Nhập môn máy gia tốc

Nhập môn máy gia tốc

MÁY GIA TỐC HẠT (Particle Accelerators)

Nội dung chính môn học

 Nhập môn máy gia tốc hạt.

 Cơ sở vật lý của máy gia tốc hạt.

 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của một số máy gia tốc.

 Máy gia tốc trong nghiên cứu cơ bản và ứng dụng.

Nhập môn máy gia tốc hạt

 Sự cần thiết của máy gia tốc

 Lịch sử hình thành và phát triển máy gia tốc

 Phân loại máy gia tốc

 Các bộ phận chính của máy gia tốc

 Ứng dụng của máy gia tốc

 Một số máy gia tốc tại Việt Nam

I Sự cần thiết của máy gia tốc hạt

 Cấu trúc và tính chất của vật chất được phát hiện dựa trên sự tương tác của các hạt

cơ bản cũng như các ion với vật chất Để có được khả năng như vậy các hạt phải có

năng lượng nhất định và cường độ của chúng phải đủ lớn.

 Để nghiên cứu cấu trúc nguyên tử cần chùm hạt có năng lượng từ vài chục tới hàng trăm keV.

 Trong trường hợp hạt nhân, năng lượng liên kết trung bình của các nucleon trong hạtnhân khoảng 7- 8 MeV Để tách một nucleon ra khỏi hạt nhân thì năng lượng củachùm hạt bắn phá phải lớn hơn năng lượng liên kết Trong thực tế muốn nghiên cứucấu trúc hạt nhân và phản ứng hạt nhân cần các hạt bắn phá có năng lượng từ hàng chục tới hàng trăm MeV

 Để nghiên cứu cấu trúc các nucleon, các hạt cơ bản cần tới năng lượng hàng trăm ngàn MeV đến nhiều TeV.

 Các nhà khoa học hiện vẫn đang tìm kiếm những thông tin cơ bản nhất về những loạitương tác đơn giản nhất, các hạt đơn giản nhất như meson, lepton, quark , vật chấtđen, thời điểm xảy ra vụ nổ lớn (big bang)… cần đến năng lượng cao nhất mà conngười có thể tạo ra được

 Đó chính là những lý do quan trọng thúc đẩy sự ra đời không những chỉ của các máygia tốc có năng lượng thấp hoặc trung bình mà còn của cả các máy gia tốc có nănglượng cao và rất cao

 Trong tự nhiên có một số loại hạt có năng lượng tương đối cao như các tia

vũ trụ nhưng thường cường độ của chúng rất yếu, cần rất nhiều thời gian

để có được thống kê đủ cho một thí nghiệm.

 Một số hạt phát ra từ các nguyên tố phóng xạ tự nhiên nhưng hầu hết không đủ về năng lượng cũng như cường độ để có thể gây ra phản ứng hạt nhân.

 Ngoài ra không có nguyên tố phóng xạ nào trong tự nhiên phát ra proton, đêtơri cũng như các ion nặng.

 Máy gia tốc là thiết bị lớn tạo ra đầy đủ các chủng loại hạt như: các chùm hạt tích điện bao gồm các ion, proton, electron, positron, các phân tử cùng các dòng hạt thứ cấp như bức xạ hãm, nơtron, bức xạ đồng bộ (synchrotron radiation), meson có năng lượng cao và cường độ lớn được đáp ứng được các yêu cầu nghiên cứu cơ bản cũng như ứng dụng.

 Sự phát triển của máy gia tốc đã góp phần quan trọng vào sự phát triển của nhiều ngành khoa học, kinh tế, trước hết là vật lý hạt nhân và vật lý hạt.

