Các bộ phận hội tụ điều chỉnh chùm tia trong hệ máy gia tốc 5SDH-2 có thể chia thành ba thành phần: phần hội tụ để điều chỉnh chùm tia năng lượng thấp (chủ yếu bằng điện trường), phần hội tụ để điều chỉnh chùm tia năng lượng cao (chủ yếu bằng từ trường). Nam châm phun (injector magnet) và nam châm chuyển kênh (switching magnet).
2.1.4.1. Phần hội tụ, điều chỉnh chùm tia năng lượng thấp
Các bộ phận thuộc phần này nằm ở trước buồng gia tốc, gồm có: Bộ phận hội tụ và gia tốc ban đầu ở nguồn RF – Thấu kính khe kép, thấu kính Einzel, bộ phận lái chùm tia trục X-Y.
2.1.4.1.1. Bộ phận hội tụ ban đầu ở nguồn RF
Bộ phận hội tụ và gia tốc ban đầu ở nguồn RF – Thấu kính khe kép là một thiết bị có chức năng gia tốc và hội tụ ban đầu chùm ion âm sau khi đi ra khỏi Extractor. Do tính năng đặc biệt này nên bộ phận hội tụ và gia tốc ban đầu của nguồn RF bao gồm hai thành phần chính:
Một thành phần tạo chênh thế (Bias) sử dụng các điện trở được bố trí so le để tạo chênh lệch điện thế dọc theo đường đi của chùm tia, mức chênh thế là 15 kV.
Một thành phần hội tụ chùm tia có nguyên tắc làm việc của thấu kính Einzel, gồm ba bản cực, một bản cực ở giữa được nối đất, hai bản cực hai bên được nối với thế - 15 kV. Giữa các bản cực được cách điện bằng gốm sứ, tạo ra hai khoảng (khe) cách điện – nên bộ phận này cịn gọi là thấu kính khe kép (double gap lens).
2.1.4.1.2. Thấu kính Einzel
Thấu kính Einzel nằm ở phần giữa của nguồn và buồng gia tốc chính, có nhiệm vụ hội tụ sơ bộ chùm tia vừa đi ra khỏi nguồn qua nam châm phun (injector magnet). Cấu tạo của thấu kính Einzel gồm nhiều bộ bản cực điện như đã đề cập ở phần thấu kính khe kép, tạo ra điện trường có tác dụng hội tụ chùm tia, theo sơ đồ sau:
Hình 2.3: Sơ đồ thấu kính Einzel
Sự thay đổi vận tốc hướng tâm của hạt khi đi qua một cặp bản cực trong thấu kính là:
(2.1) Với z là trục tọa độ đi qua tâm của thấu kính, r là khoảng cách đến trục này. Er là độ lớn điện trường theo phương hướng vào tâm phụ thuộc vào khoảng cách đến trục z là r và tọa độ theo trục z, vz là vận tốc hạt, q là điện tích của hạt.
2.1.4.1.3. Bộ phận lái chùm tia trục X-Y
Thực chất bộ phận này gồm hai bản tụ điện, tạo ra điện trường đều có tác dụng điều chỉnh hướng chùm ion khi đi qua nó. Được bố trí để điều chỉnh chùm ion theo chiều ngang (Trục X) và theo chiều dọc (Trục Y).
2.1.4.2. Phần hội tụ, điều chỉnh chùm tia năng lượng cao
Khi chùm tia đi ra khỏi buồng gia tốc có năng lượng cao, vận tốc lớn thì việc hội tụ, điều chỉnh bằng điện trường trở nên kém hiệu quả hơn, vì vậy ở vùng chùm tia năng lượng cao, người ta sử dụng các bộ phận hội tụ, điều chỉnh chùm tia sử dụng từ trường.Phần hội tụ, điều chỉnh chùm tia năng lượng cao bao gồm các bộ phận: Nam châm tứ cực – Thấu kính ghép đơi, bộ phận lái chùm tia trục Y.
2.1.4.2.1 Nam châm tứ cực – Thấu kính ghép đơi (double quadrupole lenses)
Bộ phận này gồm hai nam châm tứ cực, tạo ra từ trường theo sơ đồ như trên, khi đó chùm tia sẽ chịu lực Lorentz tác động hướng vào tâm, lực này hướng theo phương X, vì vậy cần phải có thêm một nam châm khác hướng chùm tia hội tụ theo phương Y, do đó bộ phận này bao gồm hai nam châm tứ cực xếp song song nhau, đảm bảo hội tụ chùm tia từ mọi phía hướng vào tâm.
2.1.4.2.2 Bộ phận lái chùm tia trục Y
Bộ phận lái chùm tia trục Y ở vùng chùm tia năng lượng cao khác với bộ phận lái chùm tia ở vùng chùm tia năng lượng thấp ở chỗ nó sử dụng từ trường để lái chùm tia, bộ phận này gồm hai cuộn nam châm điện tạo từ trường có thể điều chỉnh được có hướng sao cho tác dụng lực lên toàn bộ chùm tia để lái hướng chùm tia dọc theo trục Y.
