BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN HỮU SƠN

NGHIÊN CỨU, TÍNH TỐN VỊ TRÍ DỪNG CỦA
CHÙM PROTON TRONG BIA LỎNG SẢN XUẤT FDG
TRÊN HỆ THỐNG CYCLOTRON

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT Y SINH

Hà Nội – Năm 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN HỮU SƠN

NGHIÊN CỨU, TÍNH TỐN VỊ TRÍ DỪNG CỦA
CHÙM PROTON TRONG BIA LỎNG SẢN XUẤT FDG
TRÊN HỆ THỐNG CYCLOTRON

Chuyên ngành: KỸ THUẬT Y SINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT Y SINH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN THÁI HÀ

Hà Nội – Năm 2018


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là
trung thực và chưa hề được sử dụng để bảo vệ một học vị nào. Mọi sự giúp đỡ
cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn
trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc rõ ràng và được phép công bố.
Hà nội, ngày

tháng 3 năm 2018

Học viên thực hiện

Nguyễn Hữu Sơn

i


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
PHẦN MỞ ĐẦU .............................................................................................. 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MÁY GIA TỐC

CYCLOTRON 30MEV .................................................................................. 2
1.1. Lịch sử phát triển và phân loại máy gia tốc ............................................... 2
1.1.1. Lịch sử phát triển của máy gia tốc .................................................... 2
1.1.2. Phân loại máy gia tốc ........................................................................ 2
1.2. Hệ thống máy gia tốc Cyclotron 30MeV ................................................... 5
1.2.1. Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của Cyclotron 30MeV................... 5
1.2.2. Ứng dụng của máy gia tốc Cyclone 30 trong y tế .......................... 30
CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH SẢN XUẤT F18-FDG TRÊN BIA LỎNG.... 34
2.1. Cấu tạo của hệ thống bia lỏng sản xuất F18-FDG .................................... 34
2.1.1. Cấu tạo của bia lỏng........................................................................ 34
2.1.2. Các loại bia lỏng ............................................................................. 36
2.2. Quy trình sản xuất F18-FDG bằng máy gia tốc Cyclotron 30MeV .......... 37
2.2.1. Chuẩn bị nguyên liệu và kiểm tra hệ thống .................................... 39
2.2.2. Tiến hành bắn bia, hiệu chỉnh và theo dõi chùm tia, áp suất bia .... 39
2.2.3. Lắp kit tổng hợp F18-FDG trên module tổng hợp tự động IBA
Synthera....................................................................................................... 41
2.2.4. Tổng hợp F18-FDG bằng module IBA Synthera ............................. 43

ii


2.2.5. Chia liều, kiểm nghiệm và vận chuyển tới các cơ sở sử dụng PET 46
2.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới xuất lượng đồng vị phóng xạ F18 sau bắn bia
nước giàu H2O18 bằng chùm proton ................................................................ 46
2.3.1. Xuất lượng đồng vị F18 theo thời gian chiếu: ................................. 46
2.3.2. Xuất lượng F18 theo năng lượng chùm tia ...................................... 47
2.3.3. Xuất lượng F18 theo cường độ chùm tia.......................................... 48
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN VỊ TRÍ DỪNG CỦA CHÙM PROTON
TRONG BIA LỎNG SẢN XUẤT F18-FDG ................................................ 49
3.1. Lý thuyết năng suất hãm và quãng chạy của chùm ion trong vật liệu ........... 49

3.1.1. Năng suất hãm................................................................................. 49
3.1.2. Quãng chạy ..................................................................................... 51
3.2. Giới thiệu về phần mềm SRIM-CODE .................................................... 51
3.3. Năng xuất hãm và quãng chạy của chùm proton trong bia lỏng sản xuất
F18-FDG ......................................................................................................... 55
3.3.1. Mơ hình hóa lớp vật liệu khi chiếu chùm proton lên bia lỏng H2O18... 55
3.3.2. Xác định tỷ trọng các lớp vật liệu ................................................... 56
3.3.3. Mơ hình mô phỏng bằng SRIM ...................................................... 58
3.3.4. Kết quả mô phỏng bằng SRIM ....................................................... 59
3.3.5. Nhận xét và đánh giá....................................................................... 63
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 67

