Vỏ tích điện cuối
cao thế Hệ thống tạo điện áp cao
của máy gia tốc 5SDH-2 Dây xích tích điện: hạt kim
loại, khớp cách điện nylon
Dịng tích điện
Buồng gia tốc 5SDH-2 Pelletron là loại buồng gia tốc tĩnh điện 1.7 triệu Volt, có khả năng gia tốc nhiều loại ion khác nhau trong một khoảng năng lượng rộng và sự điều chỉnh năng lượng gia tốc gần như liên tục. Hình ảnh, cấu tạo và nguyên tắc tạo cao thế được cho trong Hình 2.4 và Hình 2.5 [23]. Các ion gia tốc sẽ được sử dụng cho các hệ phân tích tán xạ ngược Rutherford (RBS), PIXE, NRA, cho cấy ghép ion và các thí nghiệm vật lý hạt nhân khác.
Buồng gia tốc chính bao gồm : Vỏ hình trụ tích điện để tạo cao thế, các điện cực, puli (pulley), dây xích vận chuyển điện tích, các điện cực cảm ứng, hệ thống truyền dẫn, khí SF6, hệ chân khơng, ống gia tốc, hệ thống bóc tách electron (stripping system), hệ thống nạp điện, vôn kế phát, các cột điện trở phân thế...
Khi chùm ion âm được tạo ra, chúng sẽ đi vào buồng gia tốc từ vùng năng lượng thấp của máy gia tốc, các ion âm bị hút bởi điện áp dương lớn ở trung tâm máy, nơi có điện thế cao nhất, do đó chúng được gia tốc. Đây là gia tốc lần thứ nhất.
Khi đến điểm trung tâm của buồng gia tốc, các ion âm đi qua một thiết bị gọi là “bộ bóc tách electron” và trở thành ion dương. Thực tế bộ bóc tách này là một lá kim loại rất mỏng, hoặc một buồng chứa khí Ni-tơ ở áp suất thấp (10-7 torr), khi đó các ion âm va chạm với các nguyên tử của lá kim loại, hoặc nguyên tử khí Ni-tơ nên sẽ mất đi một hoặc nhiều electron để trở thành ion dương 1, dương 2 hoặc dương 3. Do lá kim loại rất mỏng, hoặc lớp khí Ni-tơ rất lỗng, đồng thời động năng ban đầu của các ion lại rất lớn so với năng lượng của cơng thốt electron, do đó sự va đập này không bị mất nhiều năng lượng của các ion, và quĩ đạo của chúng cũng gần như không thay đổi. Cuối cùng các ion dương này đi vào tầng gia tốc thứ hai của buồng gia tốc, lúc này cao thế dương ở tâm đóng vai trị lực đẩy và do đó các ion này được
gia tốc thêm một lần nữa. Năng lượng thu được trong giai đoạn này phụ thuộc vào trạng thái điện tích của ion.
Chính giữa trục của buồng gia tốc có ống gia tốc tạo ra môi trường chân không cao ở bên trong và cách ly với bên ngoài, để cho các ion được gia tốc ở bên trong. Điện trường chạy dọc theo ống, từ nơi có điện thế cao nhất ở giữa đến nơi có điện thế thấp nhất (nối đất) ở đầu ống. Ống gia tốc được ghép từ các phần khác nhau, mỗi phần được làm từ các miếng thép khơng gỉ hình đĩa có lỗ thủng ở giữa (nơi chùm ion đi qua), xen kẽ nhau với các vành gốm cách điện, được liên kết chặt với nhau bằng một công đoạn đặc biệt. Mỗi phần của ống gia tốc có thể chịu được điện thế cao và có thể duy trì chân khơng trong ống ở mức dưới 5.10-8 Torr.
Ngồi ra, các chi tiết hình đĩa có lỗ ở giữa làm bằng thép không rỉ được gắn trên ống gia tốc, cách nhau một khoảng là 12,7mm, còn được gọi là “spark gaps”. Trên các “spark gaps” này là các điện trở 555MΩ (sai số 5%) được dùng để tuyến tính hóa sự phân bố điện thế giữa thế đỉnh ở giữa và thế nối đất và tạo ra điện trường chạy dọc theo ống để gia tốc các ion. Điện trở có giá trị sao cho dịng đi qua nó (column current) là 45 µA ở thế đỉnh gần đạt mức tối đa (1.7 MV). Đĩa cuối được dùng để đo dòng này. Các “gap” tạo ra đường sức điện trường có cấu trúc vừa để gia tốc ion, vừa để hội tụ các ion vào tâm, tránh cho các ion không đập vào thành ống gây thất thốt ion.
2.1.3. Hệ chân khơng
Hệ thống chân không gồm bơm turbo, bơm sơ cấp, bộ điều khiển, hệ thống đo và kiểm sốt chân khơng. Các bơm turbo đi kèm với sơ cấp (bơm dầu) cùng các bộ điều khiển, đo đạc được bố trí ở nguồn ion RF, ở vùng năng lượng thấp của chùm ion, ở vùng năng lượng cao của chùm ion, ở buồng phân tích và buồng cấy ghép ion.
