Đang tải... (xem toàn văn)
Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của một số máy gia tốc hạt phần 3
Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của một số máy gia tốc hạt (tiếp theo) III. Máy gia tốc Cyclotron IV. Máy gia tốc Betatron V. Máy gia tốc Synchrotron III. Máy gia tốc Cyclotron − Máy gia tốc cyclotron đầu tiên được E. Lawrence thiết kế thành công vào năm 1929. − Để khắc phục nhược điểm cần quá nhiều điện cực trong máy gia tốc linac, Lawrence đã hạn chế số cực chỉ còn hai và đưa vào một từ trường trong cyclotron. − Cũng giống như linac, cyclotron sử dụng quá trình gia tốc nhiều lần bằng điện trường xoay chiều tần số cao.Trong cyclotron các hạt được gia tốc nhờ điện trường tần số cao (RF) không đổi trong một từ trường đồng nhất. − Các hạt chuyển động theo quỹ đạo xoáy trôn ốc theo sự điều khiển của từ trường. − Các ion xuất phát từ tâm của từ trường nằm giữa 2 điện cực có dạng nửa hình tròn được gọi là "Dee - hình chữ D". − Các hạt chuyển động xoáy trôn ốc với bán kính lớn dần, nó được gia tốc mỗi khi đi qua khe giữa hai nửa hình chữ D. Nguyên lý chung: − Quãng đường đi được trong 1 chu kỳ tăng dần cùng với vận tốc hạt để đảm bảo sự phù hợp về pha với sóng cao tần. Thời gian hạt hoàn thành 1 quỹ đạo là không đổi. − Khi hạt chuyển động hết một chu kỳ pha của điện áp xoay chiều thay đổi 180 0 . − Các Dee được đặt trong buồng chân không cao, cả buồng đặt giữa hai cực của một nam châm đồng nhất. − Các Ion được được đưa vào tâm buồng, trong khe giữa hai Dee. − Bằng cách chọn tần số phù hợp của điện áp xoay chiều, đảm bảo khi các ion đi từ Dee này sang Dee khác có sự đổi dấu của điện thế giữa các Dee sao cho các ion được gia tốc. − Sau khi gia tốc các hạt được tách ra khỏi buồng gia tốc bằng bộ làm lệch (deflector), sau đó tiếp tục được dẫn ra các kênh bằng hệ thống các nam châm uốn cong, hội tụ…. − Ở năng lượng cao hơn, do hiệu ứng tương đối tính khối lượng của hạt tăng theo vận tốc, dẫn đến việc khả năng tăng tốc độ hạt nhỏ dần. Các hạt không thể đi qua khe gia tốc ở đúng thời điểm cần thiết. Kết quả là không đồng bộ được với điện trường gia tốc, tức là điều kiện cộng hưởng bị phá vỡ. Đây chính là hạn chế của Cyclotron về mặt năng lượng. − Máy gia tốc Cyclotron chủ yếu để gia tốc proton và các ion nặng. Hình 1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy gia tốc Cyclotron - Trong từ trường đồng nhất hạt chuyển động theo quỹ đạo tròn. Từ điều kiện cân bằng của lực hướng tâm và lực Lorentz: Bqv r mv 2 - Vận tốc góc của hạt: rr f m qB r v 2 - Đối với các hạt có q/m khác nhau thì tần số f c hoặc cường độ từ trường B cần có giá trị khác nhau. trong đó : m: khối lượng hạt, v: vận tốc hạt, r: bán kính quỹ đạo, q: điện tích hạt, B: cường độ từ trường. m Bq r v m Bq f r 2 Do đó: - Do đó tần số góc: - Trong cyclotron mỗi chu kỳ cần 2 vòng quay, nên: m Bq f c (3.1) (3.2) (3.3) (3.4) (3.5) - Năng lượng nhận được tại mỗi chu kỳ : Với điện áp gia tốc V=100 kV - Proton : T max : 22 MeV - Đơteron: T max : 31 MeV trong đó : V: điện áp gia tốc, : pha của sóng sinqVE qB mv qB p r - Năng lượng hạt phụ thuộc vào điện tích của chúng. Trong cùng