iii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

-

FDG: fluorodeoxyglucose

-

PET: positron emission tomography

-

SPECT: single-photon emission computed tomography


-

PET/CT: positron emission tomography/ computed tomography

-

SRIM: The Stopping and Range of Ions in Matter

-

TRIM: The Transport of Ions in Matter

-

RF: Radio Frequency

-

D: Dee

-

MeV: mega electronvolt

-

μA: micro ampere

-


mCi: mili Curie

-

IAEA: International Atomic Energy Agency

iv


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Các loại bia sử dụng để sản xuất F18-FDG ..................................... 37
Bảng 3.1: Bảng giá trị kích thước và tỷ trọng ................................................. 57

v


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Cấu tạo của Cyclone 30 ..................................................................... 6
Hình 1.2 Nguồn Culham S4/3N ........................................................................ 7
Hình 1.3 Sơ đồ nguồn ion ................................................................................. 8
Hình 1.4 Dịng arc .......................................................................................... 10
Hình 1.5 Điện áp arc ...................................................................................... 10
Hình 1.6 Dịng khí ........................................................................................... 11
Hình 1.7 Điện áp triệt tiêu .............................................................................. 12
Hình 1.8 Hệ thống dẫn chùm dọc trục ........................................................... 12
Hình 1.9 Nam châm lái .................................................................................. 13
Hình 1.10 Thấu kính tĩnh điện Einzell ........................................................... 13
Hình 1.11 Thấu kính solenoid (Glazer) ......................................................... 14
Hình 1.12 Bộ gom hạt (Buncher) .................................................................... 14
Hình 1.13 Giản đồ mặt cắt ngang của mặt phẳng trung tuyến Cyclotron. ..... 16

Hình 1.14 Sơ đồ hệ thống RF.......................................................................... 17
Hình 1.15 Hình dạng từ trường đẳng thời của cyclotron 30MeV................... 18
Hình 1.16 Phân bố từ trường trên các cực từ của Cyclotron 30MeV ............. 19
Hình 1.17 Mơ hình chiết dùng lá carbon ........................................................ 20
Hình 1.18 Mơ hình chiết dùng lá carbon ........................................................ 21
Hình 1.19 Hệ thống dẫn chùm ........................................................................ 21
Hình 1.20 Kênh bia lỏng- khí sản xuất đồng vị cho PET ............................... 24
Hình 1.21 Kênh bia rắn sản xuất đồng bị cho SPECT .................................... 25
Hình 1.22 Bơm chân khơng cho nguồn ion .................................................... 26
Hình 1.23 Bơm chân khơng cho khoang gia tốc ............................................. 26

vi


Hình 1.24 Sơ đồ hệ thống điều khiển cyclotron 30MeV ................................ 27
Hình 1.25 Màn hình SCADA điều khiển và theo dõi hoạt động của Cyclotron .. 28
Hình 1.26 Hệ thống bơm làm mát cho Cyclotron ........................................... 29
Hình 1.27 Giao diện hệ thống theo dõi an ninh và an toàn vận hành ............. 30
Hình 2.1 Hình dạng bia lỏng ........................................................................... 34
Hình 2.2 Bộ chuẩn trực bia ............................................................................. 35
Hình 2.3 Cửa sổ bia (Spacer, Titalium, Havar foil) ........................................ 35
Hình 2.4 Thân bia ............................................................................................ 36
Hình 2.5 So sánh cấu tạo của F18-FDG và Glucose ........................................ 38
Hình 2.6 Nguyên lý sản xuất F18-FDG bằng phản ứng thế ái nhân ................ 38
Hình 2.7 Nạp nguyên liệu bia để sản xuất đồng vị phóng xạ F18 ................... 39
Hình 2.8 Cường độ chùm tại các vị trí trong quá trình bắn bia H2O18 ........... 40
Hình 2.9 Kit IFP sử dụng trong sản xuất F18-FDG của module IBA Synthera .... 41
Hình 2.10 Bộ tổng hợp F18-FDG của IBA ...................................................... 42
Hình 2.11 Hoạt động thường qui tổng hợp F18-FDG ...................................... 42
Hình 2.12 Sơ đồ tổng hợp F18-FDG trên IBA Synthera ................................. 43

