Nghiên Cứu Vị Trí Dừng Chùm Proton Trong Bia Lỏng Sản Xuất FDG Trên Hệ Thống Cyclotron

Tài liệu nghiên cứu Nghiên ứu tính toán vị trí dừng của chùm proton trong bia lỏng sản xuất fdg trên hệ thống cyclotron, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

• Tác giả: Nguyễn Hữu Sơn
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thái Hà
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Y Sinh
• Đề tài: Nghiên Cứu Vị Trí Dừng Chùm Proton Trong Bia Lỏng Sản Xuất FDG Trên Hệ Thống Cyclotron
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MÁY GIA TỐC CYCLOTRON 30MEV
• 1.1. Lịch sử phát triển và phân loại máy gia tốc
• 1.2. Hệ thống máy gia tốc Cyclotron 30MeV
• 1.2.1. Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của Cyclotron 30MeV
• 2. CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH SẢN XUẤT F 18-FDG TRÊN BIA LỎNG
• 2.1. Cấu tạo của hệ thống bia lỏng sản xuất F 18-FDG
• 2.1.1. Cấu tạo của bia lỏng
• 2.1.2. Các loại bia lỏng
• 2.2. Quy trình sản xuất F18 -FDG bằng máy gia tốc Cyclotron 30MeV
• 2.2.1. Chuẩn bị nguyên liệu và kiểm tra hệ thống
• 2.2.2. Tiến hành bắn bia, hiệu chỉnh và theo dõi chùm tia, áp suất bia
• 2.2.3. Lắp kit tổng hợp F18-FDG trên module tổng hợp tự động IBA Synthera
• 2.2.4. Tổng hợp F18-FDG bằng module IBA Synthera
• 2.2.5. Chia liều, kiểm nghiệm và vận chuyển tới các cơ sở sử dụng PET
• 2.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới xuất lượng đồng vị phóng xạ F18 sau bắn bia nước giàu H2O18 bằng chùm proton
• 2.3.1. Xuất lượng đồng vị F18 theo thời gian chiếu
• 2.3.2. Xuất lượng F18 theo năng lượng chùm tia
• 2.3.3. Xuất lượng F18 theo cường độ chùm tia
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VỊ TRÍ DỪNG CỦA CHÙM PROTON TRONG BIA LỎNG SẢN XUẤT F 18-FDG
• 3.1. Lý thuyết năng suất hãm và quãng chạy của chùm ion trong vật liệu
• 3.1.1. Quãng chạy
• 3.2. Giới thiệu về phần mềm SRIM-CODE
• 3.3. Năng xuất hãm và quãng chạy của chùm proton trong bia lỏng sản xuất F18 -FDG
• 3.4. Mô hình hóa lớp vật liệu khi chiếu chùm proton lên bia lỏng H2O18
• 3.4.1. Xác định tỷ trọng các lớp vật liệu
• 3.5. Mô hình mô phỏng bằng SRIM
• 3.6. Kết quả mô phỏng bằng SRIM
• 3.7. Nhận xét và đánh giá
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Vị Trí Dừng Chùm Proton

Nghiên cứu vị trí dừng của chùm proton trong bia lỏng sản xuất FDG trên hệ thống cyclotron là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật y sinh. Việc xác định chính xác vị trí dừng của chùm proton không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất sản xuất đồng vị phóng xạ mà còn quyết định đến chất lượng của sản phẩm cuối cùng. Bài viết này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về quy trình và các yếu tố ảnh hưởng đến vị trí dừng của chùm proton.

1.1. Lịch Sử Phát Triển Hệ Thống Cyclotron

Hệ thống cyclotron đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ những năm 1930. Cyclotron hiện đại có khả năng gia tốc proton và deuteron đến năng lượng cao, phục vụ cho nhiều ứng dụng trong y tế, đặc biệt là sản xuất FDG.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Nghiên Cứu FDG

FDG (fluorodeoxyglucose) là một đồng vị phóng xạ quan trọng trong chẩn đoán hình ảnh y học. Nghiên cứu vị trí dừng của chùm proton trong bia lỏng giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, từ đó nâng cao hiệu quả chẩn đoán.

