Máy gia tốc hạt là dụng cụ tạo ra các chùm ion hay electron năng lượng tính sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, là một kính hiển vi cực kì chính xác.. Ngoài việc cần thiết cho kính hiể
Trang 148 Những bài báo vật lí hay – Tập 1| © hiepkhachquay
Máy gia tốc và các nhà khoa học đoạt giải Nobel
Sven Kullander
Tại sao lại là các máy gia tốc ?
Máy gia tốc hạt là dụng cụ tạo ra các chùm ion hay electron năng lượng tính sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, là một kính hiển vi cực kì chính xác Như đã biết, các vật có kích thước dưới kích thước của một tế bào sống được nghiên cứu bằng kính hiển vi quang học và các vật có kích thước dưới kích thước nguyên tử được nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử Các chi tiết vật thể có thể nhìn thấy (phân giải) được cho bởi bước sóng của ánh sáng rọi vào Để thâm nhập phần bên trong của nguyên tử và hạt nhân, người ta cần phải sử dụng các bức xạ có bước sóng nhỏ hơn nhiều so với kích thước nguyên tử Các nucleon (proton và neutron) bên trong hạt nhân nguyên tử có kích thước chừng 10-15 m và cách nhau những khoảng cách vào cùng bậc độ lớn đó Các electron quay xung quanh hạt nhân nguyên tử cũng như các quark bên trong nucleon
có kích thước, nếu có, nhỏ hơn 10-18 m; chúng có vẻ giống như chất điểm
Việc khảo sát các hạt như electron và proton do các máy gia tốc hạt mang lại là cần thiết cho nghiên cứu thành phần nguyên tử Bước sóng de Broglie của một hạt khảo sát chứ không phải bước sóng “vĩ mô” xác định kích thước vật tối thiểu có thể phân giải được Bước sóng de Broglie tỉ lệ nghịch với động lượng của hạt Ví dụ, nếu một electron cần thiết có bước sóng de Broglie so sánh được với kích thước nucleon, thì nó phải có động năng 1200 MeV (đối với năng lượng electron trên 10 MeV, động năng tỉ lệ với động lượng) Năng lượng này cao hơn vài nghìn lần năng lượng tiêu biểu của electron sử dụng trong kính hiển vi điện tử Đơn vị MeV, triệu electron-volt, biểu thị động năng mà một hạt có điện tích đơn vị thu được sau khi đi qua một độ thế giọt một triệu volt
Ngoài việc cần thiết cho kính hiển vi hạ nguyên tử cực kì chính xác, các hạt phát ra từ máy gia tốc hạt va chạm với các hạt bia có thể dẫn tới sự hình thành của những hạt mới, chúng thu lấy khối lượng của chúng từ năng lượng va chạm theo công thức E = mc2 Như vậy, bằng sự chuyển hóa sang khối lượng của động năng dư thừa trong một va chạm mà các hạt, phản hạt và những hạt kì lạ có thể được tạo ra
Các máy gia tốc hạt không chỉ độc nhất là công cụ dùng cho khảo sát thế giới hạ nguyên
tử, mà còn được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác như phân tích và biến tính vật liệu và quang phổ học, nhất là trong khoa học môi trường Khoảng phân nửa số lượng 15.000 máy gia tốc hạt trên thế giới được sử dụng làm nguồn sản suất ion dùng cho biến tính bề mặt và dùng cho khử
Trang 2© hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 49
trùng và trùng hợp Sự ion hóa phát sinh khi các hạt tích điện bị dừng lại trong vật chất thường được khai thác ví dụ trong phẫu thuật bằng bức xạ và liệu pháp điều trị ung thư Tại các bệnh viện, khoảng 5000 máy gia tốc electron được sử dụng cho mục đích này Các máy gia tốc còn tạo
ra các nguyên tố phóng xạ dùng làm chất đánh dấu trong y khoa, sinh học và khoa học vật liệu
Có tầm quan trọng đang tăng lên trong khoa học vật liệu là các máy gia tốc ion và electron tạo ra
số lượng phong phú neutron và photon trong một ngưỡng năng lượng rộng Các chùm photon hoàn toàn xác định chẳng hạn đang được tăng cường sử dụng cho kĩ thuật in khắc để chế tạo các chi tiết rất nhỏ cần thiết trong điện tử học
Tế bào sống thường được nghiên cứu bằng phương tiện
là kính hiển vi quang học thu nhận các photon tán xạ của ánh sáng khả kiến
Các đối tượng kích thước dưới micron như các thành phần của tế bào sống thường được nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử, trong đó các electron, thường được gia tốc đến vài trăm kilovolt, được sử dụng để bắn chạm tới đối tượng và tán xạ khỏi chúng
