Luận văn Thạc sĩ Khoa học vật chất: Mô phỏng hệ thống dẫn chùm Positron chậm bằng phần mềm chuyên dụng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:97

Thêm vào BST

Báo xấu

30
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận văn sử dụng phần mềm chuyên dụng – cụ thể là sử dụng phần mềm SIMION - để mô phỏng một số mô hình thiết kế của hệ thống dẫn chùm positron chậm. Từ các kết quả về quỹ đạo, chất lượng chùm tia như hiệu suất lọc năng lượng, bán kính và tính đơn năng của chùm positron thu được tại bia mẫu,… Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học vật chất: Mô phỏng hệ thống dẫn chùm Positron chậm bằng phần mềm chuyên dụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐẠO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Bùi Xuân Huy MÔ PHỎNG HỆ THỐNG DẪN CHÙM POSITRON CHẬM BẰNG PHẦN MỀM CHUYÊN DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Thành phố Hồ Chí Minh – 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐẠO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Bùi Xuân Huy MÔ PHỎNG HỆ THỐNG DẪN CHÙM POSITRON CHẬM BẰNG PHẦN MỀM CHUYÊN DỤNG Chuyên ngành: Vật lí nguyên tử Mã số: 844 01 06 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. TRẦN QUỐC DŨNG Thành phố Hồ Chí Minh - 2018
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài luận văn với tên "Mô phỏng hệ thống dẫn chùm positron chậm bằng phần mềm chuyên dụng" là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Trần Quốc Dũng. Các số liệu, kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa được sử dụng để bảo vệ một học vị nào khác. Các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc rõ ràng. Tác giả Bùi Xuân Huy
LỜI CẢM ƠN Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến PGS. TS. Trần Quốc Dũng – người Thầy đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn này. Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến quý thầy cô trong khoa Vật lí Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP. Hồ Chí Minh và Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam, những người thầy người cô đã truyền đạt cho tôi kiến thức quý báu và giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình tôi học tập tại trường. Bên cạnh đó, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến cử nhân Cao Thanh Long và nhóm nghiên cứu ở phòng Vật lí và phân tích hạt nhân Trung tâm Hạt nhân thành phố Hồ Chí Minh vì những giúp đỡ và hỗ trợ tận tình trong quá trình tôi nghiên cứu tại đây. Tôi cũng gửi lời cảm ơn đến phòng Đào tạo Sau đại học – Trường Đại học Sư phạm Tp. Hồ Chí Minh và Trường THPT Nguyễn Huệ - Lagi – Bình Thuận đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành khóa học. Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã ủng hộ, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua. Xin chúc quý thầy cô mạnh khỏe và thành công trong sự nghiệp trồng người. TP. Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 09 năm 2018 Tác giả Bùi Xuân Huy
MỤC LỤC Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DẪN CHÙM POSITRON CHẬM VÀ PHẦN MỀM SIMION.................................................................. 5 1.1. Positron ........................................................................................................ 5 1.2. Hệ thống dẫn chùm positron chậm ................................................................ 7 1.2.1. Nguồn phát positron .............................................................................. 8 1.2.2. Bộ làm chậm positron ............................................................................ 9 1.2.3. Bộ lọc positron .................................................................................... 11 1.2.4. Bộ vận chuyển chùm positron dùng điện từ trường .............................. 