II. Vấn Đề Trong Quy Trình Sản Xuất FDG

Quy trình sản xuất FDG gặp nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc tối ưu hóa vị trí dừng của chùm proton. Các yếu tố như năng lượng chùm tia, áp suất bia và thời gian chiếu xạ đều ảnh hưởng đến hiệu suất sản xuất. Việc nghiên cứu và tính toán chính xác các yếu tố này là cần thiết để cải thiện quy trình.

2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Hiệu Suất Cyclotron

Hiệu suất của cyclotron phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cường độ chùm tia, năng lượng chùm và cấu trúc của bia lỏng. Nghiên cứu các yếu tố này giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất FDG.

2.2. Thách Thức Trong Việc Xác Định Vị Trí Dừng

Xác định vị trí dừng của chùm proton trong bia lỏng là một thách thức lớn. Các mô hình tính toán cần phải chính xác để đảm bảo rằng chùm proton dừng lại ở vị trí mong muốn, từ đó tối ưu hóa sản lượng FDG.

III. Phương Pháp Tính Toán Vị Trí Dừng Chùm Proton

Phương pháp tính toán vị trí dừng của chùm proton trong bia lỏng sử dụng phần mềm SRIM để mô phỏng quá trình tương tác giữa chùm proton và vật liệu. Phương pháp này cho phép xác định chính xác quãng chạy và năng suất hãm của chùm proton trong bia lỏng.

3.1. Sử Dụng Phần Mềm SRIM Trong Mô Phỏng

Phần mềm SRIM (The Stopping and Range of Ions in Matter) là công cụ mạnh mẽ để mô phỏng quá trình tương tác của chùm proton với vật liệu. Nó giúp xác định vị trí dừng và năng suất hãm của chùm proton trong bia lỏng.

3.2. Mô Hình Hóa Lớp Vật Liệu Khi Chiếu Chùm Proton

Mô hình hóa lớp vật liệu khi chiếu chùm proton là bước quan trọng trong nghiên cứu. Việc xác định tỷ trọng và cấu trúc của các lớp vật liệu giúp tối ưu hóa vị trí dừng của chùm proton.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Về Vị Trí Dừng Chùm Proton

Kết quả nghiên cứu cho thấy vị trí dừng của chùm proton trong bia lỏng có thể được tối ưu hóa thông qua việc điều chỉnh các thông số như năng lượng chùm và áp suất bia. Những kết quả này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất sản xuất FDG mà còn mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo.

4.1. Đánh Giá Hiệu Suất Sản Xuất FDG

Hiệu suất sản xuất FDG được cải thiện đáng kể nhờ vào việc tối ưu hóa vị trí dừng của chùm proton. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh năng lượng chùm có thể tăng sản lượng đồng vị phóng xạ.

4.2. Ứng Dụng Kết Quả Nghiên Cứu Trong Y Học

Kết quả nghiên cứu không chỉ có giá trị trong sản xuất FDG mà còn có thể áp dụng cho các đồng vị phóng xạ khác. Điều này mở ra cơ hội mới cho việc phát triển các phương pháp chẩn đoán hình ảnh trong y học.

V. Kết Luận Và Tương Lai Của Nghiên Cứu FDG

Nghiên cứu vị trí dừng của chùm proton trong bia lỏng sản xuất FDG trên hệ thống cyclotron đã chỉ ra nhiều tiềm năng trong việc cải thiện quy trình sản xuất. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng mới trong lĩnh vực y học, đặc biệt là trong chẩn đoán hình ảnh.

5.1. Tương Lai Của Nghiên Cứu Về Cyclotron

Nghiên cứu về cyclotron và vị trí dừng của chùm proton sẽ tiếp tục được mở rộng. Các công nghệ mới có thể giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất đồng vị phóng xạ, từ đó nâng cao chất lượng chẩn đoán.

5.2. Ứng Dụng Trong Các Lĩnh Vực Khác

Ngoài y học, nghiên cứu này còn có thể được áp dụng trong các lĩnh vực khác như vật lý hạt nhân và công nghệ vật liệu. Điều này mở ra nhiều cơ hội nghiên cứu và phát triển mới.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong lĩnh vực y sinh, việc ứng dụng các công nghệ hiện đại đã tạo ra bước tiến vượt bậc cho ngành y tế. Trung tâm máy gia tốc Cyclotron 30 MeV tại Bệnh viện 108, bắt đầu hoạt động từ năm 2009, đã trở thành một trong những cơ sở chủ lực sản xuất đồng vị phóng xạ phục vụ chẩn đoán hình ảnh y học hạt nhân. Với khả năng gia tốc proton từ 15 đến 30 MeV và cường độ chùm lên đến 350 μA, hệ thống này sản xuất chủ yếu đồng vị F18-FDG phục vụ chụp PET/CT, cung cấp cho nhiều bệnh viện lớn như Bạch Mai, Quân y 103, Ung bướu Hà Nội và Vinmec.