Hình 2.13 Xuất lượng sinh ra đồng vị F18 theo khoảng thời gian chiếu ......... 47
Hình 2.14 Xuất lượng đồng vị F18theo năng lượng chùm tia. ........................ 47
Hình 2.15 Xuất lượng F18 theo cường độ chùm .............................................. 48
Hình 3.1 Năng suất dừng của chùm proton trong nước giàu H2O18 ............... 50
Hình 3.2 Quãng chạy của proton trong nước giàu H2O18 ............................... 51
Hình 3.3 Giao diện phần mềm SRIM ............................................................. 53
Hình 3.4 Giao diện cài đặt lớp vật liệu bia và ion .......................................... 54
Hình 3.5 Giao diện mơ phỏng quãng chạy của ion trong vật liệu .................. 54

vii


Hình 3.6 Kích thước bia lỏng sản xuất F18...................................................... 56
Hình 3.7 Cấu trúc các lớp vật liệu khi chiếu xạ proton vào bia lỏng ............. 56
Hình 3.8 Tỷ lệ các chất và giá trị tỷ trọng của Havar ..................................... 58
Hình 3.9 Cài đặt vật liệu bia............................................................................ 59
Hình 3.10 Mơ phỏng đâm xuyên của chùm proton trong bia ......................... 60
Hình 3.11 Chiều sâu và vị trí dừng của chùm proton trong bia ...................... 60
Hình 3.12 Vị trí dừng của chùm proton trong bia khi bắt đầu bắn ................. 61
Hình 3.13 Vị trí dừng của chùm proton trong q trình bắn bia áp suất >1bar .... 61
Hình 3.14 Vùng ion hóa khi bắt đầu bắn bia .................................................. 62
Hình 3.15 Vùng ion hóa trong quá trình bắn bia ............................................ 62
Hình 3.16 Suy giảm năng lượng chùm proton trong quá trình chiếu xạ ........ 63

viii


PHẦN MỞ ĐẦU
Trong những năm qua, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa
học kỹ thuật, việc ứng dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực y

sinh cũng không ngừng phát triển. Việc ứng dụng khoa học kỹ thuật, công
nghệ hiện đại đã mang lại những thành tựu to lớn trong mọi lĩnh vực của đời
sống kinh tế xã hội, trong đó ngành y tế đã có bước tiến nhảy vọt nhờ có sự
hỗ trợ của các trang thiết bị công nghệ cao. Trung tâm máy gia tốc Cyclotron
30 MeV bắt đầu đi vào hoạt động từ năm 2009, có khả năng gia tốc hai loại
hạt là proton và deuteron, có 3 kênh dẫn chùm tia dùng để bắn vào các bia
rắn, lỏng, khí tạo ra các đồng vị phóng xạ như: 201Tl, 67Ga, 18F, 11C, 123I,…và
một kênh dùng cho mục đích nghiên cứu cơ bản về vật lý, hóa học. Hiện tại
trung tâm đang sản xuất chủ yếu 18F-FDG phục vụ chụp PET/CT trong bệnh
viện và cung cấp cho một số bệnh viện khác như Bệnh viện Bạch mai, Bệnh
viện Quân y 103, Bệnh viện ung bướu Hà Nội, Bệnh viện Vinmec. Đã từng
có thời gian làm việc tại Trung tâm Máy gia tốc thời gian đầu khi về Bệnh
viện, do đó tơi chọn đề tài “Nghiên cứu, tính tốn vị trí dừng của chùm
proton trong bia lỏng sản xuất FDG trên hệ thống Cyclotron” để hiểu biết
sâu hơn về máy gia tốc, đặc biệt cấu tạo của bia lỏng làm cơ sở phát triển một
hệ thống bia mới sản xuất các đồng vị phóng xạ khác phục vụ cho y tế.
Mục đích của đề tài là nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, ứng
dụng của máy gia tốc Cyclotron 30MeV trong sản xuất các đồng vị phóng xạ
phục vụ trong y tế. Nghiên cứu quy trình sản xuất và cấu tạo của bia lỏng
(liquid target) trong sản xuất dược chất phóng xạ F18-FDG, từ đó dựa vào
phần mềm SRIM để xác định vị trí dừng của chùm proton thơng qua lý thuyết
năng suất hãm và quãng chạy của chùm ion trong vật liệu.

