Ứng dụng máy gia tốc 1

Ứng dụng máy gia tốc 1

Một số ứng dụng của máy gia tốc

I Mở đầu

II Ứng dụng máy gia tốc trong nghiên cứu cơ bản

III Ứng dụng máy gia tốc trong y tế

IV Ứng dụng máy gia tốc trong công nghiệp

 Máy gia tốc hạt là một trong những thiết bị đa dụng nhất được các nhà vật

lý thiết kế, từ sự khởi đầu của nó là ống phóng tia catot được Thomson sửdụng đã phát hiện ra điện tử tới các thiết bị collider khổng lồ ngày nay,chúng gắn liền với những sự kiện quan trọng trong sự phát triển của vật lýhạt nhân và vật lý hạt

 Sự đa dạng về chủng loại hạt gia tốc, về năng lượng và cường độ kể cảđối với chùm hạt thứ cấp như bức xạ đồng bộ (synchrotron), bức xạ hãm,nơtron, meson đã mở rộng các lĩnh vực nghiên cứu, đặc biệt là nhữngnghiên cứu cơ bản nhằm khám phá cấu trúc thế giới vật chất

 Ngày nay máy gia tốc hạt được sử dụng một cách rộng rãi trong nghiêncứu khoa học cũng như ứng dụng thực tế

 Chúng được sử dụng với hầu hết các lĩnh vực của vật lý từ hạt cơ bản tớichất rắn Máy gia tốc còn là thiết bị thiết yếu trong các lĩnh vực khác nhưnghiên cứu các cấu trúc trong hóa học và sinh học, trong phân tích nguyên

tố vết với độ nhạy cao

 Sự tiến bộ của vật lý hạt nhân và vật lý hạt xuất phát từ các nghiên cứu vớimáy gia tốc Chúng cũng đang đóng một vai trò quan trọng trong vật lýthiên văn và vũ trụ học

MỞ ĐẦU

 Các máy gia tốc có phạm vi ứng dụng rộng lớn trong công nghiệp như quátrình cấy ion trong chất bán dẫn hay làm biến đổi tính chất bề mặt của nhiềuloại vật liệu Một ứng dụng có hứa hẹn đặc biệt là công nghệ vi sắc ký(microlithography) với bức xạ synchrotron cho các mạch vi điện tử với mật

độ rất lớn

 Các bức xạ từ máy gia tốc còn được ứng dụng rộng rãi trong các quá trình

xử lý bảo quản thực phẩm, khử trùng chất thải độc hoặc các vật dụng làm

từ polyme Phương pháp kích hoạt sử dụng nguồn nơtron từ máy gia tốcđược ứng dụng nhiều trong địa vật lý và đang được phát triển để phát hiệncác chất gây nổ

 Khả năng ứng dụng của máy gia tốc trong y tế ngày càng mạnh mẽ, sửdung trong chế tạo đồng vị phóng xạ, chẩn đoán hình ảnh, điều trị, xạ trịvới electron, photon, proton, nơtron và thậm chí cả ion nặng…

 Các máy gia tốc cũng đóng vai trò lớn trong kỹ thuật năng lượng Cácnghiên cứu về quá trình nhiệt hạch gây bởi các ion nặng đang được theođuổi ở một số nước Các máy gia tốc là một thành phần thiết yếu để cungcấp nhiệt bổ sung cần thiết cho quá trình tạo plasma trong các lò nhiệthạch Các máy gia tốc còn ứng dụng trong xử lý các chất thải phóng xạ cóthời gian sống dài (transmutation)…

I.1 Vật lý hạt nhân:

− Các máy gia tốc là công cụ thiết yếu để các nhà vật lý có thể khám phá hạtnhân và xác định cấu trúc và các đặc trưng của chúng Tùy thuộc vào cácđặc tính cần quan tâm mà người ta có thể sử dụng electron, proton, chùmion nặng cũng như các bức xạ thứ cấp khác Sự gia tăng năng lượng vàcường độ ngày càng mở ra nhiều cơ hội mới