một cyclotron các hạt anpha được gia tốc với năng lượng cao hơn proton. - Bán kính r tương ứng với vận tốc v: - Động năng của hạt là : m RBq mvT 2 2 1 222 2 (3.6) (3.7) (3.8) − Một hạt tích điện dương xuất phát từ điểm P vào thời điểm hiệu điện thế ở cực A lớn hơn B . Trong thời gian T/2 hạt đi được một nửa đường tròn ra khỏi điện cực B và chuyển động theo hướng tới cực A. Sau thời gian T/2 hiệu điện thế đổi dấu, điện thế ở điện cực B trở nên cao hơn A, và hạt được gia tốc. − Trong điện cực A hạt chuyển động với vận tốc lớn hơn và trong thời gian T/2 hạt đi được ½ quỹ đạo với bán kính lớn hơn, sau đó chuyển động từ A sang B và lại được gia tốc. − Mỗi lần hạt chuyển động từ cực này sang cực kia hạt lại được tăng tốc và nhận một năng lượng là 2nqU ( n, số vòng quay). Ở quỹ đạo cuối cùng hạt được lái ra ngoài qua cửa sổ W. Hình 2 : Chuyển động của hạt trong buồng gia tốc cyclotron Hình 3: Sơ đồ cấu tạo của máy gia tốc Cyclotron Hình 4: Máy gia tốc Cyclotron C30 – Bệnh viện quân y - 108 Synchrocyclotron − Trong cyclotron, khi năng lượng hạt lớn, do hiệu ứng tương đối tính khối lượng hạt tăng theo tốc độ, dẫn đến sự mất đồng bộ giữa tốc độ của hạt và điện trường xoay chiều. − Năm 1945 Milan và Veksler tìm ra cơ chế đồng bộ bằng cách thay đổi tần số. − Khi hạt tăng khối lượng dẫn đến giảm tốc độ và hạt lại giảm khối lượng, do đo sẽ tồn tại một quỹ đạo ổn định mà hạt không mất năng lượng. − Khi hạt đạt được quỹ đạo ổn định, nếu giảm tần số tại giá trị không đổi của từ trường thì điều kiện đồng bộ sẽ giữ nguyên. − Máy gia tốc cyclotron sử dụng việc thay đổi tần số còn được gọi là Synchrocyclotron hay phasotron. − Các hạt với năng lượng lớn hơn hoặc nhỏ hơn sẽ nhận một thế gia tốc nhỏ hơn hoặc lớn hơn và quay trở lại khe gia tốc sớm hoặc muộn hơn. − Trong các Synchrocyclotron tần số được thay đổi bằng một tụ quay gắn trong khung dao động của nguồn phát cao tần. − Synchrocyclotron chỉ sử dụng một Dee. Các hạt chuyển động theo quỹ đạo tròn có bán kính tăng dần. − Chiếc máy gia tốc Synchrocyclotron lớn nhất hiện vẫn đang hoạt động tại Nga có thể gia tốc chùm proton tới năng lượng 1GeV. [...]... synchrotron trên một hạt là: 2cE 4 r0 P 2 3R (m0c 2 )3 (5 .2) trong đó: E là năng lượng hạt, R là bán kính quỹ đạo hạt, r0: là bán kính hạt, m0 : khối lượng hạt, c: vận tốc ánh sáng - Hạn chế của Synchrotron là chu trình hoạt động phức tạp và thông lượng dòng trung bình thấp Hình 12: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy gia tốc Synchrotron Hình 13: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy gia tốc Synchrotron... + Thời gian hạt quay được một quỹ đạo, bán kính quỹ đạo càng lớn thì thời gian chuyển động càng lớn, khối lượng càng lớn thì tốc độ nhỏ và năng lượng gia tốc càng nhỏ − Để gia tốc được hạt cần có một từ trường có từ thông biến thiên gọi là trường gia tốc − Để giữ cho hạt chuyển động theo quỹ đạo tròn có bán kính xác định cần một từ trường điều khiển − Nếu hạt được gia tốc chuyển động trong một từ trường... bởi H.A.Willax vào năm 1963, đây là một phiên bản cải tiến từ nguyên lý máy gia tốc AVF − Ưu điểm đặc biệt của loại máy cylotron này là khoảng không gian giữa các nam châm cho phép lắp đặt các bộ phận cộng hưởng RF hiệu suất cao − Chùm hạt có thể dễ dàng được tách ra với sự mất mát rất thấp, do đó loại máy gia tốc này cho dòng hạt với cường độ cao Hình 8: Sơ đồ cấu tạo của máy gia tốc Sepated - Sector... trung bình (Bav) của từ trường gia tốc 1 Bg Bav 2 (4. 