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

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

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

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

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

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.

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

J/T) trái dấu với electron

(1,60216565(35)×10-19 C) và mô-men từ (9284,764×10-27

[16].

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 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].

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.

1.2.1. Nguồn phát positron

Bảng 1.1. Dữ liệu của một số đồng vị phóng xạ thường dùng để tạo positron

trong thiết bị dẫn chùm positron chậm [19]

22Na

Năng lượng cực đại Tỉ lệ phát positron Nguồn Chu kì bán rã (keV) (%)

58Co

545,5 2,6 năm 89,84

64Cu

475,2 70,82 ngày 14,96

652,5 12,7 giờ 17,86

Bộ phận đầu tiên của một hệ thống dẫn chùm positron chậm chính là nguồn

phát positron. Ở các phòng thí nghiệm nhỏ thường sử dụng đồng vị phóng xạ để làm

nguồn phát positron, các đồng vị thường được sử dụng là 22Na, 58Co và 64Cu (xem

bảng 1.1). 64Cu có chu kỳ bán rã 12,7 giờ được sản xuất ở các lò phản ứng nghiên

cứu bằng phản ứng hạt nhân 63Cu(n,γ)64Cu [5], [20]. Đồng vị 58Co có chu kỳ bán rã

dài hơn của Cu cho nên hoạt độ và cường độ của chùm có thể coi không đổi trong

thời gian đo lường.58Co có chu kỳ bán rã dài hơn của Cu và được sản xuất bằng cách

chiếu nơ-tron nhanh vào 58Ni [21], [22]. Tuy nhiên, ở các hệ thống dẫn chùm positron

chậm nhỏ thì nguồn đồng vị 22Na được sử dụng phổ biến nhất. Nguồn 22Na có nhiều

ưu điểm so với các nguồn đồng vị khác như tỉ lệ phát positron cao (89,84%), chu kỳ

bán rã đủ dài để không phải thay nguồn thường xuyên. Mặt khác, nguồn 22Na dùng

cho hệ PB cũng được Viện nghiên cứu iThemba LABS - Nam Phi sản xuất thương

mại theo thiết kế của Trường Đại học Martin Luther - Đức [23] (hình 1.4).

Hình 1.4. Bản vẽ thiết kế và hình ảnh thực tế của nguồn 22Na dùng trong hệ PB

tại iThemba LABS [23]

Ở các cơ sở có hệ PB quy mô lớn, nguồn phát positron được tạo ra dựa trên

máy gia tốc tuyến tính LINAC [24], [25], [26] và lò phản ứng hạt nhân [27], [28] để

cung cấp các tia gam-ma năng lượng cao cho hiện tượng tạo cặp sinh ra positron.

1.2.2. Bộ làm chậm positron

Các positron được phát ra từ các nguồn nêu ở phần trước đều có phổ năng

lượng liên tục, rộng và phát ra gần như đẳng hướng. Bộ làm chậm sử dụng trong hệ

PB với mục đích tạo ra chùm positron đơn năng với động năng thấp, cường độ lớn và

góc phát nhỏ. Khi positron đi vào một vật liệu có thể bị hủy, nhiệt hóa và khuếch tán

thông qua các cơ chế tán xạ. Với một số bề mặt vật liệu kim loại, một tỉ lệ nhỏ các

hạt positron khuếch tán tới bề mặt của vật liệu sẽ được phát ra khỏi bề mặt gần như

theo hướng vuông góc với bề mặt vật liệu với một năng lượng xác định tuỳ thuộc vào

bản chất của vật liệu sử dụng [5]. Những vật liệu có tính chất như vậy được sử dụng

để chế tạo bộ làm chậm cho các hệ PB.

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 [23]

Vật liệu được sử dụng phổ biến nhất là Volfram (W) đơn tinh thể vì có nhiều

ưu điểm như có cấu trúc ổn định, nhiệt độ nóng chảy cao, chi phí thấp, hiệu suất làm

chậm cao hơn so với các kim loại khác [5]. Bộ làm chậm dùng W thường được gia

công dưới dạng màng hoặc dạng lưới và được chế tạo đi liền với bộ nguồn của hệ

thống PB (hình 1.5). Hiệu suất làm chậm không chỉ phụ thuộc vào bề dày của màng

vật liệu mà còn phụ thuộc vào các tính chất bề mặt của vật liệu. Các màng hoặc lưới

làm chậm bằng vật liệu kim loại này thường được nung đến nhiệt độ gần 80% nhiệt

độ nóng chảy của vật liệu trong điều kiện độ chân không nhỏ hơn 10-6 Pa để loại bỏ

các sai hỏng bên trong cũng như trên bề mặt của vật liệu, qua đó làm tăng hiệu suất

làm chậm [5].

Hình 1.6. Phân bố năng lượng của positron từ nguồn 22Na sau khi qua bộ làm

chậm [5]

Với bộ làm chậm dùng W (110) có bề dày khoảng 2 µm thì hiệu suất làm

chậm khoảng 10-4, các positron được làm chậm khi thoát ra gần như vuông góc với

bề mặt W và có năng lượng khoảng 3 eV [29]. Phần lớn các positron phát ra từ nguồn

có năng lượng cao sẽ truyền qua bộ làm chậm. Như vậy, sau quá trình làm chậm sẽ

có một đỉnh đơn năng đóng góp vào phổ năng lượng của nguồn phát. Ví dụ như trong

hình 1.6 thể hiện phổ năng lượng của chùm positron sau khi qua bộ làm chậm với

đỉnh đơn năng khoảng 3 eV đóng góp vào phổ liên tục của nguồn 22Na.

Ngoài các vật liệu kim loại, bộ làm chậm sử dụng khí hiếm rắn như Ne, Ar,

Kr, Xe… được dùng cho hệ PB cũng được quan tâm nghiên cứu. Với bộ làm chậm

sử dụng khí hiếm thì hiệu suất làm chậm cao hơn (khoảng 10-2) nhưng quá trình chế

tạo các vật liệu này lại rất phức tạp, tốn kém, khó khăn trong quá trình duy trì vận

hành và bảo trì. Ngoài ra, bộ làm chậm cho hệ PB có thể các chất bán dẫn nhiều lớp

(như GaN, SiC...) [5].

1.2.3. Bộ lọc positron

Hiện nay hiệu suất làm chậm của các vật liệu đã biết là tương đối thấp

(khoảng 10-2 đến 10-5), do đó trong chùm positron qua bộ làm chậm ngoài các positron

đơn năng được làm chậm thì có một lượng rất lớn các positron mang năng lượng cao,

liên tục phát ra từ nguồn. Vì vậy, hệ thống dẫn chùm positron chậm cần một bộ lọc

để loại bỏ các positron nhanh này. Hiện nay, có hai phương pháp chính sử dụng để

lọc positron đó là bộ lọc ExB và bộ lọc dùng từ trường uốn cong.

a) Bộ lọc ExB

Hình 1.7. Nguyên lý thiết kế và hình ảnh thực tế của bộ lọc ExB [30]

Nguyên lý cơ bản của bộ lọc này là sử dụng trường tĩnh điện được tạo ra bởi

hai bản điện cực (dạng phẳng hoặc dạng cong) đặt cách đều trục chùm tia và kết hợp

với một từ trường đều có hướng dọc theo hướng bay của chùm tia tới (hình 1.7).

Với hệ thống chùm positron chậm thông thường, từ trường đều B có hướng

dọc theo chuyển động của chùm hạt (theo phương Oz như trên hình 1.7) trong khi đó

điện trường E tạo bởi hai bản điện cực có hướng vuông góc với từ trường B. Dưới

tác dụng của lực Lorentz, các hạt positron bị lệch theo phương thẳng đứng (phương

(1.1)

Oy) với một vận tốc vy có độ lớn không đổi theo công thức (1.1) [30]:

Các hạt positron khi di chuyển bên trong bộ lọc sẽ bị lệch hướng bay theo phương

thẳng đứng (phương Oy) với một độ lệch d thoả mãn công thức (1.2) [30]:

(1.2)

Trong đó, E là giá trị cường độ điện trường giữa hai bản điện,

B là cảm ứng từ dọc theo trục chùm tia,

L là chiều dài của hai bản điện cực,

TB là động năng của hạt positron,

m là khối lượng của hạt positron.

Công thức (1.2) cho thấy độ lệch tương ứng của hạt positron phụ thuộc vào

năng lượng ban đầu của hạt, cụ thể các hạt positron có năng lượng thấp bị lệch nhiều

hơn so với các hạt có năng lượng cao. Do đó bằng cách thiết kế và lựa chọn các giá

trị thông số như kích thước của các bản điện cực, giá trị điện áp của các bản điện cực,

giá trị từ trường một cách thích hợp, đồng thời sử dụng một khối chì có hình dạng và

kích thước phù hợp, các hạt positron sau khi được làm chậm có năng lượng thấp sẽ

được làm lệch hướng bay và được giữ lại trong chùm tia ban đầu, trong khi đó phần

lớn các positron có năng lượng cao sẽ bị chặn bởi khối chì.

b) Bộ lọc dùng đoạn uốn cong kết hợp từ trường

Từ trường

(B) lg

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

Khi positron chuyển động trong từ trường đều dưới tác dụng của lực Lorentz

thì quỹ đạo của positron có bản hình xoắc ốc với bán kính rc và chiều dài hồi chuyển

lg như hình 1.8. Trong trường hợp phi tương đối tính, bán kính xoắn ốc và chiều dài

hồi chuyển được tính theo các công thức sau:

(1.3)

(1.4)

trong đó m và e là khối lượng và điện tích positron, B là cảm ứng từ của từ trường, v

và α là vận tốc của positron và góc hợp bởi vận tốc của positron với cảm ứng từ.

Hình 1.9. Bộ lọc positron (e+) sử dụng đoạn uốn cong kết hợp từ trường [32]

Như vậy, các positron có động năng khác nhau thì bán kính xoắn ốc và độ

dài hồi chuyển khác nhau. Trong hệ PB, có thể kết hợp đoạn uốn cong và từ trường

phù hợp để loại bỏ các positron nhanh. Hình 1.9 là sơ đồ về bộ lọc sử dụng đoạn uốn

cong 900 kết hợp từ trường được sử dụng trong hệ thống dẫn chùm positron chậm tại

trường Đại học Halle – Đức [32].

1.2.4. Bộ vận chuyển chùm positron dùng điện từ trường

a) Thành phần tạo từ trường dẫn chùm positron

(b)

Hình 1.10. Cuộn solenoid (a) [38] và cặp cuộn Helmholtz (b) [39]

Chùm positron được dẫn trong hệ PB nhờ vào từ trường được tạo bởi các

cuộn solenoid và các cuộn Helmholtz (hình 1.10). Các cuộn dây này được tính toán

thiết kế và bố trí dọc theo toàn bộ hệ thống một cách hợp lý với mục đích tạo ra một

từ trường đều dọc theo trục bên trong hệ thống, nhằm đảm bảo cho sự dẫn chùm

positron từ nguồn phát cho tới vị trí bia mẫu một cách chính xác.

Hình 1.11. Hình ảnh thực tế cuộn solenoid trong hệ thống dẫn chùm positron

chậm [31]

Trong thực tế, từ trường dọc trục bên trong hệ PB có độ lớn sẽ giảm dần về

phía hai đầu các cuộn solenoid do kích thước và khoảng trống giữa các cuộn dây. Vì

vậy, ở hai đầu mỗi cuộn solenoid thường được quấn thêm một số vòng để có thể tạo

ra một từ trường đồng đều nhất có thể ở bên trong hệ PB (hình 1.11).

Hình 1.12. Hình ảnh thực tế của các cuộn dây lái [31],[32].

Một trong những điều kiện quan trọng để chùm tia có thể di chuyển chính

xác từ nguồn phát cho tới buồng chứa mẫu là phải đảm bảo cho chùm tia di chuyển

tương đối dọc theo trục của hệ thống. Một số yếu tố có thể làm ảnh hưởng đến sự

dịch chuyển nhất định của chùm tia theo phương nằm ngang hoặc theo phương thẳng

đứng. Các yếu tố đó bao gồm sự không đồng đều của từ trường bên trong hệ thống,

do ảnh hưởng của từ trường Trái Đất hoặc do tác dụng của chuyển động ly tâm trong

trường hợp sử dụng đoạn ống cong. Do đó bên cạnh các cuộn dây tạo từ trường chính

thì hệ thống cũng cần có các cuộn dây lái tạo ra từ trường nhỏ để hiệu chỉnh lại độ

lệch của chùm tia trong quá trình vận chuyển. Các cuộn dây lái thông thường được

thiết kế đơn giản bao gồm hai cặp cuộn dây nhỏ được bố trí cố định và cách đều thành

ống chân không hoặc có thể được gắn trực tiếp vào thành ống chân không sao cho từ

trường tạo ra bởi mỗi cuộn có hướng vuông góc với trục của chùm tia (hình 1.12).

Cường độ dòng điện cung cấp cho mỗi cuộn dây lái được thay đổi và điều chỉnh một

cách thích hợp sao cho chùm tia có thể di chuyển dọc theo trục của hệ thống.

b) Thành phần tạo điện trường

Trong hệ thống dẫn chùm positron chậm, điện trường được tạo bởi bộ tiền

gia tốc và gia tốc chính của hệ thống nhằm mục đích tăng tốc chùm positron. Bộ tiền

gia tốc gồm hệ thống các điện cực dạng vòng đồng trục với điện thế giảm dần, được

đặt ngay sau bộ làm chậm để gia tốc chùm positron đơn năng đến động năng vừa đủ

để di chuyển trong môi trường chân không đến bộ gia tốc chính của hệ thống.