− Trước đây các nghiên cứu vật lý hạt nhân tập trung chủ yếu về cấu trúc hạtnhân riêng lẻ, các trạng thái kích thích của chúng, các vấn đề năng phổ hạtnhân Nghiên cứu các phản ứng hạt nhân gây bởi các chùm hạt gia tốc cóthể nhận được các thông tin về thời gian sống, spin và tính chẵn lẻ Quaviệc đo tiết diện có thể xác định mômen tứ cực của hạt nhân…

− Các lĩnh vực hiện nay trên máy gia tốc được quan tâm nhiều như nghiêncứu các hạt nhân siêu biến dạng với mômen xung lượng rất lớn hoặc cáchạt nhân lạ nằm xa vùng hạt nhân bền…Các nghiên cứu về tán xạ của điện

tử năng lượng cao trên các hạt nhân và các nucleon biết được phân bốđiện tích, phân bố momen từ bên trong hạt nhân và trong cả các nucleon,các trạng thái kích thích của hạt nhân…

I ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU CƠ BẢN

− Các máy gia tốc tạo ra các các chùm ion nặng (nặng hơn He) như Li, B,

C, Ni, O, Ar, Ne…với năng lượng ngày càng cao vượt qua hàng ràoCulông tạo ra khả năng nghiên cứu động học của sự va chạm hạt nhân -hạt nhân và sự phân mảnh của các hạt nhân Các phản ứng với chùm ionnặng cung cấp các thông tin quan trọng về tương tác của các nhómnucleon, đưa ra một loạt các khái niệm hạt nhân như thế hạt nhân, quátrình nhiệt hạch, momen góc , các giá trị về mật độ mức, thời gian tươngtác hạt nhân…, khả năng nghiên cứu động học và tính chất của các hệhạt nhân sống ngắn…

− Nghiên cứu chất hạt nhân trong những điều kiện đặc biệt, các hiện tượngliên quan tới sự phức hợp của các nucleon, đặc biệt là sự chuyển pha từcác hạt nhân sang các quark và gluon bằng việc gia tốc các ion chì ởCERN Tính chất điện từ của các hạt nhân được nghiên cứu với các chùmelectron năng lượng cao (~10 GeV) với độ phân giải tới 0.1 fm

− Các máy gia tốc electron cường độ lớn cho phép nghiên cứu cấu trúcquark của các nucleon và mối liên hệ với các hardon Sự phát triển côngnghệ beam cooling cho các collider pp-, các storage ring ion nặng đang

mở ra nhiều cơ hội trong vật lý hạt nhân

Hình 1: Kích thước của nguyên tử, hạt nhân và các nucleon

I 2 Vật lý hạt cơ bản:

− Sự phát triển của vật lý hạt cũng như vật lý năng lượng cao gắn liền vớicác thành tựu trong việc xây dựng các máy gia tốc với năng lượng ngàymột nâng cao

− Các máy gia tốc năng lượng cao không chỉ được sử dụng để nghiên cứucác hạt nhân nguyên tử hoặc các mảnh của chúng mà còn tạo ra nhiềuloại hạt cơ bản mới cũng như tìm ra các nguyên tố hóa học mới

− Phát hiện các hạt cơ bản như antiproton ở máy gia tốc bevatron(Berkeley, USA) trong những năm 50, hai hạt nơtrino ở AGS(Brookhaven, USA) trong những năm 60, J/ ở AGS những năm 70 vàgần đây các hạt W, Z với Spp_S collider ở CERN… và nhiều loại chùmhạt cơ bản khác như như pion, kaon, muon, tau…

− Các số liệu thu được từ các nghiên cứu thực nghiệm trên các máy gia tốcnăng lượng cao đóng góp vào sự phát triển của các lý thuyết hạt cơ bản,như các mẫu quark, mẫu chuẩn (standard model), kiểm nghiệm tính đúngđắn của các mẫu lý thuyết này

− Các máy gia tốc đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu biết tốt hơn và sâuhơn về cấu trúc và tính chất của vật chất, các nhóm hạt quark, lepton vàcác lực tương tác