13 1.3. Tổng quan về phần mềm mô phỏng SIMION.............................................. 16 1.3.1. Phương pháp mô phỏng điện trường .................................................... 17 1.3.2. Phương pháp mô phỏng từ trường........................................................ 20 1.3.3. Phương pháp tính toán quỹ đạo của điện tích ....................................... 21 1.3.4. Sử dụng ngôn ngữ LUA trong phần mềm SIMION .............................. 24 Chương 2. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG DẪN CHÙM POSITRON CHẬM SỬ DỤNG PHẦN MỀM SIMION.................................................... 29 2.1. Kiểm tra hiệu lực tính toán mô phỏng của phần mềm SIMION ................... 29 2.1.1. Mô phỏng thành phần tạo từ trường ..................................................... 29 2.1.2. Mô phỏng thành phần tạo điện trường ................................................. 32 2.2. Mô phỏng hệ thống dẫn chùm positron chậm .............................................. 35 2.2.1. Mô phỏng hệ thống dẫn chùm positron chậm sử dụng bộ lọc ExB (PB – T0) ............................................................................................ 36
2.2.2. Mô phỏng hệ thống dẫn chùm positron chậm sử dụng bộ lọc dùng từ trường uốn cong 500 (PB – S50) ......................................................... 38 2.2.3. Mô phỏng hệ thống dẫn chùm positron chậm sử dụng bộ lọc dùng từ trường uốn cong 900 (PB – H90) ......................................................... 39 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................... 41 3.1. Khảo sát các mô hình thiết kế PB – T0, PB – S50 và PB – H90 .................. 41 3.1.1. Khảo sát với chùm positron đơn năng .................................................. 41 3.1.2. Khảo sát với chùm positron có năng lượng liên tục .............................. 43 3.1.3. Khảo sát với trường hợp làm lệch một cuộn solenoid........................... 47 3.1.4. Nhận xét .............................................................................................. 49 3.2. Khảo sát cho các thiết kế của hệ thống dẫn chùm positron chậm sử dụng bộ lọc dùng từ trường uốn cong trong nhóm PB – S ..................................... 50 3.2.1. Khảo sát với nguồn phát positron đơn năng ......................................... 50 3.2.2. Khảo sát với nguồn phát positron có năng lượng liên tục ..................... 53 3.2.3. Nhận xét .............................................................................................. 58 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................................. 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 62 PHỤ LỤC
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU PAS Positron Annihilation Spectroscopy Phương pháp phổ kế hủy cặp PALS Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy Phương pháp phổ kế đo thời gian sống positron DBS Doppler Broadening Spectroscopy Phương pháp phổ kế đo độ giãn nở Doppler SPONSOR Slow Positron System Of Rossendorf Hệ thống dẫn chùm positron chậm của Rossendorf – Đức LINAC The Linear Accelerator Máy gia tốc tuyến tính FWHM Full width at half maximum Độ rộng toàn phần ở vị trí nửa cực đại PB Positron Beam Hệ thống dẫn chùm positron chậm PB – T0 Hệ thống dẫn chùm positron chậm sử dụng bộ lọc ExB PB – S50 Hệ thống dẫn chùm positron chậm sử dụng bộ lọc dùng đoạn cong 500 kết hợp từ trường PB – H90 Hệ thống dẫn chùm positron chậm sử dụng bộ lọc dùng đoạn cong 900 kết hợp từ trường với cuộn solenoid ở đoạn cong quấn trực tiếp lên ống chân không
