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 hạt nhân khoảng 7- 8 MeV. Để tách một nucleon ra khỏi hạt nhân thì năng lượng của chùm hạt bắn phá phải lớn hơn năng lượng liên kết. Trong thực tế muốn nghiên cứu cấu 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 loại tương tác đơn giản nhất, các hạt đơn giản nhất như meson, lepton, quark , vật chất đen, thời điểm xảy ra vụ nổ lớn (big bang)…. cần đến năng lượng cao nhất mà con người có thể tạo ra được.  Đó chính là những lý do quan trọng thúc đẩy sự ra đời không những chỉ của các máy gia tốc có năng lượng thấp hoặc trung bình mà còn của cả các máy gia tốc có năng lượng 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 MV được đăng ký bản quyền.  1932: J.Cockcroft và E. Walton cho ra đời máy gia tốc nối tầng (cascade accelerator) đầu tiên với điện áp 800 kV. Cockcroft & Walton đã thành công trong việc 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 là 25.5 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 độ phân tán năng lượng thấp nhưng chúng không thể cung cấp dòng cao như các máy gia tốc Cockroft & Walton.  Các máy gia tốc tĩnh điện bị hạn chế trong việc tăng điện áp do hiện tượng phóng điện, 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) [...]... lượng hạt :  Máy gia tốc không tương đối tính (v