− Các kết quả nhận được từ các thí nghiệm trên các máy gia tốc cho phépgiải thích các quan sát vũ trụ như tỷ số hidro/helium, xác định số các họnơtrino, sự vi phạm đối xứng điện tích, chẵn lẻ (CP)

− Từ các thí nghiệm với chùm ion nặng trên các máy gia tốc, thông quaviệc xác định tốc độ và tiết diện của các phản ứng hạt nhân, góp phầnlàm sáng tỏ sự hiểu biết về sự tổng hợp các nguyên tố và cơ chế hìnhthành năng lượng trong trong các ngôi sao, những sự hiểu biết về hiệntượng cháy sao, về cơ chế hoạt động của mặt trời…

4 Vật lý nguyên tử:

Các đặc tính của các hệ đa hạt phức tạp bao gồm các nguyên tử và các ionhiện tại vẫn còn chưa được khám phá một cách đầy đủ Rất nhiều cácnghiên cứu đã được thực hiện, từ những năm 1970 đã có tới 850 máy giatốc ion được sử dụng Tập trung trong một số lĩnh vực nghiên cứu sau:

- Cơ chế va chạm nguyên tử và quá trình ion hóa

- Nghiên cứu các trạng thái nguyên tử kích thích cao tạo thành trong quátrình va chạm

- Vật lý các ion hóa và các nguyên tử được bóc tước (bare)

- Tiết diện trao đổi điện tích đối với các ion năng lượng lớn

- Tia X tạo bởi các va chạm ion tương đối tính

- Các trạng thái giả phân tử tạo bởi các va chạm ion - nguyên tử gần đốixứng

- Các quá trình ion hóa tác động của điện tử và các va chạm ion điện tử

- Sự phát xạ electron từ tác động của ion trên các bia chất rắn mỏng

- Sự truyền cộng hưởng và kích thích trong các va chạm ion - nguyên tử

- Sự mất mát năng lượng của ion trong chất rắn

- Phân bố quãng chạy và năng suất hãm electron trong chất rắn…

5 Vật lý chất rắn và khoa học vật liệu:

− Trong một thời gian dài công cụ chủ yếu trong nghiên cứu cấu trúc

và tính chất của vật chất ở trạng thái rắn là tia X được tạo bởi cácnguồn truyền thống và các nơtron từ lò phản ứng

− Trong những năm gần đây nhờ có máy gia tốc hạt nhiều lĩnh vực

Structure) cho những thông tin về môi trường nguyên tử sử dụng chocác nghiên cứu về sự sắp xếp nguyên tử trong các hệ chất rắn nhưchất xúc tác, tinh thể, thủy tinh, polyme, các lớp bề mặt, phim mỏng

− Do không có điện tích và khả năng đâm xuyên lớn, nơtron được sửdụng nhiều để nghiên cứu chất rắn Tán xạ nơtron cho những hiểubiết về sự liên kết và sự cố kết của các kim loại, chất bán dẫn và chất

cấu trúc của các hạt nguyên tử trong vật chất và mối quan hệ với cáctính chất vật lý và hóa học

− Các proton năng lượng lớn (500 MeV-1GeV) tạo ra những nguồnnơtron với cường độ lớn và năng lượng cao qua các phản ứngspallation Các nghiên cứu với nguồn nơtron spallation bổ trợ chocác nghiên cứu với bức xạ synchrotron trong các lĩnh vực như chụpảnh tinh thể, đặc biệt với các chất dạng bột, lỏng

− Chùm ion được sử dụng nhiều trong việc xác định thành phần củacác mẫu, bao gồm các kỹ thuật :

+ Tán xạ ngược Rutherford ( RBS),

+ Phát xạ tia X gây bởi proton (PIXE),

+ Phân tích kích hoạt hạt tích điện (CPAA) hoặc phân tích phản ứnghạt nhân (NRA),

+ Khối phổ kế ion thứ cấp (SIMS),

+ Khối phổ kế gia tốc (AMS)

- RBS sử dụng nghiên cứu các nguyên tố nặng trong chất nền nhẹ, lớpmỏng như nghiên cứu chất bán dẫn, NRA ưu thế trong nghiên cứu cácnguyên tố nhẹ trên chất nền nặng.

