Luận văn Mô phỏng hệ thống dẫn chùm positron chậm bằng phần mềm chuyên dụng

Nội dung tài liệu: Luận văn Mô phỏng hệ thống dẫn chùm positron chậm bằng phần mềm chuyên dụng

1. 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
2. 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
3. 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
4. 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
5. 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
6. 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
7. 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
8. 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
9. 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
10. 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