Điện cực

Vật liệu cách điện

Chùm positron

Điện trở

Hình 1.13. Nguyên lý thiết kế của bộ phận gia tốc [31] và hình ảnh thực tế của một bộ gia tốc dạng phễu

Bộ gia tốc chính thường được thiết kế gồm từ 5 đến 12 điện cực được làm

bằng thép không gỉ dạng tròn hoặc phễu (hình 1.13) với kích thước lỗ nằm giữa các

điện cực từ 15 mm đến 20 mm [31]. Các điện cực này được bố trí nằm cách đều nhau

và được cách điện bằng các vật liệu bằng gốm hoặc thủy tinh. Điện áp của các điện

cực của bộ phận gia tốc thông thường được cung cấp bởi các nguồn cao thế. Điện áp

này có thể thay đổi để tạo ra chùm positron với động năng nhất định khi tới buồng

chứa mẫu phục vụ cho các mục đích nghiên cứu khác nhau. Các điện trở được nối

giữa các điện cực gia tốc để chia điện áp cung cấp cho bộ phận gia tốc thành các bước

gia tốc khác nhau. Để có thể gia tốc các hạt positron đến buồng chứa mẫu, toàn bộ

thành phần hệ thống từ nguồn cho tới buồng gia tốc phải nằm ở mức điện áp cao và

thành phần hệ thống từ phía sau gia tốc cho tới buồng chứa mẫu được đặt ở điện thế

0 V.

Ngoài các bộ phận chính nêu ở trên, hệ thống dẫn chùm positron chậm còn

có nhiều hệ thống nhỏ khác như hệ thống tạo chân không, hệ thống cung cấp điện, hệ

thống đầu dò và hệ thống điện tử để ghi nhận xử lý thông tin, hệ thống che chắn an

toàn…Trong phạm vi của luận văn này, chúng tôi sử dụng phần mềm SIMION tập

trung mô phỏng các thành phần tạo điện trường và từ trường để đánh giá hiệu suất

dẫn và chất lượng chùm positron khi di chuyển trong hệ thống PB.

1.3. Tổng quan về phần mềm mô phỏng SIMION

SIMION được biết đến là một phần mềm được sử dụng rộng rãi để mô phỏng

các hệ thống liên quan đến chuyển động của điện tích trong điện từ trường [33]. Phần

mềm này có thể tính toán điện từ trường và quỹ đạo của điện tích trong hệ tọa độ hai

chiều hoặc ba chiều khi điện áp của các điện cực và các điều kiện ban đầu (hạt, từ

trường, hiệu ứng tương tác…) được cung cấp. Ngoài ra, SIMION còn cung cấp các

công cụ hỗ trợ để mô phỏng cấu trúc hình học các mô hình vật lý phức tạp (như các

đầu dò dùng trong phương pháp phổ khối, đo thời gian bay, tứ cực điện, nguồn phát

ion, đầu dò quang học…) và đặc biệt người dùng có thể mở rộng khả năng mô phỏng

của SIMION bằng các ngôn ngữ lập trình như C, LUA... [33], [34].

SIMION được phát triển phiên bản đầu tiên vào cuối những năm 70 bởi Don

McGilvery tại Đại học Latrobe, Melbourne, Australia. Các phiên bản máy tính cá

nhân đầu tiên vào những năm đầu của thập niên 80 và được phát triển trong hai thập

kỉ đến phiên bản 7 bởi nhóm David Dahl tại phòng thí nghiệm quốc gia Hoa Kỳ (thuộc

Bộ năng lượng Hoa Kỳ). Hiện nay, SIMION được phát triển tại công ty Scientific

Instrument Services, Inc (SIS) Hoa Kỳ với phiên bản thương mại mới nhất SIMION

8.1 [35].

1.3.1. Phương pháp mô phỏng điện trường

Hình 1.14. Ma trận thế 2 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.

Để mô phỏng trường tĩnh điện, phần mềm SIMION sử dụng khái niệm ma

trận thế làm cơ sở để định nghĩa và tính toán các trường . Cấu trúc của ma trận thế là

một lưới các điểm cách đều nhau, tạo thành các lưới hình vuông trong mặt phẳng hai

chiều hoặc hình lập phương trong không gian ba chiều và được gắn liền với một hệ

trục tọa độ Descartes (Oxyz). Mỗi điểm trên ma trận thế chứa thông tin về vị trí và

điện thế tại điểm đó trong không gian của trường. Trên ma trận thế, người dùng cần

tạo các điện cực với cấu trúc hình học và điện thế xác định. Điện thế của các điểm

nằm ngoài điện cực được SIMION tính toán (hình 1.14).

Hình 1.15. Giao diện Modify của phần mềm SIMION

SIMION cho phép thiết kế cấu trúc hình học của các điện cực bằng nhiều

cách. Với các dạng đơn giản, người dùng có thể sử dụng giao diện Modify (hình 1.15)

để định nghĩa các điện cực. Ở đây, phần mềm SIMION cung cấp một số dạng hình

học cơ bản như đường thẳng, hình tròn, hình elip, hình parabol…Ngoài ra, trong giao

diện Modify người dùng có thể thay đổi điện thế của các điện cực, kích thước của ma

trận thế, lựa chọn các dạng đối xứng phù hợp hoặc chế độ hiển thị ba chiều của ma

trận thế.

Đối với các dạng hình học phức tạp, người dùng có thể tạo các tập tin định

nghĩa hình học (GEM file) dưới dạng ASCII với cấu trúc dòng lệnh theo quy tắc của

phần mềm. SIMION sẽ biên dịch GEM file và chuyển đổi nó thành dạng hình học

tương ứng trong giao diện Modify. Với cách này, các cấu trúc hình học được mô

phỏng một cách chi tiết và chính xác hơn so với cách sử dụng các công cụ trong giao

diện Modify. Ví dụ, hình 1.16 mô tả một đoạn chương trình để định nghĩa một đoạn

ống cong 900.

Hình 1.16. Dòng lệnh định nghĩa một đoạn ống cong 900 trong GEM file.

Ngoài ra, người dùng còn có thể chuyển đổi các tập tin (file) định dạng STL

trực tiếp từ phần mềm đồ hoạ CAD, các tập tin định dạng BMP hai chiều thành các

tập tin ma trận thế hoặc sử dụng các ngôn ngữ lập trình như C++, Perl, Python, Lua…

để tạo các file ma trận thế, giúp cho việc mô hình hoá hệ thống được trung thực và

chính xác hơn. Các phương pháp này đặc biệt phù hợp với những thiết kế đã được

chuẩn bị sẵn dưới các định dạng khác (STL, ASCII…), người dùng chỉ cần chuyển

đổi trực tiếp thành file đầu vào để cung cấp cho SIMION mà không cần thiết phải

thiết kế lại trên giao diện Modify của chương trình.

Hình 1.17. Giao diện Refine của phần mềm SIMION

Sau khi, ma trận thế với các điện cực đã được xác định. SIMION tính toán

giá trị điện thế tất cả các điểm nằm trong ma trận thế bằng cách giải phương trình

Laplace:

(1.5),

phương trình (1.5) được SIMION giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn với kỹ

thuật lặp giảm dư quá hạn (over – relaxation) làm giảm số vòng lặp và thời gian tính

toán [32]. Quá trình giải tìm các giá trị của điện thế được SIMION tiến hành trong

giao diện Refine (hình 1.17), sau khi quá trình hoàn thành các giá trị của điện thế tại

tất cả các điểm trong ma trận thế được xác định.

1.3.2. Phương pháp mô phỏng từ trường

Việc tính toán từ trường phức tạp hơn so với điện trường. Thế từ trường có

thể được hiểu dưới dạng thế vô hướng hoặc thế vec-tơ. Với mỗi dạng, SIMION có

những phương pháp tính toán riêng. Đối với thế vô hướng, từ trường có thể được tính

toán như điện trường, bằng cách định nghĩa các cực từ và ma trận thế trong giao diện

Modify, sau đó SIMION sẽ tính toán giá trị từ trường của các điểm nằm ngoài cực từ

bằng phương pháp sai phân hữu hạn trong giao diện Refine. Trong trường hợp thế từ

trường vec-tơ, SIMION cung cấp thư viện simionx.MField để tính toán từ trường tạo

bởi các cuộn dây mang dòng điện dựa trên định luật Biot – Savart được viết bằng

ngôn ngữ LUA. Ví dụ, trong hình 1.18 bên dưới mô tả đoạn chương trình định nghĩa

cuộn solenoid gồm1000 vòng, bán kính 10mm, có dòng điện 0,7958 A chạy qua.

Ngoài ra, từ trường có thể được tính toán bằng một chương trình khác và đưa vào

SIMION dưới dạng văn bản [33].

Hình 1.18. Đoạn chương trình định nghĩa cuộn solenoid trong phần mềm

SIMION

1.3.3. Phương pháp tính toán quỹ đạo của điện tích

a) Không gian làm việc (ion optics workbench)

Hình 1.19. Giao diện không gian làm việc của SIMION với các đối tượng được

sắp xếp bên trong

Để xây dựng mô hình hệ thống và tính toán quỹ đạo chuyển động của hạt

mang điện bên trong hệ thống, các ma trận thế chứa các thành phần cần thiết của mô

hình sau khi được tính toán sẽ được người dùng bố trí vào không gian làm việc của

phần mềm SIMION dưới dạng các đối tượng (instances) (hình 1.19). Không gian làm

việc được hiểu là một vùng không gian ba chiều có dạng hình hộp chữ nhật được

chương trình sử dụng để thực hiện các quá trình mô phỏng. Không gian này gắn liền

với một hệ trục tọa độ Descartes khác để xác định vị trí của các đối tượng cần thiết

trong hệ thống cần mô phỏng. Tất cả các đối tượng cần thiết của mô hình hệ thống

phải nằm bên trong không gian làm việc này. Các hạt mang điện với các thông số ban

đầu (khối lượng, điện tích của hạt, vị trí, năng lượng, phân bố góc...) sẽ được định

nghĩa và mô phỏng, đồng thời quỹ đạo chuyển động của điện tích cũng được SIMION

tính toán bên trong không gian làm việc.

b) Định nghĩa nguồn phát hạt

Hình 1.20. Giao diện Particles định nghĩa nguồn phát hạt trong không gian

TOB, Mass, Charge, X, Y, Z, AZ, EL, KE, CWF, Color 0, 100, 1, 0, 0, 0, 274.53, 99.12, 0.1, 1, 0 0, 100, 2, 0, 0, 0, -201.81, 117.59, 0.2, 1, 1 0, 100, 5, 0, 0, 0, -13.76, 115.17, 0.3, 1, 1 0, 100, 1, 0, 0, 0, 320.86, 101.03, 10, 1, 3 0, 100, -1, 0, 0, 0, 150.72, 118.13, 0.1, 1, 12

làm việc của phần mềm SIMION

Hình 1.21. File .ION định nghĩa nguồn phát gồm 5 hạt được tạo bằng excel

Phần mềm cho phép định nghĩa nguồn phát hạt với các thông số như: khối

lượng, điện tích, động năng, vị trí hướng phát, màu sắc hạt…theo nhiều cách khác

nhau. Người dùng có thể định nghĩa nguồn phát hạt trực tiếp trong không gian làm

việc trong thẻ Particles (hình 1.20), tạo một file định dạng .ION bằng excel (hình

1.21) hoặc tạo một file .FLY dưới dạng ASCII với cấu trúc được SIMION quy định.

c) Tính toán quỹ đạo của điện tích

Sau khi các giá trị thế của điện từ trường đã được tính toán và đưa vào không

gian làm việc của SIMION dưới dạng các đối tượng để xây dựng các mô hình cần mô

phỏng. Quá trình tính toán quỹ đạo của hạt điện tích bao gồm nhiều quá trình phụ

thuộc lẫn nhau. Đầu tiên, các giá trị điện trường E và từ trường B được tính toán dựa

vào các giá trị thế đã biết trong không gian và vị trí hiện tại của hạt mang điện. Từ

các giá trị của điện trường và từ trường có thể tính lực tác dụng lên điện tích theo

công thức: (1.6)

trong đó, E và B là cường độ điện trường và cảm ứng từ, q và v là điện tích và vận

tốc của hạt.

(1.7)

(1.8)

(1.9)

Sau đó, SIMION tiếp tục tính gia tốc của hạt dựa vào phương trình II Newton

(1.7). Khi đã có gia tốc của hạt, SIMION sử dụng phương pháp Runge – Kutta bậc 4

giải các tích phân (1.8) và (1.9) để dự đoán vận tốc và vị trí của hạt trong tương lai

với các bước thời gian được tối ưu để thu được kết quả chính xác nhất. Phần mềm

SIMION có thể ghi lại các giá trị của trường như thế và cường độ, các thông số của

hạt chuyển động như khối lượng, vị trí, vận tốc, gia tốc… trực tiếp trên giao diện làm

việc hoặc tạo thành file excel để phục vụ cho mục đích nghiên cứu cụ thể (hình 1.22).

Ngoài ra, SIMION có thể hiển thị quỹ đạo của hạt trong không gian làm việc ở nhiều

chế độ khác nhau (hình 1.23).

Hình 1.22. Giao diện lựa chọn các thông số được ghi lại ở thẻ Particles của

phần mềm SIMION

Quỹ đạo hạt

Đường đẳng thế

(a)

Oxy view

(b)

(c)

3D view

PE view

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)

1.3.4. Sử dụng ngôn ngữ LUA trong phần mềm SIMION

Phần mềm SIMION có thể mở rộng khả năng mô phỏng bằng các đoạn

chương trình được viết bằng các ngôn ngữ lập trình như LUA, C, C++ hoặc ngôn ngữ

cấp thấp như PRG (SIMION 6.0/7.0) [35]. Trình biên dịch LUA 5.1 được nhúng trực

tiếp vào phần mềm từ phiên bản SIMION 8.0 giúp người dùng tăng khả năng mô

phỏng trong các mô hình mô phỏng phức tạp như:

- Thay đổi điện áp cho các điện cực theo thời gian khi hạt mang điện chuyển

động trong điện trường, giúp mô phỏng một số trường hợp điện áp có giá trị dao động

một cách liên tục (oscillating voltages) hoặc các điện áp dạng bước (step voltages).

- Các vec-tơ điện trường và từ trường thông thường được tính toán từ các ma

trận thế nhưng các đoạn chương trình LUA có thể chồng chập điện trường hoặc từ

trường với số liệu đã được tính toán trước hoặc từ một biểu thức giải tích mô tả chính

xác trường.

- Khởi tạo, ngẫu nhiên hoá các thông số điều kiện đầu của hạt theo ý muốn của

người dùng.

- Xuất các dữ liệu kết quả mô phỏng ra chương trình bên ngoài (Excel,

Gnuplot...) và thực hiện một số phân tích, xử lý cần thiết trong quá trình mô phỏng

hoặc sau khi hoàn tất quá trình mô phỏng như vẽ các phổ năng lượng, các phổ khối

lượng, tính toán hiệu suất, v.v...

- Mô phỏng mô hình va chạm ngẫu nhiên của hạt mang điện trong điều kiện

không có chân không (randomized ion-gas collision model).

- Chạy chương trình một cách tự động thông qua việc sử dụng các file dạng

batch mode hoặc dạng câu lệnh (command line) để tự động hoá quá trình mô phỏng.

