Báo cáo Microtron

MICROTRONGV: Đặng Thúy HằngSV: Nguyễn Mai Chi Nguyễn Hồng Lam Phạm Thị Ngọc Lê Thùy TrangNội dung báo cáo I- Giới thiệu chung về máy gia tốc 1, Định nghĩa và nguyên lí gia tốc hạt 2, Phân loại 3, Ứng dụngII- Microtron 1, Cấu tạo 2, Nguyên lí hoạt động 3, Ứng dụng máy MicrotronIII- Giới thiệu về Racetrack Microtron (RMT)IV- So sánh 1 số máy gia tốc vòngV- So sánh máy Microtron với máy gia tốc thẳng (linac)I- Giới thiệu chung1, Định nghĩa và nguyên lý gia tốc hạt Định nghĩa: Thiết bị dùng điện trường hay cả điện trường và từ trường để tăng tốc các hạt tích điện được gọi là máy gia tốc hạt.Nguyên lí gia tốc hạt: các hạt tĩnh điện cần được gia tốc được đưa vào máy gia tốc. Dưới tác động của điện trường, từ trường chúng chuẩn trực vào 1 tia và chuyển động theo quỹ đạo xác định trong chân không cho tới khi đạt được động năng cần thiết. Khi đó chùm tia được tách khỏi máy gia tốc hoặc sử dụng để bắn phá mục tiêu tạo hiệu quả mong muốn.2, Phân loạiMáy gia tốc thẳng: là loại máy gia tốc cổ: cho chùm hạt mang điện đi qua dãy nối tiếp các miền trong đó có điện trường, các hạt mang điện sẽ được tăng tốc nhờ điện trường và các hạt mang điện có thể có năng lượng khoảng vài trăm MeV.Máy gia tốc vòng: là máy gia tốc trong đó các hạt chuyển động theo đường vòng. Để buộc các hạt chuyển động theo đường vòng, người ta dùng từ trường của các nam châm có dạng thích hợp để uốn cong quỹ đạo của hạt. Và dùng điện trường để tăng tốc hạt. Một số máy gia tốc vòng: Betatron, Cyclotron, Microtron, Synchrotron.I- Giới thiệu chung3, Ứng dụng các máy gia tốcII- Microtron1, Cấu tạoII- Microtron1, Cấu tạo:Buồng gia tốc:Có dạng hình trong chân không cao (~3x10^-6 torr) được nối với nam châm điện để tạo từ trường. Các cực nam châm có dạng phẳng tạo nên buồng gia tốc.Kích thước nam châm và cường độ của từ trường phụ thuộc vào năng lượng chùm điện tử cần gia tốc.Từ trường trong Microtron thường khoảng 2-3 KOestese.Yêu cầu về độ đồng nhất của từ trường phụ thuộc vào số quỹ đạo của hạt: Trong đó: B là từ trường trong máy N là số quỹ đạoCần tăng độ đồng nhất của từ trường đối với máy gia tốc có số quỹ đạo lớn.II- Microtron1, Cấu tạo:Hộp cộng hưởng:Là bộ phận rất cơ bản của Microtron, các điện tử được phát ra và đưa vào gia tốc sau đó lại hội tụ tăng thêm năng lượng đều thông qua hộp cộng hưởng.Thường được chế tạo bằng đồng nguyên chất, hoạt động của hộp cộng hưởng đòi hỏi điều kiện chân không cao (~2x10^-6 mmHg).Nguồn phát xạ electron:II- Microtron1, Cấu tạo: II- Microtron1, Cấu tạo:Nguồn phát xạ cao tần:Hệ siêu cao tần của Microtron bao gồm nguồn phát sóng, ống dẫn sóng và hộp cộng hưởng.Hầu hết các hệ sóng cao tần (RF) trong Microtron có bước sóng 10 cm. Thường dùng đèn magnetron công suất lớn cỡ vài MW làm nguồn phát cao tần. Hệ số có ích của magnetron lớn hơn klystron và có thể làm việc ở thế anode thấp. Microtron làm việc theo chế độ xung với độ dài xung từ 1-5µs.