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Dữ liệu của một số đồng vị phóng xạ   thường dùng để tạo positron trong thiết bị dẫn chùm positron chậm .................................................... 8 Bảng 1.2. Một số biến được sử dụng trong các đoạn chương trình LUA ................ 26 Bảng 3.1. Kết quả thống kê tại bia mẫu trong trường hợp khảo sát với chùm hạt positron đơn năng ................................................................................. 41 Bảng 3.2. Kết quả thống kê tại bia mẫu trong trường hợp khảo sát chùm hạt positron có năng lượng phân bố liên tục ................................................ 44 Bảng 3.3. Kết quả thống kê tại bia mẫu trong trường hợp khảo sát với chùm hạt positron đơn năng cho hệ thống dẫn chùm positron chậm nhóm PB – S 51 Bảng 3.4. Kết quả thống kê tại bia mẫu trong trường hợp khảo sát với chùm hạt positron liên tục cho hệ thống dẫn chùm positron chậm nhóm PB – S ... 56 Bảng 3.5. Thông số thiết kế các thành phần điện của hệ thống dẫn chùm positron chậm theo mô hình PB – S70 ................................................................ 57 Bảng 3.6. Thông số thiết kế cho các cuộn dây của hệ thống dẫn chùm positron chậm theo mô hình PB – S70 ................................................................ 58 Bảng 3.7. Thông số thiết kế cho các cuộn dây lái của hệ thống dẫn chùm positron chậm theo mô hình PB – S70 ................................................................ 59
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Hình ảnh quỹ đạo của positron khi đi qua buồng mây Wilson được Anderson công bố vào năm 1933 - bằng chứng đầu tiên chứng tỏ sự tồn tại của positron ............................................................................. 5 Hình 1.2. Dạng Makhovian độ sâu thâm nhập của một chùm positron trong silic đơn tinh thể ............................................................................................. 6 Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý chung của hệ thống dẫn chùm positron chậm ................. 7 Hình 1.4. Bản vẽ thiết kế và hình ảnh thực tế của nguồn 22Na tại iThemba LABS .................................................................................. 8 Hình 1.5. Hình ảnh thực tế của một bộ làm chậm W(110) đơn tinh thể dưới dạng lưới đã được tháo rời ra khỏi bộ nguồn ................................... 9 Hình 1.6. Phân bố năng lượng của positron từ nguồn 22Na sau khi qua bộ làm chậm ......................................................................................... 10 Hình 1.7. Nguyên lý thiết kế và hình ảnh thực tế của bộ lọc ExB ........................... 11 Hình 1.8. Quỹ đạo xoắn ốc của positron trong từ trường đều B, với rc bán kính quỹ đạo và lg chiều dài hồi chuyển ................................ 12 Hình 1.9. Bộ lọc positron (e+) sử dụng đoạn uốn cong kết hợp từ trường……...….13 Hình 1.10. Cuộn solenoid (a) và cặp cuộn Helmholtz (b) ....................................... 13 Hình 1.11. Hình ảnh thực tế cuộn solenoid trong hệ thống dẫn chùm positron chậm ....................................................................................... 14 Hình 1.12. Hình ảnh thực tế của các cuộn dây lái ................................................... 14 Hình 1.13. Nguyên lý thiết kế của bộ phận gia tốc và hình ảnh thực tế của một bộ gia tốc dạng phễu .................................................... 15 Hình 1.14. Ma trận thế hai chiều trong SIMION. Điện thế của các điểm thuộc điện cực (màu đen) được người xác định và điện thế các điểm nằm ngoài điện cực (màu xanh) được SIMION tính toán. ...... 17