2.1.4.3 Nam châm phun và nam châm chuyển kênh
Nam châm phun và nam châm chuyển kênh đều có cùng một nguyên tắc hoạt động, đó là lái chùm tia theo những góc nhất định bằng từ trường hướng từ trên xuống dưới. Nam châm phun điều chỉnh hướng chùm tia từ một trong hai nguồn RF và SNICS đi vào vùng chùm tia năng lượng thấp. Nam châm chuyển kênh điều chỉnh hướng chùm tia đi từ vùng chùm tia năng lượng cao sau buồng gia tốc ra các kênh phân tích.
2.1.5. Các kênh ra trên máy gia tốc Pelletron 5SDH-2.
2.1.5.1. Kênh phân tích bằng chùm ion
Kênh phân tích bằng chùm ion (Ion Beam Analysis, IBA) dùng cho phân tích hàm lượng, thành phần các ngun tố trong mẫu phân tích, bao gồm:
• Phân tích tán xạ ngược Rutherford (Rutherford backscattering spectrometry - RBS).
• Phân tích phản ứng hạt nhân (Nuclear reaction analysis - NRA).
• Phân tích phát xạ tia X bởi hạt tích điện cảm ứng (Particle induced X-ray emission analysis - PIXE).
• Phân tích phát xạ gamma bởi hạt tích điện (Particle Induced Gamma Emission - PIGE).
Hình 2.5: Kênh phân tích của máy gia tốc Pelletron 5SDH-2
Kênh phân tích nằm ở góc 300 so với hướng chùm tia đi ra khỏi buồng gia tốc, đi từ nam châm chuyển kênh đến cuối buồng chiếu mẫu, có các bộ phận sau:
Van cửa B1
Khe đơn, khe kép để điều chỉnh độ rộng (tiết diện chùm tia) Bộ giám sát mặt cắt chùm tia (Beam profile monitor)
Faraday Cup B1
Van cửa cách ly buồng chiếu
Buồng chiếu mẫu
2.1.5.1.1 Thiết bị xác định phân bố theo mặt cắt của chùm hạt (Beam profile monitor)
Bộ điều chỉnh mặt cắt chùm tia Model BPM-8 là thiết bị để đo phân bố cường độ cũng như vị trí của chùm hạt tích điện. Nó có thể được sử dụng với cả ion âm và dương hay với các electron.
Bộ phận này là một dây kim loại được uốn cong thành một vành, vành này xoay quanh trục giữa với tần số khoảng 19 cps để có thể qt qua tồn bộ tiết diện chùm tia ở hai phía đối diện với nhau trong mỗi vịng.
Từ việc đo dòng electron thứ cấp được giải phóng từ vành khi nó quay quét qua chùm tia và chặn một phần nhỏ chùm tia, sẽ xác định được cường độ chùm tia mỗi lúc. Các tín hiệu thu được sau đó sẽ được hiển thị trên dao động ký.
2.1.5.1.2 Buồng chiếu mẫu
Là một trong những bộ phận chính của hệ máy gia tốc 5SDH-2, đáp ứng yêu cầu của các phép phân tích RBS, NRA, PIXE, Channeling, buồng chiếu mẫu là phức hợp của các bộ phận chân không, các detector, camera thay mẫu, giá đặt mẫu, các mô tơ điều chỉnh vị trí của mẫu.
2.1.5.2 Kênh cấy ghép ion
Kênh cấy ghép ion (Ion Implantation) chủ yếu dùng cho nghiên cứu khoa học vật liệu. Kênh cấy ghép nằm ở góc 300 độ so với hướng chùm tia đi ra khỏi buồng gia tốc, phần quan trọng nhất của kênh cấy ghép là phần điều chỉnh, quét chùm tia, đi từ nam châm chuyển kênh đến cuối buồng cấy ghép, có các bộ phận sau:
Van cửa A1
Bộ điều chỉnh mặt cắt chùm tia (Beam profile monitor)
Khe đơn- Bộ điều chỉnh năng lượng
Faraday Cup A1
Các bộ phận quét chùm tia: Máy quét dòng,
Bộ phận bẫy phần tử trung hòa, làm lệch chùm tia.
Van cách ly buồng cấy ghép
Một bộ phận đáng chú ý trong kênh cấy ghép là các bộ phận quét chùm tia, trong đó có máy qt dịng. Máy qt dòng điện từ - Model ERS-7 là một bộ gồm bốn bản lái hướng trong khoang kín có chân khơng cao, được sử dụng để làm lệch hướng và điều chỉnh hình dạng mặt cắt của một chùm ion bằng điện thế thích hợp cấp cho bốn bản lái hướng này.