Luận văn tập trung nghiên cứu, tính toán vị trí dừng của chùm proton trong bia lỏng sản xuất F18-FDG trên hệ thống Cyclotron 30 MeV. Mục tiêu chính là phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy gia tốc Cyclotron, quy trình sản xuất F18-FDG và ứng dụng phần mềm SRIM để mô phỏng vị trí dừng của chùm proton dựa trên lý thuyết năng suất hãm và quãng chạy của chùm ion trong vật liệu. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống Cyclotron 30 MeV tại Bệnh viện 108 trong giai đoạn từ 2009 đến 2018.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất đồng vị phóng xạ, nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm F18-FDG, từ đó góp phần cải thiện chất lượng chẩn đoán hình ảnh y học hạt nhân, hỗ trợ phát hiện và điều trị ung thư hiệu quả hơn. Các chỉ số như cường độ chùm proton 40 μA, áp suất bia 35 bar và hoạt độ phóng xạ tối đa 5000 mCi được sử dụng làm tiêu chuẩn đánh giá hiệu quả sản xuất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết năng suất hãm (stopping power) và quãng chạy (range) của chùm ion trong vật liệu, được mô tả chi tiết trong phần mềm SRIM (Stopping and Range of Ions in Matter). Lý thuyết năng suất hãm giải thích sự suy giảm năng lượng của chùm proton khi tương tác với các nguyên tử trong bia lỏng, trong khi quãng chạy xác định chiều sâu mà proton có thể đi vào trước khi dừng lại hoàn toàn.

Ngoài ra, nghiên cứu áp dụng mô hình cấu trúc vật liệu bia lỏng gồm các lớp vật liệu như Havar, Titalium và nước giàu H2O18, với các thông số tỷ trọng và kích thước được xác định chính xác để mô phỏng chính xác quá trình chiếu xạ. Các khái niệm chuyên ngành như ion H-, chiết chùm bằng lá carbon, và phản ứng hạt nhân 18O(p,n)18F cũng được sử dụng để giải thích cơ chế sản xuất đồng vị phóng xạ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ hệ thống Cyclotron 30 MeV tại Bệnh viện 108, bao gồm các thông số kỹ thuật của máy gia tốc, cấu tạo bia lỏng, quy trình sản xuất F18-FDG và dữ liệu vận hành thực tế như cường độ chùm proton, áp suất bia, thời gian chiếu xạ và hoạt độ phóng xạ thu được.

Phương pháp phân tích chủ yếu là mô phỏng bằng phần mềm SRIM, với cỡ mẫu mô phỏng gồm nhiều lớp vật liệu bia lỏng và ion proton có năng lượng từ 15 đến 30 MeV. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng chi tiết từng lớp vật liệu dựa trên thông số thực tế của bia lỏng và điều kiện vận hành Cyclotron. Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2018, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, mô phỏng và phân tích kết quả.

Phân tích số liệu được thực hiện bằng cách so sánh vị trí dừng của chùm proton trong bia lỏng với các điều kiện vận hành khác nhau như áp suất bia (15-35 bar), cường độ chùm (từ 15 đến 40 μA) và kích thước bia (từ 1.7 ml đến 6.5 ml). Kết quả mô phỏng được đối chiếu với dữ liệu thực tế về hoạt độ phóng xạ F18 thu được để đánh giá độ chính xác và hiệu quả của mô hình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Vị trí dừng của chùm proton trong bia lỏng: Mô phỏng bằng SRIM cho thấy chùm proton 18 MeV có quãng chạy trung bình khoảng 1.7 mm trong bia lỏng H2O18, phù hợp với kích thước bia loại LV (2.4 ml). Khi áp suất bia tăng từ 15 đến 35 bar, vị trí dừng của chùm proton có xu hướng dịch chuyển sâu hơn khoảng 5%, giúp tối ưu hóa hiệu suất tạo đồng vị F18.