Các quark và lepton có thể được nhận thức dưới khoảng cách 10-18 m bằng phương tiện hạt phát ra từ các máy gia tốc khổng lồ
Thống kê toàn thế giới có khoảng 15.000 máy gia tốc hạt Số liệu thu thập
bởi W Scarf và W Wiesczycka (xem U Amaldi Europhysics News,
31/6/2000)
Ống phóng ion và biến tính bề mặt 7,000
Máy gia tốc trong nghiên cứu phi hạt nhân 1,000
Trang 350 Những bài báo vật lí hay – Tập 1| © hiepkhachquay
Nghiên cứu vật lí hạt nhân và hạt cơ bản 110
Chi tiết hơn về các máy gia tốc hạt có thể tìm được trong một cuốn sách xuất bản gần đây, Giới thiệu các máy gia tốc hạt, của Edmund Wilson và do Nhà xuấn bản Đại học Oxford ấn hành năm 2001
Lịch sử
Trong các máy gia tốc hạt đầu tiên, các hạt được gia tốc bằng một hiệu điện thế cao đặt vào khe giữa cathode và anode (các điện cực) Những dụng cụ này gọi là ống tia cathode và được nghĩ ra vào cuối thế kỉ 19 Sử dụng ống tia cathode, tia X đã được phát hiện vào năm 1895 bởi Wilhelm Conrad Röntgen, người nhận giải Nobel vật lí đầu tiên (năm 2001) cho khám phá này Vào năm 1896, Joseph John Thomson nghiên cứu bản chất của tia cathode tìm thấy chúng tích điện và có một tỉ số điện tích trên khối lượng chính xác Việc khám phá ra hạt cơ bản đầu tiên này, hạt electron, đã đánh dấu sự bắt đầu của một thời kì mới, kỉ nguyên điện tử vì thế được khai sinh từ năm 1896 Thomson được trao giải Nobel năm 1906 cho công trình nghiên cứu liên quan tới khám phá này Máy gia tốc phổ biến nhất ngày nay là ống tia cathode dùng trong các bộ hiển thị truyền hình và máy tính Bên trong ống, một chùm electron, sau khi được gia tốc đến năng lượng cực đại lên tới 30.000 electron-volt, quét qua màn hình, chúng phát ra ánh sáng khi bị electron chạm vào Trong phần tiếp theo, các dụng cụ một khe này cũng như kính hiển vi điện từ không được đề cập tới
Các loại máy gia tốc khác nhau hiện có đã được phát minh ra trong khoảng thời gian gần bốn thập kỉ Khoảng năm 1920, chiếc máy gia tốc hạt hiệu điện thế cao đầu tiên gồm hai điện cực đặt bên trong một bình chân không có độ thế giọt vào bậc 100 kilovolt và được nghĩ ra và mang tên John Douglas Cockcroft và Ernest Thomas Sinton Walton Cuối thập niên 1920, người
ta đề xuất sử dụng hiệu điện thế biến thiên theo thời gian đặt qua một loạt khe (Xem phần bên dưới trong phần nói về máy gia tốc thẳng) Các đề xuất gia tốc các hạt theo kiểu lặp đi lặp lại đã thúc đẩy Ernest Orlando Lawrence đi tới một quan niệm mới cho việc gia tốc các hạt Trong cyclotron do ông phát minh, các hạt được làm cho quay tròn trong một từ trường và đi qua đi lại cùng một khe gia tốc nhiều lần Thay cho hiệu điện thế một chiều, người ta thiết đặt một hiệu điện thế cao vào khe sao cho các hạt được gia tốc trong một quỹ đạo xoắn ốc theo kiểu lặp đi lặp lại Sau phát minh ra nguyên lí cân bằng pha vào giữa những năm 1940, hai loại máy gia tốc mới
đã hình thành: máy gia tốc thẳng và synchrotron Trong máy gia tốc thẳng, các khe được đặt dọc theo một đường thẳng Trong synchrotron, từ trường tăng lên trong quá trình gia tốc sao cho các hạt chuyển động trong các vòng về cơ bản là quỹ đạo không đổi Trong các máy gia tốc kiểu này, các hạt được gia tốc theo kiểu lặp đi lặp lại và năng lượng bị hạn chế bởi kích thước của máy gia tốc và không bị hạn chế bởi hiệu điện thế tối đa có thể đạt tới
Trang 4© hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 51
Nhà phát minh ra cyclotron, Ernest Orlando Lawrence (bên trái), và học trò của ông, Edwin Mattison McMillan, một trong hai nhà phát minh ra nguyên lí cân bằng pha, chỉ ra điểm gia tốc tại chỗ đi vào một cấu trúc điện cực che
chắn hình nửa vòng tròn, Cyclotron đầu tiên được xây dựng từ năm 1929 đến 1931
Máy gia tốc thế giọt
Ống chân không electron, phát minh ra vào cuối thế kỉ 19, được sử dụng trong khám phá
