Nghiên cứu phối hợp trở kháng, hệ số phản xạ và mô phỏng hệ cộng hưởng RF của máy gia tốc KOTRON13

Theo thỏa thuận hợp tác giữa Bộ Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc và Việt Nam, phía Hàn Quốc đã viện trợ cho Việt Nam bao gồm một máy cyclotron HIC-KOTRON13 gia tốc hạt proton tới năng lượng 13 MeV, hệ bia mẫu tạo đồng vị phóng xạ 18F và hotcell tổng hợp dược chất phóng xạ 18FDG cùng hệ chia liều. Chức năng chính của hệ thống thiết bị là sản xuất dược chất phóng xạ sử dụng cho thiết bị chụp ảnh phóng xạ PET/CT như 18FDG, 11C... Hệ cộng hưởng RF với tần số cố định 77,3 Mhz có vai trò quan trọng trong quá trình gia tốc hạt proton trong máy HIC-KOTRON13. Một số thông số kỹ thuật của hệ cộng hưởng được đo đạc và công bố bởi nhà sản xuất SAMYUONG như: Công suất cực đại hệ RF là 20 kW, biên độ điện trường dao động cộng hưởng tại khe gia tốc đạt tới 45 kV... Để đạt được hai thông số quan trọng trên, cần điều chỉnh trở kháng buồng cộng hưởng tới giá trị 50 Ω tại tần số 77,3 MhZ và hệ số phản xạ từ buồng cộng hưởng trở lại khối phát công suất RF nhỏ hơn 3%.

Tất cả các máy gia tốc sau khi mở hệ thống khoang cộng hưởng để tiến hành bảo dưỡng, sữa chữa xong đều cần hiệu chuẩn lại trở kháng của máy và hệ số phản xạ trong máy gia tốc. Hiện tại ở Việt Nam chưa có nghiên cứu nào về phối hợp trở kháng và hệ số phản xạ của máy gia tốc được công bố, vì để thực hiện các nghiên cứu này thì cần một thiết bị chuyên dụng là máy network analyser. Hiện nay, Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội đã được đầu tư một máy network analyzers sử dụng cho máy gia tốc KOTRON13. Vì vậy, các nghiên cứu phối hợp trở kháng và hệ số phản xạ của buồng cộng hưởng RF có khả năng thực hiện được tại Trung tâm chiếu xạ Hà Nội. Kết quả nghiên cứu này sẽ áp dụng cho thực tiễn trong việc bảo trì bảo dưỡng các máy KOTRON13 tại Việt Nam.

Xuất phát từ thực tiễn trên, ThS. Nguyễn Tuấn Anh cùng nhóm nghiên cứu tại Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội đã thực hiệnNghiên cứu phối hợp trở kháng, hệ số phản xạ và mô phỏng hệ cộng hưởng RF của máy gia tốc KOTRON13 với mục tiêu: Tìm ra vị trí hệ số phản xạ tối ưu khi tiến hành bảo dưỡng sửa chữa máy gia tốc; Tính toán cấu hình và nâng cao năng lực mô phỏng hệ cộng hưởng RF trong máy gia tốc KOTRON13; Đào tạo cán bộ nâng cao kiến thức về công nghệ gia tốc.

Trên thế giới các trung tâm gia tốc đã được áp dụng từ những năm 30 thế kỷ 20 phục vụ các yêu cầu về nghiên cứu cơ bản và ứng dụng. Trong vài thập kỷ lại đây với chức năng sản xuất các dược chất phóng xạ dùng cho chuẩn đoán hình ảnh PET/CT, Spect, đã phát triển rất mạnh các máy gia tốc năng lượng thấp (Vài chục MeV) để sản xuất các dược chất phóng xạ dùng trong y tế.

Riêng khu vực châu Á, tính đến tháng 9/2007 đã có 276 máy cyclotron dùng cho máy PET, Trên thị trường hiện nay phổ biến nhất là các loại Cyclotron 10 MeV, 18 MeV và 30 MeV. Các loại nhỏ hơn 10 MeV và lớn hơn 70 MeV ít được sử dụng. Các loại rất lớn (trên 200 MeV) chỉ sử dụng ở các cơ sở dùng kỹ thuật điều trị bằng các hạt ion nặng. Phát triển công nghệ gia tốc là một lĩnh vực khó và tốn kém. Công nghệ này chỉ có thể phát triển tại các nước có nền kinh tế, kỹ thuật đủ mạnh. Các kiến thức về lý thuyết cơ bản được phổ biến miễn phí trong các tài liệu, các hội nghị khoa học... song các số liệu thực nghiệm về thiết kế, chế tạo, lắp đặt là bí quyết và là quyền sở hữu trí tuệ riêng của các công ty sản xuất thiết bị. Các nước muốn phát triển công nghệ gia tốc (Phần thiết kế, chế tạo...) phải tự đầu tự nghiên cứu chứ không được trợ giúp từ nước ngoài.

