Nguyên lý hoạt động, lắp đặt và xác định thực nghiệm các thông số kỹ thuật nguồn ion PIG trong máy gia tốc Cyclotron KOTRON13

SCIENCE TECHNOLOGY 
Số 49.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 71
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG, LẮP ĐẶT VÀ XÁC ĐỊNH 
THỰC NGHIỆM CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT NGUỒN ION PIG 
TRONG MÁY GIA TỐC CYCLOTRON KOTRON13 
THE PRINCIPLES OF OPERATION, INSTALLATION AND DETERMINATION 
OF TECHNICAL PARAMETERS OF INTERNAL PIG ION SOURCE IN KOTRON-13CYCLOTRON 
Nguyễn Tiến Dũng*, 
Nguyễn Tuấn Anh, Phạm Minh Đức 
TÓM TẮT 
Nguồn ion máy gia tốc là nơi tạo ra các hạt tích điện phục vụ quá trình gia 
tốc hạt tại buồng gia tốc. Nguồn ion được phân ra nhiều loại khác nhau phù hợp 
với các máy gia tốc được sử dụng với các mục đích khác nhau. Nguồn ion theo 
công nghệ PIG thuộc loại nguồn có cấu tạo đơn giản thích hợp với các loại máy 
PET cyclotron đang được sử dụng nhiều trên thị trường. Máy gia tốc cyclotron 
KOTRON13 được lắp đặt tại Trung tâm chiếu xạ Hà Nội thuộc Viện Năng lượng 
nguyên tử Việt Nam đã sử dụng nguồn ion theo công nghệ PIG. Máy được dùng 
để sản xuất dược chất phóng xạ 18FDG dùng trong kỹ thuật chụp ảnh PET/CT 
nhằm chẩn đoán bệnh ung thư sớm. 
Bài cáo này trình bày nguyên lý hoạt động, lắp đặt và xác định các thông số 
kỹ thuật cho nguồn ion PIG trong máy KOTRON13. Các thông số về cơ khí lắp đặt 
vị trí nguồn ion, nguồn điện tạo vùng plasma, lưu lượng dòng khí hydro đưa vào 
nguồn ion đã được xác định thực nghiệm nhằm đạt được dòng cực đại trên bia và 
tối ưu hoạt động của KOTRON13. 
Từ khóa: PIG, Cyclotron, KOTRON13, 18FDG, plasma. 
ABSTRACT 
Accelerators’ ion sources create electrostatic particles used in acceleration 
chamber. There are several types of ion sources applicable to accelerators with 
different purposes. The internal PIG ion source, thanks to its simple 
configuration, is largely used in many PET cyclotrons. The KOTRON-13 cyclotron 
installed at Hanoi Irradiation Center, Vietnam Atomic Energy Institute uses this 
ion source. The radiopharmaceutical 18FDG produced from KOTRON-13 center is 
used for PET/CT in early cancer diagnostic. 
This report presents the principles of operation, installation and determination 
of technical parameters of KOTRON-13’s internal PIG ion source. The position of 
internal ion source, the ARC current of the ion source, the flow of hydrogen gas, etc. 
are determined by experiment with the purpose of achieving maximum current on 
target and optimalperformance for KOTRON13. 
Keywords: PIG, Cyclotron, KOTRON13, 18FDG, plasma. 
Phòng Gia tốc, Trung tâm chiếu xạ Hà Nội 
*Email: ntdung@vinatom.gov.vn 
Ngày nhận bài: 15/9/2018 
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 15/10/2018 
Ngày chấp nhận đăng: 25/12/2018 
1. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG NGUỒN ION PIG 
1.1. Giới thiệu về máy gia tốc cyclotron KOTRON13 
Máy gia tốc cyclotron KOTRON13 do hãng Samyoung 
Unitech chế tạo để sản xuất dược chất phóng xạ 18FDG 
dùng trong kỹ thuật chẩn đoán ung thư sớm PET/CT [1]. 