2. Ảnh hưởng của cường độ chùm proton: Cường độ chùm tăng từ 15 μA lên 40 μA làm tăng hoạt độ phóng xạ F18 thu được từ 2000 mCi lên đến 5000 mCi trong thời gian chiếu xạ 2 giờ, tương ứng với mức tăng 150%. Điều này chứng tỏ cường độ chùm là yếu tố quyết định chính trong sản xuất đồng vị.

3. Hiệu quả làm mát và áp suất bia: Áp suất bia duy trì ổn định ở mức 35 bar kết hợp với hệ thống làm mát bằng nước và khí Helium giúp duy trì nhiệt độ bia trong giới hạn an toàn, giảm thiểu rủi ro hư hỏng cửa sổ bia và đảm bảo chất lượng đồng vị phóng xạ.

4. So sánh với các nghiên cứu khác: Kết quả mô phỏng vị trí dừng và quãng chạy proton tương đồng với các báo cáo trong ngành, khẳng định tính chính xác của phần mềm SRIM trong mô phỏng tương tác ion trong vật liệu phức tạp như bia lỏng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự thay đổi vị trí dừng chùm proton là do sự biến đổi tỷ trọng và thành phần vật liệu bia lỏng dưới các điều kiện áp suất và nhiệt độ khác nhau. Việc mô phỏng chính xác vị trí dừng giúp tối ưu hóa thiết kế bia lỏng, đảm bảo chùm proton dừng hoàn toàn trong vùng nguyên liệu, từ đó tăng hiệu suất sản xuất đồng vị F18.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa áp suất bia và vị trí dừng proton, cũng như bảng so sánh hoạt độ phóng xạ F18 thu được theo cường độ chùm proton. Những biểu đồ này minh họa rõ ràng tác động của các tham số vận hành đến hiệu quả sản xuất.

So với các nghiên cứu trước đây, luận văn đã bổ sung thêm phân tích chi tiết về cấu trúc bia lỏng và ảnh hưởng của các lớp vật liệu như Havar và Titalium, góp phần nâng cao độ chính xác của mô hình mô phỏng. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn trong việc phát triển hệ thống bia mới, mở rộng khả năng sản xuất các đồng vị phóng xạ khác phục vụ y tế.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa kích thước và cấu tạo bia lỏng: Đề xuất điều chỉnh kích thước bia phù hợp với năng lượng chùm proton để đảm bảo vị trí dừng hoàn toàn trong bia, giảm thất thoát năng lượng và tăng hiệu suất sản xuất. Thời gian thực hiện trong 6 tháng, do phòng kỹ thuật Cyclotron phối hợp với nhà cung cấp bia.

2. Nâng cấp hệ thống làm mát và kiểm soát áp suất: Cải tiến hệ thống làm mát bằng nước và khí Helium để duy trì áp suất bia ổn định ở mức 35 bar, giảm thiểu rủi ro hư hỏng cửa sổ bia và tăng tuổi thọ thiết bị. Thời gian triển khai 3 tháng, do bộ phận vận hành Cyclotron thực hiện.

3. Tăng cường giám sát và điều chỉnh cường độ chùm proton: Áp dụng hệ thống giám sát tự động để điều chỉnh cường độ chùm proton trong khoảng 30-40 μA nhằm tối đa hóa hoạt độ phóng xạ F18 mà không gây quá tải cho bia. Thời gian thực hiện 4 tháng, do nhóm kỹ thuật và vận hành phối hợp.

4. Phát triển phần mềm mô phỏng tích hợp: Xây dựng phần mềm mô phỏng tích hợp dựa trên SRIM để dự đoán vị trí dừng chùm proton trong các loại bia mới, hỗ trợ thiết kế và thử nghiệm nhanh chóng. Thời gian phát triển 1 năm, do nhóm nghiên cứu và đối tác công nghệ thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư vận hành máy gia tốc Cyclotron: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chi tiết về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và quy trình vận hành Cyclotron 30 MeV, giúp tối ưu hóa sản xuất đồng vị phóng xạ.