II Lịch sử hình thành và phát triển của máy gia tốc hạt

 1895: Rontgen sử dụng ống phóng tia catot (cathode ray tube), phát hiện ra tia X

 1897: Thomson phát hiện ra electron cũng từ ống phóng tia catot

 Ống phóng tia catot hay ống phóng tia X, về bản chất là một chiếc máy gia tốc đơn

giản đầu tiên tạo ra chùm electron và chùm tia X

 1913: Frank và Hertz kích thích các vành electron bằng cách bắn phá electron

 1906: Rutherford bắn phá tấm mica với các hạt anpha tự nhiên và tìm ra lý thuyết tán

xạ nguyên tử Các hạt anpha tự nhiên với năng lượng vài MeV

 1911: Rutherford đưa ra lý thuyết cấu trúc nguyên tử

 1919: Rutherford tạo ra phản ứng hạt nhân với các hạt anpha tự nhiên:

14 Ni +   17 O + p ; E th : 1.55 MeV

Rutherford mong muốn có một nguồn bức xạ năng lượng lớn nhiều MeV để có thể

tiếp tục nghiên cứu cấu trúc bên trong hạt nhân Đây chính là ý tưởng khuyến khích

các nhà khoa học tìm ra các thiết bị có thể tạo ra các chùm hạt có năng lượng lớn

hơn Rutherford được coi là người đầu tiên thức đẩy sự ra đời của máy gia tốc hạt

Dựa trên tính chất của trường gia tốc, có thể chia ra 3 hành trình chính trong

lịch sử hình thành và phát triển của máy gia tốc hạt.

 1920: Ý tưởng đầu tiên về máy gia tốc điện áp cao được đề xuất bởi J.Cockcroft

và E Walton,người Anh, dựa trên nguyên lý mạch nhân điện áp

 1929: R Van de Graaff, người Mỹ đưa ra mô hình máy gia tốc tĩnh điện

 1931: Chiếc máy gia tốc Van de Graaff đầu tiên với điện áp 1 chiều đạt tới 1.5 MVđược đăng ký bản quyền

 1932: J.Cockcroft và E Walton cho ra đời máy gia tốc nối tầng (cascadeaccelerator) đầu tiên với điện áp 800 kV Cockcroft & Walton đã thành công trongviệc tách nguyên tử lithium chỉ với 400 keV proton

- Hai phản ứng hạt nhân nhân tạo đầu tiên với chùm proton được gia tốc :

7 Li+p  2; 7 Li+p  7 Be+n

- Cockcroft và Walton nhận giải Nobel năm 1951

 Máy gia tốc Tandem là một sự hoàn thiện của máy gia tốc Van de Graaff, bao gồm

1 hoặc nhiều máy gia tốc Van de Graaff Tan dem có điện áp cao nhất hiện nay là25.5 MV đặt tại Oak Ridge National Laboratory (ORNL), USA

 Máy gia tốc Van de Graaff và Tandem cho dòng với năng lượng ổn định và độphân tán năng lượng thấp nhưng chúng không thể cung cấp dòng cao như cácmáy gia tốc Cockroft & Walton

 Các máy gia tốc tĩnh điện bị hạn chế trong việc tăng điện áp do hiện tượng phóngđiện, do đó không thể tạo ra các hạt có năng lượng cao hơn vài chục MeV

Hành trình thứ nhất

Cơ chế gia tốc điện áp 1 chiều (DC voltage acceleration)

Ernest Rutherford (1871-1937)

Rutherford backscattering (1908 Nobel Prize)

Robert Jemison Van de Graaff (1901-1967)

Máy gia tốc Van de Graaff

Máy gia tốc Tandem Van de Graaff

Hành trình thứ hai

Cơ chế gia tốc cộng hưởng (Resonance Acceleration)

Máy gia tốc điện áp một chiều là những thiết bị đầu tiên được khai thác trong các nghiên cứu vật lý hạt nhân, nhưng do giới hạn về điện áp nên khó đáp ứng được các yêu cầu của vật lý năng lượng cao Cần có thiết bị gia tốc với năng lượng lớn hơn.

 1924: G Ising, người Thụy Điển đề xuất ý tưởng sử dụng trường biến đổi theo thời gian (time varying field) Có thể thay thế điện cực đơn bằng việc đặt dọc theođường đi của hạt các điện cực hình trụ rỗng mang điện áp dạng xung Đây là sự giatốc cộng hưởng, có thể đạt năng lượng lớn hơn điện áp cao nhất của hệ thống

 1928: R.Wideroe, người Nauy, nhận thấy rằng nếu thay đổi pha của điện áp xoaychiều 1800 trong khi hạt đi qua các khoảng trống (gaps) giữa các ống trụ rỗng sẽnhận thêm năng lượng tại các khe này Từ ý tưởng này ông thiết kế máy gia tốcthẳng ( Linac) ba tầng đầu tiên theo nguyên lý của Ising sử dụng điện trường tần sốsiêu cao (radio frequency, RF) tạo chùm ion kali năng lượng 50 keV