- Thực hiện một số nhiệm vụ khác như chuyển đổi file hình học GEM thành file

ma trận thế, thay đổi các điều kiện biên của ma trận thế, tự động chạy chương trình

nhiều lần, vẽ các đường đẳng thế, biểu diễn các vec-tơ từ trường, v.v...

Một trong số các đoạn chương trình LUA được dùng thường xuyên trong các

mô phỏng là dạng chương trình workbench (workbench program). Các đoạn chương

trình này sẽ được gọi và thực thi tại một số thời điểm nhất định trong quá trình chuyển

động của hạt trong không gian làm việc, được sử dụng để tuỳ biến và mở rộng các

tính toán theo mục đích của người sử dụng. Đoạn chương trình sử dụng trong giao

diện làm việc thường là một tập tin văn bản ASCII viết bằng ngôn ngữ LUA chứa

một hay nhiều các đoạn chương trình con mà phần mềm SIMION có thể gọi để thực

thi. Các đoạn chương trình con là các hàm được viết bằng ngôn ngữ LUA, thực hiện

các chức năng khác nhau bao gồm:

- Thay đổi các thông số, điều kiện ban đầu của hạt mang điện (initialize).

- Thay đổi thế của các điện cực (hoặc cực từ) cho tất cả các đối tượng trước khi

phát hạt (init_p_values).

- Kiểm tra/thay đổi bước tính (time step) trong quá trình tích phân số Runge-

Kutta bậc bốn (tstep_adjust).

- Kiểm tra/thay đổi thế cho các điện cực (hoặc cực từ) trong quá trình hạt bay

(fast_adjust).

- Kiểm tra/thay đổi các thành phần của vec-tơ điện trường E đã tính toán tại mỗi

bước tính (efield_adjust).

- Kiểm tra/thay đổi các thành phần của vec-tơ từ trường B đã tính toán tại mỗi

bước tính (mfield_adjust).

- Kiểm tra/thay đổi các thành phần của vec-tơ gia tốc tại mỗi bước tính

(accel_adjust).

- Kiểm tra/thay đổi các thông số của hạt mang điện như khối lượng, vận tốc,

màu sắc hạt... ngay sau mỗi bước tính (other_actions).

- Kiểm tra các thông số của hạt mang điện như khối lượng, vận tốc, màu sắc

hạt... ngay sau khi các hạt dừng bay (terminate).

- Ngoài ra còn có một số các đoạn chương trình con khác đã được cập nhật bổ

sung từ phiên bản SIMION 8.1.0.4 trở đi.

SIMION sử dụng các biến đã được định nghĩa trước (reserved variables) để

đặc trưng cho các thông số cần thiết trong quá trình mô phỏng. Một số biến thường

dùng trong chương trình dùng trong phần mềm SIMION được liệt kê trong bảng 1.2.

Bảng 1.2. Một số biến được sử dụng trong các đoạn chương trình LUA

Đoạn

chương

Đoạn chương

Tên biến

Ý nghĩa

Đơn vị

trình con có thể

đọc dữ liệu

ghi dữ liệu

adj_elect;

Điện thế cho điện

fast_adjust

adj_elect00 tới

cực

init_p_values

adj_elect1000

adj_pole;

Thế từ trường vô

fast_adjust

adj_pole00 tới

Mag

hướng cho cực từ

init_p_values

adj_pole1000

ion_ax_mm

accel_adjust

Các thành phần gia

ion_ay_mm

mm/µs2

other_actions

accel_adjust

tốc tại vị trí của hạt

ion_az_mm

terminate

Các thành phần vec-

ion_bfieldx_gu

tơ từ trường B tại vị

ion_bfieldy_gu

Gauss

mfield_adjust

trí của hạt (theo hệ

ion_bfieldz_gu

toạ độ ma trận thế)

Các thành phần vec-

ion_bfieldx_mm

tơ từ trường B tại vị

accel_adjust

ion_bfieldy_mm

trí của hạt (theo hệ

Gauss

other_actions

không

ion_bfieldz_mm

toạ độ không gian

terminate

làm việc)

Điện tích của hạt tại

Tất cả ngoại trừ

initialize

ion_charge

vị trí hiện tại

init_p_values

other_actions

initialize

ion_color

Màu của hạt

không

other_actions

Tất cả

initialize

ion_cwf

Trọng số hạt

không

init_p_values

other_actions

Các thành phần

ion_dvoltsx_gu

gradient của điện

ion_dvoltsx_gu

thế tại vị trí của hạt

V/gu

efield_adjust

ion_dvoltsx_gu

(theo hệ toạ độ ma

trận thế)

Các thành phần

gradient của điện

mfield_adjust

ion_dvoltsx_mm

thế tại vị trí của hạt

accel_adjust

ion_dvoltsx_mm

V/mm

không

(theo hệ toạ độ

other_actions

ion_dvoltsx_mm

không gian làm

terminate

việc)

Đối tượng mà hạt

ion_instance

không

Tất cả

không

nằm trong

Khối lượng của hạt

Tất cả ngoại trừ

initialize

ion_mass

tại vị trí hiện tại

init_p_values

other_actions

Tất cả ngoại trừ

ion_number

Số thứ tự của hạt

không

init_p_values

ion_px_gu

Các thành phần vị

Tất cả ngoại trừ

ion_py_gu

trí của hạt (theo hệ

không

init_p_values

ion_pz_gu

toạ độ ma trận thế)

Các thành phần vị

ion_px_mm

trí của hạt (theo hệ

Tất cả ngoại trừ

initialize

ion_py_mm

toạ độ không gian

init_p_values

other_actions

ion_pz_mm

làm việc)

Tình trạng bay của

initialize

ion_splat

không

other_actions

hạt

Tất cả ngoại trừ

Thời gian bay của

ion_time_flight

µs

initialize và

other_actions

hạt

init_p_values

Tất cả ngoại trừ

Bước thời gian

ion_time_step

µs

initialize và

tstep_adjust

(bước tính)

init_p_values

efield_adjust

mfield_adjust

Điện thế tại vị trí

ion_volts

accel_adjust

efield_adjust

của hạt

other_actions

terminate

Vận tốc của hạt tại

ion_vx_mm

vị trí hiện tại (theo

Tất cả ngoại trừ

initialize

ion_vy_mm

mm/µs

init_p_values

other_actions

hệ toạ độ không

ion_vz_mm

gian làm việc)

initialize

Kích hoạt chế độ

sim_rerun_flym

chạy lại của chương

không

other_actions

trình

terminate

Chương 2. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG DẪN CHÙM POSITRON CHẬM

SỬ DỤNG PHẦN MỀM SIMION

2.1. Kiểm tra hiệu lực tính toán mô phỏng của phần mềm SIMION

Phần mềm SIMION đã và đang được sử dụng rộng rãi để giải quyết các vấn

đề chuyển động của điện tích trong điện từ trường. Với nhiều tính năng tốt, khá gọn

nhẹ và khả năng tương tác với người dùng cao, phần mềm SIMION có lượng người

dùng rất đông đảo, được sử dụng trong nhiều công trình nghiên cứu điển hình như

xây dựng các hệ thống chùm positron chậm tại Viện nghiên cứu Rosendorf (Đức),

Phòng Thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore (Hoa Kỳ), trường Đại học Bath

(Anh) và tại các nước khác như Romania, Israel, Trung Quốc… Sự hiệu quả và độ

phổ biến của phần mềm SIMION còn được kiểm chứng thông qua hội nghị mang tên

‘Simion Users Meeting’ được tổ chức tại Ganil (Pháp) vào tháng 6/2015. Đây là hội

nghị thảo luận và trao đổi kinh nghiệm của những nhà khoa học sử dụng phần mềm

SIMION để mô phỏng quỹ đạo của các hạt ion trong ảnh hưởng của điện từ trường

dưới nhiều góc độ khác nhau.

Trên cơ sở tham khảo các thông số thiết kế của hệ thống dẫn chùm positron

chậm SPONSOR đã được các tác giả cung cấp tương đối đầy đủ. Các tính toán từ

trường và khảo sát quỹ đạo bay của chùm hạt positron từ các tài liệu [31], [36], [37]

đã được chúng tôi sử dụng để so sánh hiệu lực tính toán của phần mềm SIMION. Kết

quả trong phần này được sử dụng trong báo cáo [1].

2.1.1. Mô phỏng thành phần tạo từ trường

S3

H3 H4

S4

S2c Z2

Z3

S6

S5

Hình 2.1. Bố trí hình học của các cuộn dây điện của hệ thống SPONSOR [37]

Bố trí hình học của các cuộn dây bao gồm 11 cuộn solenoid và hai cặp cuộn

dây Helmholtz dọc theo trục của hệ thống SPONSOR để tạo một từ trường đều 10

mT được mô tả trên hình 2.1. Một số vòng dây được quấn thêm ở hai đầu của mỗi

cuộn solenoid (ngoại trừ cuộn S6) nhằm bù trừ sự không đồng đều từ trường do

khoảng cách giữa các cuộn để tạo ra một từ trường đồng đều nhất có thể. Chi tiết các

thông số thiết kế của các cuộn dây được trình bày ở phụ lục 1.

(a)

(b)

(c)

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 chương trình SIMION (c)

Các kết quả về từ trường cho các cuộn dây gồm cuộn Helmholtz đầu tiên H1,

cuộn solenoid S1 đầu tiên và cuộn S4 bao quanh bộ phận gia tốc với dòng điện cung

cấp 5 A được cung cấp trong tài liệu [37]. Do đó, chúng tôi sẽ mô phỏng các cuộn

dây này một cách riêng lẻ bằng cách sử dụng thư viện tính toán từ trường

simionx.MField. Các thông số cần thiết của các cuộn dây được sử dụng làm thông số

đầu vào và được khai báo trong đoạn chương trình LUA dùng để mô phỏng các cuộn

dây. Hình 2.2 mô tả hình ảnh của cuộn S1 trong thực tế và các kết quả mô phỏng của

cuộn S1 dùng phần mềm SIMION.

Các kết quả so sánh về từ trường được trình bày trong các hình 2.3, 2.4 và

2.5 ở trang tiếp theo cho thấy sự phù hợp giữa kết quả tính toán cảm ứng từ dọc theo

trục (Bz) của mỗi cuộn dây H1, S1, S4 từ phần mềm SIMION và kết quả được các

tác giả của hệ thống SPONSOR cung cấp. Độ sai lệch giữa hai kết quả không vượt

quá 5% cho mỗi cuộn dây.

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 [37]

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 [37]

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 [37]

2.1.2. Mô phỏng thành phần tạo điện trường

Cửa sổ nguồn và

lưới làm chậm

Hình 2.6. Thiết kế của bộ phận tiền gia tốc của hệ thống SPONSOR [31]

Các điện cực của bộ tiền gia tốc và bộ gia tốc của hệ thống SPONSOR cũng

đã được thiết kế và mô phỏng bằng phần mềm SIMION. Khác với trường hợp mô

phỏng thành phần tạo từ trường, chúng tôi không có đầy đủ các thông số về kích

thước của các điện cực bộ phận tiền gia tốc và bộ phận gia tốc. Do đó các thông số

này đã được tính toán giả định để làm số liệu mô phỏng trên SIMION.

Bộ phận tiền gia tốc theo thiết kế của hệ thống SPONSOR bao gồm các điện

cực dạng vòng ghép đồng trục và điện áp cung cấp cho các điện cực giảm dần. Hình

dạng, kích thước và khoảng cách giữa các điện cực cũng được mô tả như trên hình

2.6. Với cấu hình này, trường tĩnh điện được tạo ra bên trong bộ phận tiền gia tốc có

thể hội tụ và gia tốc chùm tia lên tới mức năng lượng khoảng 30 eV.

Hình 2.7. Thiết kế của bộ phận gia tốc của hệ thống SPONSOR [31]

Bộ phận gia tốc theo thiết kế của hệ thống SPONSOR bao gồm 12 bản điện

cực bằng thép không gỉ dạng đĩa phẳng được cách điện và bố trí nằm cách đều nhau,

nguồn cao thế tối đa thực tế cung cấp cho bộ phận gia tốc ở mức 37 kV. Điện áp cung

cấp cho bộ phận gia tốc được chia thành 11 bước để gia tốc dần chùm positron lên

đến mức năng lượng cần thiết tuỳ vào mục đích nghiên cứu. Đường kính lỗ tròn tại

tâm mỗi bản điện cực để chùm positron có thể lọt qua là 15 mm [31]. Hình dạng, kích

thước và khoảng cách giữa các điện cực được mô tả như trên hình 2.7.

Các điện cực của bộ tiền gia tốc và bộ gia tốc được thiết kế trực tiếp trên giao

diện Modify của phần mềm SIMION. Sau khi tính toán trường tĩnh điện dựa trên các

ma trận thế đã được định nghĩa, một chùm positron đơn năng có năng lượng 3 eV

(tương ứng với năng lượng positron phát ra từ lưới làm chậm Volfram) phát ra từ vị

trí từ nguồn phân bố tròn với bán kính 2 mm (tương ứng với bán kính nguồn 22Na

thực tế) để mô phỏng quỹ đạo bay của chùm positron qua bộ tiền gia tốc trong hai

trường hợp không có từ trường và có từ trường đều 100 Gauss dọc theo trục. Các tính

toán tương tự được thực hiện cho bộ gia tốc với chùm positron đơn năng 30 eV (tương

ứng với năng lượng positron sau khi được tiền gia tốc).

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

(b) (a) (c)

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

(a)

(b)

(c)

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

(a) (b) (c)

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

Các hình 2.8, 2.9, 2.10 và 2.11 thể hiện kết quả mô phỏng quỹ đạo của chùm

positron qua bộ tiền gia tốc và bộ gia tốc thu được từ phần mềm SIMION để so sánh

với các kết quả được mô tả trong tài liệu [36]. Các kết quả này cho thấy sự phù hợp

tương đối tốt hình dạng quỹ đạo chùm positron trong các thành phần tạo điện trường

theo thiết kế SPONSOR thu được từ kết quả mô phỏng bằng SIMION so với kết quả

trong tài liệu [36]. Với các kết quả mô phỏng của phần mềm SIMION cho các thành

phần chính của hệ thống dẫn chùm positron chậm SPONSOR phù hợp với số liệu mà

các tác giả xây dựng hệ thống này cung cấp. Như vậy, có thể sử dụng phần mềm

SIMION để mô phỏng mô hình hóa hệ thống dẫn chùm positron chậm giúp đánh giá

và tối ưu hóa các thông số thiết kế của hệ thống PB.

