Chương 2 MÁY GIA TỐC PRIMUS – SIEMENS DÙNG TRONG XẠ TRỊ
2.2.1.Nguyên lý gia tốc thẳng
Máy gia tốc tuyến tính là loại máy mà hạt tích điện được gia tốc nhờ điện trường một chiều hoặc xoay chiều có điện thế cao và quỹ đạo hạt là đường thẳng khi chuyển động trong điện trường.
Năm 1932, Walt và Cokraft đã thành công trong việc biến đổi hạt nhân bền thành hạt nhân phóng xạ bằng phản ứng hạt nhân với photon. Để gia tốc electron đạt đến năng lượng cần thiết, hai ông dùng phương pháp gia tốc điện trường bằng một sơ đồ nối tiếp các tụ điện để tạo ra điện thế cao từ 600 000 Volt đến 800 000 Volt và đưa điện áp đó vào trong chân không. Nhưng sử dụng điện trường một chiều chỉ gia tốc 2 đến 3 MeV không thể giải quyết được những vấn đề liên quan đến hạt nhân nguyên tử. Lawriton và Sloan đã giải quyết vấn đề bằng cách thay đổi việc sử dụng điện trường một chiều bằng điện trường xoay chiều. Lúc đầu người ta nghi ngờ về khả năng điện trường xoay chiều có thể gia tốc được các hạt hay không? Vì là điện trường xoay chiều nên hướng của điện trường thay đổi theo chu kỳ. Khi hướng của nó trùng với hướng chuyển động của hạt thì hạt được gia tốc. Nhưng khi điện trường có hướng ngược lại thì hạt sẽ bị giảm tốc. Nếu thời gian hạt được gia tốc bằng thời gian hạt bị hãm thì quá trình này có thể nhận được một năng lượng đáng kể không? Chính vì lý do đó mà thời gian đầu người ta đã nghĩ đến việc tạo ra các điện trường một chiều để tránh sự thay đổi chiều của lực điện trường theo chu kỳ [2].
Do hạn chế về mặt năng lượng nên gia tốc electron nhờ điện trường một chiều trong máy gia tốc xạ trị ít được sử dụng. Để thu được chùm electron với năng lượng cao người ta đã sử dụng phương pháp gia tốc hạt trong điện trường xoay chiều. Sơ đồ gia tốc electron trong điện trường xoay chiều có dạng như Hình 2.2a và Hình 2.2b:
Hình 2.2a: Sắp xếp các ống tạo sự gia tốc
Hình 2.2 b: Sắp xếp các ống tạo sự gia tốc
Giả thiết giữa các cực A và B được tạo ra một điện trường xoay chiều (Hình 2.2a).
Ta đặt vào giữa các cực này một loạt ống hình trụ được ký hiệu C1, C2, C3, C4,và C5. Ống C1, C3, C5 được nối với điện cực B còn C2, C4 nối với cực A. Từ Hình vẽ 2.2a nhận thấy hiệu điện thế giữa A và C1 bằng hiệu điện thế giữa C2 và C3 và bằng hiệu điện thế giữa C4 và C5. Tương tự điện thế giữa C1 và C2 bằng điện thế giữa C3 và C4.
Giả sử tại thời điểm nào đó thế tại A âm còn ở B dương khi đó điện trường hướng từ C1 sang A, còn tại đầu giữa C1 và C2 điện trường hướng từ C1 sang C2. Giả sử tại thời điểm này electron chuyển động từ A sang C1, electron sẽ được gia tốc động năng thu được là eU. Chọn chiều dài ống C1 là l1
thích hợp để electron đi trong ống C1 mất ½ chu kỳ thì đến đầu kia của C1, điện trường tại hai đầu C1 và C2 đổi chiều khi đó electron chuyển từ C1 đến C2 được gia tốc và động năng tăng thêm eU. Như vậy khi chuyển động trong ống C2 động năng của electron là 2 eU. Cứ như vậy electron khi đi trong ống C5 có động năng 5 eU. Nếu ta không chỉ sử dụng 5 ống mà nhiều hơn và độ dài ống được
lựa chọn sao cho mỗi lần điện trường thay đổi dấu trong khi hạt chuyển động trong ống thì hạt sẽ được gia tốc mỗi lần đi từ ống này sang ống kia [2].
Để thực hiện việc gia tốc hạt là đồng bộ khi chuyển động trong các ống thì thời gian chúng chuyển động trong mỗi ống phải bằng nhau. Điều đó đòi hỏi chiều dài các ống phải tăng dần. Thời gian hạt được gia tốc đi trong các ống được tính theo công thức sau:
3 3 2 2 1 1 v l v l v l t (2.1)
Trong đó l1, l2, l3… và v1, v2, v3… là độ dài và vận tốc của hạt chuyển động trong các ống tương ứng.
Mặt khác giữa thế gia tốc và động năng của electron liên hệ với nhau theo công thức: mv eU 2 2