 1929: E Lawrence, người Mỹ từ ý tưởng của Wideroe và Ising, đã thiết kế thànhcông máy gia tốc Cyclotron đầu tiên, gia tốc ion hydro (proton) tới năng lượng 80keV Trong cyclotron các hạt chuyển động theo quỹ đạo tròn xoáy trôn ốc trong từtrường mạnh và được gia tốc bởi điện trường

 1931: Máy gia tốc Cyclotron của Lawrence tạo ra proton 1.25 MeV và tách được nguyên tử chỉ vài tuần sau Cockcroft & Walton.

Lawrence nhận giải Nobel vào năm 1939.

 1939: Chiếc máy gia tốc Cyclotron đầu tiên ở châu Âu được chế tạo thành công tại Pháp, gia tốc chùm đêtơron đạt năng lượng 4 MeV Bằng cách bắn chùm D đã được gia tốc vào bia đã tạo được một nguồn nơtron có thông lượng và năng lượng lớn.

 1944: V.I Veksler, nhà khoa học Xô viết và E McMilan ở Beckerney,

Mỹ đề xuất máy gia tốc Microtron, đây là loại máy gia tốc các hạt tương đối tính như electron và positron Hạt được gia tốc dưới tác dụng của điện trường xoay chiều có tần số không đổi trong từ trường đồng nhất không đổi theo thời gian Hạt chuyển động theo quỹ đạo tròn

có một tiếp điểm chung.

Sự khác nhau giữa cơ chế gia tốc của Cockcroft & Walton và Ising

là ở trường gia tốc là tĩnh hay thay đổi theo thời gian.

Rolf Wideroe Gustaf Ising

Ernest Lawrence

V.I Veksler

Máy gia tốc Cyclotron

Máy gia tốc Cyclotron hội tụ hình quạt (sector focusing)

200 MeV proton

Máy gia tốc linac 100 MeV, PAL, Hàn quốc

Năng lượng E e- = 65 MeV; Dòng I e- = 30  60 mA; Tần số f =10  15 Hz;

Độ rộng xung  =1  4 s; Bia Ta, W, Pb.

Máy gia tốc linac 2.5 GeV, PAL, Hàn quốc

Hành trình thứ 3

Cơ chế gia tốc cảm ứng từ ( Magnetic Induction Acceleration)

Do điện tử có khối lượng rất nhỏ, ngay ở năng lượng thấp đã đạt gần bằng tốc

độ ánh sáng lên rất khó có thể gia tốc bằng cyclotron.

 1923: R Wideroe phác họa thiết kế máy gia tốc Betatron sử dụng cơ chế cảmứng từ Hai năm sau ông bổ sung thêm điều kiện về ổn định xuyên tâm nhưngkhông công bố

 1927: Sau đó Wideroe chế tạo một mẫu Betatron nhưng không thành công,ông chuyển sang nghiên cứu chế tạo máy gia tốc Linac

 1940: D Kerst, đại học Illinois, Mỹ tái phát minh ra Betatron và chế tạo thànhcông chiếc máy đầu tiên làm việc tạo chùm electron năng lượng 2.2 MeV.Trong betaron hạt chuyển động theo quỹ đạo tròn có có bán kính không đổi

 1950: Kerst xây dựng máy Betatron lớn nhất thế giới gia tốc chùm electron tớinăng lượng 300 MeV

Sự phát triển của Betatron đối với vật lý năng lượng cao kết thúc sớm (1950) Tuy nhiên chúng vẫn tiếp tục được chế tạo với mục đích thương mại dành cho các bệnh viện và các phòng thí nghiệm nhỏ.

 1964: N Christofilos, nhà vật lý Mỹ gốc Hy lạp phát tiển máy gia tốc thẳng cảmứng (induction linac), loại máy gia tốc này ít được phổ biến, thường sử dụng

để gia tốc các chùm hạt năng lượng trung bình nhưng với cường độ rất lớn

- Đến những năm 1940 có 3 cơ chế gia tốc chính được biết đến: Gia tốc tĩnh điện (DC), gia tốc cộng hưởng và cơ chế betatron ( cảm ứng từ ).

