Thiết kế nguyên tắc hệ thống dẫn chùm positron chậm bằng chương trình mô phỏng Simion

ụ và độ đơn năng của chùm hạt positron thu được tại bia 
mẫu của các mô hình. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC - Trường ĐHSP TPHCM Bùi Xuân Huy và tgk 
171 
- Khảo sát tính toán quỹ đạo bay của chùm hạt positron đơn năng trong trường hợp 
một cuộn solenoid bị lệch khỏi vị trí tối ưu ban đầu. Khảo sát này được thực hiện với mục 
đích đánh giá độ nhạy của chất lượng chùm hạt positron thu được tại bia mẫu khi phát sinh 
tình huống lắp đặt sai vị trí của một cuộn dây solenoid, dẫn đến sai lệch từ trường tối ưu 
dọc theo trục của các mô hình. 
Nhóm nghiên cứu đã đánh giá, so sánh các kết quả tính toán mô phỏng và đưa ra lựa 
chọn thiết kế được xem là tối ưu nhất trong số các mô hình. Mô hình tối ưu này được đề 
xuất làm mô hình thiết kế nguyên tắc cho hệ thống dẫn chùm positron chậm có thể được 
xây dựng trong tương lai. Bản thông số thiết kế cuối cùng của mô hình sẽ bao gồm các 
thông số về dạng hình học của hệ thống, thông số thiết kế của các cuộn dây điện tạo từ 
trường và thông số về điện áp của mô hình tối ưu được lựa chọn. 
3. Kết quả và thảo luận 
Trường hợp 1. Khảo sát mô phỏng với chùm hạt positron đơn năng 
Chương trình Simion được sử dụng để mô phỏng quỹ đạo bay của chùm hạt bao gồm 
1000 hạt positron đơn năng, có động năng ban đầu 3 eV phát đẳng hướng từ cửa sổ nguồn 
giả định cho từng mô hình thiết kế. Giá trị cao thế được cung cấp cho bộ phận tiền gia tốc 
và bộ phận gia tốc cho cả ba mô hình một cách tương ứng là 27 V và 30 kV. Các kết quả 
thống kê của chùm hạt positron thu được tại bia mẫu cho mỗi mô hình được trình bày trên 
Bảng 1. Các kết quả biểu diễn phân bố chùm hạt và phân bố năng lượng của chùm hạt tại 
bia mẫu cho mỗi mô hình được mô tả trên Hình 4 và Hình 5 dưới đây. 
Bảng 1. Kết quả thống kê tại bia mẫu trong trường hợp khảo sát 
với chùm hạt positron đơn năng 
Mô hình 
 dạng thẳng 
Mô hình dạng cong 
với góc cong 500 
Mô hình dạng cong 
với góc cong 900 
Tổng số positron phát ra từ 
nguồn 
1000 1000 1000 
Tổng số positron đến được 
bia mẫu 
789 807 795 
Tỉ lệ positron đến được 
bia mẫu 
78,9% 80,7% 79,5% 
Bán kính tiết diện chùm 
positron tại bia mẫu 
2,75 mm 2,39 mm 2,79 mm 
TẠP CHÍ KHOA HỌC - Trường ĐHSP TPHCM Tập 15, Số 12 (2018): 167-175 
172 
Hình 4. Phân bố của chùm hạt tại bề mặt bia mẫu cho mô hình thiết kế theo dạng thẳng (a), 
 thiết kế theo dạng cong với góc cong 500 (b) 
 và góc cong 900(c) cho trường hợp khảo sát chùm hạt positron đơn năng 
Hình 5. Phân bố năng lượng của chùm hạt tại bề mặt bia mẫu 
cho mô hình thiết kế theo dạng thẳng (a), thiết kế theo dạng cong với góc cong 500 (b) 
và góc cong 900 (c) cho trường hợp khảo sát chùm hạt positron đơn năng 
Từ các kết quả khảo sát cho trường hợp 1, có thể thấy được chùm hạt positron thu 
được trong trường hợp sử dụng mô hình với góc cong 50o có bán kính tiết diện chùm hạt 
phân bố trên bề mặt bia mẫu là nhỏ nhất, do đó có độ hội tụ tốt hơn so với hai mô hình còn 
lại. Ngoài ra, phổ phân bố năng lượng của chùm hạt positron thu được cho cả ba mô hình 
thiết kế có đỉnh phổ nằm xung quanh mức năng lượng 30030 eV. Kết quả này phù hợp với 
đỉnh năng lượng đã được dự đoán sẽ thu được khi khảo sát chùm hạt positron đơn năng 
3 eV được tiền gia tốc với điện áp 27 V và được gia tốc với cao thế 30 kV. Bên cạnh đó, 
kết quả đánh giá phổ phân bố năng lượng còn cho thấy độ rộng bán cực đại của phổ đối 
với mô hình thiết kế với góc cong 50o (FWHM = 1,34 eV) là nhỏ hơn so với kết quả tính 
toán cho mô hình thiết kế theo dạng thẳng (FWHM = 5,50 eV) và mô hình thiết kế với 
góc cong 90o (FWHM = 5,71 eV). Kết quả này cho thấy chùm hạt positron thu được tại 
bia mẫu đối với mô hình thiết kế với góc cong 50o là tương đối đơn năng hơn so với hai 
mô hình còn lại. 