Máy được lắp đặt tại Trung tâm chiếu xạ Hà Nội thuộc Viện 
Năng lượng nguyên tử Việt Nam. Máy gồm 3 bộ phận 
chính: Nguồn ion theo công nghệ PIG dùng để tạo ion âm 
H-, buồng gia tốc vòng và hệ dẫn chùm tia ra khỏi máy gia 
tốc hướng tới bia. Hạt proton được gia tốc tới năng lượng 
13MeV và dòng trên bia đạt tới 50µA. Trong thiết kế của 
KOTRON13, nguồn ion được đặt tại vùng tâm của máy gia 
tốc sử dụng công nghệ nguồn PIG cathode lạnh. Bài báo 
này trình bày chi tiết về nguồn PIG lắp đặt trong 
KOTRON13. Các kỹ thuật khác của cyclotron sẽ từng bước 
được công bố trong các bài báo sau. 
Hình 1. Hình ảnh máy gia tốc cyclotron KOTRON13 
1.2. Nguyên lý hoạt động của nguồn ion Penning 
Ionization Gauges (PIG) 
Quá trình tạo ion Hydro trong nguồn ion PIG dựa trên 
hiệu ứng ion hóa chất khí khi bắn phá của các hạt điện tử 
 CÔNG NGHỆ 
 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 49.2018 72
KHOA HỌC
vào nguyên tử khí hydro trung hòa. Nguồn ion được thiết 
kế gồm 1 ống anode hình trụ rỗng cùng với 2 cathode nằm 
ở hai đầu ống. Toàn bộ nguồn ion được đặt trong từ trường 
cố định B với chiều từ trường xác định như hình 2. Dưới tác 
dụng của lực từ, các hạt điện tử chuyển động xoáy tròn từ 
cathode đến anode dưới tác dụng của điện thế Va giữa hai 
điện cực này. Chuyển động này của các hạt điện tử tạo ra 
một vùng plasma tại tâm của ống anode bao gồm các hạt 
ion âm, ion dương, các hạt điện tử và các nguyên tử khí 
hydro trung hòa [3]. 
Hình 2. Cấu tạo cơ bản nguồn ion công nghệ PIG 
Nguồn ion sử dụng trong máy KOTRON13 là nguồn ion 
âm H-. Việc tạo ra ion âm H- được thực hiện theo 2 quá trình 
cơ bản sau [2]: 
- Tạo ra phân tử hydro ở trạng thái kích thích qua tương 
tác: e (~200 eV) + H2 → e + H2* 
- Tạo ra ion âm H- dựa trên tương tác: 
- e (~1 eV) + H2* → H + H- (1) 
Trong vùng plasma của ống anode, năng lượng của các 
hạt điện tử với động năng khoảng ~200eV là điều kiện 
thuận lợi để tương tác sinh ra các phân tử khí ở trạng thái 
kích thích H2*. Các phân tử khí kích thích H2* này dễ dàng 
bắt hạt điện tử động năng thấp khoảng 1eV để tạo ra ion 
âm H-. 
Để làm tăng hiệu suất tạo ion H-, nguồn ion PIG thiết kế 
thêm một lớp kim loại Cs trên bề mặt của cathodes. Việc 
tạo ra H -bổ sung dựa trên quá trình tương tác như sau: 
Cs + H CsH Cs+ + H- (2) 
Quá trình tương tác này được gọi là quá trình tạo ion 
dựa vào hiệu ứng ion hóa bề mặt. Tóm lại, quá trình tạo ion 
âm H- trong vùng plasma nguồn ion PIG được tạo ra là sự 
tổng hợp của hai quá trình: quá trình tạo ion âm H- trong 
thể tích vùng plasma (1) và quá trình tạo ion dựa trên sự ion 
hóa bề mặt cathode (2). 
Hình 3. Quá trình tương tác ion hóa bề mặt tạo ion âm H- bổ sung 
Các ion âm H- được tạo ra trong nguồn ion được kéo ra 
ngoài dưới tác dụng của điện trường và được đưa vào 
buồng gia tốc. 