12) - Cần tạo sự chuyển động bền vững của các hạt gia tốc hay quỹ đạo cân bằng Kerst đã xây dựng từ trường điều khiển thay đổi theo không gian Cường độ từ trường giảm dần từ tâm ra phía ngoài − Betatron chỉ phù hợp gia tốc hạt nhẹ là các điện tử − Giới hạn của betatron: Khi điện tử chuyển động trong betatron theo quỹ đạo tròn do có gia tốc dẫn đến... Buồng gia tốc là ống hình tròn A đặt giữa các cực của từ trường vòng B Nam châm bao gồm 4 cung tròn Hạt chuyển động theo quỹ đạo tròn trong các cung với bán kính 24 ,4 m Tại khoảng cách giữa các cung tròn hạt chuyển động theo đường thẳng độ dài 6,1 m Hạt được gia tốc qua hốc gia tốc C Tại đây được đặt một điện trường biến thiên tần số cao Chùm proton sơ cấp được phóng vào synchrotron từ các máy gia tốc. .. nhất hiện nay có thể gia tốc proton lên tới năng lượng 600 MeV - Không chỉ proton mà rất nhiều loại ion khác có thể được gia tốc trên máy gia tốc hội tụ quạt - Các máy gia tốc hội tụ quạt được sử dụng nhiều trong các nghiên cứu vật lý ion nặng Hình 6: Sơ đồ cấu trúc nam châm hội tụ quạt trong Cyclotron Hình 7: Máy gia tốc Cyclotron hội tụ quạt Separated- Sector Cyclotron − Máy gia tốc cyclotron với các... lần so với giai đoạn đầu bằng từ trường biến thiên − Do đó năng lượng gia tốc trong synchrotron lớn hơn nhiều so với betatron có thể tới GeV và cao hơn − Trong synchrotron, nam châm có dạng hình nhẫn tạo ra từ trường gia tốc ban đầu và điều khiển chuyển động của hạt theo quỹ đạo tròn − Các hốc cộng hưởng chịu tác dụng của một điện trường biến thiên có tần số bằng tần số quay của hạt Mỗi lần hạt đi qua... hưởng là một lần được gia tốc − Đối với các ion, sự mất đồng bộ trong cyclotron có thể khắc phục bằng cách thay đổi điện trường theo cùng định luật với thay đổi khối lượng hạt Muốn đảm bảo sự đồng bộ nói trên cần giảm tần số của điện trường gia tốc − Sự thay đổi một cách độc lập của lực hội tụ, từ trường uốn dòng và tần số điện trường siêu cao tần tạo cho synchrotron có khả năng gia tốc các hạt tới... chế tạo máy gia tốc betatron, gia tốc điện tử không cần nguồn cao áp − Trong một biến thế, điện trường xoay chiều trong cuộn sơ cấp sẽ kích thích cuộn thứ cấp xuất hiện một lực điện động Người ta thay cuộn dây thứ cấp bằng một ống chạy xung quanh lõi từ sao cho điện tử chuyển động xung quanh lõi từ qua mỗi vòng điện tử nhận một năng lượng bằng tích của điện tích và sức điện động cảm ứng trong một vòng... kích thước nam châm nhỏ hơn loại máy sử dụng nam châm thông dụng − Loại máy gia tốc này được sử dụng nhiều trong y tế, đặc biệt trong xạ trị khối u IV Máy gia tốc Betatron Nguyên lý chung: − Do điện tử có khối lượng rất nhỏ, ngay ở năng lượng thấp đã đạt gần bằng tốc độ ánh sáng lên rất khó có thể gia tốc bằng cyclotron − Năm 1 923 Wideroe phác họa thiết kế máy gia tốc betatron sử dụng cơ chế cảm