(a) (c) 
x 
y (b) 
x 
y 
x 
y 
(a) (b) (c) 
TẠP CHÍ KHOA HỌC - Trường ĐHSP TPHCM Bùi Xuân Huy và tgk 
173 
Trường hợp 2. Khảo sát mô phỏng với chùm hạt positron đơn năng trong trường hợp 
một cuộn solenoid bị lệch khỏi vị trí tối ưu ban đầu 
Quỹ đạo bay của chùm hạt đơn năng được mô phỏng với các thông số đầu giống 
trường hợp 1 đã được khảo sát trong trường hợp cuộn solenoid bao quanh bộ phận gia tốc 
của mỗi mô hình thiết kế được giả định bị lệch khỏi vị trí tối ưu ban đầu với các độ lệch 
1 cm và 2 cm. Các kết quả so sánh phân bố của chùm hạt positron thu được tại bia mẫu cho 
các mô hình thiết kế được mô tả tương ứng trên các Hình 6, Hình 7 và Hình 8 dưới đây. 
Hình 6. Phân bố của chùm hạt tại bề mặt bia mẫu cho mô hình thiết kế theo dạng thẳng 
khi không làm lệch cuộn solenoid (a) và làm lệch cuộn solenoid 1 cm (b) và 2 cm (c). 
Hình 7. Phân bố của chùm hạt tại bề mặt bia mẫu cho mô hình thiết kế theo dạng cong 50o 
 khi không làm lệch cuộn solenoid (a) và làm lệch cuộn solenoid 1 cm (b) và 2 cm (c). 
Hình 8. Phân bố của chùm hạt tại bề mặt bia mẫu cho mô hình thiết kế theo dạng cong 90o 
khi không làm lệch cuộn solenoid (a) và làm lệch cuộn solenoid 1 cm (b) và 2 cm (c) 
TẠP CHÍ KHOA HỌC - Trường ĐHSP TPHCM Tập 15, Số 12 (2018): 167-175 
174 
Từ các kết quả khảo sát cho trường hợp 2, có thể thấy được với mô hình thiết kế theo 
dạng thẳng sử dụng bộ lọc ExB, độ lệch của cuộn solenoid bao quanh bộ phận gia tốc ảnh 
hưởng rất nhiều đến tỉ lệ các hạt positron đến được bia mẫu. Với trường hợp cuộn solenoid 
bị lệch 1 cm, sự sai lệch của từ trường làm cho các positron chậm sau khi ra khỏi bộ lọc 
ExB gần như bị chặn hoàn toàn bởi khối collimator và làm cho số hạt đến được bia mẫu rất 
ít. Trong trường hợp cuộn solenoid bị lệch 2 cm, thậm chí không có hạt positron nào đến 
được bia mẫu. Đối với hai mô hình thiết kế theo dạng cong, kết quả so sánh cho thấy chùm 
hạt positron thu được tại bia mẫu với mô hình thiết kế theo dạng cong với góc cong 90o bị 
sai lệch nhiều hơn so với việc sử dụng mô hình với góc cong 50o, thậm chí chùm hạt 
positron thu được còn bị thay đổi hình dạng trong trường hợp cuộn solenoid giả định bị 
lệch 2 cm như mô tả trên Hình 7. Các kết quả so sánh trên cho thấy chất lượng của chùm 
hạt positron thu được với mô hình thiết kế theo dạng cong với góc cong 50o sẽ ít nhạy với 
sai số gây ra bởi của sự lệch vị trí cuộn solenoid so với việc sử dụng hai mô hình còn lại. 