Ống dẫn sóng: có chức năng truyền đi với hiệu suất lớn và ổn định sóng cao tần từ nguồn phát cao tần và hộp cộng hưởng nơi mà các điện tử được gia tốc. Bơm chân không: bơm hút chân không cho máy gia tốcKênh ra: kênh ra của chùm hạt sau khi được gia tốc.II- Microtron2, Nguyên lí hoạt độngTrong Microtron các hạt được gia tốc chuyển động trong từ trường không đổi và đồng nhất, việc gia tốc hạt diễn ra dưới tác dụng của điện trường biến thiên có tần số không đổi. Máy Microtron là máy gia tốc hạt tương đối tính theo nguyên lí đồng pha tự động, chỉ phù hợp với các hạt nhẹ như e và p.Hạt chuyển động theo quỹ đạo trong có 1 tiếp điểm chung.Tại tiếp điểm người ta đặt một hộp cộng hưởng mà điện trường siêu cao tần gia tốc các điện từ. Hộp cộng hưởng được kích thích bằng 1 nguồn dao động siêu cao tần công suất lớn là đèn magnetron xung công suất hàng trăm kW.Mỗi lần đi qua hộp cộng hưởng các điện tử nhận được 1 năng lượng xác định ∆E và sau đó bắt đầu chuyển động sang quỹ đạo tiếp theo. Khi điện tử đạt đến quỹ đạo cuối cùng chúng được đưa ra khỏi buồng gia tốc qua 1 kênh từ (kênh ra).Sự đồng bộ trong chuyển động của điện tử và sự thay đổi của điện trường gia tốc siêu cao tần dựa trên sự thay đổi chu kỳ vòng quay sau mỗi quỹ đạo một số nguyên của chu kỳ dao động siêu cao.II- Microtron II- Microtron II- MicrotronMột số máy gia tốc MicrotronMột số đặc trưng của 1 số máy gia tốc Microtron trong xạ trị y tếĐặc tínhMicrotron M22Microtron M10Microtron M20Số quỹ đạo 221020Năng lượng e lớn nhất ở đầu ra221020Từ trường, T0,20,20,2Đường kính nam châm, m1,270,650,96Nguồn xung RF, MW1,62,52,5Tần số RF, GHz2,82,82,8Chiều rộng xung, µs333Năng lượng cho điều trị ung thư, MeV8,12,15,18,20,222,4,6,8,106,9,12,15,18,20Một số đặc trưng của 1 số máy gia tốc Microtron trong xạ trị y tếĐặc tínhMicrotron M22Microtron M10Microtron M22Liều lượng thuốc lớn nhất, Gy/sElectronsPhotons 0,0830,050,0830,050,0830,05Năng lượng photon lớn nhất, MV208 hoặc 1015,18 hoặc 20Kích thước lớn nhất của vùng mà chùm tia đi qua, cm^2ElectronsPhotons 20x2030x3020x2030x3020x2030x30Nguồn AC, kW261520Lượng nước làm mát, l/phút201520Máy tính điều khiểnKhôngCó Có II- Microtron3, Ứng dụng Microtron- Vật lý hạt nhân- Máy bơm cho vòng lưu trữ và synchrotron - Ứng dụng y tế (xạ trị) - Ứng dụng công nghiệp (ví dụ như chụp X quang và bức xạ điều trị).III- Giới thiệu Racetrack Microtron (RMT)Vì máy Microtron dạng vòng tròn cho năng lượng điện tử khoảng vài chục MeV, có kích thước lớn và nặng do cường độ trường cyclotron thấp. Mặt khác số quỹ đạo bị hạn chế bới sự không đồng nhất của từ trường.Để khắc phục các hạn chế này người ta chế tạo máy RMT có thể gia tốc hạt lên tới hàng trăm MeV.Máy RMT bao gồm 2 nam châm tạo từ trường đồng nhất và một máy gia tốc thẳng đặt tại phần thẳng giữa 2 cực có khả năng nhận năng lượng gia tốc lớn hơn trong Microtron vòng.Các nam châm uốn dòng 180ᵒ đặt đối diện nhau và cách nhau một khoảng cách lớn so với kích thước của chúng.Các e được đưa vào linac từ một súng bắn e, đôi khi từ 1 máy gia tốc sơ cấp khác.Các e sau khi đi qua linac lần thứ nhất được thay thế bởi hệ thống nam châm và sau đó phản xạ ngược trong linac bằng tứ cực chính.III- Giới thiệu Racetrack Microtron (RMT) III- Giới thiệu Racetrack Microtron (RMT)Clip III- Giới thiệu Racetrack Microtron (RMT)Một số máy RMTIII- Giới thiệu Racetrack Microtron (RTM)Ứng dụng RTM- Máy bơm vòng lưu trữ và synchrotron- Vật lý hạt nhân.