2. LẮP ĐẶT VÀ XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT 
NGUỒN PIG 
2.1. Lắp đặt nguồn ion PIG vào máy KOTRON13 
Nguồn ion PIG được lắp đặt tại vùng tâm của buồng 
cộng hưởng điện từ trường RF trong máy KOTRON13. Khi 
lắp đặt nguồn ion PIG ta cần phải xác định 2 thông số quan 
trọng: Vị trí nguồn ion theo không gian 3 chiều bên trong 
buồng cộng hưởng và góc tạo bởi khe ra chùm hạt trên 
anode và pháp tuyến 2 điện cực puller. Trong hệ tọa độ Đề-
Các, vị trí nguồn ion theo trục Z được xác định theo vị trí 
giữa của khe hạt ra nằm trên mặt phẳng trung tâm quỹ đạo 
hạt. Hai vị trí không gian theo chiều X, Y xác định theo vị trí 
L1-L2 và L3-L5 (hình 4). Sự phụ thuộc dòng ra của máy gia 
tốc vào vị trí đặt nguồn ion được tiến hành trong nghiên 
cứu này. Sơ đồ vị trí lắp đặt của nguồn ion được mô tả trên 
hình 4. Thí nghiệm được tiến hành với 2 điều kiện cho mỗi 
số liệu thực nghiệm: 
 - Trở kháng buồng cộng hưởng được điều chỉnh với giá 
trị 50Ω tại tần số RF 77,3MHz. 
- Chân không tại buồng cộng hưởng khoảng 2 x 10-7 
mbar (Sau 2 ngày hút chân không). 
Giải thích các ký hiệu trên hình 4: 
L1: Khe trung tâm của buồng cộng hưởng (Vị trí gốc) 
L2: Mép trái của nguồn ion 
L3 : Mặt phẳng đầu ra ion H- của chimney 
L4: Trục trung tâm của buồng cộng hưởng. 
L5: Mặt phẳng tạo bởi mép của puller hướng về buồng 
chimney (Vị trí gốc) 
L6-L7: Khoảng cách giữa 2 khe của puler được cố định 
2,1mm 
SCIENCE TECHNOLOGY 
Số 49.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 73
Hình 4. Sơ đồ vị trí lắp đặt nguồn ion PIG vào máy gia tốc KOTRON13 
2.1.1. Xác định mối quan hệ giữa dòng ra trên bia phụ 
thuộc khoảng cách giữa L1và L2 
Khi tiến hành lắp đặt nguồn ion PIG vào buồng cộng 
hưởng gia tốc RF, khoảng cách từ khe trung tâm (Vị trí gốc 
L1) đến mép trái của nguồn ion (Vị trí L2) ảnh hưởng lớn 
đến dòng protons đến được bia. Thí nghiệm được tiến 
hành với các điều kiện biên khác của KOTRON13 được xác 
lập tại bảng 1. 
Bảng 1. Thông số cài đặt cố định khi khảo sát khoảng cách L1 và L2 
TT Thông số cài đặt cố định Đơn vị đo 
1 Khoảng cách từ L3 tới L5 2,5 mm 
2 Góc lệch của puller và anode -1 độ 
3 Giá trị Duty cycle của RF 35 % 
4 Lưu lượng dòng khí H2 vào buồng ion 9 sccm 
5 ARC-Curent nguồn nuôi cho PIG 1,2 A 
Thực nghiệm được tiến hành bằng việc tăng dần 
khoảng cách giữa L1 và L2 và đo dòng ra trên bia. Các 
thông số kỹ thuật khác của KOTRON13 được cài đặt giá trị 
trong bảng 1. 
Hình 5. Dòng trên bia phụ thuộc khoảng cách từ khe của buồng cộng hưởng 
đến mép trái nguồn ion 
Nhận xét: Từ đồ thị thực nghiệm hình 5 nhận thấy, 
khoảng cách giữa khe trung tâm của buồng cuộng hưởng 
và mép trái của nguồn ion là 17,5mm thì dòng ra trên bia 
đạt giá trị cao nhất khoảng 32µA. 