Hình 1.15. Giao diện Modify của phần mềm SIMION ........................................... 18 Hình 1.16. Dòng lệnh định nghĩa một đoạn ống cong 900 trong GEM file. ............. 19 Hình 1.17. Giao diện Refine của phần mềm SIMION ............................................ 19 Hình 1.18. Đoạn chương trình định nghĩa cuộn solenoid trong phần mềm SIMION .............................................................................. 20 Hình 1.19. Giao diện không gian làm việc của SIMION ........................................ 21 Hình 1.20. Giao diện Particles định nghĩa nguồn phát hạt trong không gian làm việc của phần mềm SIMION .......................................................... 22 Hình 1.21. File .ION định nghĩa nguồn phát gồm 5 hạt được tạo bằng excel .......... 22 Hình 1.22. Giao diện lựa chọn các thông số được ghi lại ở thẻ Particles của phần mềm SIMION ........................................................................ 23 Hình 1.23. Kết quả mô phỏng quỹ đạo của chùm hạt trong thấu kính Einzel bằng phần mềm SIMION với các chế độ xem hai chiều (a), ba chiều (b) và theo năng lượng (c) .......................................................................... 24 Hình 2.1. Bố trí hình học của các cuộn dây điện của hệ thống SPONSOR ............. 29 Hình 2.2. Hình ảnh thực tế của cuộn S1 (a), kết quả mô phỏng vec-tơ từ trường của cuộn dây (b) và hình ảnh cuộn dây được vẽ trên phần mềm SIMION (c).............................................................. 30 Hình 2.3. So sánh cảm ứng từ dọc trục cuộn H1 giữa kết quả mô phỏng bằng SIMION với kết quả đo đạc của hệ thống SPONSOR .................. 31 Hình 2.4. So sánh cảm ứng từ dọc trục cuộn S1 giữa kết quả mô phỏng bằng SIMION với kết quả đo đạc của hệ thống SPONSOR .................. 31 Hình 2.5. So sánh cảm ứng từ dọc trục cuộn S4 giữa kết quả mô phỏng bằng SIMION với kết quả đo đạc của hệ thống SPONSOR .................. 31 Hình 2.6. Thiết kế của bộ phận tiền gia tốc của hệ thống SPONSOR ..................... 32 Hình 2.7. Thiết kế của bộ phận gia tốc của hệ thống SPONSOR ............................ 32
Hình 2.8. So sánh kết quả tính toán quỹ đạo bay của 100 hạt positron đơn năng (3 eV) trong bộ tiền gia tốc giữa mô phỏng SIMION (b) (c) với kết quả từ tài liệu [36] (a) trong trường hợp từ trường B = 0 ..................................................................................... 33 Hình 2.9. So sánh kết quả tính toán quỹ đạo bay của 100 hạt positron đơn năng (3 eV) trong bộ tiền gia tốc giữa mô phỏng SIMION (b) (c) với kết quả từ tài liệu [36] (a) trong trường hợp có từ trường đều B = 100 Gauss.......................................... 34 Hình 2.10. So sánh kết quả tính toán quỹ đạo bay của 500 hạt positron đơn năng (30 eV) trong bộ gia tốc (50 kV) giữa mô phỏng SIMION (b) (c) với kết quả từ tài liệu [36] (a) trong trường hợp từ trường B = 0 ..................................................................................... 34 Hình 2.11. So sánh kết quả tính toán quỹ đạo bay của 500 hạt positron đơn năng (30 eV) trong bộ gia tốc (50 kV) giữa mô phỏng SIMION (b) (c) với kết quả từ tài liệu [36] (a) trong trường hợp có từ trường đều B = 100 Gauss ............................................................ 34 Hình 2.12. Thiết kế nguyên tắc của mô hình hệ thống dẫn chùm positron chậm sử dụng bộ lọc ExB ............................................................................... 36 Hình 2.13. Các thành phần của mô hình hệ thống dẫn chùm positron chậm sử dụng bộ lọc ExB: (1) bộ nguồn và tiền gia tốc, (2) bộ lọc ExB, (3) khối chuẩn trực, (4) bộ gia tốc chính, (5) khẩu độ, (6) bia mẫu ............................... 37 Hình 2.14. Thiết kế nguyên tắc của hệ thống dẫn chùm positron chậm sử dụng bộ lọc dùng từ trường uốn cong 500 ...................................................... 38 Hình 2.15. Các thành phần chính của mô hình hệ thống dẫn chùm positron chậm sử dụng bộ lọc dùng từ trường uốn cong 500: (1) bộ nguồn và tiền gia tốc, (2) bộ gia tốc chính, (3) khẩu độ, (4) bia mẫu........................................ 38 Hình 2.16. Thiết kế nguyên tắc của hệ thống dẫn chùm positron chậm sử dụng bộ lọc dùng từ trường uốn cong 900 ...................................................... 39