2.2. Mô phỏng hệ thống dẫn chùm positron chậm

Dựa trên những cơ sở tìm hiểu về nguyên tắc thiết kế của hệ thống dẫn chùm

positron chậm và các thông số chi tiết có thể tiếp cận được của hệ thống dẫn chùm

positron chậm từ các tài liệu [31], [32], [36], [37] cũng như trao đổi với các tác giả.

Chúng tôi đã xây dựng các bộ thông số thiết kế nguyên tắc của hệ thống dẫn chùm

positron chậm và sử dụng phần mềm SIMION mô phỏng một số mô hình của hệ PB

để đánh giá và tối ưu các thông số thiết kế. Cụ thể, chúng tôi sẽ mô phỏng hệ thống

PB với các mô hình PB sử dụng bộ lọc ExB, mô hình PB sử dụng bộ lọc dùng từ

trường uốn cong 500 và 900, để thuận tiện các mô hình này được ký hiệu lần lượt là

PB – T0, PB – S50 và PB – H90. Trong các mô hình này, điểm khác nhau cơ bản đó

là phương pháp lọc positron chậm, còn về các thành phần như hình dạng nguồn, bán

kính của ống chân không, độ lớn của từ trường, bộ tiền gia tốc, bộ gia tốc và khoảng

cách từ bộ gia tốc đến bia mẫu được đồng nhất về cùng một giá trị.

Quá trình mô phỏng hệ thống dẫn chùm positron chậm sử dụng phần mềm

SIMION có thể tóm tắt gồm những bước chính như sau:

- Tham khảo các thông số, dạng hình học của các thành phần của hệ thống dẫn

chùm positron chậm đã được các tác giả công bố và cung cấp.

- Tạo GEM file để mô phỏng hình dạng và điện áp của các thành phần như:

nguồn, tiền gia tốc, gia tốc, ống chân không, khẩu độ, khối chuẩn trực, bia

mẫu.

- Từ giao diện Modify nhập GEM file đã tạo và sử dụng chức năng Refine để

giải trường.

- Sử dụng thư viện simionx.MField để tạo các cuộn solenoid và Helmholtz và

tối ưu hóa độ lớn từ trường bằng phương pháp thử và sai.

- Đưa các trường đã được giải vào giao diện làm việc của phần mềm SIMION.

- Viết chương trình LUA để mở rộng khả năng tính toán cho SIMION.

- Định nghĩa nguồn phát positron.

- Cho positron chuyển động trong hệ thống đã mô phỏng và ghi nhận các kết

quả.

Cấu trúc của các đoạn chương trình mô phỏng các thành phần trong hệ thống

dẫn chùm positron chậm sử dụng trong phần mềm SIMION được trình bày trong các

phụ lục từ phụ lục 9 đến phụ lục 13.

2.2.1. Mô phỏng hệ thống dẫn chùm positron chậm sử dụng bộ lọc ExB

(PB – T0)

H3

S5

S4

H1

S3

H2

S2

S1

H4

Hình 2.12. Thiết kế nguyên tắc của mô hình hệ thống dẫn chùm positron chậm

sử dụng bộ lọc ExB

(2)

(4)

(1)

H1

S5

H2 S1

S2

S3

S4

H4

H5

(6)

(3)

(5)

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

Thiết kế nguyên tắc và hình dạng các thành phần chính của mô hình hệ thống

dẫn chùm positron chậm sử dụng bộ lọc ExB được mô tả như hình 2.12 và hình 2.13.

Nguồn phát có hình dạng giống với thiết kế ở tài liệu [23] với bán kính cửa sổ nguồn

2 mm. Bộ phận tiền gia tốc có dạng lưới có bán kính 5 mm được đặt sát sau bộ nguồn

để tiền gia tốc chùm positron. Hệ thống sử dụng các điện cực dạng cong được đặt vào

điện từ trường thích hợp, kết hợp với khối chuẩn trực dạng trụ để loại bỏ các positron

nhanh. Sau khi qua khối chuẩn trực, chùm positron tương đối đơn năng sẽ qua bộ gia

tốc gồm 5 điện cực dạng đĩa tròn đặt cách đều để được gia tốc đến năng lượng cần

thiết và bán kính chùm tia lúc này được điều chỉnh bằng khẩu độ trước khi tới bia.

Các bộ phận trên được sắp xếp trong ống chân không hình trụ với phần trước bộ gia

tốc được đặt ở cao thế và phần sau bộ gia tốc được nối đất. Từ trường dẫn chùm

positron được tạo ra bởi 2 cặp cuộn Helmholtz và 5 cuộn solenoid. Các thông số thiết

kế chi tiết của hệ thống dẫn chùm positron chậm sử dụng bộ lọc ExB theo mô hình

PB – T0 và cảm ứng từ dọc trục của hệ thống được trình bày trong phụ lục 3.

2.2.2. Mô phỏng hệ thống dẫn chùm positron chậm sử dụng bộ lọc dùng từ

trường uốn cong 500 (PB – S50)

S5

Z3

H3 H4

S4

Z2 S3

S2

Z1

S1

H2

H1

Hình 2.14. Thiết kế nguyên tắc của hệ thống dẫn chùm positron chậm sử dụng

bộ lọc dùng từ trường uốn cong 500

(1)

(3)

(4)

(2)

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

Thiết kế nguyên tắc và hình dạng các thành phần chính của hệ thống dẫn

chùm positron chậm sử dụng bộ lọc dùng từ trường trường uốn cong 500 được thể

hiện ở các hình 2.14 và 2.15. Các thông số thiết kế của bộ nguồn, tiền gia tốc, gia tốc

chính, khẩu độ và mẫu giống với mô hình PB – T0. Hệ thống sử dụng đoạn từ trường

uốn cong 500 để loại bỏ các positron nhanh. Chùm positron sau khi qua đoạn cong bị

lệch trục được điều chỉnh lại bằng từ trường tạo bởi các cuộn dây lái. Từ trường dẫn

chùm được tạo bởi 2 cặp cuộn Helmholtz và 8 cuộn solenoid. Thông số thiết kế chi

tiết của hệ thống dẫn chùm positron chậm theo mô hình PB – S50 và cảm ứng từ dọc

trục của hệ thống này được trình bày ở phụ lục 4.

2.2.3. Mô phỏng hệ thống dẫn chùm positron chậm sử dụng bộ lọc dùng từ

trường uốn cong 900 (PB – H90)

S4

S2

S3

S7

S5 S6

H1 H2

S1

Các cuộn dây lái bố trí dọc theo đoạn cong

Hình 2.16. Thiết kế nguyên tắc của hệ thống dẫn chùm positron chậm sử dụng

bộ lọc dùng từ trường uốn cong 900

(2)

(4)

(3)

(1)

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.

Thiết kế nguyên tắc và hình ảnh các thành phần chính của hệ thống được mô

tả như hình 2.16 và 2.17. Hệ thống sử dụng đoạn uốn cong 900 để loại bỏ các positron

có năng lượng cao phát ra từ nguồn. Hệ thống sử dụng 7 cuộn solenoid và 1 cặp cuộn

Helmholtz để tạo từ trường dẫn chùm. Trong đó, cuộn solenoid S1 ở đoạn uốn cong

được quấn trực tiếp trên ống chân không. Nguồn, bộ phận tiền gia tốc và gia tốc chính

của hệ thống có hình dạng và các thông số thiết kế tương tự với mô hình PB – T0 và

PB – S50. Các thông số thiết kế chi tiết của hệ thống dẫn chùm positron chậm sử

dụng từ trường uốn cong 900 theo mô hình PB – H90 và độ lớn từ trường dọc trục

của hệ thống được trình bày ở phụ lục 5.

Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Sau khi mô phỏng thành công các mô hình thiết kế của hệ thống dẫn chùm

positron chậm. Chúng tôi tiếp tục đánh giá các mô hình thiết kế bằng cách cho chùm

positron chuyển động trong các mô hình. Các kết quả thu được từ phần mềm SIMION

như quỹ đạo chùm tia và phân bố của chùm tia trên bề mặt mẫu. Từ đó, chúng tôi so

sánh về hiệu suất dẫn chùm, hiệu suất lọc positron, độ hội tụ và tính đơn năng của

chùm positron tại bia mẫu. Cuối cùng, chúng tôi sẽ lựa chọn mô hình thiết kế nguyên

tắc cuối cùng cho hệ thống dẫn chùm positron chậm, có thể làm cơ sở cho việc xây

dựng hệ thống dẫn chùm positron chậm trong tương lai. Để thu được các kết quả trên,

chúng tôi tiến hành khảo sát với chùm positron đơn năng để đánh giá hiệu suất dẫn

và sự thay đổi năng lượng của chùm positron chậm tại bia mẫu. Mặt khác, khảo sát

với chùm positron có năng lượng liên tục để đánh giá hiệu suất lọc positron nhanh

của các mô hình. Thêm nữa, chúng tôi sẽ tiến hành khảo sát chất lượng chùm positron

trong trường hợp làm lệch cuộn solenoid để đánh giá ảnh hưởng của cuộn dây trong

trường hợp lắp đặt lệch vị trí chuẩn. Các kết quả và thảo luận sẽ được chúng tôi đưa

ra trong các phần dưới đây.

3.1. Khảo sát các mô hình thiết kế PB – T0, PB – S50 và PB – H90

3.1.1. Khảo sát với chùm positron đơn năng

Bảng 3.1. Kết quả thống kê tại bia mẫu trong trường hợp khảo sát với chùm hạt positron đơn năng

Mô hình PB – T0 Mô hình PB – S50 Mô hình PB – H90

1000 1000 1000 Tổng số positron phát ra từ nguồn

789 807 795

78,9% 80,7% 79,5%

2,75 mm 2,39 mm 2,79 mm Tổng số positron đến được bia mẫu Tỉ lệ positron đến được bia mẫu Bán kính tiết diện chùm positron tại bia mẫu

y

y (a) y (c) (b)

x

x x

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)

Trước hết, chúng tôi khảo sát với chùm 1000 hạt positron có động năng 3 eV

tương ứng với động năng của positron thoát ra từ bộ làm chậm Volfram và được phát

ra đẳng hướng từ nguồn. Chùm positron này được tiền gia tốc ở điện thế 27 V trước

khi được dẫn trong từ trường có độ lớn khoảng100 Gauss được tạo ra bởi các cuộn

dây solenoid và các cặp cuộn Helmholtz và chùm positron được gia tốc với cao thế

30 kV trước khi tới bề mặt bia mẫu. Chúng tôi khảo sát với các mô hình thiết kế của

hệ thống dẫn chùm positron chậm sử dụng bộ lọc ExB (PB – T0) , từ trường uốn cong

500 (PB – S50) và từ trường uốn cong 900 (PB – H90). Các kết quả về hiệu suất dẫn

chùm, bán kính bề mặt chùm tia tại bia mẫu và hình ảnh phân bố chùm tia tại bề mặt

120

bia mẫu thể hiện trong bảng 3.1 và hình 3.1.

100

(a) (b)

m ế đ ố S

0 30024 30028 30032 30036 Năng lượng (eV) FWHM = 1,34 eV

0 30024 30028 30032 30036 Năng lượng (eV) FWHM = 5,5 eV

Hình 3.2a. Phổ phân bố năng lượng của chùm positron tại bề mặt bia mẫu của

các mô hình PB – T0 (a), PB – S50 (b), FWHM được tính bằng OriginPro 8.5

120

100

(c)

m ế đ ố S

0 30024

30036

30032 30028 Năng lượng (eV) FWHM = 5,71 eV

Hình 3.2b. Phổ phân bố năng lượng của chùm positron tại bề mặt bia mẫu của

mô hình PB – H90 (c), FWHM được tính bằng OriginPro 8.5

Từ kết quả thống kê ở bảng 3.1 và hình 3.1 cho thấy độ hội tụ của chùm

positron của mô hình PB – S50 (2,39 mm) tốt hơn so với các mô hình PB – T0 (2,75

mm) và PB – H90 (2,79 mm). Đồng thời hiệu suất dẫn chùm của các mô hình xấp xỉ

khoảng 80%. Bên cạnh đó, từ phổ phân bố năng lượng của chùm positron tại bề mặt

bia mẫu (hình 3.2a và 3.2b) đỉnh phổ năng lượng của các mô hình xấp xỉ khoảng

30030 keV, điều này phù hợp với dự đoán khi chùm positron phát ra từ nguồn với

năng lượng 3 eV được tiền gia tốc ở điện thế 27 V và gia tốc với điện thế 30 kV.

Cũng từ phổ phân bố năng lượng của chùm positron tại bia mẫu có thể kết luận tính

đơn năng của mô hình PB – S50 có độ rộng nửa cực đại của đỉnh FWHM = 1,34 eV

nhỏ hơn so với các mô hình PB – T0 với FWHM = 5,5 eV và mô hình PB – H90 với

FWHM = 5,71 eV. Như vậy, sự sai lệch năng lượng của chùm positron khi được dẫn

trong mô hình PB – S50 là nhỏ hơn so với hai mô hình PB – T0 và PB – H90.

3.1.2. Khảo sát với chùm positron có năng lượng liên tục

Để đánh giá hiệu suất lọc positron của các mô hình PB – T0, PB – S50 và PB

– H90. Chúng tôi khảo sát với chùm 10000 hạt positron có động năng phân bố liên

tục từ 1 eV đến 10 keV phát đẳng hướng từ nguồn. Chùm positron này được dẫn trong

từ trường có độ lớn khoảng 100 Gauss được tạo bởi các cuộn solenoid và các cặp

cuộn Helmholtz, điện thế tiền gia tốc 27 V và điện thế gia tốc là 30 kV. Hiệu suất làm

chậm được giả định là 2% để làm tăng số lượng positron chậm phát ra từ nguồn. Các

kết quả mô phỏng được thống kê ở bảng 3.2.

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

Mô hình PB – T0 Mô hình PB – S50 Mô hình PB – H90

10000 10000 10000 Tổng số positron phát ra từ nguồn

230 190 234 Số positron được làm chậm

528 229 218 Tổng số positron đến được bia mẫu

203 114 204 Số positron chậm đến được bia mẫu

325 115 14 Số positron nhanh đến bia mẫu

Hiệu suất lọc 99,85% 96,67% 98,83%

Vị trí nguồn phát

Vị trí bia mẫu

Vị trí khối chuẩn trực

Hình 3.3. Kết quả mô phỏng quỹ đạo của chùm positron năng lượng liên tục

trong mô hình PB – T0, màu xanh dương là quỹ đạo của positron nhanh, màu

xanh lá là quỹ đạo của positron chậm và điểm màu đỏ là vị trí va đập của

positron.