2. Nhà nghiên cứu và phát triển dược chất phóng xạ: Thông tin về quy trình sản xuất F18-FDG và mô phỏng vị trí dừng chùm proton hỗ trợ phát triển các loại bia lỏng mới, nâng cao hiệu quả tổng hợp dược chất.

3. Chuyên gia y học hạt nhân và chẩn đoán hình ảnh: Hiểu rõ về nguồn gốc và chất lượng đồng vị phóng xạ F18-FDG giúp cải thiện quy trình chẩn đoán PET/CT, nâng cao độ chính xác và an toàn cho bệnh nhân.

4. Nhà quản lý và hoạch định chính sách y tế: Cơ sở dữ liệu và phân tích kỹ thuật trong luận văn hỗ trợ quyết định đầu tư, phát triển hạ tầng kỹ thuật và mở rộng ứng dụng công nghệ hạt nhân trong y tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Vị trí dừng của chùm proton trong bia lỏng ảnh hưởng thế nào đến sản xuất F18-FDG?
   Vị trí dừng quyết định chùm proton có thể truyền năng lượng tối đa vào bia, tạo ra đồng vị F18 hiệu quả. Nếu proton xuyên qua bia, năng lượng bị lãng phí, giảm hoạt độ phóng xạ. Mô phỏng cho thấy proton 18 MeV dừng trong khoảng 1.7 mm, phù hợp với kích thước bia loại LV.

2. Tại sao áp suất bia cần được duy trì ổn định trong quá trình bắn proton?
   Áp suất bia ảnh hưởng đến tỷ trọng và trạng thái vật liệu, từ đó ảnh hưởng đến quãng chạy và vị trí dừng của proton. Áp suất ổn định 35 bar giúp duy trì hiệu suất sản xuất và bảo vệ cấu trúc bia khỏi hư hỏng do nhiệt độ cao.

3. Phần mềm SRIM có vai trò gì trong nghiên cứu này?
   SRIM mô phỏng tương tác của chùm ion với vật liệu, tính toán năng suất hãm và quãng chạy proton trong bia lỏng. Đây là công cụ quan trọng giúp dự đoán vị trí dừng và tối ưu hóa thiết kế bia, nâng cao hiệu quả sản xuất đồng vị.

4. Cường độ chùm proton ảnh hưởng như thế nào đến hoạt độ phóng xạ F18?
   Cường độ chùm càng cao thì số proton bắn phá bia càng nhiều, tạo ra nhiều đồng vị F18 hơn. Nghiên cứu cho thấy tăng cường độ từ 15 μA lên 40 μA làm hoạt độ tăng từ 2000 mCi lên 5000 mCi, tương đương tăng 150%.

5. Làm thế nào để đảm bảo an toàn khi vận hành Cyclotron và sản xuất đồng vị phóng xạ?
   Hệ thống điều khiển SCADA giám sát toàn bộ quá trình, kết hợp với hệ thống làm mát, khóa liên động và theo dõi phóng xạ giúp đảm bảo vận hành an toàn. Ngoài ra, việc duy trì áp suất và nhiệt độ bia trong giới hạn cho phép cũng rất quan trọng.

Kết luận

• Nghiên cứu đã xác định chính xác vị trí dừng của chùm proton 18 MeV trong bia lỏng H2O18, phù hợp với kích thước bia loại LV, đảm bảo hiệu quả sản xuất đồng vị F18-FDG.
• Cường độ chùm proton và áp suất bia là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt độ phóng xạ và chất lượng sản phẩm.
• Phần mềm SRIM được chứng minh là công cụ hiệu quả trong mô phỏng tương tác ion-vật liệu, hỗ trợ tối ưu hóa thiết kế bia và quy trình sản xuất.
• Đề xuất các giải pháp nâng cấp hệ thống làm mát, kiểm soát áp suất và phát triển phần mềm mô phỏng tích hợp nhằm nâng cao hiệu suất và an toàn vận hành.
• Các bước tiếp theo bao gồm triển khai các giải pháp đề xuất trong vòng 6-12 tháng và mở rộng nghiên cứu sang các đồng vị phóng xạ khác phục vụ y tế.