Hình 2.17. Các thành phần chính của mô hình hệ thống dẫn chùm positron chậm sử dụng bộ lọc dùng từ trường uốn cong 900: (1) bộ nguồn và tiền gia tốc, (2) bộ gia tốc chính, (3) khẩu độ, (4) bia mẫu ................ 40 Hình 3.1. Phân bố của chùm positron tại bề mặt bia mẫu của các mô hình PB – T0 (a), PB – S50 (b) và PB – H90(c) ............................................ 42 Hình 3.2. Phổ phân bố năng lượng của chùm positron tại bề mặt bia mẫu của các mô hình PB – T0 (a), PB – S50 (b) và PB – H90 (c) với nguồn phát đơn năng ....................................................................................... 43 Hình 3.3. Kết quả mô phỏng quỹ đạo của chùm positron năng lượng liên tục trong mô hình PB – T0.......................................................................... 44 Hình 3.4. Kết quả mô phỏng quỹ đạo của chùm positron năng lượng liên tục trong mô hình PB – S50 ........................................................................ 45 Hình 3.5. Kết quả mô phỏng quỹ đạo của chùm positron năng lượng liên tục trong mô hình PB – H90 ....................................................................... 45 Hình 3.6. Phổ phân bố năng lượng của chùm positron tại bề mặt bia mẫu của các mô hình PB – T0 (a), PB – S50 (b) và PB – H90 (c) với nguồn phát liên tục .......................................................................................... 46 Hình 3.7. Phân bố của chùm positron tại bề mặt bia mẫu cho mô hình PB – T0 khi không làm lệch cuộn solenoid (a) và làm lệch cuộn solenoid 1 cm (b) và 2 cm (c) ............................................................................ 47 Hình 3.8. Phân bố của chùm positron tại bề mặt bia mẫu cho mô hình PB – S50 khi không làm lệch cuộn solenoid (a) và làm lệch cuộn solenoid 1 cm (b) và 2 cm (c) ............................................................................ 48 Hình 3.9. Phân bố của chùm positron tại bề mặt bia mẫu cho mô hình PB – H90 khi không làm lệch cuộn solenoid (a) và làm lệch cuộn solenoid 1 cm (b) và 2 cm (c) ............................................................................ 48
Hình 3.10. Phân bố của chùm positron chậm trên bề mặt bia trong trường hợp positron đơn năng trong các mô hình PB – S30 (a), PB - S50 (b), PB - S70 (c) và PB - S90 (d) ................................................................. 50 Hình 3.11. Phân bố năng lượng của chùm positron tại bia mẫu cho các mô hình PB – S30, PB – S50, PB – S70 và PB – S90 ......................................... 52 Hình 3.12. Quỹ đạo của chùm positron năng lượng liên tục trong mô hình PB – S30 ................................................................................. 53 Hình 3.13. Quỹ đạo của chùm positron năng lượng liên tục trong mô hình PB – S50 ................................................................................. 53 Hình 3.14. Quỹ đạo của chùm positron năng lượng liên tục trong mô hình PB – S70 ................................................................................. 54 Hình 3.15. Quỹ đạo của chùm positron năng lượng liên tục trong mô hình PB – S90 ................................................................................. 54 Hình 3.16. Phân bố của chùm hạt positron trên bề mặt bia trong trường hợp năng lượng liên tục từ 0 – 10keV của các mô hình PB – S30 (a), PB – S50 (b), PB – S70(c) và PB – S90(d) ............................................ 55
