Trên thế giới (các nước phát triển như Mỹ, châu Âu, Nhật Bản...), 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. Đồng hành với sự phát triển về công nghệ gia tốc là các phát triển về công nghệ nguồn ion. 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, trong đó Nhật bản là 150 máy; Trung Quốc: 73; Hàn Quốc: 24; Úc: 9; Hồng Công: 9; Philipin: 1… 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.

Tại Hàn quốc, công nghệ gia tốc mới phát triển khoảng 15 năm trở lại đây, song Hàn Quốc đã chế tạo được trên 10 máy PET cyclotron sản xuất các dược chất phóng xạ dùng cho PET/CT. Đã tự chế tạo máy cyclotron năng lượng 30 MeV dùng trong nghiên cứu và sản suất dược chất phóng xạ cho PET, SPECT. Hai công nghệ nguồn ion đã được nghiên cứu chi tiết là công nghệ nguồn ion PIG và Multicups. Hàn Quốc là một mô hình về phát triển công nghệ gia tốc để các nước đang phát triển học tập.

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 tư nghiên cứu chứ không được trợ giúp từ nước ngoài.

Xuất phát từ thực tiễn đó, Cơ quan chủ trì Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội cùng phối hợp với Chủ nhiệm đề tài TS. Nguyễn Tiến Dũng thực hiện “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo lắp đặt nguồn ion theo công nghệ PIG cho máy gia tốc KOTRON13” với mục tiêu: Làm chủ công nghệ nguồn ion công nghệ PIG của máy gia tốc cyclotron KOTRON13; Nghiên cứu thiết kế, chế tạo ra nguồn ion PIG nhằm thay thế cho nguồn ion PIG nhập khẩu cùng loại của máy gia tốc KOTRON13; Lắp đặt vận hành và đồng bộ hóa nguồn ion PIG với máy gia tốc KOTRON13.

Đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và lắp đặt nguồn ion theo công nghệ PIG cho máy gia tốc KOTRON13” mới đặt ra yêu cầu thực tế là chế tạo được một nguồn ion PIG lắp đặt trên máy HIC-KOTRON13 cho dòng ra trên bia đạt tới 40 µA. Hai bộ phận quan trọng là Anode và Cathode đều nhập khẩu từ Hàn Quốc. 10 Bộ phận cơ khí của nguồn ion PIG được chế tạo tại Việt nam đảm bảo khi lắp đặt nguồn ion vào vùng lõi của máy gia tốc vẫn đảm bảo trở kháng buồng cộng hưởng 50 Ω và tần số cộng hưởng RF là 77,3 MHz. Để hiểu sâu hơn về hoạt động của nguồn ion PIG trên máy gia tốc HIC-KOTRON13 cần phải tiếp tục tiến hành các nghiên cứu tiếp theo như: Dòng ra trên bia phụ thuộc kích thước Anode, Cathode, vị trí không gian của nguồn ion PIG trong máy gia tốc... Các nghiên cứu này sẽ được từng bước thực hiện trong thời gian tiếp theo.

Cấu tạo của nguồn ion PIG đã được công bố lần đầu tiên bởi Louis Maxwell vào năm 1930. Đến năm1937, nhà khoa học Frans Penning đã phát triển nguồn ion này đặt tên là Penning Ionization Gauge hoặc Philips Ionization Gauge và lấy tên viết tắt là nguồn ion PIG. Nguồn ion theo công nghệ này vẫn được sử dụng rộng dãi trong các máy gia tốc hiện nay do cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo và vận hành không quá phức tạp.

Khi tiến hành việc thiết kế, chế tạo một bộ phận chức năng của máy gia tốc như buồng cộng hưởng, kích thước khe gia tốc, diện tích bản tụ tinh chỉnh tần số cộng hưởng RF buồng gia tốc, buồng ion hóa nguồn ion... thì công việc đầu tiên cần thực hiện là tính toán, mô phỏng quá trình vật lý xảy ra ở bộ phận gia tốc đó và dự tính các thông số kỹ thuật tối ưu như vị trí lắp đặt, kích thước, chế độ hoạt động.