- Thực tế không có ý tưởng mới cho đến những năm giữa thập kỷ 60 Để gia tốc tốc hạt tới năng lượng rất cao cần có một cơ chế hội tụ trong các mặt phẳng (năng lượng) ngang và dọc.

- Cyclotron bị giới hạn bởi hiệu ứng tương đối tính, các hạt sẽ chuyển động chậm dần

và mất đồng bộ với điện trường tần số siêu cao (RF) Cần cơ chế ổn định pha.

 1945: E McMilan và V Veksler tìm ra cơ chế đồng bộ bằng cách thay đổi tần số vàphát minh ra Synchrocyclotron còn được gọi là Phasotron.

 1947: M Oliphant và J Gooden và G Hyde đề suất máy gia tốc Synchrotron 1 GeVđầu tiên tại Bermingham, Anh

Trong synchrotron, ban đầu hạt được gia tốc bằng một từ thông biến thiên, sau đóbằng điện trường xoay chiều Các hạt được gia tốc dọc theo một quỹ đạo hình nhẫn,

từ trường gia tốc uốn cong quỹ đạo hạt tăng theo thời gian sao cho quỹ đạo không đổitrong suốt quá trình gia tốc

 Các máy gia tốc synchrotron thế hệ đầu tiên thuộc loại hội tụ yếu (weak focusing).Đôi khi còn được gọi là Synchrophasotron

 1952: Tại phòng thí nghiệm Brookhaven,USA, đã chế tạo thành công máy gia tốcCosmotron 3 GeV Chiếc máy lớn nhất thuộc loại này tại Dubna (Nga) (bán kính 28 m,nam châm sắt từ nặng 36000 tấn, năng lượng electron 1.2 GeV)

Máy gia tốc năng lượng cao

 1952: E Courrant, M Livingston và H Snyder ở Brookhaven đề xuất nguyên lýhội tụ mạnh (strong focusing) đối với chùm hạt quỹ đạo tròn nhằm giảm kíchthước máy gia tốc so với loại hội tụ yếu.

 1954: Máy gia tốc synchrotron đầu tiên, 1.5 GeV, theo nguyên lý hội tụ mạnhđược chế tạo tại đại học Cornell, USA

 1959: Proton synchrotron 28 GeV đựơc đưa vào hoạt động tại CERN (Trung tâmnghiên cứu hạt nhân châu Âu)

 1960: Phòng thí nghiệm Brookhaven xây dựng máy synchrotron, gia tốc chùmproton tới năng lượng 33 GeV

 1960’s: Máy gia tốc Cyclotron hội tụ hình quạt (sector focusing) được giới thiệubởi J.R Richardson, là loại cyclotron đẳng thời (isochronous cyclotron), có thểgia tốc proton lên tới năng lượng 600 MeV

 Storage ring collider: là tổ hợp gia tốc hai chùm hạt và phản hạt theo haihướng đối diện nhau, sau đó cho va chạm trực diện Sử dụng chủ yếu trongnghiên cứu vật lý hạt

 Collider vòng đơn (single ring) là thiết bị đầu tiên sử dụng các hạt và phản hạtđược khai thác tại dự án AdA (Pháp - 1961)

 Tại Fermilab (USA) đang sử dụng thiết bị Collider vòng đơn năng lượng 2 x 900GeV proton – antiproton

 CERN là nơi khai thác đầu tiên loại Collider vòng đôi (double ring)

 Storage ring phần lớn là thiết bị lưu giữ chùm hạt electron đã được gia tốc trongmột thời gian dài với năng lượng không thay đổi thường nhằm mục đích tạo rabức xạ synchrotron hay chùm electron phân cực năng lượng cao

Storage ring collider

Synchrotron, Gatchia, NgaSynchrotron, Oxfordshire, Anh

Synchrotron, ESRF, Pháp Pohang Acelerator Lab., Korea

Pohang Accelerator Laboratory, KOREA

Một số trung tâm gia tốc lớn hiện nay

 SLC (Stanford Linear Collider) ở Stanford, USA là máy gia tốc Linac lớn nhấthiện nay, với chiều dài 3.2 km, gia tốc các electron và positron tới năng lượng