- CPAA áp dụng trong các lĩnh vực hàm lượng siêu thấp, các nghiên cứu về

ăn mòn Có thể ứng dụng với hầu hết các nguyên tố với độ nhạy tới ppb(10-9) Có thể xác định ảnh hưởng của các tạp như C, N, O trong kim loại,kiểm tra quá trình chế tạo và ghi nhận độ nhiễm bẩn mức thấp Các chùmion được sử dụng trong giải năng lượng rộng (1-45 MeV) cho phép phântích trong khoảng từ micro tới mm CPAA còn được sử dụng để nghiên cứuảnh hưởng của độ pH trong tốc độ ăn mòn trong lò phản ứng…

- Việc sử dụng chùm ion kích thước nhỏ trong kỹ thuật PIXE từ công cụphân tích chuyển thành thiết bị chụp ảnh, xây dựng bản đồ các nguyên tố

và phân bố của chúng trong mẫu nghiên cứu

- Với độ nhạy cao, các khối phổ kế gia tốc (AMS) có nhiều ứng dụng trongcông nghiệp chất bán dẫn, trong phân tích tuổi cổ vật

6 Hóa học và sinh học:

− Các máy gia tốc điện tử với năng lượng thấp khoảng vài MeV được sửdụng nhiều trong các nghiên cứu hóa học bức xạ như các phản ứng hóahọc gia tăng bức xạ

− Các bức xạ đồng bộ (synchrotron) cho phép thu nhận những thông tinquan trọng về trạng thái hóa học như sự oxi hóa của các phân tử, liênkết hóa học trong chất rắn, chất khí và các lớp hấp thụ, cấu trúc của cácphân tử phức tạp và động học của các phản ứng hóa học

− Các nghiên cứu về sinh học bức xạ sử dụng máy gia tốc với mục đíchhiểu biết về sự phá hủy do bức xạ và các vấn đề liên quan tới xạ trị ungthư

− Bức xạ synchrotron đã cách mạng hóa nhiều lĩnh vực của sinh học dokhả năng đơn sắc và chuẩn trực cao được sử dụng trong các nghiêncứu về protein và làm sáng tỏ các cấu trúc lớn như virus Chúng còn

có khả năng nghiên cứu động học của các quá trình sinh học

7 Ứng dụng bức xạ đồng bộ trong nghiên cứu vật chất:

- Bức xạ đồng bộ được phát ra bởi điện tử tương đối tính chuyển động trong một một hình nón hẹp với nửa góc :

- Với Te = 20 GeV bức xạ đồng bộ chủ yếu là tia X cứng với góc rất hẹp  =5''.Như vậy ở năng lượng cao của điện tử, bức xạ đồng bộ được xem là chuẩntrực tự nhiên

- Bức xạ đồng bộ có phổ liên tục, có thể đơn sắc hóa bằng một hệ gồm cácthấu kính và nhiễu xạ kế làm từ các tinh thể thạch anh hoặc đơn tinh thể Si chovùng tia X Các thiết bị đơn sắc tinh thể có thể sử dụng để tách biệt nhữngđường rất hẹp của một tần số nào đó với độ chính xác cỡ E/E ~10-6 từ phổliên tục

;

− Với cường độ cao, giải phổ rộng, khả năng đơn sắc hóa cao, cũng như bảnchất xung và chuẩn trực tự nhiên của bức xạ đồng bộ làm cho nó trở thànhcông cụ rất hữu hiệu trong nghiên cứu cấu trúc vật chất :

+ Nghiên cứu hấp thụ bức xạ điện từ của các chất khí bao gồm các hiệuứng tinh tế như sự kích thích đồng thời của hai điện tử trong một nguyên tử

và các hiệu ứng giao thoa trong các quá trình đó Nghiên cứu các phổ hấpthụ nguyên tử và các mảnh phân chia của chúng để nhận các thông tin hóahọc của nguyên tử như năng lượng liên kết, thời gian sống của các trạngthái kích thích, tốc độ phản ứng

+ Nghiên cứu huỳnh quang để xác định thời gian sống và các dạng phân rãđối với trạng thái kích thích

