CÔNG NGHỆ NGUỒN ION SỬ DỤNG TRONG MÁY GIA TỐC
CYCLOTRON KIRAMS13 TẠI TRUNG TÂM CHIẾU XẠ HÀ NỘI

LÊ VIỆT PHONG

Phòng Gia Tốc, Trung Tâm Chiếu Xạ Hà Nội
Email:

Tóm tắt: Máy gia tốc cyclotron KIRAMS13 gia tốc hạt proton tới năng lượng 13MeV.
Máy sử dụng trong sản xuất đồng vị phóng xạ
18
F phục vụ trong kỹ thuật chụp ảnh PET
dùng cho chuẩn đoán ung thư sớm. Nguồn ion trong máy KIRAMS13 sử dụng công nghệ
Penning Ionization Gauges (PIG), đây là một công nghệ nguồn ion truyền thống trên thế
giới nhưng ở Việt Nam công nghệ này còn khá mới.
Quá trình gia tốc hạt proton bao gồm 3 công đoạn chính: tạo nguồn ion, đưa hạt ion vào
máy gia tốc và lấy hạt ra khỏi máy gia tốc. Sau khi hạt ra khỏi máy gia tốc, hệ dẫn dòng
sẽ điều khiển hướng chuyển động của hạt tới bia cần nghiên cứu.
Thông thường, hạt ion được tạo thành từ sự bắn phá các hạt điện tử với các nguyên tử khí
trung hòa. Để đạt được hiệu suất tạo ion hóa cao, người ta sử dụng nhiều phương pháp,
trong đó phương pháp tăng quãng chạy của hạt điện tử trong vùng ion hóa là phương
pháp đơn giản được sử dụng nhiều. Khi đó hạt điện tử không chuyển động trên đường
thẳng mà chuyển động theo đường xoáy trôn ốc hoặc đường ziczac.
Nguồn ion của KIRAMS13 đã sử dụng theo công nghệ PIG tạo quỹ đạo chuyển động
xoáy trôn ốc cho các hạt điện tử trong vùng ion hóa và sử dụng công nghệ tạo ra ion âm
H
-
. Báo cáo này sẽ trình bày chi tiết nguyên lý hoạt động của nguồn ion theo công nghệ
PIG và các kỹ thuật tạo ion âm H
-
được sử dụng trên máy KIRAMS13


Hình 1: Cấu tạo cơ bản của buồng chimney.
Vùng plasma tạo ra gồm các điện tử có động năng lớn vào cỡ hơn 20 eV. Khi khí được
bơm vào trong buồng ion hóa lập tức xảy ra quá trình tương tác:
H
2
(n =0) + e
-
(n>5 eV)  H
2
*
+e+ hn [2]
H
2
*
+ e(n < 1 eV)

 H
-
+ H [2]
Quá trình tương tác này có thể được trình bày cụ thể như sau: khi điện tử sinh ra được
gia tốc nhờ điên trường và bắn phá vào các lớp vỏ của nguyên tử khí. Các nguyên tử này sẽ
nhận được động năng và chuyển đến trạng thái kích thích (quá trình này xảy ra ở gần đầu
cathode nơi các điện tử sinh ra có động năng lớn ~ 20 eV).
Sau đó các nguyên tử khí H
2
*

ion âm.
Sự phân chia nguồn thành 2 khu vực trong plasma đạt được bằng cách tạo ra một bộ lọc
từ trường cục bộ (filter). Trong trạng thái plasma bình thường, tỷ lệ khuếch tán của điện tử
qua plasma phụ thuộc vào tỷ lệ va chạm v
c
mà tại đó chúng va chạm với các hạt khác. Hệ số
khuếch tán D
e
được ghi nhận như sau:
D
e
=
kT
e
5
/
2
n
e
m
e
K
[2]
ở đây v
c
= n
e
KT
e
-3/2

2
*
+ e
-
 H
-
+ H
Quá trình này là quá trình tạo ion âm chính trong công nghệ nguồn PIG. Dựa trên khả
năng tách lọc các điện tử có động năng cao và động năng thấp trong vùng plasma. Chia vùng
plasma thành hai phân vùng rõ rệt: plasma nóng và plasma lạnh. Quá trình này được gọi là
quá trình tạo ion âm trong thể tích vùng ion hóa

Hình 2. Buồng chimney được chia làm hai vùng plasma. Vùng plasma nóng (bên trái)
nơi tạo ra các điện tử nóng có động năng lớn và xảy ra quá trình tương tác tạo ra phân tử kích
thích H
2
*
. Các điện tử động năng thấp, phân tử H
2
*
kích thích khuếch tán vào vùng plasma lạnh
(bên phải) và xảy ra quá trình tạo ra ion âm H
-

Một vấn đề khác kèm theo với nguồn ion đó là vấn đề chiết xuất ion âm H
-
ra khỏi ống
chimney để đưa vào gia tốc. Trước khi đưa vào khe, chùm tia ion âm H
-
phải được làm sạch