1 MỞ ĐẦU Khoa học vật liệu nghiên cứu đến mối quan hệ của cấu trúc bên trong và tính chất của vật liệu (kim loại, vật liệu điện tử, polyme, gốm sứ, vật liệu tổng hợp, vật liệu sinh học), các quá trình thay đổi cấu trúc và tính chất của chúng, để thiết kế và sản xuất các vật liệu mới. Sự hiểu biết về cấu trúc vi mô của chất rắn và bản chất các khuyết tật ở cấp độ nguyên tử và hạ nguyên tử thường đóng vai trò quan trọng trong quá trình chế tạo vật liệu. Một trong những hướng nghiên cứu được sự quan tâm trong khoa học vật liệu là nghiên cứu về khuyết tật trong vật liệu. Ở cấp độ nguyên tử, các khuyết tật có thể được coi là sự sai lệch nhỏ về vị trí của các nguyên tử và chúng ảnh hưởng đến các tính chất vĩ mô của vật liệu. Ví dụ các khuyết tật có thể làm gia tăng hoặc suy giảm tính chất điện của các chất bán dẫn được dùng trong máy tính hoặc các thiết bị kỹ thuật số khác [2], [3]. Phương pháp phổ kế hủy cặp positron (PAS) dựa trên hiện tượng hủy cặp giữa một positron và một electron đã cung cấp một công cụ có độ nhạy cao để nghiên cứu cấu trúc vi mô và các khuyết tật trong vật liệu từ bề mặt đến độ sâu vài trăm nano-mét (10-9 m) [4]. Do đó, PAS có thể cung cấp thông tin bổ sung cho các phương pháp khác như kính hiển vi quang học, tán xạ nơ-tron, kính hiển vi điện tử truyền qua, kính hiển vi điện tử quét, kính hiển vi lực nguyên tử. Hơn nữa, PAS còn được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu các vật liệu dạng màng mỏng, cấu trúc lớp và các lớp phân cách giữa các vật liệu [4], [5]. Độ sâu của chùm positron khi đi vào vật liệu phụ thuộc vào năng lượng của chúng [6]. Với các chùm positron chậm có năng lượng dưới 40keV, phạm vi ứng dụng được mở rộng khi có thể nghiên cứu tính chất của vật liệu theo chiều sâu từ vài nano-mét đến vài micro-mét (10-6 m) [7]. Điều này làm cho chùm positron chậm có hiệu quả đặc biệt trong nghiên cứu lớp bề mặt, vùng gần bề mặt, các vật liệu có dạng màng mỏng, với độ sâu mà các phương pháp nghiên cứu khác như dùng tán xạ tia X, hoặc sử dụng chùm electron và nơ-tron năng lượng cao không đạt được [8], [9], [10], [11]. Việc xây dựng một hệ thống dẫn chùm positron chậm (PB) để phục vụ cho nghiên cứu khoa học đã được xây dựng ở nhiều quốc gia có nền khoa học phát triển trên thế giới. Có thể kể đến các hệ thống dẫn chùm positron chậm có quy mô lớn như
2 hệ NEPOMUC (the NEutron-induced POsitron source MUniCh) ở Munich – Đức, hệ POSH (POSitrons at the Hoger onderwijs reactor) ở Delft – Hà Lan, hệ KEK (High Energy Accelerator Research Organization) ở Nhật, hệ PULSTAR ở North Carolina – Mỹ, hệ MIPBF (McMaster Intense Positron Beam Facility) ở Ontario – Canada, Beijing Electron - Positron Collider (BEPC) ở Bắc Kinh – Trung Quốc… Bên cạnh đó, các hệ thống dẫn chùm positron chậm với quy mô nhỏ cũng được thiết kế và xây dựng ở các viện nghiên cứu và các trường Đại học lớn trên thế giới như hệ SPONSOR (Slow Positron System Of Rossendorf) ở Rossendorf – Đức, hệ SPOT (Slow Positron facility) ở Israel, hệ LEPTA (Low Energy Particle Toroidal Accumulator) ở Nga,… Cho đến năm 2018, ở nước ta việc sử dụng phương pháp PAS với các kỹ thuật đo thời gian sống của positron PALS và đo độ giãn nở Doppler DBS để nghiên cứu vật liệu đã được sử dụng tại Trung tâm Hạt nhân Thành phố Hồ Chí Minh và đạt được một số kết quả nhất định [12], [13]. Tuy nhiên, nguồn positron sử dụng từ hạt nhân 22Na có phổ năng lượng rộng không thể nghiên cứu các tính chất của vật liệu theo chiều sâu, đặc biệt là ở lớp bề mặt vật liệu. Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế xây dựng một hệ thống dẫn chùm positron chậm để thực hiện các nghiên cứu chuyên sâu để ứng dụng trong khoa học vật liệu, vật lý chất rắn…nâng cao trình độ khoa học trong nước ở các lĩnh vực này là điều rất cần thiết. Để việc thiết kế và xây dựng được khả thi cần phải giải quyết nhiều vấn đề. Một trong những vấn đề đầu tiên là phải hiểu rõ nguyên tắc thiết kế của hệ thống dẫn chùm positron chậm. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng hệ thống là một trong những cách tiếp cận hiệu quả và kinh tế. Vì vậy, tôi đã chọn đề tài “MÔ PHỎNG HỆ THỐNG DẪN CHÙM POSITRON CHẬM BẰNG PHẦN MỀM CHUYÊN DỤNG” làm nội dung nghiên cứu cho luận văn thạc sĩ. Mục tiêu của luận văn sử dụng phần mềm chuyên dụng – cụ thể là sử dụng phần mềm SIMION - để mô phỏng một số mô hình thiết kế của hệ thống dẫn chùm positron chậm. Từ các kết quả về quỹ đạo, chất lượng chùm tia như hiệu suất lọc năng lượng, bán kính và tính đơn năng của chùm positron thu được tại bia mẫu,… chúng tôi sẽ lựa chọn mô hình thiết kế nguyên tắc phù hợp để khảo sát chi tiết hơn. Cụ thể là, chúng tôi tiếp tục tiến hành khảo sát, tối ưu hóa các thông số thiết kế của mô hình