Hình 3.4. Kết quả mô phỏng quỹ đạo của chùm positron năng lượng liên tục

trong mô hình PB – S50

Hình 3.5. Kết quả mô phỏng quỹ đạo của chùm positron năng lượng liên tục

trong mô hình PB – H90

(a)

(b)

m ế đ ố S

220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 29000 32000 35000 38000 41000

Năng lượng (eV)

(c)

m ế đ ố S

220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 29000 32000 35000 38000 41000 Năng lượng (eV)

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

Từ các kết quả mô phỏng trên cho thấy, khi chùm positron năng lượng liên

tục chuyển động trong hệ thống dẫn chùm positron chậm, các positron nhanh có năng

lượng cao phần lớn bị loại bỏ. Trong mô hình PB – T0 sử dụng bộ lọc ExB các

positron nhanh bị loại bỏ bởi khối chuẩn trực đặt sau bộ lọc ExB (hình 3.3). Còn đối

với hệ thống PB – S50 và PB – H90 sử dụng bộ lọc uốn cong thì các positron nhanh

bị loại bỏ do sự va đập vào thành ống chân không ở vị trí uốn cong hoặc các điện cực

của bộ gia tốc (hình 3.4 và 3.5). Từ kết quả thống kê ở bảng 3.2 cũng cho thấy hiệu

suất lọc của các mô hình là khá cao, trong đó hiệu suất lọc của mô hình PB – T0

(99,87%) cao hơn so với hai mô hình PB – S50 (96,67%) và PB – H90 (98,83%).

Điều này dẫn đến phổ phân bố năng lượng của chùm positron thu được tại bia mẫu

(hình 3.6) ngoài đỉnh phổ 30030 eV còn có phần năng lượng mở rộng do các positron

nhanh gây ra. Đối với trường hợp của mô hình PB – T0 là khá lý tưởng, với mô hình

PB – S50 thì phần mở rộng này là khá lớn làm ảnh hưởng đến chất lượng chùm tia

tại bia mẫu.

3.1.3. Khảo sát với trường hợp làm lệch một cuộn solenoid

Chất lượng của chùm positron thu được tại bia mẫu phụ thuộc rất nhiều vào

từ trường dẫn chùm được tạo bởi các cuộn dây solenoid và các cặp cuộn Helmholtz.

Do đó, ngoài các thông số kỹ thuật tối ưu để tạo từ trường phù hợp để dẫn chùm, thì

việc lắp đặt vị trí các cuộn dây cũng cần có độ chính xác cao trong quá trình xây dựng

hệ thống dẫn chùm positron chậm. Tuy nhiên, sự sai lệch vị trí của các cuộn dây cũng

có thể xảy ra trong quá trình lắp đặt. Do vậy, trong phần này chúng tôi giả định làm

lệch một cuộn solenoid với độ lệch 1 cm và 2 cm để từ đó đánh giá mức độ ảnh hưởng

của sự sai lệch này cho từng mô hình thiết kế của hệ thống dẫn chùm positron chậm.

Trong khảo sát này, chùm 1000 hạt positron có động năng 3 eV phát đẳng hướng từ

nguồn và được dẫn trong từ trường có độ lớn khoảng 100 Gauss. Điện thế tiền gia tốc

và gia tốc chính lần lượt là 27 V và 30 kV. Kết quả mô phỏng phân bố chùm positron

thu được tại bia mẫu của các mô hình PB – T0, PB – S50 và PB – H90 thể hiện lần

lượt trong các hình 3.7, hình 3.8 và hình 3.9.

y

(b) (c) (a)

x

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)

y

(c)

(b)

(a)

x

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)

y

(a) (c) (b)

x

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)

Từ các kết quả phân bố chùm positron thu được tại bề mặt bia mẫu, cho thấy

tác động của độ sai lệch cuộn solenoid đến chất lượng chùm positron thu được ở mô

hình PB – T0 là nhiều nhất (hình 3.7) khi làm lệch cuộn dây đi 1 cm số lượng positron

thu được tại bia mẫu rất ít và khi cuộn dây bị lệch 2 cm không còn thu được positron

tại bia mẫu. Với các mô hình PB – S50 (hình 3.8) và PB – H90 (hình 3.9) thì sự tác

động đến chùm positron khi làm lệch cuộn dây ở mô hình PB – S50 là ít hơn, chất

lượng chùm positron thu được tại bia mẫu ở mô hình này ít bị thay đổi. Như vậy, mức

độ ảnh hưởng của sự sai lệch cuộn dây giảm dần theo các mô hình PB – S50, PB –

H90 và PB – T0. Đặc biệt trong mô hình PB – T0 cần độ chính xác rất cao khi lắp đặt

các cuộn dây.

3.1.4. Nhận xét

Từ kết quả thu được từ phần mềm SIMION của các mô hình thiết kế của hệ

thống dẫn chùm positron chậm PB – T0, PB – S50 và PB – H90. Chúng tôi rút ra một

số nhận xét sau:

- Đối với phương án thiết kế theo mô hình PB – T0 thành phần quan trọng nhất

của mô hình chính là bộ lọc ExB. Về mặt cấu tạo, bộ lọc ExB là một thiết bị tinh xảo,

tương đối gọn gàng về kích thước. Ưu điểm lớn nhất của bộ lọc này là khả năng tích

hợp vào hệ thống và không đòi hỏi hệ thống phải chiếm một không gian lớn. Tuy

nhiên việc chế tạo và lắp đặt bộ lọc này đòi hỏi phải có khả năng về kỹ thuật. Ngoài

ra bộ lọc ExB bắt buộc phải được lắp vào bên trong ống chân không của hệ thống.

Do đó việc kiểm tra, hiệu chỉnh thiết bị trong quá trình hoạt động của hệ thống sẽ rất

khó khăn. Bên cạnh đó việc thiết kế che chắn phóng xạ và giảm phông do bức xạ

gam-ma phát ra từ nguồn cũng sẽ khó khăn hơn.

- Đối với các mô hình thiết kế theo dạng cong PB – S50 và PB – H90 mặc dù

hệ thống có kích thước lớn hơn và chiếm không gian nhiều hơn nhưng lại có nhiều

ưu điểm nổi bật. Ưu điểm đầu tiên là việc chế tạo và lắp đặt cuộn dây điện tạo từ

trường có hình dạng cong dọc theo đoạn ống sẽ dễ dàng hơn rất nhiều so với việc chế

tạo và lắp đặt các điện cực của bộ lọc ExB vào bên trong hệ thống. Hơn nữa việc hiệu

chỉnh và tối ưu hóa các thông số của các cuộn dây tạo từ trường sẽ dễ dàng hơn vì

được thực hiện hoàn toàn từ bên ngoài hệ thống. Với mô hình thiết kế theo dạng cong,

việc tính toán che chắn an toàn bức xạ và giảm phông bức xạ tại vị trí đo mẫu chiếu

sẽ tối ưu hơn rất nhiều so với mô hình thiết kế theo dạng thẳng. Do đó xét về tính khả

thi trong thiết kế, phương án sử dụng thiết kế theo dạng cong vẫn là tối ưu hơn.

- Trong hai mô hình PB – S50 và PB – H90 với các kết quả về tính đơn năng,

bán kính chùm tia thu được tại bề mặt của bia mẫu và độ nhạy của chất lượng chùm

tia khi bị làm lệch cuộn solenoid thì mô hình PB – S50 cho các kết quả tối ưu hơn.

Vì vậy, chúng tôi lựa chọn mô hình PB – S50 cho những khảo sát chi tiết hơn để tìm

bộ thông số tối ưu cuối cùng phục vụ cho các giai đoạn tiếp theo trong quá trình xây

dựng hệ thống dẫn chùm positron chậm.

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

Dựa theo thiết kế của hệ thống dẫn chùm positron chậm theo mô hình PB –

S50, chúng tôi tiếp tục mô phỏng thêm các mô hình PB – S30, PB – S70 và PB – S90

với độ cong của bộ lọc lần lượt là 300, 700 và 900. Các mô hình này, khác nhau về

kích thước và độ cong của bộ lọc positron. Các thông số về độ lớn của cảm ứng từ,

điện áp đặt vào bộ tiền gia tốc và bộ gia tốc chính của các mô hình này là đồng nhất

với nhau. Các thông số thiết kế và cảm ứng từ dọc trục của các mô hình PB – S30,

PB – S70 và PB – S90 được trình bày ở các phụ lục 6, 7 và 8. Các khảo sát trong phần

này được tiến hành chi tiết và chính xác hơn so với phần trước ở nguồn phát và bộ

làm chậm. Nguồn phát và bộ làm chậm được tính toán chuẩn hóa để gần giống với

thực tế trong hệ thống dẫn chùm positron chậm hơn.

3.2.1. Khảo sát với nguồn phát positron đơn năng

(b) y y (a)

x x

Hình 3.10. Phân bố của chùm positron chậm trên bề mặt bia với nguồn

positron đơn năng trong các mô hình PB – S30, PB – S50, PB - S70 (c)

và PB - S90 (d)

Trong khảo sát này, chúng tôi giả định chùm 1000 hạt positron với động năng

3 eV được phát ra từ nguồn với bán kính phát 2 mm và phát ra theo phân bố hình nón

với góc phát cực đại 100. Chùm positron này dẫn trong từ trường có độ lớn khoảng

100 Gauss được tạo ra bởi các cuộn solenoid và cặp cuộn Helmholtz. Điện thế tiền

gia tốc và gia tốc trong các mô hình này được đặt ở 27 V và 30 kV. Các kết quả của

chùm positron đến bia mẫu như hình 3.10 và được thống kê trong bảng 3.3.

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

Mô hình PB - S30 PB - S50 PB - S70 PB - S90

1000 1000 1000 1000

Tổng số hạt positron phát ra từ nguồn

998 999 999 999 Số positron chậm tới bia

99,8% 99,9% 99,9% 99,9%

Hiệu suất dẫn chùm positron chậm

2,12 2,10 2,26 2,25

Bán kính chùm tia tại bia (mm)

Các kết quả thống kê cho thấy hiệu suất dẫn chùm positron đơn năng của các

mô hình là xấp xỉ nhau và đạt hiệu quả rất cao. Đồng thời bán kính của chùm positron

khi đến bề mặt bia mẫu thay đổi rất ít so với bán kính của chùm positron phát từ

nguồn. Điều này chứng tỏ, với bộ thông số của các cuộn tạo từ trường dẫn chùm thích

hợp thì quá trình dẫn chùm positron đơn năng đạt hiệu suất rất cao.

Hình 3.11. Phân bố năng lượng của chùm positron tại bia mẫu cho các mô

hình PB – S30 (a), PB – S50 (b), PB – S70 (c) và PB – S90 (d) trong trường

hợp nguồn phát đơn năng, FWHM được tính bằng phần mềm OriginPro 8.5

Kết quả thống kê về phân bố năng lượng của chùm positron tại bia mẫu (hình

3.11) cũng cho thấy vị trí đỉnh năng lượng xấp xỉ ở 30030 eV như dự đoán. Tuy nhiên,

ở mô hình PB – S90 sự sai lệch năng lượng của positron trong quá trình dẫn là lớn so

với các mô hình khác, điều này được chứng tỏ bằng độ rộng nửa cực đại FWHM =

7,48 eV của mô hình này là lớn nhất. Điều này có thể được giải thích do góc cong 900

lớn dẫn đến sự độ sai lệch của vận tốc chùm positron khi qua đoạn cong này lớn làm

ảnh đến phổ năng lượng của positron thu được tại bia mẫu.

3.2.2. Khảo sát với nguồn phát positron có năng lượng liên tục

Hình 3.12. Quỹ đạo của chùm positron năng lượng liên tục

trong mô hình PB – S30

Hình 3.13. Quỹ đạo của chùm positron năng lượng liên tục

trong mô hình PB – S50

Hình 3.14. Quỹ đạo của chùm positron năng lượng liên tục

trong mô hình PB – S70

Hình 3.15. Quỹ đạo của chùm positron năng lượng liên tục

trong mô hình PB – S90

(a) (b)

y

x x

y

x x

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)

Trong trường hợp này, chúng tôi giả định chùm positron gồm 10 000 hạt

được phát ra từ nguồn 22Na với năng lượng liên tục từ 0 – 10 keV qua bộ làm chậm

giả định đặt cách nguồn 1 mm với hiệu suất làm chậm được giả định là 2% và các

positron được làm chậm phát ra từ bộ làm chậm có năng lượng 3 eV, góc phát có

phân bố Gauss đỉnh tại 00 và độ rộng một nửa cực đại FWHM là 100. Chùm positron

được dẫn trong từ trường có độ lớn khoảng 100 Gauss được tạo ra bởi các cuộn

solenoid và các cặp cuộn Helmholtz. Chùm positron được tiền gia tốc với điện thế 27

V trước khi bay vào đoạn uốn cong và được gia tốc với điện thế 30 kV trước khi đến

bia mẫu. Quỹ đạo bay của chùm positron trong hệ thống dẫn chùm positron được mô

phỏng như hình 3.12, 3.13, 3.14 và 3.15 (đường màu xanh dương thể hiện quỹ đạo

của positron nhanh và xanh lá thể hiện quỹ đạo của positron được làm chậm, điểm

màu đỏ là vị trí positron bị loại bỏ), phân bố của chùm positron khi đến bia mẫu thể

hiện như hình 3.16. Kết quả thống kê chùm positron tại bia mẫu được trình bày trong

bảng 3.4.

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

Mô hình PB - S30 PB - S50 PB - S70 PB - S90

Tổng số hạt

positron phát ra 4132 4188 4204 4170

bộ làm chậm

Số positron 834 822 790 822 được làm chậm

Số positron 790 799 735 777 chậm tới bia

Số positron 3 1 38 14 nhanh tới bia

Hiệu suất lọc 98,86% 99,58% 99,91% 99,97%

Hiệu suất dẫn

chùm positron 93,04% 94,50% 94,72% 97,20%

chậm

Các kết quả mô phỏng thu được từ phần mềm SIMION khi cho chùm positron

có năng lượng liên tục chuyển động trong hệ thống dẫn chùm positron chậm theo các

mô hình PB – S30, PB – S50, PB – S70 và PB – S90 cho thấy hiệu suất lọc và dẫn

chùm positron chậm tăng theo độ uốn cong của bộ lọc. Với các thông số thiết kế và

bố trí các cuộn dây tạo từ trường dẫn chùm positron phù hợp thì hiệu suất dẫn của

các hệ thống PB được thiết kế theo các mô hình PB – S là rất cao (trên 90%).