- Ứng dụng công nghiệp, ví dụ chụp X quang và điều trị bức xạ electron.- Ứng dụng y tế: xạ trị, nơi năng lượng cao và chất lượng chùm tốtđược sử dụng cho kỹ thuật chùm quét tia. Các năng lượng cao có sẵn cũng sản xuất các chất đồng vị sống ngắn từ phản ứng quang hạt nhân.- Ứng dụng trong giải phóng điện tử laser.IV- So sánh betatron, cyclotron, microtron, synchrotronTiêu chí so sánhCyclotronBetatronMicrotronSynchrotronNguyên lí gia tốc hạt Gia tốc hạt bằng điện trường tần số cao (RF) không đổi trong một từ trường đồng nhất. Các hạt xoay trôn ốc theo sự điều khiển của từ trường.Gia tốc hạt bằng lực điện động cảm ứng: gia tốc hạt cần có từ trường có từ thông biến thiên (trường gia tốc). Gia tốc hạt tương đối tính theo nguyên lí đồng pha tự động-Ban đầu được gia tốc bằng từ thông biến thiên -Khi năng lượng đạt 1MeV thì gia tốc bằng điện trường xoay chiềuCác loại hạt được gia tốcCác hạt proton và các ion nặngCác hạt nhẹ là các điện tửCác hạt nhẹ electron và positonCác protonQuỹ đạo chuyểnđộng của hạtQuỹ đạo tròn, mỗi chu kì gồm 2 vòng quayQuỹ đạo tròn có bán kính không đổiQuỹ đạo tròn có 1 tiếp điểm chungQuỹ đạo tròn cố địnhIV- So sánh betatron, cyclotron, microtron, synchrotronTiêu chí so sánhCyclotronBetatronMicrotronSynchrotronNăng lượng các photonNăng lượng cao nhất khoảng 600MeVNăng lượng phụ thuộc giá trị tuyệt đối của từ thông trên quỹ đạo chuyển động và thời gian quay 1 quỹ đạo. Năng lượng giới hạn khoảng 500MeVNăng lượng phụ thuộc vào số quỹ đạo và cường độ từ trường. Năng lượng giới hạn khoảng từ 8 đến 20MeV Năng lượng lớn hơn rất nhiều, có thể tới vài GeV và cao hơnLoại nam châm sử dụngNam châm hội tụ quạt và nam châm truyền thốngNam châm có dạng đặc biệtNam châm điện có kích thước phụ thuộc năng lượng chùm tia cần gia tốcDạng hình nhẫn, tạo ra từ trường gia tốc ban đầu, và điều khiển chuyển động quỹ đạo tròn Hạn chếCác hạt không thể đi qua khe gia tốc đúng thời điểm cần thiết Cần một trường điều khiển có dạng đặc biệt do để giữ cho hạt chuyển động theo quỹ đạo tròn có bán kính xác định.Có kích thước lớn và nặng do cường độ trường cyclotron thấp. Ngoài ra số quỹ đạo bị hạn chế bởi sự không đồng nhất của từ trường.Chu trình hoạt động phức tạp, thông lượng dòng trung bình thấp V- So sánh Microtron và Linac4 MeV Microtron4 MeV LinacV- So sánh Microtron và Linac4 MeV Microtron4 MeV LinacCác e di chuyển dưới từ trường đồng nhất và được tăng tốc khi đi qua khoang. Các e được bó trước bới khoang tụ nhóm cho phù hợp với giai đoạn tăng tốc trong khoang.Các e được lấy ra bởi các kênh lá chắn từ trường sau khi đạt được năng lượng cần thiết.Các e được gia tốc khi đi qua tế bào gia tốc tuyến tính.Năng lượng điện tử được xác định bởi hình dạng giữa điểm gia tốc, kênh chọn lọc và từ trườngCác e được chọn lọc thông qua các lỗ thoát, năng lượng điện tử được xác định bởi công suất RFCác e năng lượng thấp không được chọnCác e năng lượng thấp cũng được gia tốcChênh lệch năng lượng nhỏ hơn 2%Chênh lệch năng lượng lớn hơn 4%