50 GeV

 NLC (Next Linear Collider) ở Stanford là dự án quốc tế lớn nhất về máy gia tốcLinac đang được xây dựng với chiều dài 30 km có thể gia tốc electron vàpositron năng lượng tới 1 TeV

 Tổ hợp gia tốc HERA (Hadron Electron Ring Accelerator) ở Hamburg, Đức ,chu vi 6.3 km, gia tốc chùm electron 30 GeV và proton 820 GeV

 J-PARK tại KEK, Nhật bản là tổ hợp gia tốc lớn nhất ở châu Á, với máy gia tốcSynchrotron chu vi 1.6 km, có thể gia tốc chùm protron tới năng lượng 50 GeV

 Máy gia tốc Tevatron tại Fermilab,USA với chu vi 6.28 km, gia tốc proton tới 2 x

980 GeV

 LHC (Large Hardon Collider) ở CERN là dự án gia tốc lớn nhất thế giới đãđược hoàn thành vào năm 2008 là chu vi 27 km, có thể gia tốc proton vàantiproton tới năng lượng 2 x 7 TeV, và chùm ion Pb năng lượng tới 2 x 574TeV

 Dự án SSC (Superconducting Super Collider) tại Texas, USA, nhằm xây dựngmột tổ hợp gia tốc đường kính 87.1 km, năng lượng tới 20 TeV Rất tiếc đã bịhủy bỏ năm 1993

Stanford Linear Collider ( SLC), Stanford, Mỹ

( dài 3.3 km, electron 50 GeV)

Hadron Electron Ring Accelerator, (HERA), Hamburg, Đức ( 6,3 km,

proton 820 GeV)

Tổ hợp gia tốc J-PARK tại KEK, Nhật bản ( 1.6 km,

proton 50 GeV)

Tevatron tại Fermilab ( 6.28 km, proton 2 x 980 GeV )

Large Hardon Collider (LHC) ở CERN, 27 km, proton 27TeV

Biểu đồ Livington – Sự phát triển của máy gia tốc

III Phân loại máy gia tốc

 Máy gia tốc tĩnh điện: sử dụng điện trường 1 chiều: Walton, Van de Graaff và Tandem Van de Graaff.

Cockroft- Máy gia tốc điện trường xoay chiều: Cyclotron, Synchrotron, Synchrocyclotron (Phasotron), Synchrophasotron, Microtron, Linac

 Máy gia tốc từ trường biến thiên: Betatron, điện tử được gia tốc bởi từ trường có từ thông biến thiên

1 Phân loại theo tính chất trường gia tốc:

Các hạt có thể được gia tốc nhờ vào điện trường một chiều, điện trường biến thiên hoắc từ trường biến thiên.

 Máy gia tốc quỹ đạo thẳng:

- Cockroft-Walton, Van de Graaff ,Tandem Van de Graaff và Linac.

- Cyclotron, Phasotron: hạt chuyển động theo quỹ đaọ xoáy trôn ốc từ tâm ra ngoài với bán kính tăng dần.

- Synchrotron, Synchrophasotron: Hạt chuyển động theo quỹ đạo tròn

có bán kính không đổi.

- Betatron: Hạt chuyển động theo quỹ đạo tròn có có bán kính không đổi

- Microtron: Hạt chuyển động theo các đường tròn có bán kính tăng dần

và có 1 tiếp điểm chung.

2 Phân loại theo quỹ đạo chuyển động của hạt:

 Máy gia tốc hạt nặng: như các hạt proton, đetơri, anpha và các ion nặng được gia tốc bằng các máy: Cockroft - Walton, Van de Graaff, Tandem Van de Graaff, Linac, Cyclotron, Synchrotron, Phasotron, Synchrophasotron.

 Máy gia tốc hạt nhẹ: hạt gia tốc là electron, positron và một số hạt cơ bản khác: Betatron, Microtron, Linac, Synchrotron, Synchrophasotron.

 Máy gia tốc cả hạt năng lẫn hạt nhẹ: Cockroft-Walton, Van de Graaff và Tandem Van de Graaff, Linac.

3 Phân loại theo loại hạt:

4 Phân loại theo năng lượng hạt :

 Máy gia tốc không tương đối tính (v<<c)

 Máy gia tốc tương đối tính (v ≈ c)