Hình 2.6: Kênh cấy ghép ion máy gia tốc Pelletron 5SDH-2.
2.2. Nguyên lý hoạt động của máy gia tốc Pelletron 5SDH-2
Nguyên lý hoạt động: Nguồn ion tạo ra chùm proton được gia tốc tới một
năng lượng thấp bằng một nguồn điện áp cao bổ trợ. Chùm ion này đi qua một vùng chứa một chất khí ở áp suất thấp, ở đây một số proton được chuyển thành ion âm bằng cách nhận thêm electron. Chùm tia đi vào vùng năng lượng thấp của máy gia tốc, các ion âm bị hút bởi điện tích dương ở hiệu điện thế lớn (TV) do đó chúng được gia tốc. Ở điểm giữa buồng gia tốc, các ion âm đi vào một thiết bị gọi là “stripper” (bộ tước) ở đó chúng được “tước bỏ” 2 hoặc nhiều electron và biến thành các ion dương. Khi các ion dương này đi ra khỏi bộ tước và trôi về tầng gia tốc thứ
hai của buồng gia tốc (vùng năng lượng cao) thì được cao thế dương ở điểm giữa tác động lực đẩy vào và do đó được gia tốc một lần nữa.
Hình 2.7: Sơ đồ cấu tạo của máy gia tốc Pelletron 5SDH-2.
Cấu trúc gia tốc kép này cho phép tăng gấp đôi năng lượng của các ion đơn lẻ mà đã được gia tốc ở tầng gia tốc thứ nhất, với cùng một điện thế đỉnh (TV), các ion sẽ mang điện tích +n và năng lượng cuối cùng (n+1)*e*V, với e là điện tích electron, V là điện thế đỉnh.
Khi các ion này đi ra khỏi ống gia tốc, chúng đi qua thấu kính tứ cực từ, thấu kính này các tác dụng hội tụ chùm tia có đường kính nhỏ (1cm hoặc nhỏ hơn). Sau đó các ion này đi vào bộ nam châm phân tích năng lượng hay switching. Bộ phận này điều khiển tách chúng thành các chùm tia có quĩ đạo khác nhau sử dụng trong thí nghiệm.
2.3. Cơ sở vật lý của máy gia tốc Pelletron 5SDH-2.
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, không 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 dị 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 ngồi của gờ ống dẫn chùm tia, va chạm với má khe (hình 2.8). Vì vậy, má khe sẽ điều chỉnh độ tịe 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 nhôm 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 nhôm 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 nhôm 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 vuông góc với hướng của chùm proton đi từ máy gia tốc. Bia được đặt trong buồng tán xạ có chân không ở mức xấp xỉ 10-6 mmHg. Sơ đồ bố trí thí nghiệm được trình bày trong hình 3.1.
3.2 Hệ phổ kế gamma và thu nhận dữ liệu.
3.2.1 Hệ phổ kế gamma.
Để ghi nhận bức xạ gamma phát ra trong phản ứng của chùm proton từ máy gia tốc với bia nhôm, cần sử dụng phổ kế gamma bao gồm detector và các khối điện tử cần thiết.
Lượng tử gamma được phát ra do phân rã hạt nhân mang năng lượng đặc trưng cho hạt nhân. Có thể ghi nhận chúng bằng các loại đetector thích hợp thông qua tương tác của chúng với vật liệu đetectơ.
Quá trình ghi nhận bức xạ gamma ở vùng năng lượng nhỏ hơn 3 MeV bằng các detector được thực hiện thông qua ba hiệu ứng tương tác chính của gamma với vật liệu dùng để chế tạo detector. Đó là các hiệu ứng: hấp thụ quang điện, tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp.
Trong hiệu ứng quang điện, lượng tử gamma tương tác với electron quỹ đạo của nguyên tử, lượng tử gamma biến mất và năng lượng gamma sẽ truyền toàn bộ năng lượng cho electron quỹ đạo đó để nó bay ra khỏi nguyên tử. Electron này gọi là quang electron. Quang electron nhận được động năng bằng hiệu số giữa năng lượng gamma và năng lượng liên kết của electron trên lớp vỏ trước khi bị bứt ra. Do đó năng lượng của lượng tử gamma vào ít nhất phải bằng năng lượng liên kết của elelectron thì hiệu ứng quang điện mới xảy ra. Hiệu ứng quang điện khơng xảy ra đối với electron tự do vì khơng đảm bảo quy luật bảo năng lượng và động lượng.
Trong hiệu ứng tán xạ Compton, năng lượng của lượng tử gamma lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết của các electron lớp K trong nguyên tử và khi đó, hiệu ứng quang điện khơng cịn đáng kể nữa. Khi đó có thể bỏ qua năng lượng liên kết của electron so với năng lượng gamma và tán xạ gamma lên electron có thể coi như tán xạ với electron tự do. Tán xạ này gọi là tán xạ Compton, là tán xạ đàn hồi