2.1.2. Xác định mối quan hệ giữa dòng ra trên bia phụ 
thuộc khoảng cách giữa L3 và L5 
Khi các ion H- được tạo ra tại vùng plasma trong ống 
anode thì điện cực puler có nhiệm vụ kéo các ion H- này ra 
khỏi nguồn ion và hướng chùm hạt này vào buồng gia tốc 
cộng hưởng RF dưới tác dụng của lực điện trường. Khi điện 
trường tại điện cực puller giữ cố định, hiệu suất kéo các hạt 
ion âm hydro này phụ thuộc vào khoảng cách từ L3 đến L5. 
Thực nghiệm được tiến hành bằng việc tăng dần 
khoảng cách giữa L3 và L5 và đo dòng ra trên bia. Các 
thông số kỹ thuật khác của KOTRON13 được cài đặt giá trị 
trong bảng 2. 
Bảng 2. Thông số cài đặt cố định khi khảo sát khoảng cách L3 và L5 
TT Thông số cài đặt cố định Đơn vị đo 
1 Khoảng cách L1 và L2 17,5 mm 
2 Góc lệch của puller và anode -1 độ 
3 Giá trị Duty cycle của RF 35 % 
4 Lưu lượng dòng khí H2 vào buồng ion 9 sccm 
5 ARC-Current nguồn nuôi cho PIG 1,2A 
Hình 6. Dòng trên bia phụ thuộc khoảng cách giữa khe ra của anode và giữa 
2 mép của puller (L3 đến L5) 
Nhận xét: Từ đồ thị thực nghiệm hình 6 nhận thấy, 
khoảng cách giữa khe ra của anode và giữa 2 mép của 
puller là 2,6mm thì dòng ra tới bia là cao nhất. 
2.1.3. Khảo sát góc tạo bởi khe ra của anode và pháp 
tuyến 2 điện cực puler 
Nhiệm vụ của điện cực puler là hút các ion âm H- sau khi 
được tạo ra trong vùng plasma của ống anode để đưa 
chúng vào buồng cộng hưởng gia tốc. Thí nghiệm này 
khảo sát sự phụ thuộc dòng trên bia với góc tạo bởi khe ra 
của anode và pháp tuyến của puller phục vụ quá trình xác 
định vị trí không gian của anode. Thí nghiệm được tiến 
hành với các điều kiện biên của KOTRON13 được xác lập tại 
bảng 3. 
Bảng 3. Thông số cài đặt khi khảo sát sự phụ thuộc dòng trên bia vào góc 
giữa khe ra anode và pháp tuyến của puller 
TT Thông số cài đặt cố định Đơn vị đo 
1 Khoảng cách L1 và L2 17,5 mm 
2 Khoảng cách L3 và L5 2,5 mm 
3 Giá trị Duty cycle của RF 35 % 
4 Lưu lượng dòng khí H2 vào buồng ion 9 sccm 
5 ARC-Current nguồn nuôi cho PIG 1,2A 
Thực nghiệm được tiến hành bằng cách quay anode 
xung quanh vị trí góc 00 (Góc 00 là góc mà bởi khe ra của 
anode và pháp tuyến của puller là trùng nhau). Kết quả thí 
nghiệm được mô tả trên hình 7. 
 CÔNG NGHỆ 
 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 49.2018 74
KHOA HỌC
Hình 7. Dòng trên bia phụ thuộc góc giữa khe ra anode và pháp tuyến của 
puller 
Nhận xét: Từ đồ thị thực nghiệm hình 7 nhận thấy, góc 
tạo bởi khe ra của anode và pháp tuyến của puller khoảng 
-1 độ thì dòng ra tới bia là cao nhất. 