Bộ điều khiển bơm turbo có khóa an tồn tự động (interlock) có tác dụng bảo vệ cho bơm turbo khi mất điện đột suất, để tránh khí bên ngồi tràn vào bơm turbo khi bơm đang quay ở tốc độ rất cao (gần 1000 vòng /giây). Chế độ interlock là chế độ khi mất điện bất ngờ, các van phía trước và sau bơm turbo sẽ tự động đóng lại, năng lượng để đóng các van này là từ khí nén, nên ln phải có bình khí nén dự trữ. Khi đó khí từ ngồi sẽ khơng tràn vào bơm turbo để làm hỏng các cánh bơm đang quay với vận tốc lớn, các cánh bơm này sẽ bị cong vênh hoặc gãy nếu bị dịng khí đập vào ở vận tốc lớn. Đây là cơ chế interlock được vận hành một cách tự động và an toàn. Khi tắt bơm turbo, các van cửa và van xả (trước và sau bơm turbo) phải được đóng trước để bảo tồn ngun vẹn chân khơng, và khi tắt điện, bơm sẽ quay theo quán tính trong chân khơng trong vịng 40 phút mới dừng hẳn. Nếu muốn bơm dừng nhanh hơn, ta phải xả khí vào ít một theo đường ven khí an tồn. Thơng thường khi làm việc, hệ thống ở trạng thái interlock để an tồn, tuy nhiên ta cũng có thể điều khiển đóng ngắt các van bằng tay khi chuyển sang chế độ bypass. Muốn làm các thao tác này, người vận hành phải có hiểu biết các qui định an toàn của bơm turbo và trạng thái bơm đang hoạt động để thao tác đúng, đảm bảo an toàn cho bơm. Nếu ở chế độ này, thao tác sai sẽ dẫn đến hỏng bơm ngay lập tức. Trên bảng điều khiển, các đèn LET xanh đỏ thể hiện trạng thái của hệ thống, người vận hành phải căn cứ vào đó để vận hành đúng. Các trạng thái của hệ thống bơm chân không, cũng như trạng thái chân không do các sensor chân khơng tại vị trí này được truyền dẫn qua dây dẫn đến màn hình của máy tính điều khiển hệ thống, cung cấp cho người điều khiển biết các thông tin từ xa.
b. Bộ điều khiển chân khơng ở buồng phân tích IBA, cấy ghép ion
Bộ điều khiển và kiểm sốt chân khơng ở buồng phân tích và buồng cấy ghép ion cũng được tự động hóa để ngăn ngừa các tai nạn về chân khơng
có thể xảy ra do lỗi của người vận hành và sự cố về nguồn điện. Bộ phận điều khiển sử dụng rơle logic để định vị vị trí đóng mở của 6 van ở buồng phân tích và cấy ghép. Các sensor đo chân khơng gửi tín hiệu vào từ 6 điểm trên đến bộ điều khiển. Tín hiệu vào này và các vị trí của các chốt chuyển (Switch) sẽ quyết định van nào được đóng, van nào được mở. Các vị trí của van và trạng thái chân không được hiển thị rõ ràng bởi hệ thống các LED được bố trí chặt chẽ trên bảng điều khiển của hệ.
Hệ điều khiển và kiểm sốt chân khơng tại các buồng mẫu này có chức năng như một thiết bị khóa an tồn. Nó sẽ khóa an tồn các vị trí của van và các trạng thái chân không để ngăn ngừa hư hại đến hệ chân không, đặc biệt là đến bơm turbo. Bộ phận điều khiển tự động giúp người vận hành khơng phải suy tính về các phương án an toàn, và người điều khiển cũng dễ dàng làm quen với việc điều khiển hệ chân không với việc điều khiển thông qua hệ thống sơ đồ trên mặt giao diện của bộ phận điều khiển chân không tại các buồng mẫu. Mặc dù hầu hết các tính năng bảo vệ đều được bộ phận điều khiển đảm nhận, nhưng người vận hành vẫn cần phải có hiểu biết và những chú ý an tồn khi vận hành hệ thống chân khơng này để đảm bảo an toàn.
2.1.4. Bộ hội tụ điều chỉnh và lái chùm tia
Bộ phận này giúp chùm tia ion hội tụ để tránh thất thoát ion, lái đi đúng hướng và điều chỉnh chùm tia theo đúng mục đích sử dụng. Hệ thống này gồm thấu kính tĩnh điện Einzel (electrostatic einzel lens), thấu kính từ (focusing magnet), các hệ lái tia bằng điện, bằng từ (beam steerer), bộ kiểm sốt kích thước chùm tia (Slit), kiểm tra cường độ chùm tia (Faraday cup). Các nam châm tứ cực từ kép (magnetic quadrupole doublet), nam châm lái tia ban đầu (injector magnet) và nam châm phân kênh (switching magnet).
2.1.4.1. Phần hội tụ điều chỉnh chùm tia năng lƣợng thấp
Các bộ phận thuộc này nằm ở trước buồng gia tốc, gồm có: Bộ phận hội tụ (FOC) và gia tốc ban đầu (BIAS) ở nguồn RF, thấu kính Einzel, bộ phận lái chùm tia bằng tĩnh điện theo trục X-Y.
Bộ hội tụ và gia tốc ban đầu ở nguồn RF
Bộ hội tụ ban đầu là một thấu kính khe kép (FOC) có chức năng hội tụ chùm ion âm sau khi đi ra khỏi Extractor. Bộ gia tốc ban đầu (BIAS) có thế gia tốc đến vài chục kV để gia tốc 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 hiệu 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 (FOC) 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) và kí hiệu là FOC.
Thấu kính tĩnh điện Einzel
Thấu kính tĩnh điện Einzel nằm ở phần giữa của nguồn ion và buồng gia tốc chính, có nhiệm vụ hội tụ chùm tia vừa đi ra khỏi nguồn ion và qua nam châm phun (injector magnet). Cấu tạo của thấu kính Einzel gồm một bộ ba bản điện cực như đã đề cập ở phần thấu kính khe kép, tạo ra điện trường có tác dụng hội tụ chùm tia, theo sơ đồ như Hình 2.6.