3.2.3. Nhận xét

Từ các kết quả mô phỏng thu được khảo sát với hệ thống dẫn chùm positron

chậm được thiết kế theo mô hình PB – S30, PB – S50, PB – S70 và PB – S90, chúng

tôi có một số nhận xét sau:

- Độ sai lệch năng lượng của chùm positron trong quá trình dẫn tăng theo

góc uốn cong. Điều này ảnh hưởng đến tính đơn năng của chùm positron thu được tại

bia mẫu, cụ thể FWHM của các mô hình PB – S30, PB – S50, PB – S70 và PB – S90

lần lượt là 0,5 eV, 0,65 eV, 0,7 eV và 7,48 eV.

- Hiệu suất lọc năng lượng positron của hệ thống dẫn chùm positron

chậm được thiết kế theo các mô hình PB – S đạt giá trị rất cao và tăng theo độ cong

của bộ lọc cụ thể PB – S30 (98,86%), PB – S50 (99,58%), PB – S70 (99,91%) và

PB – S90 (99,97%).

- Hiệu suất dẫn chùm positron chậm trong các mô hình này tăng theo góc

uốn cong của bộ lọc positron cụ thể là PB – S30 (93,04%), PB – S50 (94,50%),

PB – S70 (94,72%) và PB – S90 (97,20%).

Như vậy, xét về độ thay đổi năng lượng do quá trình dẫn chùm positron thì

mô hình PB – S70 tốt hơn rất nhiều so với mô hình PB – S90 và xấp xỉ với hai mô

hình PB – S30 và PB – S50. Còn xét về hiệu suất lọc và dẫn chùm positron thì mô

hình PB – S70 tốt hơn hai mô hình PB – S30 và PB – S50. Cho nên, chúng tôi đề xuất

lựa chọn bộ thông số thiết kế của mô hình PB – S70 làm cơ sở để xây dựng hệ thống

dẫn chùm positron chậm trong thực tế. Các thông số cụ thể của mô hình này được

trình bày trong các bảng 3.5, 3.6 và 3.7 dưới đây.

Bảng 3.5. Thông số thiết kế các thành phần điện của hệ thống dẫn chùm

positron chậm theo mô hình PB – S70

Thông số thiết kế Giá trị

Bán kính cửa sổ nguồn 2 mm

Thành phần Nguồn phát positron Điện cực tiền gia tốc Ống chân không Bán kính điện cực Hiệu điện thế giữa nguồn và điện cực lưới Góc cong 5 mm 27 V 700

1200 mm Bán kính cong

3539 mm Chiều dài ống

32,5 mm Bán kính trong

Bán kính ngoài

Điện áp đoạn ống từ nguồn tới bộ phận gia tốc 36 mm Cùng điện áp với bộ phận gia tốc

0 V

Điện áp đoạn ống từ sau bộ phận gia tốc cho tới vị trí bia mẫu Bề dày mỗi điện cực Bán kính mỗi điện cực Bán kính lỗ tròn tại tâm điện cực Khoảng cách giữa các điện cực

Bộ phận gia tốc

Điện áp cung cấp cho bản cực

Bề dày khẩu độ Bán kính khẩu độ

Khẩu độ Bán kính lỗ tròn tại tâm

2 mm 30 mm 10 mm 20 mm Có thể thay đổi tuỳ vào mục đích, giảm đều cho các bản cực 2 mm 32,5 mm Có thể thay đổi tuỳ vào mục đích

350 mm

1 mm 25 mm Bia mẫu

950 mm Khoảng cách từ điện cực cuối cùng của bộ phận gia tốc tới khẩu độ Bề dày của bia mẫu Bán kính bia mẫu Khoảng cách từ điện cực cuối cùng của bộ phận gia tốc tới bia mấu

Bảng 3.6. Thông số thiết kế cho các cuộn dây của hệ thống dẫn chùm positron

chậm theo mô hình PB – S70

Số lớp Cuộn dây Số vòng mỗi lớp Tổng số vòng Chiều dài (mm) Bán kính (mm)

H1 H2 H3 50 50 50 225 225 227 Đường kính dây quấn (mm) 2 2 2 24 17 23 576 408 552 Dòng điện cung cấp (A) 5 4 5 24 24 24

H4 S1 S1l S1r Z1 Z1l Z1r S2 S2l S2r Z2 Z2l Z2r S3 S3l S3r S4 S4l S4l Z3 Z3l Z3r S5 S5l S5r 50 144 55 52 130 40 40 628 210 420 116 47 47 144 52 52 393 103 104 120 30 30 343 108 110 225 200 208 208 140 148 148 140 148 148 140 148 148 200 208 208 200 207 207 140 148 148 110 118 118 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 24 69 26 26 62 19 19 724 19 9 86 23 23 70 24 20 217 50 50 48 14 14 165 52 53 24 4 2 3 4 3 2 4 2 2 4 3 2 4 2 2 4 4 4 4 2 4 3 2 2 576 276 52 78 248 57 38 2896 38 18 344 69 46 280 48 40 868 200 200 192 28 56 495 104 106 3,5 2,5 1 7 3,5 2,5 5 4 4 8 3,25 5 3 5 6,5 4,5 3 2,5 5 3 1 6 4 1 0,5

Bảng 3.7. Thông số thiết kế cho các cuộn dây lái của hệ thống dẫn chùm

positron chậm theo mô hình PB – S70

Cuộn dây Số lớp Chiều dài (mm) Bán kính (mm) Tổng số vòng Đường kính dây quấn (mm) Số vòng mỗi lớp Dòng điện cung cấp (A)

Trên Dưới Trái Phải 10 10 10 10 220 220 220 220 2 2 2 2 10 10 10 10 1 1 1 1 10 10 10 10 0 2,0 1,0 1,0 Khoảng cách từ trục hệ thống tới tâm cuộn (mm) 285 285 285 285

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Kết luận

Các kết quả của luận văn có thể được tóm tắt như sau:

1. Kiểm tra hiệu lực mô phỏng của phần mềm SIMION bằng cách mô phỏng

và so sánh kết quả một số thành phần chính của hệ thống dẫn chùm positron chậm.

Sử dụng phần mềm này mô phỏng thành công các mô hình thiết kế của hệ thống dẫn

chùm positron chậm: mô hình PB – T0, PB – S50 và PB – H90. Kết quả mô phỏng

khi khảo sát chuyển động của chùm positron trong các mô hình này đã cho thấy mô

hình PB – S50 là tối ưu và khả thi hơn.

2. Khảo sát ảnh hưởng độ cong của bộ lọc đối với chất lượng chùm tia. Kết

quả mô phỏng các mô hình PB – S30, PB – S50, PB – S70 và PB – S90 cho thấy với

góc cong 700 của bộ lọc positron ứng với mô hình PB – S70 là tối ưu hơn so với các

mô hình còn lại.

3. Bộ thông số thiết kế của mô hình PB – S70 được chọn làm bộ thông số

thiết kế nguyên tắc cho hệ thống dẫn chùm positron chậm. Bộ thông số này có thể

dùng làm cơ sở cho các thiết kế kỹ thuật, chế tạo và xây dựng hệ thống dẫn chùm

positron.

Kiến nghị

Trong điều kiện thời gian cho phép, chúng tôi đã cố gắng hoàn thiện đề tài theo

hướng tốt nhất. Tuy nhiên, vẫn còn một số vấn đề cần mở rộng nghiên cứu, trong

tương lai chúng tôi mong muốn tiếp tục phát triển:

1. Tiếp tục tìm hiểu và làm chủ hoàn toàn phần mềm mô phỏng SIMION để

có thể mở rộng ứng dụng của nó cho các nghiên cứu khác.

2. Phần mềm SIMION chỉ mới mô phỏng được phần tạo điện trường, từ

trường và tính toán quỹ đạo của chùm positron. Có thể tiếp tục tìm hiểu các phần

mềm mô phỏng khác để nghiên cứu sâu hơn các thành phần khác của hệ thống dẫn

chùm positron chậm như nguồn, bộ làm chậm, tương tác giữa positron với bia mẫu.

3. Từ các kết quả nghiên cứu thu được từ mô phỏng tiến hành thiết kế và xây

dựng một hệ thống dẫn chùm positron chậm phục vụ cho các nghiên cứu khoa học

trong thực tế.

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC CÔNG BỐ

1. Bùi Xuân Huy, Trần Quốc Dũng và Cao Thanh Long., “Thiết kế nguyên tắc hệ

thống dẫn chùm positron chậm bằng chương trình mô phỏng Simion”, được chấp

nhận đăng trên Tạp chí Khoa học trong lĩnh vực Khoa học Tự nhiên và Công nghệ

của trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh, 2018.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

[1] Trần Quốc Dũng, Huỳnh Đông Phương, Cao Thanh Long và Nguyễn Trung

Hiếu, “Nghiên cứu thiết kế nguyên tắc hệ thống chùm positron chậm”, Trung

tâm Hạt nhân TP. HCM, 2018.

Tiếng Anh

[2] R. D. Miller, “In Search of Low-k Dielectrics,” Science, vol. 286, no. 5439, pp.

421–423, 1999.

[3] E. H. Nicollian and J. R. Brews, MOS (metal oxide semiconductor) physics and

technology. New York (N.Y.) : Wiley, 1982.

[4] P. J. Schultz, “A variable-energy positron beam for low to medium energy

research,” Nucl. Inst. Methods Phys. Res. B, vol. 30, no. 1, pp. 94–104, 1988.

[5] P. G. Coleman, Positron Beams and Their Applications. World Scientific,

2000.

[6] R. Krause-Rehberg and H. S. Leipner, Positron Annihilation in

Semiconductors: Defect Studies. Springer Science & Business Media, 1999.

[7] C. Hugenschmidt, “Positrons in surface physics,” Surf. Sci. Rep., vol. 71, no.

4, pp. 547–594, 2016.

[8] Y. Nagashima, “Experiments on positronium negative ions,” Phys. Rep., vol.

545, no. 3, pp. 95–123, 2014.

[9] N. Oshima et al., “Rapid three-dimensional imaging of defect distributions

using a high-intensity positron microbeam,” Appl. Phys. Lett., vol. 94, no. 19,

2009.

imaging of the oxygen deficiency in single crystalline YBa2Cu3O7-d thin films using

a scanning positron beam,” Appl. Phys. Lett., vol. 106, no. 11, pp. 10–15, 2015.

[10] M. Reiner, T. Gigl, R. Jany, G. Hammerl, and C. Hugenschmidt, “Detection and

[11] M. Reiner, P. Pikart, and C. Hugenschmidt, “Thin film annealing and alloying

of a Au/Cu two-layer system studied by positron annihilation spectroscopy,” J.

Alloys Compd., vol. 587, pp. 515–519, 2014.

[12] L. A. Tuyen et al., “Structural effects induced by 2.5 MeV proton beam on

zeolite 4A: Positron annihilation and X-ray diffraction study,” Radiat. Phys.

Chem., vol. 106, pp. 355–359, 2015.

[13] L. Anh Tuyen et al., “Simultaneous existence of defects and mesopores in

nanosized ZSM-5 zeolite studied by positron annihilation and X-ray diffraction

spectroscopies,” J. Appl. Phys., vol. 121, no. 8, 2017.

[14] P. A. M. Dirac, “‘The Quantum Theory of the Electron,’” Proc. R. Soc. A, vol.

117, pp. 610–624, 1928.

[15] C. D. Anderson, “The positive electron,” Phys. Rev., vol. 43, no. 6, pp. 491–

494, 1933.

[16] P. . Mohr, B. . Taylor, and D. . Newell, “CODATA recommended values of the

fundamental physical constants: 2006*,” Rev. Mod. Phys., vol. 80, no. 4, pp.

635–730, 2008.

[17] B. . Martins, New Frontiers in Superconductivity Research. Nova Publisher,

2006.

[18] B. Nielsen, K. G. Lynn, T. C. Leung, G. J. Van Der Kolk, and L. J. Van Ijzendoorn, “Range of slow positrons in metal overlayers on Al,” Appl. Phys. Lett., vol. 56, no. 8, pp. 728–730, 1990.

[19] E. Browne, J. . Dairiki, and R. . Doebler, “Table of isotopes,” 1978.

[20] B. Strasser, C. Hugenschmidt, and K. Schreckenbach, “Set-up of a slow

positron beam for Auger spectroscopy,” Mater. Sci. Forum, vol. 363, p. 2001,

2001.

[21] C. E. Mellish and J. A. Payne, “Production of Carrier-free Coblt-58 by Pile

Irradiation of Nickel,” Nature, vol. 178, pp. 275–276, 1956.

[22] B. L. Brown, “A cobalt 58 ‘slow positron generator,’” Appl. Surf. Sci., vol. 116,

no. 95, pp. 104–107, 1997.

[23] C. Naidoo, N. . van der Meulen, C. Vermeulen, and R. Krause-Rehberg, “The

Production of 22Na Positron Sources at iThemba Labs,” poster presentation at

SLOWPOS 09, 2009.

[24] R. H. Howell, R. A. Alvarez, and M. Stanek, “Production of slow positrons

with a 100-MeV electron linac,” Appl. Phys. Lett., vol. 40, no. 8, pp. 751–752,

1982.

[25] T. Akahane et al., “Stretching of Slow Positron Pulses Generated with an

Electron Linac,” Appl. Phys. A., vol. 150, pp. 146–150, 1990.

[26] T. Kurihara et al., “Present Status of the Slow Positron Facility at KEK,”

Mater. Sci. Forum, vol. 445–446, pp. 486–488, 2004.

[27] H. Schut, A. van Veen, C. Falub, J. de Roode, and F. Labohm, “Performance

of an intense nuclear-reactor based positron beam,” Mater. Sci. Forum, vol.

363, no.3, pp. 430-432, 2001.

[28] B. Krusche and K. Schreckenbach, “Intense positron sources by pair creation

with neutron capture γ-rays,” Nucl. Inst. Methods Phys. Res. A, vol. 295, no. 1–

2, pp. 155–171, 1990.

[29] C. Hugenschmidt, B. Straßer, and K. Schreckenbach, “Investigation of positron

work function and moderation efficiency of Ni, Ta, Pt and W(1 0 0),” Appl.