2.2. Nghiên cứu sự phụ thuộc dòng ra trên bia vào lưu 
lượng dòng khí H2 và nguồn nuôi ARC- Current của 
KOTRON13 
2.2.1. Sự phụ thuộc dòng ra trên bia vào lưu lượng 
dòng khí H2 
Hai thông số đầu vào ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình 
tạo plasma trong ống anode là lưu lượng dòng khí H2 vào 
nguồn ion và dòng nguồn nuôi một chiều arc current của 
PIG. Trong thiết kế nguồn ion PIG của máy gia tốc 
KOTRON13, từ trường B cố định với hướng dọc ống anode 
như hình 2, tạo chuyển động xoáy tròn các hạt điện tử từ 
cathode đến anode. 
Thông số hoạt động của máy gia tốc khi khảo sát sự phụ 
thuộc của dòng khí hydro vào PIG: 
- Giá trị RF Duty Cycle: 60% 
- Dòng arc current: 1,2A. 
- Dòng nuôi của cuộn dây nam châm: 145,340A 
- Giá trị thế gia tốc: 40kV. 
- Chân không máy gia tốc: 1,5.10-7 mbar. 
Bảng 4. Sự phụ thuộc của dòng trên bia và lưu lượng khí hydro vào nguồn ion 
STT Lưu lượng dòng 
khí H2 (sccm) 
Dòng ra trên carbon foil 
(µA) 
Dòng ra trên bia 
 (µA) 
1 3 10,2 4,1 
2 4 17,6 6,7 
3 5 41,7 15,6 
4 7 82,2 33,4 
5 9 98,6 39,5 
Hình 8. Sự phụ thuộc của dòng ra trên bia vào lưu lượng dòng khí hydro 
Nhận xét: Khi ta tăng lưu lượng khí hydro vào nguồn ion 
thì dòng ra trên bia sẽ tăng dần. Với lưu lượng dòng khí từ 
3 đến 9 sccm, dòng ra trên bia tăng liên tục (hình 8). 
Thực nghiệm cho thấy không thể tăng lưu lượng dòng 
khí lớn hơn 10 sccm vì khi đó chân không tại buồng gia tốc 
lớn hơn 5x10-6 mbar rất dễ gây hiện tượng phóng điện 
trong buồng gia tốc. 
2.2.2. Sự phụ thuộc dòng ra trên bia vào nguồn nuôi 
arc-curent 
Nguồn ion PIG được nuôi bằng nguồn nuôi 1 chiều điện 
áp 2,5kV và dòng ra đến 2A. Các hạt điện tử phát ra từ 
cathode chuyển động đến anode dưới tác dụng của điện 
trường gây ra hiệu ứng ion hóa các phân tử khí hydro. 
Dòng điện lối ra của nguồn điện 1 chiều (Ký hiệu arc-
current) được điều khiển theo giá trị đặt trước đến 2A. Thí 
nghiệm này được tiến hành bằng cách thay đổi dòng arc-
current và đo dòng ra trên bia theo hai giá trị lưu lượng 
dòng khí hydro là 3 sccm và 5 sccm. 
Hình 9. Sự phụ thuộc của dòng ra trên bia vào dòng nguồn nuôi arc-current 
Nhận xét: Khi dòng arc-current tăng thì dòng trên bia 
cũng tăng theo. Dòng trên bia có xu thế tăng chậm khi 
dòng Arc trên 1,5A. Giới hạn cho dòng arc-current tại 
KOTRON13 là 2,0 A (hình 9). 
3. CHẠY THỬ NGHIỆM KOTRON13 VỚI CÁC THÔNG SỐ 
NGUỒN PIG ĐƯỢC XÁC ĐỊNH TỪ THỰC NGHIỆM 
Các thông số kỹ thuật cơ bản của KOTRON13 được cài 
đặt theo giá trị tối ưu theo thực nghiệm được mô tả trong 
bảng 5. Các thông số về lắp đặt vị trí nguồn ion được sử 
dụng từ các nghiên cứu trên. Dòng ra trên bia được ghi 
nhận theo giá trị tăng dần của duty cycle từ 0 đến 70%. 