Phần mềm CST (Computer Simulation Technology) là một phần mềm mô phỏng chuyên dụng về điện từ, dựa trên việc giải các phương trình Maxwell trong các cấu trúc phức tạp [5]. CST cung cấp khả năng tính toán các trường điện từ, nhiệt độ, năng lượng, công nghiệp hàng không… Các ứng dụng của CST đó là mô phỏng trong điện-điện tử, năng lượng, cơ khí. Trong đó mô-đun Particle Studio là mô-đun chuyên dụng để mô phỏng sự chuyển động của hạt tích điện trong môi trường.

Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả sau:

Đề tài nghiên cứu thiết kế, chế tạo và lắp đặt nguồn ion theo công nghệ PIG cho máy gia tốc HIC-KOTRON13 đã hoàn thành 5 nội dung theo thuyết minh đã được phê duyệt bao gồm các nghiên cứu tổng quan về nguồn ion PIG, các thiết kế chi tiết về cơ khí, chế tạo, lắp đặt và chạy thử nghiệm. Các nội dung về vị trí lắp đặt các bộ phận nguồn ion, các khảo sát về các thông số kỹ thuật nguồn ion và buồng cộng hưởng gia tốc đã được nghiên cứu kỹ lưỡng. Hai thông số quan trọng của buồng gia tốc cộng hưởng có liên quan đến việc lắp đặt nguồn ion PIG là trở kháng và hệ số phản xạ từ buồng gia tốc đến khối phát công suất RF đã được xác định bằng thực nghiệm. Vị trí tối ưu các bộ phận chi tiết nguồn ion như anode, cathode, khe ra của anode cũng đã được khảo sát và có các kết quả cụ thể. Kết quả cuối cùng là khi vận hành thiết bị gia tốc với nguồn ion mới chế tạo, dòng trên bia đã đạt trên 40 µA. Các sản phẩm khác đã đăng ký trong khuôn khổ đề tài cũng đã được thực hiện đầy đủ. Sản phẩm dạng I là 2 nguồn ion PIG và 6 điện cực PULLER đã được nghiệm thu. Sản phẩm dạng II bao gồm 13 bản vẽ chi tiết cơ khí nguồn ion, tài liệu tổng quan về nguồn ion, phần mềm mô phỏng về một số chức năng hoạt động nguồn ion... đã được nghiệm thu. Sản phẩm dạng III bao gồm 3 báo cáo tại các Hội nghị khoa học và 1 bài báo khoa học cũng đã hoàn thành. Hỗ trợ cho 3 thành viên tham gia đề tài hoàn thành luận án cao học trong lĩnh vực máy gia tốc và ứng dụng liên quan. Về cơ bản, đề tài đã hoàn thành các công việc đề ra.

Về mặt khoa học, kết quả của đề tài đã khảng định về mặt thực nghiệm, nhóm cán bộ tham gia đề tài đã làm chủ được các công việc được đánh giá là khó, là bí quyết của hãng sản suất thiết bị. Các công việc này bao gồm thiết kế, chế tạo cơ khí, lắp đặt nguồn ion PIG trong vùng lõi của máy gia tốc, đo đặc trở kháng và điều chỉnh tần số cộng hưởng buồng gia tốc. Công việc này trước đây chỉ có hãng sản suất thiết bị mới thực hiện được. Về mặt kinh tế xã hội, nguồn ion PIG này có thể lắp đặt tại HIC-KOTRON13 và máy gia tốc tại Bệnh viện đa khoa Đà Nẵng. Sản phẩm có thể thay thế thiết bị cùng loại phải nhập ngoại.

Hướng nghiên cứu tiếp theo là nguồn ion PIG vẫn cần cải tiến phù hợp với toàn bộ các bộ phận khác sẽ được nâng cấp của máy HIC-KOTRON13 như nâng cấp.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 18208/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

Đ.T.V (NASATI)