+ Nghiên cứu quang phổ chất rắn trên cơ sở nghiên cứu cấu trúc điện tửcủa chúng Các thông tin nhận được từ việc ghi nhận các photon phản xạhoặc truyền qua cũng như các điện tử được phát ra do hiệu ứng phátquang

− Trong kỹ thuật gia tốc sự phát xạ huỳnh quang của dòng điện tử được ghinhận để phân tích tiết diện của dòng

− Trong kỹ thuật vi điện tử, phương pháp sắc ký được sử dụng để chế tạocác vi mạch với kích thước siêu nhỏ và mật độ rất lớn Các tia X cứng từcác storage ring có thể cho độ phân giải tới 0,01m

Hình 2: Hướng của chùm bức xạ sincrotron khi :

(a) electron chuyển động với tốc độ thấp và

(b) electron chuyển động với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng

8 Ứng dụng bức xạ hãm trong nghiên cứu phản ứng

- Cơ chế tương tác của photon với hạt nhân phụ thuộc vào năng lượng chùm hạt tới:

+ E< 30 MeV: có cộng hưởng trong các phản ứng của photon và hạt nhân được gọi là cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ, sự hấp thụ photon dẫn đến hình thành trạng thái hạt nhân hợp phần, các hạt nhân này có thể phân rã theo nhiều cách như phát xạ nơtron, proton hoặc các loại hạt khác.

+ 30 MeV<E< 140 MeV: tương tác được mô tả theo cơ chế giả đơtron deutron) được đề xuất bởi Levinger Theo cơ chế này, photon tới được hấp thụ bởi một cặp nơtron-proton trong hạt nhân, cặp nơtron - proton được tạo thành trong các hạt nhân bia giống như một giả đơtron

(quasi-+ E>140 MeV: đóng góp chủ yếu trong sự hấp thụ photon là do sự tạo thành các pion Tán xạ của các pion và các nucleon dật lùi cũng như sự hấp thụ các pion bên trong hạt nhân bia tạo thành một thác lũ các nucleon bên trong hạt nhân.

- Nghiên cứu tiết diện tích phân cộng hưởng bằng thực nghiệm kết hợp với tính

toán lý thuyết theo các mẫu phản ứng khác nhau cho chúng ta những thông tin quan trọng về cơ chế phản ứng hạt nhân cũng như cơ chế hình thành các sản phẩm phản ứng.

- Nghiên cứu tiết diện cộng hưởng khổng lồ là nghiên cứu sự phụ thuộc của tiết

diện phản ứng vào năng lượng kích thích Những nghiên cứu chi tiết về cộng hưởng khổng lồ kết hợp với các tính toán lý thuyết cho phép hiểu sâu sắc hơn về các loại dao động trong hạt nhân và làm sáng tỏ về cấu trúc hạt nhân và cơ chế phản ứng.

- Nghiên cứu tỷ số số đồng phân: Một trong những thông số quan trọng liên

quan tới phản ứng hạt nhân và hạt nhân đồng phân là tỷ số tiết diện tạo thành trạng thái đồng phân (σm) và tiết diện tạo thành trạng thái cơ bản (σg) Tỷ số đồng phân cho biết các thông tin quan trọng về cơ chế phản ứng, về sự phân bố năng lượng, mômen góc và sự phụ thuộc vào spin của mật độ mức hạt nhân,

- Nghiên cứu quang phân hạch hạt nhân: Phân hạch hạt nhân là loại phản ứng

thể hiện sự biến đổi toàn diện và sâu sắc nhất cuả hạt nhân Quang phân hạch chủ yếu là quá trình hấp thụ chọn lọc Do năng lượng liên kết của lượng tử gamma với hạt nhân bằng không lên có thể nghiên cứu phân hạch ở năng lượng kích thích rất thấp gần với ngưỡng phản ứng Qua đó có thể thấy được cấu trúc tinh tế trong phân bố khối lượng của các mảnh phân hạch Nghiên cứu quang phân hạch cho ta những thông tin quan trọng về cơ chế phản ứng và cấu trúc hạt nhân.