằng kim loại nặng, nhiệt độ nóng chảy cao như Ta hoặc W để tạo ra bức xạ hãm. Bức xạ hãm sau khi được sinh ra sẽ tạo ra phản ứng quang hạt nhân (,xn) để giải phóng một hoặc nhiều nơtron. Các phản ứng quang hạt nhân là phản ứng ngưỡng. Vì vậy để có thể gây ra phản ứng chùm photon phải có năng lượng lớn hơn ngưỡng của phản ứng.
Đối với các hạt nhân nặng, phản ứng (,n) đóng vai trò chính trong vùng cộng hưởng khổng lồ. Phần lớn các nơtron sinh ra theo cơ chế bay hơi, có năng lượng thấp và phân bố gần như đẳng hướng. Một tỷ lệ thấp và chủ yếu là các nơtron năng lượng cao được tạo ra từ các tương tác trực
35
tiếp của electron và photon hãm với các hạt nhân bia. Tiết diện tương tác của electron với hạt nhân nhỏ hơn 1/137 lần so với tương tác của photon với hạt nhân nên đóng vai trò thứ yếu.
Các photon hãm trực tiếp gây phản ứng quang hạt nhân với các hạt nhân của bia hãm hoặc các hạt nhân của bia thứ cấp được đặt phía sau bia
hãm sinh ra nơtron. Các vật liệu nặng, số Z lớn có năng lượng liên kết
nơtron thấp và mật độ cao nên cho suất lượng phát nơtron lớn. Riêng
trường hợp của Be và D, mặc dù số Z nhỏ nhưng năng lượng liên kết
nơtron của chúng thấp một cách bất thường và năng lượng ngưỡng của các phản ứng (,n) thấp (1,67 MeV đối với Be và 2,22 MeV đối với D), nên cũng thường được sử dụng làm bia để tạo ra nguồn quang nơtron.
Năng lượng của nơtron sinh ra từ các phản ứng quang hạt nhân (quang nơtron) phụ thuộc chủ yếu vào năng lượng của bức xạ hãm và số khối của hạt nhân bia. F. Jallu đã đưa ra biểu thức tính gần đúng năng lượng của nơtron (En)đối với các electron có động năng trong khoảng từ 5 25 MeV như sau:
cos 931 ) )( 1 ( 2 ) 1 ( 1862 1 1/2 3 ) , ( 2 ) , ( A E k A k A k E k A A En s n s n (2.3)
trong đó, k là năng lượng của photon (MeV), A là số khối của bia, Es(, n)là năng lượng ngưỡng của phản ứng (MeV), là góc phát xạ của các nơtron so với trục của chùm electron (độ). Từ biểu thức (2.3) ta thấy năng lượng của nơtron thay đổi chậm theo góc phát xạ, đặc biệt là với các nguyên tố nặng.
Suất lượng phát nơtron (n/s) có thể biểu diễn bằng công thức dưới đây: e T 0 n t (E) M N ) E ( (2.4)
trong đó M, , và t là khối lượng nguyên tử, mật độ và bề dày của bia, N0
36
tiết diện toàn phần bao gồm tổng tiết diện của tất cả các quá trình dẫn tới phát xạ nơtron.
Nguồn nơtron xung sử dụng trong nghiên cứu này được tạo ra trên máy gia tốc
electron tuyến tính có năng lượng cực đại 100 MeV đặt tại Trung tâm gia tốc
Pohang, Hàn Quốc.
Nguyên lý chung của máy gia tốc electron tuyến tính là các electron được gia tốc bởi điện trường tần số cao đặt tại các trạm trên ống gia tốc. Độ dài của các phần ống gia tốc liên tiếp được điều chỉnh tăng dần theo tốc độ của hạt và đảm bảo sự phù hợp giữa pha của sóng điện từ và tốc độ hạt. Các electron được tạo ra dưới dạng xung từ các súng bắn điện tử (RF-gun). Pha của các tín hiệu ở mỗi trạm được điều chỉnh sao cho các electron có thể liên tục nhận được năng lượng từ sóng chuyển động và nó đạt tới vị trí đỉnh của sóng ở điểm cuối của những ống dẫn sóng, như vậy các electron liên tục được gia tốc. Việc hội tụ dòng electron được thực hiện bởi từ trường được tạo ra từ các nam châm điện bên ngoài ống dẫn sóng. Các electron chuyển động theo một đường thẳng.
Máy gia tốc electron tuyến tính 100 MeV tại Trung tâm Gia tốc Pohang, Hàn quốc (xem hình 2.1), có sơ đồ nguyên lý cấu tạo như trên hình (2.2).
37
Hình2.2.Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc tuyến tính 100 MeV.