Luận văn cung cấp nền tảng khoa học và kỹ thuật vững chắc cho việc phát triển công nghệ sản xuất đồng vị phóng xạ, góp phần nâng cao chất lượng chẩn đoán hình ảnh y học hạt nhân tại Việt Nam. Độc giả và các chuyên gia được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến quy trình sản xuất và mở rộng ứng dụng trong lĩnh vực y sinh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MÁY GIA TỐC CYCLOTRON 30MEV 1. Lịch sử phát triển và phân loại máy gia tốc 1. Lịch sử phát triển của máy gia tốc Cyclotron được phát triển vào năm 1930 bởi E.Lorentz để gia tốc các ion (proton, deuteron, các ion nặng hơn) tới động năng cỡ vài chục MeV.Lorentz nhận ra rằng muốn giữ tần số góc của hạt tích điện (ω = qB/m) chuyển động trong quỹ đạo tròn của cyclotron không đổi, cần từ trường B tăng dần theo bán kính quĩ đạonhằm giải quyết hiệu ứng tương đối xảy ra làm tăng khối lượng khi gia tốc hạt. Tuy nhiên, tăng B theo bán kính quĩ đạo lại mâu thuẫn với yêu cầu về hội tụ chùm hạt.

Để giải quyết vấn đề này L. Thomas đã đưa ra ý tưởng thiết kế từ trường thay đổi hình sin theo góc phương vị sẽ làm cho hạt hội tụ theo chiều đứng. Thế hệ cyclotron với các sector (hình quạt) riêng biệt hội tụ hạt nhờ từ trường thay đổi theo góc phương vị dưới dạng xoắn được ra đời vào nhưng năm 50 của thế kỷ XX, càng về sau năng lượng gia tốc càng tăng, ban đầu là vài MeV, đến vài chục MeV rồi hàng trăm MeV. Phân loại máy gia tốc Chúng ta có thể phân chia máy gia tốc theo các loại khác nhau dựa trên các hạt được gia tốc, quỹ đạo của hạt được gia tốc, tính chất của điện, từ trường gia tốc hoặc năng lượng mà hạt được gia tốc.

Phân loại máy gia tốc theo hạt Không phải máy gia tốc nào cũng có thể gia tốc các hạt có khối lượng khác nhau. Từ hệ thức Anhxtanh: E=mc 2 (1.1) 2 Trong đó: E - năng lượng của hạt m - khối lượng của hạt c - tốc độ ánh sáng Ta nhận thấy khi năng lượng tăng sẽ dẫn đến khối lượng tăng do đó thời gian hạt đi được một vòng trong máy gia tốc tăng lên làm mất đồng bộ với điện trường gia tốc. Điều này thể hiện rõ nhất đối với các hạt nhẹ. Do đó có những loại máy chỉ gia tốc được những hạt nhẹ hoặc chỉ gia tốc được những hạt nặng.Máy gia tốc hạt nặng Ví dụ các hạt proton, deuteron, anpha và ion nặng được gia tốc bằng các máy gia tốc Cyclotron, Walton – Cockroft, Van De Graaff, máy gia tốc thẳng, Synchrotron, Phasotron và Synchrophasotron.

Máy gia tốc hạt nhẹ Hạt được gia tốc là điện tử, việc gia tốc được thực hiện bằng máy gia tốc thẳng, Betatron, Microtron, Synchrotron, Phasotron và Synchrophasotron. Máy gia tốc cả hạt nặng lẫn nhẹ Walton – Cockroft, Van De Graaff và máy gia tốc thẳng. Phân loại theo quỹ đạo chuyển động của hạt Trong quá trình được gia tốc hạt có thể chuyển động theo quỹ đạo thẳng hoặc quỹ đạo tròn. Trên cơ sở tính chất của quỹ đạo người ta phân ra các loại máy gia tốc như: a.

Máy gia tốc quỹ đạo thẳng Bao gồm các máy gia tốc Walton – Cockroft, Van De Graaff và máy gia tốc thẳng. Máy gia tốc quỹ đạo tròn Bao gồm Cyclotron, Phasotron (trong các loại máy gia tốc này hạt chuyển động theo đường xoáy trôn ốc từ tâm ra ngoài với bán kính ngày càng tăng), Synchrotron, Synchrophasotron (trong các máy gia tốc này hạt chuyển động theo quỹ đạo tròn có bán kính không đổi) và Microtron (trong máy gia tốc này hạt chuyển động theo các đường tròn có bán kính ngày càng tăng và luôn luôn tiếp xúc với nhau tại một điểm). Phân loại theo tính chất trường gia tốc Trong các máy gia tốc, như ta sẽ thấy, các hạt có thể được gia tốc nhờ vào điện trường một chiều, điện trường biến thiên hoặc từ trường biến thiên. Vì vậy ta có thể phân loại máy gia tốc như sau: a.

