Thạc Sĩ Nghiên cứu độ tăng năng lượng của electron trong máy gia tốc tuyến tính rf

MỞ ĐẦU
Từ khi những thế hệ máy gia tốc đầu tiên được tạo ra cho đến nay, chúng đã liên tục đóng góp cho sự khám phá và hiểu biết quan trọng của con người trong nhiều ngành vật lí. Ngày nay, máy gia tốc đã trở thành công cụ hết sức quan trọng đối với việc nghiên cứu vật lí hạt cơ bản, đồng thời được ứng dụng rộng rãi trong các ngành kỹ thuật và y học.
Trong nghiên cứu vật lí hạt cơ bản, máy gia tốc đóng vai trò tạo ra chùm hạt năng lượng cao để rồi cho va chạm với bia vật chất. Kết quả của sự va chạm cho ta sản phẩm là những chùm hạt hoặc loại vật chất mà chỉ có thể được tạo ra ở vùng năng lượng cao. Từ đó ta có thể nghiên cứu thuộc tính của vật chất cũng như các chùm hạt được tạo thành.
Trong y học, máy gia tốc được sử dụng như một công cụ tạo ra chùm tia năng lượng cao dùng để phục vụ cho việc chẩn đoán bằng hình ảnh hoặc điều trị đối với nhiều căn bệnh đặc biệt là bệnh ung thư.
Tại Việt Nam, máy gia tốc đầu tiên được lắp đặt vào năm 1974 để phục vụ cho nghiên cứu khoa học [1]. Theo thời gian, số lượng máy gia tốc xuất hiện ngày càng nhiều tại các trung tâm nghiên cứu khoa học như Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội, Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ bức xạ, Ngoài ra, nhiều máy gia tốc được lắp đặt tại những bệnh viện để phục vụ cho việc chẩn đoán và điều trị bệnh. Có thể nói rằng máy gia tốc đang dần trở nên phổ biến tại nước ta và chắc chắn trong tương lai không xa kỹ thuật gia tốc ở nước ta sẽ phát triển mạnh và được ứng dụng rộng rãi theo xu hướng chung của thế giới.
Với xu hướng phát triển của kỹ thuật gia tốc như vậy, việc nghiên cứu về nguyên lý hoạt động cũng như cấu tạo của máy gia tốc là điều cần thiết. Trên thực tế,
9
nguồn tài liệu từ nước ngoài về lĩnh vực máy gia tốc rất phong phú. Tuy nhiên, ở Việt Nam, số đầu sách tiếng Việt viết về máy gia tốc còn tương đối ít và nội dung chỉ có tính khái quát. Những đề tài nghiên cứu khoa học của sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh tiến sĩ về lĩnh vực máy gia tốc chủ yếu tập trung vào việc ứng dụng máy gia tốc. Vì vậy, việc nghiên cứu về nguyên lí hoạt động của máy gia tốc là một vấn đề cần thiết.
Chính vì lẽ đó, tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu độ tăng năng lượng của electron trong máy gia tốc tuyến tính RF” cho luận văn tốt nghiệp cao học của mình. Mục đích của tác giả khi thực hiện đề tài này trước hết là tìm hiểu nguyên lí hoạt động của máy gia tốc, nghiên cứu cơ chế tăng tốc cho electron bằng sóng điện từ RF và xây dựng công thức tính năng lượng electron khi được tăng tốc theo các thông số kỹ thuật và chế độ hoạt động của máy. Xa hơn nữa, tác giả muốn góp phần bổ sung thêm một kênh tài liệu tham khảo về máy gia tốc nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho những người muốn tìm hiểu về lĩnh vực lí thú này.
Nội dung của luận văn này được chia làm 3 chương với những nội dung chính như sau:
Chương 1 – Tổng quan về máy gia tốc: trình bày lịch sử ra đời và phát triển của các thế hệ máy gia tốc, các khái niệm về máy gia tốc và những ứng dụng của máy gia tốc trong các lĩnh vực khoa học, y học và đời sống.
Chương 2 – Máy gia tốc tuyến tính RF: mô tả cơ sở lí thuyết về quá trình gia tốc một chùm hạt mang điện bằng sóng điện từ, các công cụ toán học có liên quan đến việc tính toán quá trình thu năng lượng của hạt hoặc những yếu tố tác động đến sự chuyển động của hạt trong quá trình tăng tốc. Cũng trong chương này, cấu tạo của máy gia tốc tuyến tính RF sẽ được mô tả khái quát bằng sơ đồ khối. Những module quan trọng sẽ được giới thiệu một cách chi tiết.
Chương 3 – Tính toán độ tăng năng lượng của của electron trong máy gia tốc tuyến tính RF: khảo sát quá trình chuyển động và tăng tốc của một electron cụ thể khi bay trong trường điện từ của máy gia tốc tuyến tính RF. Giả lập một máy gia tốc với những thông số cần thiết để tính năng lượng cuối cùng của electron sau một quá trình tăng tốc.
MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 3
DANH MỤC CÁC BẢNG . 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 6
MỞ ĐẦU . . 8
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA TỐC . 11
1.1. Lịch sử phát triển của máy gia tốc . 11
1.2. Ứng dụng của máy gia tốc . 14
1.3. Những thành tựu trong lĩnh vực nghiên cứu hạt cơ bản bằng máy gia tốc 18
1.4. Những mục tiêu đang triển khai trong lĩnh vực nghiên cứu hạt cơ bản bằng máy gia tốc . 19
CHƯƠNG 2 - MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH RF . 20
2.1. Cơ sở lí thuyết 20
2.1.1. Động năng của hạt . 20
2.1.2. Công thức tương đối tính 22
2.1.3. Lực Lorentz 23
2.1.4. Phương trình Maxwell 24
2.1.5. Hàm Hamilton và phương trình Hamilton . 24
2.2. Sơ đồ khối của máy gia tốc tuyến tính RF 25
2.3. Ống dẫn sóng . 28
2.3.1. Ống dẫn sóng kiểu disk-loaded 28
2.3.2. Ống dẫn sóng kiểu coupled-cavity . 32
2
2.4. Nguồn phát và khuếch đại sóng RF . 34
2.5. Nguồn phát electron 36
CHƯƠNG 3 - TÍNH ĐỘ TĂNG NĂNG LƯỢNG CỦA ELECTRON TRONG MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH RF . 39
3.1. Mô tả chuyển động của hạt bằng hàm Hamilton 39
3.2. Quá trình tăng tốc chùm electron 47
3.2.1. Trường hợp electron chuyển động có quỹ đạo trùng với trục Oz 47
3.2.2. Khảo sát quá trình thu năng lượng của electron khi tăng tốc . 49
3.2.3. Tính năng lượng H của electron bằng chương trình Mathematica 53
3.2.4. Phân tích kết quả tính toán . 55
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO . . 67
PHỤ LỤC . 69