Nam châm phân tách năng lượng chùm tia làm việc theo nguyên lý bẻ cong quỹ đạo các hạt tích điện di chuyển qua trường điện từ.
Các hạt tĩnh điện chuyển động với vận tốc v có động năng E:
Trong đó m là khối lượng, v là vận tốc của hạt.
Khi hạt tích điện di chuyển qua trường điện từ, hạt chịu tác dụng của một lực điện từ
F q B v
(2.3) Lực này ln vng góc với hướng chuyển động của hạt, do đó chỉ thay đổi hướng chuyển động, khơng thay đổi vận tốc. Nếu hạt tích điện chuyển động trong một từ trường đồng nhất có cường độ B và có vận tốc là v thì cường độ của lực điện từ sẽ được tính bởi cơng thức sau:
F= qBv (2.4) Lực này có hướng vng góc với vận tốc v và sẽ làm thay đổi quỹ đạo của hạt. Sự thay đổi quỹ đạo này tạo ra một lực hướng tâm Fc.
Fc = (2.5) Với r là bán kính quỹ đạo bị bẻ cong của hạt
Cân bằng hai lực F, Fc thu được biểu thức :
Từ pt (2.6) , giải phương trình theo v ta thu được:
Thay v vừa thu được vào phương trình động năng ta được:
Vậy năng lượng của hạt phụ thuộc vào cường độ từ trường và bán kính bẻ cong quỹ đạo của hạt. Do vậy, khi ta thay đổi từ trường, năng lượng của hạt cũng thay đổi.
Cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) cho phép cường độ từ trường của nam châm phân tách năng lượng chùm tia được đo chính xác tới 0.5 Gauss. NMR sử dụng một đầu dò nhỏ, cố định chứa mẫu proton có tần số cộng hưởng 4257.59 Hz / Gauss. Đầu dò được đặt trong từ trường đo được và tại cộng hưởng có năng lượng rf được nối với bộ truyền sóng liên tục (cw) qua mẫu đầu dò đến bộ nhạy. Tần số truyền có thể điều chỉnh được và tín hiệu NMR được hiện thị trên gauss kế của ống tia cathode (CRT). Sự thay đổi tín hiệu của NMR từ tâm của vết CRT cho thấy sự sai khác giữa từ trường được chỉ ra từ gauss kế và từ trường chưa biết. Khi tín hiệu NMR ở tâm của vết CRT, giá trị của từ trường được hiện thị trên gauss kế.
Hình 2.8: Sơ đồ chùm tia khi đi qua khe (slit) đến beamline.
Khi các proton thoát ra khỏi nam châm phân tách, chúng sẽ đi vào ống dẫn chùm tia được hút chân không, được nối với buồng bia. Các hạt có quỹ đạo phù hợp (được xác định bởi động năng, tỉ số q/m, và từ trường) sẽ được đưa đến tâm của ống dẫn chùm tia. Trước khi đi vào buồng tán xạ, các hạt sẽ đi qua một khe dọc được tạo thành từ hai má cách điện nằm ngang. Các hạt có năng lượng cao hơn hoặc thấp hơn sẽ di chuyền về phía trong hoặc phía ngoài của gờ ống dẫn chùm tia, va chạm với má khe (hình 2.8). Vì vậy, má khe sẽ điều chỉnh độ tòe năng lượng theo độ mở của khe cỡ vài milimet. Sau đó, các hạt sẽ đi vào buồng tán xạ để va chạm trực tiếp với bia hay mẫu để phân tích.
Chương III: BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM VÀ DÙNG PHẢN ỨNG 27Al(p,y)28Si ĐỂ CHUẨN NĂNG LƯỢNG
3.1 Bia.
Bia sử dụng trong thí nghiệm là một lá nhơm mỏng có bề dày 2 µm. Bia được gắn vào một đầu của thanh giữ mẫu mà tại đó đã gắn trước một lá đồng có bề dày là 0.1 mm để làm đế. Lá nhơm có độ tinh khiết rất cao chiếm 99.9999% hàm lượng nhơm. Theo kết quả tính tốn bằng phần mềm SRIM 2013, quãng chạy của proton có năng lượng 2 MeV trong nhơm là 47.5093 µm cịn năng lượng mà nó bị mất khi đi qua lá nhơm có bề dày 2 µm là 0.0598 MeV. Như vậy, với bề dày 2 µm, có thể xem lá nhơm là đủ mỏng để tiến hành thí nghiệm và việc sử dụng lá nhôm mỏng làm bia sẽ cho phép quan sát các cộng hưởng chính xác. Lá đồng được gắn ngay sau lá nhơm nhằm mục đích chặn tồn bộ chùm proton để bảo vệ detector không bị phá hủy khi chùm proton bắn vào bia. Cả lá đồng và lá nhôm đều được đặt vng góc với hướng của chùm proton đi từ máy gia tốc. Bia được đặt trong buồng tán xạ có chân khơng ở mức xấp xỉ 10-6 mmHg. Sơ đồ bố trí thí nghiệm được trình bày trong hình 3.1.