Surf. Sci., vol. 194, no. 1–4, pp. 283–286, 2002.

[30] S. . Hutchins, P. G. Coleman, R. . Stone, and R. . West, “A low-distortion slow

positron filter,” J. Phys. E., vol. 282, pp. 199–201, 1986.

[31] W. Anwand, G. Brauer, M. Butterling, H. R. Kissener, and A. Wagner, “Design

and Construction of a Slow Positron Beam for Solid and Surface

Investigations,” Defect Diffus. Forum, vol. 331, pp. 25–40, 2012.

[32] R.Krause-Rehberg, “A simple design for a continuous magnetically guided

positron beam – and – News from the EPOS project,” report in APOSB , 2010.

[33] D. A. Dahl, “SIMION for the personal computer in reflection,” Int. J. Mass

Spectrom., vol. 200, no. 1–3, pp. 3–25, 2000.

[34] B. A. Soliman, M. M. Abdelrahman, A. G. Helal, and F. W. Abdelsalam,

“Simulation of ion beam extraction and focusing system,” Chinese Phys. C,

vol. 35, no. 1, pp. 83–87, 2011.

[35] D. J. Manura and D. A. Dahl, Simion Version 8.0/8.1 User Manual, 5th ed.

Scientific Instrument Services, 2011.

[36] W. Anwand, “A magnetically guided slow positron beam for defect studies,” Acta

Physica Polonica A, vol. 88, no. 1, pp. 7–11, 1995.

Tiếng Đức

[37] H. R. Kissener, W. Anwand, and G. Brauer, “Positronenstrahlanlage SPONSOR (I) Magnetisches Fuhrungsfeld.”, PAS-Gruppe der TU Dresden im FZ Rosendorf, 1995.

Trang web

[38] “What does a solenoid do ?”

[Online]. Available: http://www.solenoidsupplier.com/what-does-a-solenoid-

do/.

[39] “Helmholtz coil.”

[Online]. Available: https://www.wikiwand.com/en/Helmholtz_coil.

PL1

PHỤ LỤC

Phụ lục 1. Các thông số thiết kế của các cuộn dây trong hệ thống dẫn chùm positron

chậm SPONSOR [36], trong đó “l” và “r” là ký hiệu các vòng dây được

quấn thêm vào phía bên trái và bên phải cuộn solenoid một cách tương

ứng.

Cuộn dây

Số vòng mỗi lớp

Số lớp

Tổng số vòng

Chiều dài (mm) 50 50 50 50 144 55 52 130 40 40 240 30 30 235 30 42 245 28 26 180 47 47 144 52 52 393 103 104 120 30 30 343 108 110 196

Bán kính (mm) 225 225 225 225 200 208 208 140 148 148 140 148 148 140 148 148 140 148 148 140 148 148 200 208 208 200 207 207 140 148 148 110 118 118 100

Đường kính dây quấn (mm) 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1,8 1,8 1,8 2 2 2 2 2 2 2

Dòng điện cung cấp (A) 5 4 4 5 3 3 5 3 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 3 5 5 5 5 5 4 0 0 4 4 5 3 3 0 4

576 576 576 576 276 52 52 248 38 38 368 28 28 340 28 40 360 26 26 344 46 46 280 48 48 832 200 200 192 28 28 660 104 106 752

24 24 24 24 69 26 26 62 19 19 92 14 14 85 14 20 90 13 13 86 23 23 70 24 24 208 50 50 48 14 14 165 52 53 94

24 24 24 24 4 2 2 4 2 2 4 2 2 4 2 2 4 2 2 4 2 2 4 2 2 4 4 4 4 2 2 4 2 2 8

H1 H2 H3 H4 S1 S1l S1r Z1 Z1l Z1r S2a S2al S2ar S2b S2bl S2br S2c S2cl S2cr Z2 Z2l Z2r S3 S3l S3r S4 S4l S4r Z3 Z3l Z3r S5 S5l S5r S6

PL2

Phụ lục 2a. Đoạn chương trình mô phỏng cuộn Helmhoil H1 trong hệ thống dẫn

chùm positron chậm SPONSOR trong chương trình SIMION

Phụ lục 2b. Đoạn chương trình mô phỏng cuộn solenoid S1 trong hệ thống dẫn

chùm positron chậm SPONSOR trong chương trình SIMION.

Phụ lục 2c. Đoạn chương trình mô phỏng cuộn solenoid S4 trong hệ thống dẫn

chùm positron chậm SPONSOR trong chương trình SIMION.

PL3

Phụ lục 3a. Thông số thiết kế các thành phần điện của mô hình thiết kế của hệ

thống dẫn chùm positron chậm sử dụng bộ lọc ExB (PB – T0)

Thành phần Nguồn phát positron

Điện cực tiền gia tốc

Thông số thiết kế Bán kính cửa sổ nguồn Bán kính điện cực Hiệu điện thế giữa nguồn và điện cực lưới Chiều dài ống

Giá trị 2 mm 5 mm 27 V 1890 mm

Chiều dài ống

3120 mm

Bán kính trong

32,5 mm

Bán kính ngoài

Ống chân không

Điện áp đoạn ống từ nguồn tới bộ phận gia tốc

36 mm Cùng điện áp với bộ phận gia tốc

0 V

Điện áp đoạn ống từ sau bộ phận gia tốc cho tới vị trí bia mẫu Bán kính cong của bản cực lớn

40 mm

Bán kính cong của bản cực nhỏ

23 mm

Bộ lọc ExB

Chiều dài hai bản cực

125 mm

Khoảng cách giữa hai bản cực

15 mm

Khối chuẩn trực

Hiệu điện thế giữa hai bản điện cực Chiều dài khối trụ Bán kính khối trụ Bán kính lỗ tròn tại tâm Bề dày mỗi điện cực Bán kính mỗi điện cực Bán kính lỗ tròn tại tâm điện cực Khoảng cách giữa các điện cực

Bộ phận gia tốc

Điện áp cung cấp cho bản cực

Bề dày khẩu độ Bán kính khẩu độ

Khẩu độ

Bán kính lỗ tròn tại tâm

32 V 50 mm 32,5 mm 3 mm 2 mm 30 mm 10 mm 20 mm Có thể thay đổi tuỳ vào mục đích, giảm đều cho các điện cực 2 mm 32,5 mm Có thể thay đổi

350 mm

Khoảng cách từ điện cực cuối cùng của bộ phận gia tốc tới khẩu độ Bề dày của bia mẫu

1 mm

25 mm

Bia mẫu

950 mm

Bán kính bia mẫu Khoảng cách từ điện cực cuối cùng của bộ phận gia tốc tới bia mấu

PL4

Phụ lục 3b. Thông số thiết kế cho các cuộn dây tạo từ trường của mô hình thiết kế

hệ thống dẫn chùm positron chậm sử dụng bộ lọc ExB (PB – T0)

Số lớp

Số vòng mỗi lớp

Tồng số vòng

Cuộn dây

24 24 24 24 75 20 20 308 25 25 60 20 20 60 20 20 129 20 20

H1 H2 H3 H4 S1 S1l S1r S2 S2l S2r S3 S3l S3r S4 S4l S4l S5 S5l S5r

Chiều dài (mm) 50 50 50 50 150 40 40 616 50 50 120 40 40 120 40 40 258 40 40

Bán kính (mm) 225 230 235 245 200 210 210 200 208 208 200 208 208 200 208 208 200 208 208

Đường kính dây quấn (mm) 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

Dòng điện cung cấp (A) 5 4 3 5 2 1 6 4 2,5 3,5 4 5 5 4 4 6 4 1 1

648 480 432 816 375 40 60 1232 50 50 240 40 40 240 40 40 516 20 20

27 20 18 34 5 2 3 4 2 2 4 2 2 4 2 2 4 2 2

Phụ lục 3c. Cảm ứng từ dọc trục của hệ thống dẫn chùm positron chậm theo mô

hình PB – T0 thu được từ phần mềm SIMION

PL5

Phụ lục 4a. Thông số thiết kế các thành phần điện của hệ thống dẫn chùm positron

chậm sử dụng bộ lọc dùng từ trường uốn cong 500 (PB – S50)

Thành phần Nguồn phát positron

Điện cực tiền gia tốc

Thông số thiết kế Bán kính cửa sổ nguồn Bán kính điện cực Hiệu điện thế giữa nguồn và điện cực lưới Góc cong

Giá trị 2 mm 5 mm 27 V 500

Bán kính cong

1200 mm

Chiều dài ống

3120 mm

Bán kính trong

32,5 mm

Ống chân không

Bán kính ngoài

Điện áp đoạn ống từ nguồn tới bộ phận gia tốc

36 mm Cùng điện áp với bộ phận gia tốc

0 V

Bộ phận gia tốc

Điện áp cung cấp cho bản cực

Bề dày khẩu độ Bán kính khẩu độ

Khẩu độ

Bán kính lỗ tròn tại tâm

2 mm 30 mm 10 mm 20 mm Có thể thay đổi tuỳ vào mục đích, giảm đều cho các bản cực 2 mm 32,5 mm Có thể thay đổi

350 mm

Khoảng cách từ điện cực cuối cùng của bộ phận gia tốc tới khẩu độ Bề dày của bia mẫu

1 mm

25 mm

Bia mẫu

950 mm

Bán kính bia mẫu Khoảng cách từ điện cực cuối cùng của bộ phận gia tốc tới bia mấu

Phụ lục 4b. Thông số thiết kế cho các cuộn dây của hệ thống dẫn chùm positron

chậm sử dụng bộ lọc dùng từ trường uốn cong 500 (PB – S50)

Số lớp

Cuộn dây

Số vòng mỗi lớp

Tổng số vòng

H1 H2 H3

Chiều dài (mm) 50 50 50

Bán kính (mm) 225 225 227

Đường kính dây quấn (mm) 2 2 2

24 17 23

576 408 552

Dòng điện cung cấp (A) 5 4 5

24 24 24

H4 S1 S1l S1r Z1 Z1l Z1r S2 S2l S2r Z2 Z2l Z2r S3 S3l S3r S4 S4l S4l Z3 Z3l Z3r S5 S5l S5r

50 144 55 52 130 40 40 1047 210 420 116 47 47 144 52 52 393 103 104 120 30 30 343 108 110

225 200 208 208 140 148 148 140 148 148 140 148 148 200 208 208 200 207 207 140 148 148 110 118 118

24 69 26 26 62 19 19 508 9 23 86 23 23 70 24 24 217 50 50 48 14 14 165 52 53

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

24 4 2 3 4 3 2 4 2 2 4 3 2 4 2 2 4 4 4 4 2 4 3 2 2

576 276 52 78 248 57 38 2032 18 46 344 69 46 280 48 48 868 200 200 192 28 56 495 104 106

4 2,5 1 7 3,5 2,5 5 2 2 4 3 4,5 4,5 5 6 4,5 3 2,5 5 5 1 6 4 1 0,5

PL6

Phụ lục 4c. Thông số thiết kế cho các cuộn dây lái của mô hình sử dụng đoạn ống

cong với góc cong 500 (PB – S50)

Cuộn dây

Số lớp

Chiều dài (mm)

Bán kính (mm)

Đường kính dây quấn (mm)

Tổng số vòng

Khoảng cách từ trục hệ thống tới tâm cuộn (mm)

Trên Dưới Trái Phải

10 10 10 10

220 220 220 220

2 2 2 2

Số vòng mỗi lớp 10 10 10 10

1 1 1 1

10 10 10 10

Dòng điện cung cấp (A) 0 6 0 3,5

285 285 285 285

PL7

Phụ lục 4d. Cảm ứng từ dọc trục của hệ thống dẫn chùm positron chậm theo mô

hình PB – S50 thu được từ phần mềm SIMION

Phụ lục 5a. Thông số thiết kế các thành phần điện của mô hình sử dụng đoạn ống

cong với góc cong 900 (PB – H90)

Giá trị

Thành phần

Thông số thiết kế

Nguồn phát positron

Bán kính cửa sổ nguồn

2 mm

Điện cực tiền gia tốc

Bán kính điện cực Hiệu điện thế giữa nguồn và điện cực Khoảng cách từ nguồn cho đến điện cực Góc cong Bán kính cong Chiều dài ống Bán kính trong Bán kính ngoài

5 mm 27 V 1 mm 900 1200 mm 3428 mm 32,5 mm 36 mm

Ống chân không

Điện áp đoạn ống từ nguồn tới bộ phận gia tốc

Cùng điện áp với bộ phận gia tốc

0 V

Điện áp đoạn ống từ sau bộ phận gia tốc cho tới vị trí bia mẫu

Bộ phận gia tốc

Bề dày mỗi điện cực Bán kính mỗi điện cực Bán kính lỗ tròn tại tâm điện cực

2 mm 30 mm 10 mm

Khoảng cách giữa các điện cực

20 mm

Điện áp cung cấp cho điện cực

Có thể thay đổi tuỳ vào mục đích, giảm đều cho các điện cực

Bề dày khẩu độ Bán kính khẩu độ

Khẩu độ

Bán kính lỗ tròn tại tâm

2 mm 32,5 mm Có thể thay đổi

350 mm

Khoảng cách từ điện cực cuối cùng của bộ phận gia tốc tới khẩu độ

Bề dày của bia mẫu Bán kính bia mẫu

1 mm 25 mm

Bia mẫu

950 mm

Khoảng cách từ điện cực cuối cùng của bộ phận gia tốc tới bia mẫu

PL8

Phụ lục 5b. Thông số thiết kế cho các cuộn dây của mô hình sử dụng đoạn ống cong

với góc cong 900 (PB – H90)

Dòng

Chiều

Bán

Đường

Cuộn

Số vòng

Số

Tổng số

điện

dài

kính

kính dây

dây

mỗi lớp

lớp

vòng

cung cấp

(mm)

quấn (mm)

(A)

233

432

245

816

1905

952

1904

220

110

440

S2l

105

1,5

S2r

3,5

120

5,5

S3l

S3r

310

100

155

620

3,5

S4l

108

4,5

S4r

108

120

200

240

S5l

208

S5r

208

120

200

240

S6l

208

S6r

208

258

200

129

516

S7l

208

S7r

208

PL9

Phụ lục 5c. Thông số thiết kế cho các cuộn dây lái của mô hình sử dụng đoạn ống

cong với góc cong 900 (PB – H90)

Cuộn dây

Số lớp

Chiều dài (mm)

Bề rộng (mm)

Tổng số vòng

Đường kính dây quấn (mm)