Máy gia tốc tĩnh điện (điện trường một chiều) Bao gồm các máy gia tốc Walton – Cockroft, Van De Graaff và Tandem Van De Graaff. Máy gia tốc điện trường xoay chiều Bao gồm Cyclotron, Synchrotron, Phasotron, Synchrophasotron, Microtron và máy gia tốc thẳng. Điều đáng chú ý là trong các máy gia tốc này hạt được gia tốc nhờ vào sự cộng hưởng giữa điện trường gia tốc và sự chuyển động của hạt. Máy gia tốc từ trường biến thiên Đó là máy gia tốc điện tử Betatron.

Trong máy gia tốc này điện tử được gia tốc không phải nhờ điện trường biến thiên mà từ trường có từ thông biến thiên. 4 Phân loại theo năng lượng của hạt được gia tốc Các máy gia tốc có thể gia tốc hạt đến những năng lượng giới hạn khác nhau. Trên cơ sở năng lượng của hạt được gia tốc chúng ta có thể phân loại máygia tốc như sau: a. Máy gia tốc phi tương đối Bao gồm các máy gia tốc chỉ đưa năng lượng hạt đến những giá trị mà tại đó tốc độ của nó nhỏ hơn rất nhiều so với tốc độ ánh sáng (hoặc khối lượng của hạt không lớn hơn nhiều so với khối khối lượng dừng).

Ví dụ: Máy gia tốcWalton – Cockroft, Van De Graaff và Cyclotron. Máy gia tốc tương đối Bao gồm các máy gia tốc trong đó tốc độ của hạt lên đến gần tốc độ ánh sáng.Ví dụ: Máy gia tốc thẳng, Betatron, Synchrotron, Phasotron, Synchrophasotron, Microtron. Trong nhiều trường hợp người ta còn gọi các máy này là siêu tương đối tính vì tốc độ của hạt rất gần với tốc độ ánh sáng. Hệ thống máy gia tốc Cyclotron 30MeV 1.

Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của Cyclotron 30MeV Máy gia tốc Cyclone 30 (tên riêng của máy cyclotron 30 MeV của IBA) là máy gia tốc vòng có tần số cố định, trường không đổi, gia tốc H - tới năng lượng 30 MeV. Năng lượng chùm ion chiết (beam) có thể thay đổi từ 15 đến 30 MeV với cường độ 350μA.1 dưới đây sẽ cho chúng ta cái nhìn tổng quan về cấu tạo máy gia tốc 30 MeV của IBA .1 Cấu tạo của Cyclone 30 Trong đó: Multicusp ion source: Nguồn ion multicusp Buncher: Bộ gom hạt Magnetic lens: Thấu kính từ trường Inflector: Bộ lái tia Aluminium vacuum: Buồn chân không Solid copper dees: Các D đồng 6 Stripper probe positioning system: Hệ thống định vị lá stripper (carbon foil) Port selection magnets: Từ trường lựa chọn cổng ra chùm proton Exit ports: Các cổng ra chùm proton Các hệ thống con quan trọng cấu thành cyclotron: a. Hệ thống nguồn Ion Khoang gia tốc gia tốc ion H-, muốn có ion H- ta phải tạo ra nó và đưa vào chính giữa mặt trung tuyến của khoang. Máy Cyclone 30 sử dụng nguồn ngoài model Injector S4/3N, gồm bộ phận tạo ra H - hoặc H2- ghép với phần gia tốc 30KV, được thiết kế riêng cho cyclotron 30MeV của IBA.

Nguồn có thể phát ra dòng H- 7mA theo dạng chùm chuẩn trực. S4/3N là nguồn ion dạng multicusp, có thiết kế tối ưu để sản xuất các ion âm. Phản ứng tạo ra ion trong nguồn là: H *2(υ ≥ 5) + e → H- + H (1.2) Trong đó: H*2 (υ ≥ 5) là phân tử hydro kích thích ở trạng thái 5 hoặc cao hơn. H- có năng lượng liên kết 0,75eV, vì thế dễ dàng bị phá hủy bởi các e plasma có năng lượng lớn hơn 1eV.2 Nguồn Culham S4/3N 7 Hình 1.3 Sơ đồ nguồn ion Một hàng nam châm được sắp xếp để cung cấp từ trường tầm xa qua nguồn, song song theo chiều ngắn nhất.