Buồng gia tốc cộng hưởng RF của Cyclotron là một bộ phận quan trọng cho phép hạt tích điện được gia tốc khi đi qua mỗi khe gia tốc với điện thế vài chục kV (Với KOTRON13 khoảng 40 kV trong khi điện thế đầu vào là 8kV). Để máy gia tốc điện thế lên 40kV thì các máy gia tốc cần phải phối hợp trở kháng giữa bộ phát công suất RF và hệ RF Dee trong máy gia tốc, đồng thời cho hệ số phản xạ của máy gia tốc trong ngưỡng cho phép. Việc nghiên cứu các thông số cụ thể buồng cộng hưởng RF thuộc loại công nghệ cao và là các bí quyết của riêng các công ty chế tạo máy gia tốc. Vì vậy cách thức phối hợp trở kháng và điều chỉnh hệ số phản xạ của máy gia tốc KOTRON13 đã được các viện nghiên cứu trên thế giới thực hiện và áp dụng. Nhưng các công bố về các nghiên cứu này còn rất hạn chế.

Các nghiên cứu hệ thống RF của máy gia tốc vòng đã phát triển rất mạnh mẽ tạo ra khả năng gia tốc nhiều loại hạt đến các mức năng lượng cao hơn. Với các bài giảng của CERN và USPAS giúp người đọc có các khái niệm ban đầu phương pháp tính toán các mô hình cộng hưởng RF trong máy gia tốc vòng. Nhưng các nghiên cứu đối với những máy gia tốc cỡ nhỏ giống như KOTRON-13 lại khá hạn chế. Các công bố này chỉ đưa ra thông số và các kết quả mô phỏng được. Một số dòng máy đã được nghiên cứu có cấu hình tương tự như KOTRON-13 phải kể đến như: máy gia tốc loại 8 MeV với tần số cộng hưởng 74,33 MHz và loại máy 30MeV có tần số cộng hưởng 63,96 MHz. Đặc biệt 01 nghiên cứu của KIRAMS, đây cũng là công bố của nhóm thiết kế hệ thống RF cho thiết bị KIRAMS-13 với năng lượng 13 MeV, tần số 77,3 MHz. Nhìn chung 3 nghiên cứu trên đều đưa ra phương pháp tính cơ bản, việc mô phỏng và phân tích dựa trên phần mềm CST-MWS. Các kết quả mô phỏng cho phép khảo sát phân bố điện trường và hiệu quả từ mô hình cộng hưởng RF.

Đề tài nghiên cứu phối hợp trở kháng và xác định hệ số phản xạ từ hệ phản xạ RF máy gia tốc cyclotron HIC-KOTRON13 đã được nghiên cứu và tiến hành các thực nghiệm trên cơ sở thiết bị N9912A. Hai thông số đã được xác định sau khi lắp đặt buồng cộng hưởng gia tốc là trở kháng R khoảng 50 Ω và hệ số phản xạ RF từ buồng cộng hưởng nhỏ hơn 3% tại tần số 77,3 MHz. Cùng với việc lắp đặt nguồn ion PIG thì đây là công việc tiếp theo cho việc lắp đặt toàn bộ buồng cộng hưởng của thiết bị gia tốc HICKOTRON13. Thực nghiệm đã xác định được khoảng cách 2 bản tụ của tụ vi chỉnh khoảng 1,57 cm. Thực nghiệm cũng đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ nước làm mát tới sự thay đổi trở kháng R buồng cộng hưởng. Kết quả đo phổ sóng phản xạ RF từ buồng cộng hưởng khoảng 2 % cho thấy sự phù hợp với kết quả giá trị đo S11 từ thiết bị N9912A. Sau khi bảo dưỡng định kỳ, thiết bị gia tốc HIC-KOTRON13 đã hoạt động bình thường phục vụ quá trình sản xuất động vị 18F. Kết quả mô phỏng đưa ra được cấu hình cơ bản của buồng cộng hưởng trong máy gia tốc KOTRON13, sau khi chạy mô phỏng đã cho ra được phân bố điện trường trong máy gia tốc KOTRON13, tuy nhiên tần số cộng hưởng ghi được của mô phỏng chỉ ra gần tương đồng với tần số cộng hưởng của máy gia tốc KOTRON13 đã được công bố.

Có thể tìm đọc toàn văn báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 19443/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

Đ.T.V (NASATI)