4. Kết luận 
Thông qua việc thực hiện nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đã nắm được nguyên lí 
chung cũng như các thành phần chính của một hệ thống dẫn chùm positron chậm; đồng 
thời, sử dụng chương trình mô phỏng Simion để xây dựng thành công các mô hình thiết kế 
khả thi cho một hệ thống dẫn chùm positron chậm. Từ việc xem xét tính khả thi của các 
mô hình thiết kế và đánh giá các kết quả tính toán mô phỏng thử nghiệm dẫn đến kết luận 
rằng mô hình thiết kế theo dạng cong với góc cong 50o tối ưu hơn so với hai mô hình còn 
lại. Đây sẽ là mô hình được đề xuất làm thiết kế nguyên tắc và làm cơ sở cho việc thiết kế 
chi tiết kĩ thuật các thành phần thiết yếu của hệ thống dẫn chùm positron chậm có thể được 
xây dựng trong tương lai. Với mô hình thiết kế nguyên tắc đã được lựa chọn, các thông số 
của mô hình có thể được thay đổi và hoàn thiện một cách linh động qua đó có thể tối ưu 
hóa hơn nữa các thông số kĩ thuật một cách khả thi và hợp lí nhất trước khi tiến tới việc 
thiết kế, xây dựng hệ thống thực tế. 
 Tuyên bố về quyền lợi: Các tác giả xác nhận hoàn toàn không có xung đột về quyền lợi. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] P. K. Pujari, K. Sudarshan and D. Dutta, “11th International Workshop on Positron and 
Positronium Chemistry (PPC-11),” J. Phys. Conf. Ser., 618, p. 11001, 2015. 
[2] P. G. Coleman, Positron Beams and Their Applications. World Scientific, 2000. 
[3] L. A. Tuyen, Z. Kajcsos, K. Lázár, T. D. Tap, D. D. Khiem and P. T. Phuc, “Positron 
annihilation characteristics in multi-wall carbon nanotubes with different average 
diameters,” J. Phys. Conf. Ser., 443(1), 2013. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC - Trường ĐHSP TPHCM Bùi Xuân Huy và tgk 
175 
[4] A. T. Luu et al., “Multi-wall carbon nanotubes investigated by positron annihilation 
techniques and microscopies for further production handling,” Phys. Status Solidi Curr. Top. 
Solid State Phys., 6(11), pp. 2578-2581, 2009. 
[5] N. D. Thanh, T. Q. Dung, L. A. Tuyen and K. T. Tuan, “Semi-empirical formula for large 
pore-size estimation from the o-Ps annihilation lifetime,” 4(2), pp. 81-87, 2008. 
[6] D. TQ et al., “o-Ps Lifetimes in Iron Containing Micro- and Mesoporous Media,” Mater. Sci. 
Forum, 733, pp. 197-202, 2013. 
[7] F. A. Selim, A. W. Hunt, J. A. Golovchenko, R. H. Howell, R. Haakenaasen and K. G. Lynn, 
“Improved source and transport of monoenergetic MeV positrons,” Nucl. Instruments 
Methods Phys. Res. Sect. B Beam Interact. with Mater. Atoms, 171(1), pp. 182-188, 2000. 
[8] S. M. -T. Beck et al., “Design of the Slow POsitron faciliTy (SPOT) in Israel,” J. Phys. 
Conf. Ser., 505, p. 12026, 2014. 
[9] C. K. Cheung, P. S. Naik, C. D. Beling, S. Fung and H. M. Weng, “Performance of a slow 
positron beam using a hybrid lens design,” Appl. Surf. Sci., 252(9), pp. 3132-3137, 2006. 
[10] H. X. Xu, J. D. Liu, C. B. Gao, H. M. Weng and B. J. Ye, “SIMION simulation of a slow 
pulsed positron beam,” Chinese Phys. C, 36(3), pp. 251-255, 2012. 
[11] C. T. Long, N. T. Hieu, T. Q. Dung and H. D. Phuong, “Some initial results of simulating a 
positron beam system by using Simion,” Nuclear Science and Technology., 7(3), 
pp. 17-24, 2017. 
[12] D. J. Manura and D. A. Dahl, Simion Version 8.0/8.1 User Manual, 5th ed. Scientific 
Instrument Services, 2011. 
[13] 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, 331, pp. 25-40, 2012. 
[14] W. Anwand, “A magnetically guided slow positron beam for defect studies,” Acta Physica 
Polonica A, 88(1), pp. 7-11, 1995. 
[15] R. Krause-Rehberg, “A simple design for a continuous magnetically guided positron beam – 
and – News from the EPOS project,” report in APOSB, 2010.