Trường này gọi là trường lọc và nó chủ yếu để tạo các điều kiện plasma, cho phép sự hình thành các ion âm. Sự định hướng của trường này liên quan tới từ trường trong máy gia tốc, rất cần thiết cho hoạt động chính xác của nguồn phát ion. Cấu trúc điện cực của lưới plasma phức tạp hơn so với hai lưới kia vì nó chứa lỗ hổng chiết (extraction aperture) cho nguồn. Điện cực được tạo thành từ 2 phần: phần ngoài, chứa các nam châm vĩnh cửu, phần trong, chứa lỗ hổng chiết.

Phần trong được cách điện bởi đệm mica. Sự sắp xếp này cho phép phần trong có điện thế dương so với phần ngoài và lưới còn lại để triệt tiêu electron bắn ra cùng với các ion âm. Điện cực lưới thứ hai dài 20mm và đóng vai trò bắt electron. Từ trường ở cuối của lưới ngăn các electron thoát qua lỗ hỗng phía sau.

Chúng được giữ ở bề mặt bên trong của điện cực. Điều này chỉ có ở điện cực chứa nhiều hơn một cặp nam châm vĩnh cửu và phải lưu ý đảm bảo rằng hướng của chúng là chính xác. Từ trường trong điện cực thứ ba tại điện thế đất nắn quỹ đạo cong của ion âm cho tới khi chúng song song với trục của chùm. 8 Bản chất của sự phóng plasma và cơ chế hình thành ion H- hay hiệu suất của nguồn phát phụ thuộc vào nhiều thông số.

Có 5 thông số có thể thay đổi đầu ra của nguồn phát ion S4/3N là: • Dòng arc - hồ quang điện (dòng sợi đốt) • Điện áp arc - hồ quang điện • Dòng khí • Điện áp triệt tiêu electron • Điện áp lưới triết Dòng arc (hồ quang điện) Là thông số điều khiển chính của mật độ plasma trong nguồn. Nó được sinh ra do sự phát các e từ sợi đốt có nhiệt độ cao và được điều khiển bởi giá trị điện áp arc (hồ quang điện) và dòng điện cho sợi đốt. Với điện áp arc không đổi, tăng dòng sợi đốt sẽ tăng dòng arc vì vậy tăng mật độ plasma. Với dòng dưới 45A, sợi đốt phát không đáng kể, do đó dòng hồ quang điện bằng không.

Ban đầu, dòng H - tăng tuyến tính với dòng arc do mật độ plasma tăng nhưng sẽ tới thời điểm bão hòa. Điều này do sự cân bằng giữa H 2* tạo ra và mất đi trong plasma. Một phần phân tử bị kích thích có xu hướng chuyển về trạng thái bão hòa với mật độ tăng nhưng hiệu ứng này được bù do mối quan hệ tuyến tính giữa mật độ ion âm và mật độ ion dương trong vùng chiết. Vì vậy, đặc tính của nguồn phụ thuộc vào tính chất vật lý của việc di chuyển qua trường lọc.4 Dòng arc Điện áp hồ quang điện Ảnh hưởng của điện áp arc chỉ ra ở hình 1.

Điện áp arc cấp giữa sợi đốt và nguồn, nó gia tốc các e phát ra từ sợi đốt thành plasma. Do vậy, điện áp arc càng cao, năng lượng các e càng cao và nhiệt độ của chúng tăng, làm tăng tốc độ phân tử bị kích thích được tạo ra trong vùng lái. Nhiệt độ e tăng cũng làm tăng dòng e theo cách giống như dòng arc. Cuối cùng dòng H- sẽ bão hòa hoặc thậm chí là giảm do sự tăng nhiệt độ của các e.5 Điện áp arc 10 Dòng khí Để xác định áp suất trong nguồn, có ảnh hưởng tới dòng e và H- như chỉ ra trên hình 1.

Khí trong nguồn chỉ vài phần trăm bị ion hóa, vì thế hầu như các va chạm là với phân tử trung tính.