Dòng ra cao nhất trên bia đạt tới 60 µA (hình 10). 
Bảng 5. Tổng hợp các thông số cài đặt cho KOTRON13 
STT Thông số cài đặt Giá trị Ghi chú 
1 Dòng nam châm tạo từ trường 145,350A 
2 Dòng ARC nuôi nguồn ion 1,5A 
3 Nhiệt độ làm mát đầu ra từ 
chiller 
14oC 
4 Công suất phát RF- Duty cycle 60% RF Forward đạt trên 95% 
5 Lưu lượng dòng khí H2 9 sccm 
6 Điện áp cho sợi đốt đèn 
công suất RF 
8V~ 
SCIENCE TECHNOLOGY 
Số 49.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 75
7 Điện áp cho sợi đốt đèn 
điện tử IPA 
6V~ 
8 Nhiệt độ phòng Cyclotron 
và phòng điều khiển 
22oC Khi phát tia 
9 Độ ẩm đặt cho máy hút ẩm 40% 
10 Nhiệt độ đốt cho sợi đốt 
bơm khuếch tán dầu 
320oC Chân không 
2 x 10-7 mbar 
Hình 10. Dòng trên bia ghi nhận được với các thông số cài đặt tại bảng 5 và 
các thông số vị trí không gian PIG theo nghiên cứu này với giá trị Duty Cycle tăng 
dần đến 70% 
Nhận xét: Các thông số xác định bằng thực nghiệm cho 
hoạt động của KOTRON13 lắp đặt tại Trung tâm chiếu xạ 
Hà Nội đã cho dòng ra trên bia đạt giá trị tới 60 µA. Giá trị 
này là tương đương với các nghiên cứu tại Viện Y học và 
phóng xạ KIRAMS của Hàn Quốc [5]. 
4. KẾT LUẬN 
Bài báo trình bày nguyên lý hoạt động, lắp đặt và tiến 
hành thực nghiệm xác định các thông số kỹ thuật cho hoạt 
động của nguồn ion PIG trong máy gia tốc KOTRON13. Các 
ion âm H- được sinh ra trong vùng plasma của ống anode 
theo 2 hiệu ứng cơ bản: Sự kết hợp giữa các hạt điện tử 
năng lượng thấp với các nguyên tử hydro ở trạng thái kích 
thích và hiệu ứng ion hóa bề mặt của nguyên tố Cs trên bề 
mặt cathode do H trung hòa tạo ra. Việc lắp đặt, xác định vị 
trí không gian 3 chiều của nguồn ion PIG đảm bảo dòng ra 
trên bia là cao nhất và trở kháng của buồng gia tốc RF là 
50Ω. Kết quả đã xác định được khoảng cách giữa L1, L2 là 
17,5mm và L3,L5 là 2,6mm. Mối liên quan giữa dòng ra trên 
bia và các thông số đầu vào của PIG như lưu lượng dòng 
khí H2 và dòng nguồn nuôi arc-curent cũng đã được khảo 
sát chi tiết. Kết quả là với các thông số cài đặt cho 
KOTRON13 như bảng 5, dòng ra trên bia đạt giá trị cao nhất 
là 60µA. Thực nghiệm cho thấy với dòng trên bia 40µA sau 
2 giờ bắn bia, hoạt độ phóng xạ 18F đạt 2,2 Ci đủ dùng cho 
2 máy PET/CT trong 1 ngày hoạt động. Các khảo sát chi tiết 
hơn về PIG sẽ được đăng tải trong các ấn phẩm tiếp theo. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Reference manual of cyclotron KOTRON13. 
[2]. The Series 4/3N Injector Training Course at IBA, (1.1. A Brief Guide to the 
Formation of H- Ions): 2-3 
[3].  
[4]. Peter Spadtke, BEAM FORMATION: 15-16 
[5]. 2010, Byung Chul Lee, Hong Jin Lee, Intensification of the KOTRON-13 
Cyclotron by Optimizing the Ion Source.