Tuy nhiên, một điều ta không thể quên đó là điện tích của ion H
-
và điện tử đều là âm.
Do đó, để giảm đi các điện tử ra khỏi chùm tia trước khi gia tốc là một điều cần lưu ý. Để
khắc phục hiện tương đó, nguồn ion PIG được thiết kế thêm một hệ các nam châm đối xứng
nhau nằm ở ngay khe hở đưa chùm ra. Hệ các nam châm này có tác dụng như một hệ lọc từ
trường nhằm làm lệch quỹ đạo của các điện tử và tách điện tử ra khỏi chùm ion. Khối lượng
của các điện tử nhỏ hơn rất nhiều so với các ion âm H
-
, do đó quỹ đạo của chúng sẽ bị lệch
hoàn toàn ra khỏi chùm tia và loại bỏ gần như hoàn toàn các điện tử.

Hình 4. Quỹ đạo của chùm ion âm (xanh dương) khi đi qua hệ các nam châm. Do tác dụng của
từ trường lọc đã làm lệch quỹ đạo của chùm điện tử (màu đen ).[4]
Chùm ion âm H
-
lúc này bắt đầu theo puller đưa vào để gia tốc.
III. MỘT SỐ CẢI TIẾN, NÂNG CẤP NGUỒN ION CÔNG NGHỆ PIG CỦA HÃNG
SAMYOUNG UNITECH.
Máy gia tốc KIRAMS13 là máy gia tốc chuyên dụng dùng để sản xuất dược chất phóng
xạ FDG. Do đó, hiệu suất tạo F18 phải nâng cao, chính vì thế nguồn ion của máy gia tốc cần
có sự cải tiến để đạt được cường độ chùm tia proton là tối ưu nhất. Trong phần này sẽ đi vào
giới thiệu một số cải tiến nguồn ion của máy gia tốc KIRAMS13 do hãng Samyoung Unitech
nâng cấp.
1. Sự thay đổi kích cỡ hốc tạo điện tử và đường kính anode.
Nhà thiết kế Samyoung Unitech đã cho thay đổi đường kính bên trong của anode và
thay đổi kích cỡ hốc tạo điện tử điều này đồng nghĩa với việc tăng kích cỡ ống chimney và
làm tăng thể tích vùng plasma trong ống chimney.
Thông số hoạt động ban đầu của máy KIRAMS13 phiên bản đầu: từ tường trung tâm
1,288 T, tần số RF là 77,3 MHz, công suất RF từ 12 đến 14kW (tối đa là 20kW), tốc độ bơm

phút với vị trí phía dưới (hình 8 là một ngày, 2 lần, chiếu xạ 180 phút). Tuy nhiên, cường độ
chùm tia không cải thiện với vị trí cửa nạp H nhưng cường độ chùm tia lại ổn định (dữ liệu
trong hình không thể hiện được rõ điều đó).

Hình 8. Biểu diễn tuổi thọ của cathode với các vị trí của cửa nạp khí H. Giá trị này biểu diễn giá
trị trung bình ± độ lệch chuẩn theo thời gian mà cyclotron hoạt động
Về cơ bản, cường độ chùm tia tạo ra so với điều kiện ban đầu không thể quá 50µA
nhưng khi cải tiến, cường độ chùm khi vào khe gia tốc lên tới 120µA. Quá trình sản xuất F18
cũng được nâng từ 1.000mCi/h (30µA) tới 2.300mCi/h (75µA) với bia F18. Khi chạy ở chế
độ phù hợp, cường độ chùm tia thu được là ổn định thì so với vị trí cửa nạp nguyên bản là
phía dưới thì tuổi thọ cathode sẽ tăng được 1,7 lần với vị trí cả hai chiều và 8,3 lần với vị trí ở
phía trên.[5]
IV. KẾT LUẬN
Bản báo cáo này trình bày về nguyên tắc hoạt động và công nghệ chế tạo nguồn ion
PIG. Dựa trên nguyên tắc tạo ra các ion H
-
, hãng Samyoung Unitech đã cải tiến các thiết kế
ban đầu do KIRAMS thực hiện để đạt được các thông số tối ưu cho nguồn ion của máy gia
tốc KIRAMS13. Việc lựa chọn các thông số tối ưu cho hoạt động của nguồn ion như điện thế
anode, tốc độ bơm khí… sẽ được tiếp tục thực hiện trong các nghiên cứu tiếp theo.

ION SOURCE TECHNOLOGY IS USED IN THE CYCLOTRON
ACCELERATOR KIRAMS13 AT HANOI IRRADIATION CENTER

LÊ VIỆT PHONG

Accelerator Department, Hanoi Irradiation Center
Email:

Abstract: The cyclotron accelerator KIRAMS13 has been used to accelerate proton up to