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

1.1.1. Lịch sử phát triển của máy gia tốc
Cyclotron được phát triển vào năm 1930 bởi E.O.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 trịn của cyclotron khơng 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.H.
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.
1.1.2. 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=mc2

(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 vịng 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.
a.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.
b. 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.
c. 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 trịn. 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.

3


b. Máy gia tốc quỹ đạo tròn

Bao gồm Cyclotron, Phasotron (trong các loại máy gia tốc này hạt
chuyển động theo đường xốy trơn ốc từ tâm ra ngồi với bán kính ngày càng
tăng), Synchrotron, Synchrophasotron (trong các máy gia tốc này hạt chuyển
động theo quỹ đạo trịn có bán kính không đổi) và Microtron (trong máy gia
tốc này hạt chuyển động theo các đường trịn 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.
b. 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.
c. 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 thơng 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.
b. 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.
1.2.

Hệ thống máy gia tốc Cyclotron 30MeV

1.2.1. 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 vịng 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. Hình 1.1 dưới đây sẽ cho chúng ta cái nhìn
tổng quan về cấu tạo máy gia tốc 30 MeV của IBA .

5


Hình 1.1 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 dịng 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.

Hình 1.2 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 ngồi 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 trị bắt electron. Từ trường
ở cuối của lưới ngăn các electron thốt 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 thơng số. Có 5 thơng số có thể thay
đổi đầu ra của nguồn phát ion S4/3N là:
• Dịng arc - hồ quang điện (dịng sợi đốt)
• Điện áp arc - hồ quang điện
• Dịng khí
• Điện áp triệt tiêu electron

• Điện áp lưới triết
Dịng arc (hồ quang điện)
Là thơng 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 dịng sợi đốt sẽ tăng dịng arc vì vậy
tăng mật độ plasma. Với dịng dưới 45A, sợi đốt phát khơng đáng kể, do đó
dịng hồ quang điện bằng khơng.
Ban đầu, dịng H- tăng tuyến tính với dịng arc do mật độ plasma tăng
nhưng sẽ tới thời điểm bão hòa. Điều này do sự cân bằng giữa H2* tạo ra và
mất đi trong plasma. Một phần phân tử bị kích thích có xu hướng chuyển về
trạng thái bão hịa 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.

9


Hình 1.4 Dịng arc
Điện áp hồ quang điện
Ảnh hưởng của điện áp arc chỉ ra ở hình 1.5. 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 hịa
hoặc thậm chí là giảm do sự tăng nhiệt độ của các e.

Hình 1.5 Điện áp arc


10


Dịng khí
Để xác định áp suất trong nguồn, có ảnh hưởng tới dịng e và H- như
chỉ ra trên hình 1.6. Khí trong nguồn chỉ vài phần trăm bị ion hóa, vì thế hầu
như các va chạm là với phân tử trung tính. Bằng cách này nó ảnh hưởng tới
dịng e và dịng HDịng H- tăng khi dịng khí tăng, nó tới giá trị cực đại do mật độ khí
tăng cho phép tăng phân tử bị kích thích và giảm va chạm của các e trong
nguồn. Cả hai sự tăng này đều làm tăng ion H- . Cuối cùng sự giảm các e
nhanh trong vùng lái làm giảm sự tạo ra nguyên tử kích thích, sự tách các liên
kết trong vùng chiết trở nên đáng kể và H- tạo ra giảm đi.