QD: Cặp đôi nam châm tứ cực; BTC: Bộ phận chuyển chùm tia thành dòng; FS: Bộ hội tụ điện từ; AC: Ống gia tốc;
SC: Cuộn lái dòng; QT: Bộ ba nam châm tứ cực;
ORT: Bộ chuyển đổi bức xạ quang; BPRM: Bộ phận ghi nhận giám sát chùmtia. Các bộ phận chính của máy gia tốc bao gồm: nguồn phát electron (RF-gun), một nam châm alpha, ba cặp đôi nam châm tứ cực (quadrupole doublet), hai đoạn ống gia tốc, một bộ ba nam châm tứ cực (quadrupole triplet), một nam châm phân tích dòng (beam analyzing magnet), một nam châm điều tiêu (focusing magnet), một bộ phát sóng cao tần và cung cấp năng lượng (klytron),… Toàn bộ máy gia tốc dài 15 mét.
Máy gia tốc electron tuyến tính 100 MeV ở Pohang có thể gia tốc chùm electron tới năng lượng 100 MeV, dòng đạt 100 mA, độ rộng xung 1 4 s, tần số của xung 1015 Hz. Bán kính của chùm electron ở monitơ dòng trước bia là 20 mm.
Bia tạo quang nơtron bao gồm 10 tấm Ta có đường kính 4.9 cm, dày 7.4 cm, giữa các tấm Ta là lớp nước dày 0.15 cm. Bia Tađược bọc trong ống làm bằng Titanium.Theo các tính toán bằng phương pháp Monte-Carlo với chương trình EGS4, ở chế độ làm việc với năng lượng electron 40 MeV, dòng 40 mA, suất lượng nơtron đạt được là 21012 n.sec-1.kW-1.[31]
Cơ chế tạo chùm nơtron xung trên máy gia t như sau:Khi đi vào môi trư
bị mất năng lượng chủ bức xạ hãm. Sự phát b tốc tương tác với trườ của chúng bị thay đổi và b với các hạt nhân bia Ta
Để tạo ra trường nơtron bia Ta đư bằng nước tinh khiết, có d
đường kính 30 cm và cao 30 cm (hình Các nghiên cứu chi ti
được sinh ra ở vùng cộng hư sinh ra do cơ chế bay hơi và m
ra trực tiếp khi electron hay photon tương tác v khi không có hệ làm chậm b
nơtron đã được làm chậm b ứng làm chậm của nước (hình
cm tính từ bề mặt của bia Ta. Trong nghiên c làm chậm nơtron.Hình 5 cho bi
chậm, nơi sẽ đặt các mẫu kích ho
197
Au(n,)198Au.
38
o chùm nơtron xung trên máy gia tốc electron tuy môi trường vật chất, chùm electron năng lư
ủ yếu do hai quá trình là ion hóa do va ch phát bức xạ hãm là kết quả của việc các electron đư
ờng Coulomb của các hạt nhân bia dẫn đ
i và bị hãm lại. Các photon hãm tiếp tục tương tác Ta tạo ra chùm nơtron dạng xung. [31]
Để tạo ra trường nơtron bia Ta được đặt ở chính giữa một hệ nhiệt hóa nơtron , có dạng hình trụ được làm bằng nhôm (Al) có b
ng kính 30 cm và cao 30 cm (hình 2.3) .
u chi tiết về nguồn nơtron tạo ra trên máy gia tốc cho bi ng hưởng lưỡng cực khổng lồ bao gồm một tỉ lệ
bay hơi và một phần nhỏ các nơtron với năng lượng cao đư p khi electron hay photon tương tác với bia. Nơtron được t
m bằng nước có dạng phân bố năng lượng Maxwellian. Ph
m bằng nước dịch chuyển về vùng năng lượng th
c (hình 2.3). Để tăng số nơtron nhiệt, cần mực nư a bia Ta. Trong nghiên cứu này sử dụng cột nư ình 5 cho biết phân bố của nơtron nhiệt trên bề m
u kích hoạt được đo thông qua hoạt độ của phả
c electron tuyến tính t, chùm electron năng lượng cao sẽ là ion hóa do va chạm và phát c các electron được gia n đến quỹ đạo Các photon hãm tiếp tục tương tác
nhiệt hóa nơtron ng nhôm (Al) có bề dầy 0.5 cm,
c cho biết nơtron ệ lớn các nơtron ng cao được sinh c tạo ra từ bia Ta ng Maxwellian. Phổ ng thấp do hiệu c nước cao từ 3- 5 t nước cao 5 cm để mặt của hệ làm ản ứng hạt nhân
39
Hình 2.3.Cấu tạo của bia Ta và hệ làm chậm nơtron
Hình 2.4.Phân bố năng lượng nơtron ở bia Ta đối với làm chậm bằng nước, không làm chậm bằng nước và phân bố Maxwellian