Số vòng mỗi lớp

Dòng điện cung cấp (A)

Khoảng cách từ trục hệ thống tới tâm cuộn (mm)

Trên Dưới Trái Phải

16 16 16 16

70 70 70 70

4 4 4 4

1 1 1 1

5 5 5 5

0 1,4 1 0,2

40 40 40 40

Phụ lục 5d. Cảm ứng từ dọc trục của hệ thống dẫn chùm positron chậm theo mô

hình PB – H90 thu được từ phần mềm SIMION

PL10

Phụ lục 6a. Thông số thiết kế các thành phần điện của hệ thống dẫn chùm positron

chậm sử dụng bộ lọc dùng từ trường uốn cong 300 (PB – S30)

Thành phần Nguồn phát positron

Điện cực tiền gia tốc

Thông số thiết kế Bán kính cửa sổ nguồn Bán kính điện cực Hiệu điện thế giữa nguồn và điện cực lưới Góc cong

Giá trị 2 mm 5 mm 27 V 300

Bán kính cong

1200 mm

Chiều dài ống

2701 mm

Bán kính trong

32,5 mm

Ống chân không

Bán kính ngoài

Điện áp đoạn ống từ nguồn tới bộ phận gia tốc

36 mm Cùng điện áp với bộ phận gia tốc

0 V

Bộ phận gia tốc

Điện áp cung cấp cho bản cực

Bề dày khẩu độ Bán kính khẩu độ

Khẩu độ

Bán kính lỗ tròn tại tâm

2 mm 30 mm 10 mm 20 mm Có thể thay đổi tuỳ vào mục đích, giảm đều cho các bản cực 2 mm 32,5 mm Có thể thay đổi

350 mm

Khoảng cách từ điện cực cuối cùng của bộ phận gia tốc tới khẩu độ Bề dày của bia mẫu

1 mm

25 mm

Bia mẫu

950 mm

Bán kính bia mẫu Khoảng cách từ điện cực cuối cùng của bộ phận gia tốc tới bia mấu

Phụ lục 6b. Thông số thiết kế cho các cuộn dây của hệ thống dẫn chùm positron

chậm sử dụng bộ lọc dùng từ trường uốn cong 300 (PB – S30)

Số lớp

Cuộn dây

Số vòng mỗi lớp

Tổng số vòng

H1 H2

Chiều dài (mm) 50 50

Bán kính (mm) 225 225

Đường kính dây quấn (mm) 2 2

24 24

24 17

576 408

Dòng điện cung cấp (A) 5 4

H3 H4 S1 S1l S1r Z1 Z1l Z1r S2 S2l S2r Z2 Z2l Z2r S3 S3l S3r S4 S4l S4l Z3 Z3l Z3r S5 S5l S5r

50 50 144 55 52 130 40 40 628 210 420 116 47 47 144 52 52 393 103 104 120 30 30 343 108 110

227 225 200 208 208 140 148 148 140 148 148 140 148 148 200 208 208 200 207 207 140 148 148 110 118 118

24 24 69 26 26 62 19 19 310 19 9 86 23 23 70 24 20 217 50 50 48 14 14 165 52 53

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

23 24 4 2 3 4 3 2 4 2 2 4 3 2 4 2 2 4 4 4 4 2 4 3 2 2

552 576 276 52 78 248 57 38 1240 38 18 344 69 46 280 48 40 868 200 200 192 28 56 495 104 106

5 4 2,5 1 7 3,5 2,5 5 4 4 4 3 6 3 5,25 6 4,5 3 2,5 5,25 5 1 6 4 1 0,25

PL11

Phụ lục 6c. Thông số thiết kế cho các cuộn dây lái của mô hình sử dụng đoạn ống

cong với góc cong 300 (PB – S30)

Cuộn dây

Số lớp

Chiều dài (mm)

Bán kính (mm)

Đường kính dây quấn (mm)

Tổng số vòng

Khoảng cách từ trục hệ thống tới tâm cuộn (mm)

Trên Dưới Trái Phải

10 10 10 10

220 220 220 220

2 2 2 2

Số vòng mỗi lớp 10 10 10 10

1 1 1 1

10 10 10 10

Dòng điện cung cấp (A) 0,5 1,5 1,0 0,5

285 285 285 285

PL12

Phụ lục 6d. Cảm ứng từ dọc trục của hệ thống dẫn chùm positron chậm theo mô

hình PB – S30 thu được từ phần mềm SIMION

Phụ lục 7a. Thông số thiết kế các thành phần điện của hệ thống dẫn chùm positron

chậm sử dụng bộ lọc dùng từ trường uốn cong 700 (PB – S70)

Thành phần Nguồn phát positron

Điện cực tiền gia tốc

Thông số thiết kế Bán kính cửa sổ nguồn Bán kính điện cực Hiệu điện thế giữa nguồn và điện cực lưới Góc cong

Giá trị 2 mm 5 mm 27 V 700

Bán kính cong

1200 mm

Chiều dài ống

3539 mm

Bán kính trong

32,5 mm

Ống chân không

Bán kính ngoài

Điện áp đoạn ống từ nguồn tới bộ phận gia tốc

36 mm Cùng điện áp với bộ phận gia tốc

0 V

Bộ phận gia tốc

Điện áp đoạn ống từ sau bộ phận gia tốc cho tới vị trí bia mẫu Bề dày mỗi điện cực Bán kính mỗi điện cực

2 mm 30 mm

Bán kính lỗ tròn tại tâm điện cực Khoảng cách giữa các điện cực

Điện áp cung cấp cho bản cực

Bề dày khẩu độ Bán kính khẩu độ

Khẩu độ

Bán kính lỗ tròn tại tâm

10 mm 20 mm Có thể thay đổi tuỳ vào mục đích, giảm đều cho các bản cực 2 mm 32,5 mm Có thể thay đổi

350 mm

Khoảng cách từ điện cực cuối cùng của bộ phận gia tốc tới khẩu độ Bề dày của bia mẫu

1 mm

25 mm

Bia mẫu

950 mm

Bán kính bia mẫu Khoảng cách từ điện cực cuối cùng của bộ phận gia tốc tới bia mấu

PL13

Phụ lục 7b. Thông số thiết kế cho các cuộn dây của hệ thống dẫn chùm positron

chậm sử dụng bộ lọc dùng từ trường uốn cong 700 (PB – S70)

Số lớp

Số vòng mỗi lớp

Tổng số vòng

Cuộn dây

H1 H2 H3 H4 S1 S1l S1r Z1 Z1l Z1r S2 S2l S2r Z2 Z2l Z2r S3 S3l S3r S4 S4l S4l Z3 Z3l Z3r

Chiều dài (mm) 50 50 50 50 144 55 52 130 40 40 628 210 420 116 47 47 144 52 52 393 103 104 120 30 30

Bán kính (mm) 225 225 227 225 200 208 208 140 148 148 140 148 148 140 148 148 200 208 208 200 207 207 140 148 148

Đường kính dây quấn (mm) 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

24 17 23 24 4 2 3 4 3 2 4 2 2 4 3 2 4 2 2 4 4 4 4 2 4

24 24 24 24 69 26 26 62 19 19 724 19 9 86 23 23 70 24 20 217 50 50 48 14 14

Dòng điện cung cấp (A) 5 4 5 3,5 2,5 1 7 3,5 2,5 5 4 4 8 3,25 5 3 5 6,5 4,5 3 2,5 5 3 1 6

576 408 552 576 276 52 78 248 57 38 2896 38 18 344 69 46 280 48 40 868 200 200 192 28 56

165 52 53

S5 S5l S5r

343 108 110

110 118 118

2 2 2

3 2 2

495 104 106

4 1 0,5

PL14

Phụ lục 7c. Thông số thiết kế cho các cuộn dây lái của mô hình sử dụng đoạn ống

cong với góc cong 700 (PB – S70)

Cuộn dây

Số lớp

Chiều dài (mm)

Bán kính (mm)

Đường kính dây quấn (mm)

Tổng số vòng

Khoảng cách từ trục hệ thống tới tâm cuộn (mm)

Trên Dưới Trái Phải

10 10 10 10

220 220 220 220

2 2 2 2

Số vòng mỗi lớp 10 10 10 10

1 1 1 1

10 10 10 10

Dòng điện cung cấp (A) 0 2,0 1,0 1,0

285 285 285 285

Phụ lục 7d. Cảm ứng từ dọc trục của hệ thống dẫn chùm positron chậm theo mô

hình PB – S70 thu được từ phần mềm SIMION

Phục lục 8a. Thông số thiết kế các thành phần điện của hệ thống dẫn chùm positron

chậm sử dụng bộ lọc dùng từ trường uốn cong 900 (PB – S90)

Thành phần Nguồn phát positron

Điện cực tiền gia tốc

Ống chân không

Thông số thiết kế Bán kính cửa sổ nguồn Bán kính điện cực Hiệu điện thế giữa nguồn và điện cực lưới Góc cong

Giá trị 2 mm 5 mm 27 V 900

Bán kính cong

1200 mm

Chiều dài ống

3958 mm

Bán kính trong

32,5 mm

Bán kính ngoài

Điện áp đoạn ống từ nguồn tới bộ phận gia tốc

36 mm Cùng điện áp với bộ phận gia tốc

0 V

Bộ phận gia tốc

Điện áp cung cấp cho bản cực

Bề dày khẩu độ Bán kính khẩu độ

Khẩu độ

Bán kính lỗ tròn tại tâm

2 mm 30 mm 10 mm 20 mm Có thể thay đổi tuỳ vào mục đích, giảm đều cho các bản cực 2 mm 32,5 mm Có thể thay đổi

350 mm

Khoảng cách từ điện cực cuối cùng của bộ phận gia tốc tới khẩu độ Bề dày của bia mẫu

1 mm

25 mm

Bia mẫu

950 mm

Bán kính bia mẫu Khoảng cách từ điện cực cuối cùng của bộ phận gia tốc tới bia mấu

PL15

Phụ lục 8b. Thông số thiết kế cho các cuộn dây của hệ thống dẫn chùm positron

chậm sử dụng bộ lọc dùng từ trường uốn cong 900 (PB – S90)

Số lớp

Cuộn dây

Số vòng mỗi lớp

Tổng số vòng

H1 H2 H3 H4 S1 S1l S1r Z1 Z1l Z1r S2

Chiều dài (mm) 50 50 50 50 144 55 52 130 40 40 628

Bán kính (mm) 225 225 227 225 200 208 208 140 148 148 140

Đường kính dây quấn (mm) 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

Dòng điện cung cấp (A) 5 4 5 3,75 2,5 1 7 3,5 2,5 5 4

576 408 552 576 276 52 78 248 57 38 3720

24 17 23 24 4 2 3 4 3 2 4

24 24 24 24 69 26 26 62 19 19 930

S2l S2r Z2 Z2l Z2r S3 S3l S3r S4 S4l S4l Z3 Z3l Z3r S5 S5l S5r

210 420 116 47 47 144 52 52 393 103 104 120 30 30 343 108 110

148 148 140 148 148 200 208 208 200 207 207 140 148 148 110 118 118

19 9 86 23 23 70 24 20 217 50 50 48 14 14 165 52 53

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

2 2 4 3 2 4 2 2 4 4 4 4 2 4 3 2 2

38 18 344 69 46 280 48 40 868 200 200 192 28 56 495 104 106

4 8 3,25 5 3 5 6,5 4,5 3 2,5 5 5 1 6 4 1 0,5

PL16

Phụ lục 8c. Thông số thiết kế cho các cuộn dây lái của mô hình sử dụng đoạn ống

cong với góc cong 900 (PB – S90)

Cuộn dây

Số lớp

Chiều dài (mm)

Bán kính (mm)

Đường kính dây quấn (mm)

Tổng số vòng

Khoảng cách từ trục hệ thống tới tâm cuộn (mm)

Trên Dưới Trái Phải

10 10 10 10

220 220 220 220

2 2 2 2

Số vòng mỗi lớp 10 10 10 10

1 1 1 1

10 10 10 10

Dòng điện cung cấp (A) 1,25 4 2 1,25

285 285 285 285

Phụ lục 8d. Cảm ứng từ dọc trục của hệ thống dẫn chùm positron chậm theo mô

hình PB – S90 thu được từ phần mềm SIMION

PL17

Phụ lục 9. Cấu trúc đoạn chương trình LUA mô phỏng cuộn solenoid và cuộn

Helmholtz sử dụng trong phần mềm SIMION.

Trong đó:

current: cường độ dòng điện chạy trong solenoid (A)

first: vị trí của điểm đầu tiên trên trục của solenoid

last: vị trí của điểm cuối trên trục của solenoid

radius: bán kính của cuộn solenoid

nturns: số vòng dây của cuộn solenoid

Phụ lục 10. Đoạn chương trình mô phỏng dạng hình học của nguồn phát positron

và bộ tiền gia tốc sử dụng trong phần mềm SIMION.

Phụ lục 11. Cấu trúc chương trình mô phỏng dạng hình học của ống chân không

hình trụ dạng thẳng có bán kính ngoài r1 và bán kính trong r2 với

điện thế V sử dụng trong phần mềm SIMION

Phụ lục 13. Cấu trúc chương trình mô phỏng dạng hình học của ống chân không

hình trụ dạng uốn cong góc a có bán kính ngoài r1 và bán kính trong

r2 với điện thế V sử dụng trong phần mềm SIMION

PL18

Phụ lục 12. Đoạn chương trình mô phỏng dạng hình học của bộ gia tốc sử dụng

trong phần mềm SIMION

Phụ lục 14. Đoạn chương trình mô phỏng bộ lọc ExB của hệ thống dẫn chùm

positron chậm theo mô hình PB – T0 sử dụng trong phần mềm SIMION

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

Chủ đề:

Luận văn thạc sĩ CNTT

Luận văn thạc sĩ khoa học máy tính

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

Từ trường

(b)

Điện cực

Vật liệu cách điện

Chùm positron

Điện trở

(1.5),

Quỹ đạo hạt

Đường đẳng thế

(a)

Oxy view

(b)

(c)

3D view

PE view

Đoạn

chương

Đoạn chương

Tên biến

Ý nghĩa

Đơn vị

trình con có thể

trình con có thể

đọc dữ liệu

ghi dữ liệu

S3

H3 H4

S4

S2c Z2

Z3

S6

S5

(a)

(b)

(c)

lưới làm chậm

(a)

(b)

(c)

H3

S5

S4

H1

S3

H2

S2

S1

H4

(2)

(4)

(1)

H1

S5

H2 S1