Hình 1.6 Dịng khí
Điện áp triệt tiêu
Mục đích là để giảm dòng e cùng được chiết với ion H-. Dòng thu bởi
bộ triệt tiêu phụ thuộc theo hàm mũ với điện áp cung cấp cho nó. Sự có mặt
của từ trường có thể làm tăng lượng H-, dẫn tới sự thuận lợi trong việc truyền
H- với điện áp thiên áp. Điện áp thiên áp là một yếu tố tác động đáng kể tới
năng lượng e bị chiết tới bẫy, sự hoạt động kéo dài mà khơng có thiên áp sẽ
phá hủy bẫy.
11


Hình 1.7 Điện áp triệt tiêu
b. Hệ thống bơm chùm dọc trục
Là hệ thống các thiết bị nối tiếp từ đầu ra nguồn ion dọc theo trục dẫn
chùm tới trung tâm của buồng gia tốc, lái chùm ion vào khoang gia tốc.

Hình 1.8 Hệ thống dẫn chùm dọc trục

12


Nam châm lái
Cho phép di chuyển chùm sang bên dọc theo hai trục X và Y vng góc
với nhau và với trục bơm.

Hình 1.9 Nam châm lái
Thấu kính tĩnh điện Einzell
Có tác dụng hội tụ yếu tồn bộ chùm. Nó đơn giản bao gồm các đoạn
phân cực của ống bơm trục (điện cực).

Hình 1.10 Thấu kính tĩnh điện Einzell

13


Thấu kính solenoid (Glazer)
Có tác dụng hội tụ chùm mạnh

Hình 1.11 Thấu kính solenoid (Glazer)
Bộ gom hạt (Buncher)
Nguồn ion được tạo ra là dịng liên tục, nhưng do tính chất tuần hoàn
của cyclotron chỉ cho phép khoảng 10% chùm được gia tốc. Buncher tác động
đến tốc độ của các hạt làm tăng số hạt tới D đúng pha gia tốc. Buncher cải
thiện hiệu suất bơm từ 10 đến 30%.
Buncher là cấu trúc lưới lỗ trống kép tạo thành bởi hai lưới đất đơn và
một lưới đôi dao động ở tần số gia tốc của cyclotron, điều khiển từ tụ điện đặt
ở cuối tầng khuếch đại RF.


Hình 1.12 Bộ gom hạt (Buncher)

14


Khoảng cách trung tâm – trung tâm của hai lỗ trống là khoảng cách hạt
đi được với năng lượng bơm (khoảng 30 KeV) trong suốt nửa chu kì RF. Vì
vậy, một hạt đi qua lỗ trống đầu tiên khi điện áp dương sẽ đi qua lỗ trống thứ
hai khi điện áp âm và ngược lại. Hiệu quả là gia tốc các hạt chậm trong khi
giảm tốc các hạt sớm, vì thế làm tăng số hạt tới bơm tại một thời điểm.
Bơm tĩnh điện
Đẩy chùm gia tốc xuống đường bơm tới từ trường của cyclotron. Bơm
có một ống tĩnh điện xoắn và nghiêng dẫn ion vào mặt phẳng trung tuyến của
máy.
c. Hệ thống RF (Radio Frequency)
Hệ thống RF cung cấp điện trường dao dộng để đẩy các ion qua các khe
gia tốc, là nơi mà chúng thu nhận năng lượng sau mỗi vòng, cho tới khi đạt
tới năng lượng mong muốn ở bán kính chiết.
Trong cyclotron, các hạt điện tích chuyển động theo hình xoắn ốc, càng
xa trung tâm động năng càng cao. Giá trị của từ trường được chọn sao cho bởi
đường đi các hạt vẫn nằm trong giới hạn của cyclotron trong suốt quá trình
gia tốc đến khi đạt đến mức năng lượng mong muốn. Trong cyclotron đẳng
thời, từ trường được chọn sao cho vận tốc góc của các hạt là như nhau ở bất kì
mức năng lượng nào của chúng (bất kì khoảng cách nào của chúng từ trung
tâm). Sự gia tốc các hạt xảy ra khi chúng đi qua khe hẹp giữa D (điện cực gia
tốc) và D_ ngược (điện cực đất). D _ ngược là những tấm gắn chặt với gơng
cyclotron và có vai trị là đất. D trở thành thiết bị cung cấp khuếch đại tín hiệu
sóng hình sin từ bộ dao động, xoay chiều dương và âm so với D_ngược. Tần
số và pha dao động được chọn sao cho điện áp của khe gia tốc gia tốc các hạt
như đã định.


15