3 được lựa chọn. Cuối cùng, chúng tôi đưa ra một bộ thông số thiết kế nguyên tắc của hệ thống dẫn chùm positron chậm phục vụ cho các giai đoạn tiếp theo trong việc thiết kế và xây dựng một hệ thống dẫn chùm positron chậm. Để thực hiện được những mục tiêu nghiên cứu trên, những công việc cụ thể cần làm trong luận văn này là 1. Tìm hiểu về nguyên tắc và tham khảo một số mô hình thiết kế về hệ thống dẫn chùm positron chậm. 2. Tìm hiểu và sử dụng phần mềm SIMION mô phỏng một số mô hình thiết kế của hệ thống positron chậm. 3. Sử dụng phần mềm SIMION để khảo sát chuyển động của chùm positron trong các mô hình thiết kế để lựa chọn mô hình thiết kế phù hợp. 4. Sử dụng phần mềm SIMION để tối ưu các thông số thiết kế cho mô hình hệ thống dẫn chùm positron chậm. 5. Đưa ra bộ thông số thiết kế nguyên tắc cuối cùng phục vụ cho các giai đoạn thiết kế kỹ thuật và xây dựng hệ thống dẫn chùm positron chậm. Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm có 3 chương. Trong chương đầu tiên, chúng tôi trình bày tổng quan về hệ thống dẫn chùm positron chậm và nêu tổng quan về phần mềm mô phỏng SIMION. Trong chương hai, luận văn trình bày một số kết quả kiểm tra hiệu lực mô phỏng của phần mềm SIMION đối với hệ thống dẫn chùm positron chậm. Bên cạnh đó, trong chương này chúng tôi sử dụng SIMION để mô phỏng một số mô hình thiết kế hệ thống dẫn chùm positron chậm. Trong chương cuối, luận văn sẽ trình bày kết quả mô phỏng khi cho chùm positron chuyển động trong các mô hình thiết kế để đánh giá và lựa chọn mô hình thiết kế khả thi và phù hợp nhất. Sau đó, chúng tôi tiếp tục tối ưu hóa các thông số thiết kế của mô hình đã được lựa chọn để thu được bộ thông số thiết kế cuối cùng cho hệ thống dẫn chùm positron chậm. Trong chương 1, “Tổng quan về hệ thống dẫn chùm positron chậm và phần mềm SIMION” , chúng tôi trình bày về nguyên tắc của một số thành phần chính trong hệ thống dẫn chùm positron chậm như nguồn phát positron, bộ làm chậm, bộ lọc positron, bộ vận chuyển chùm positron dùng điện từ trường. Tiếp theo, chúng tôi nêu
4 tổng quan phần mềm SIMION, các cách thức mà phần mềm này sử dụng để mô phỏng điện trường, từ trường và tính toán quỹ đạo của điện tích. Trong chương 2, “Mô phỏng hệ thống dẫn chùm positron chậm sử dụng phần mềm SIMION”, chúng tôi sử dụng phần mềm SIMION mô phỏng lại thành phần tạo điện trường và từ trường trong hệ thống dẫn chùm positron chậm SPONSOR và so sánh các kết quả thu được với các kết quả đã được công bố để kiểm tra hiệu lực tính toán mô phỏng của phần mềm SIMION. Sau đó, chúng tôi sử dụng SIMION mô phỏng một số mô hình thiết kế của hệ thống dẫn chùm positron chậm như hệ thống sử dụng bộ lọc ExB, hệ thống sử dụng từ trường uốn cong 500 và 900. Trong chương 3, “Kết quả và thảo luận”, chúng tôi trình bày các kết quả khảo sát khi cho chùm positron chuyển động trong các mô hình đã được mô phỏng để đánh giá về hiệu suất dẫn chùm, bán kính và tính đơn năng của chùm positron thu được tại bia mẫu và hiệu suất lọc positron của các mô hình. Từ đó, chúng tôi lựa chọn mô hình thiết kế hiệu quả, khả thi nhất để tiếp tục khảo sát chi tiết hơn và cuối cùng lựa chọn bộ thông số tối ưu của hệ thống dẫn chùm positron chậm. Kết luận và hướng phát triển là phần cuối cùng của luận văn, trong phần này sẽ trình bày tóm tắt những kết quả đạt được khi thực hiện luận văn và nêu hướng phát triển cho đề tài luận văn này.
5 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DẪN CHÙM POSITRON CHẬM VÀ PHẦN MỀM SIMION 1.1. Positron Năm 1928, Paul Dirac công bố bài báo với nhan đề “Lý thuyết lượng tử của electron”. Trong bài báo này giới thiệu phương trình Dirac nói lên mối lên hệ của cơ học lượng tử, hiệu ứng tương đối tính và spin để giải thích hiệu ứng Zeeman. Trong bài báo này dự đoán sự tồn tại phản hạt của electron – sau này gọi là positron và dẫn đến khái niệm phản vật chất [14]. Hình 1.1. Hình ảnh quỹ đạo của positron khi đi qua buồng mây Wilson được Anderson công bố vào năm 1933 - bằng chứng đầu tiên chứng tỏ sự tồn tại của positron [15]. Một năm sau đó, cả Dmitri Skobeltsyn và Chung – Yao Chao quan sát được hạt giống với electron nhưng có điện tích ngược dấu [5]. Vào năm 1933, Carl David Anderson công bố hình ảnh kiểm chứng về sự tồn tại của positron khi cho tia vũ trụ đi qua buồng mây Wilson (hình 1.1) [15]. Và khám phá này đã được giải Nobel Vật lí vào năm 1936. Ở điều kiện ổn định trong chân không, positron có cùng khối lượng (510,9989461(13) keV/c2) và spin (1/2) với electron nhưng có điện tích (1,60216565(35)×10-19 C) và mô-men từ (9284,764×10-27 J/T) trái dấu với electron [16].
6 Khi một positron và một electron có động năng thấp và spin ngược nhau gặp nhau sẽ xảy ra hiện tượng hủy cặp biến đổi thành các hạt photon. Thông thường, sự hủy cặp giữa một positron nhiệt và một electron trong vật chất sẽ tạo thành hai photon (chiếm khoảng 99,7%) [6]. Do sự bảo toàn về năng lượng và động lượng, mỗi photon có năng lượng 511 keV (bằng năng lượng nghỉ của mỗi hạt) và phát ra theo hai hướng ngược nhau [17]. Bằng cách ghi nhận và phân tích photon này, chúng ta có thể thu được thông tin từ quá trình hủy. Các kỹ thuật ứng dụng chùm positron được thực hiện đầu tiên vào những năm 1960 và được phát triển mạnh mẽ. Độ sâu (µm) Hình 1.2. Dạng Makhovian độ sâu thâm nhập của một chùm positron trong silic đơn tinh thể [6], trong đó z độ sâu trung bình của positron đi vào silic Mặt khác, độ sâu trung bình của các positron khi thâm nhập vào vật chất tăng theo động năng ban đầu của nó và có dạng Makhovian [18]. Ví dụ sự phụ thuộc của độ sâu thâm nhập theo động năng của positron vào đơn tinh thể silic được thể hiện như hình 1.2. Hệ thống dẫn chùm positron chậm tạo ra các chùm positron đơn năng, có cường độ cao để nghiên cứu các đặc tính vật liệu theo chiều sâu, đặc biệt với năng lượng của positron chậm phù hợp có thể nghiên cứu vật liệu ở lớp bề mặt hoặc các vật liệu có dạng màng mỏng. Ngày nay, hệ thống dẫn chùm positron chậm được phát triển, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như y học, sinh học, vật lý, vật liệu, hóa học và thiên văn [5].
7 1.2. Hệ thống dẫn chùm positron chậm Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý chung của hệ thống dẫn chùm positron chậm Một hệ thống dẫn chùm positron chậm về cơ bản gồm có các thành phần chính sau: nguồn phát positron, bộ làm chậm, bộ lọc năng lượng, bộ vận chuyển chùm positron từ bộ làm chậm đến bia mẫu và ít nhất một đầu dò. Sơ đồ nguyên lý chung của hệ thống dẫn chùm positron chậm được thể hiện như hình 1.3. Sau khi phát ra từ nguồn, các positron đi vào bộ làm chậm để tăng cường độ chùm positron chậm đơn năng. Tiếp đó, chùm positron được tiền gia tốc đi tới bộ lọc để loại bỏ các positron nhanh. Chùm positron còn lại được gia tốc đến năng lượng mong muốn trước khi tương tác với mẫu. Quá trình dẫn chùm positron được diễn ra trong một môi trường chân không cao với từ trường đều được tạo ra từ các cuộn solenoid và các cặp cuộn Helmholtz. Tiếp theo, chúng tôi trình bày về cấu tạo và nguyên lý của các thành phần chính trong hệ thống dẫn chùm positron chậm.