ra electron và tia X Các electron được gia tốc trong chân không giữa hai điện cực, cathode và anode Không khí ở áp suất khí quyển sẽ làm giảm tốc các hạt do va chạm của electron với các phân tử không khí Ống chân không là tiền thân cho các máy gia tốc hiệu điện thế cao sau này Như đã nói tới ở trên, máy gia tốc hạt hiệu điện thế cao đầu tiên có thế giọt vào bậc 100 kilovolt
và được sáng chế và mang tên là Máy gia tốc Cockcroft Walton, đặt theo tên John Douglas Cockcroft và Ernest Thomas Sinton Walton Vào năm 1951, họ đã giành được giải thưởng Nobel vật lí cho nghiên cứu tiên phong của họ về sự biến đổi của hạt nhân nguyên tử do các hạt nguyên
tử được gia tốc nhân tạo gây ra
Máy gia tốc thế giọt phổ biến nhất trong sử dụng ngày nay được đặt theo tên người phát minh ra nó, nhà khoa học người Mĩ Robert Jemison Van de Graff Điện cực điện thế cao nối với điện cực điện thế thấp (trái đất) bằng một dây cuaroa cách điện chuyển động Điện tích được đưa vào dây cuaroa tại đầu thế thấp và truyền đến cực kia bằng một màn chắn dẫn điện trượt trên dây cuaroa Thế trên điện cực đó tăng lên cho đến khi dòng điện rò từ điện cực ra xung quanh bằng với dòng điện do dây cuaroa cung cấp Thông thường, điện cực và ống được đặt bên trong một thùng chứa khí SF6 ở áp suất cao để làm tăng sự cách điện giữa điện cực điện thế cao và trái đất Hiệu điện thế được chia thành từng nấc và áp vào các điện cực đặt kế tiếp nhau bên trong một ống chân không, nơi electron hoặc ion được gia tốc Electron thu được từ sợi dây nóng lên và ion
từ sự phóng điện khí xảy ra tại cathode
Một vài microampe thuộc electron hay ion có thể gia tốc trong máy gia tốc van de Graff Trong loại hiện đại cùng cho ion, các điện cực tại ngõ vào và ngõ ra của ống chân không ở điện thế đất, còn điện cực điện thế cao đặt ở giữa ống Trong một thể tích nhỏ tại ngõ vào của ống, chất khí bị ion, thường do sự phóng điện, và từ thể tích này, các ion tích điện âm được trích ra Các ion này được gia tốc bên trong ống về phía điện cực điện thế cao, nơi hai hay nhiều electron
bị lấy khỏi từng ion khi nó đi qua một lá kim loại rất mỏng hay một vùng chứa đầy chất khí Điện tích của ion vì thế bị biến đổi từ âm sang dương, và ion bị đẩy khỏi điện cực và bị gia tốc
về phía ngõ ra của ống nối đất So với máy gia tốc van de Graff thuộc loại bình thường, với một
Trang 552 Những bài báo vật lí hay – Tập 1| © hiepkhachquay
“khe” gia tốc, các hạt năng lượng cao hơn có thể thu được vì thế giọt khai thác ở hai khe Vì thế máy gia tốc thuộc loại này được gọi tên là “máy gia tốc tuần tự”
Ngày nay, đa số máy gia tốc van de Graff là những dụng cụ thương mại và chúng có trên thị trường với hiệu điện thế cực biến thiên từ 1 đến 25 triệu volt (MV) Thông thường thì chúng
có hiệu điện thế dưới 10 MV Để so sánh, các xung ngắn dùng trong nghiên cứu sét đạt tới 10
MV và điện thế trong các đám mây ngay trước khi chúng phóng điện dưới dạng sét là vào khoảng 200 MV Máy gia tốc van de Graff thường được sử dụng trong phân tích và biến tính vật liệu, và phép phân tích phổ khối máy gia tốc, nhất là trong khoa học môi trường
Hình vẽ cho thấy nguyên lí của máy gia tốc tuần tự van de Graff Các ion tích điện âm phát ra từ nguồn ion ở điện thế đất được gia tốc về phía một điện cực ở điện thế dương cao tại chính giữa, tại đó chất khí hoặc một lá kim loại mỏng tước mất hai hay nhiều electron khỏi các ion, khi đó chúng trở nên tích điện dương và bị đẩy về phía điện cực nối đất (V = 0) Điện tích được truyền trên một dây cuaroa từ đất tới điện cực và là hệ quả của sự biến đổi điện tích, điện thế tăng lên Điện thế cao (V = 5 MV) được cách li với đất bằng chất khí áp suất cao, thường là SF6
Một trong các máy gia tốc tuần tự lớn nhất được sử dụng trong nhiều năm tại Daresbury ở Anh Ống gia tốc của nó,
đặt thẳng đứng, dài 42 m và điện chính giữa được giữ ở điện thế lên tới 20 triệu volt
Cyclotron
Nguyên lí gia tốc tuần tự được nghĩ ra trong thập niên 1920 là một nền tảng quan trọng trong cuộc truy tìm các năng lượng ngày càng cao Theo nguyên lí này, sự gia tốc thu được bằng phương tiện là hiệu điện thế biến thiên theo thời gian thay cho hiệu điện thế tĩnh sử dụng trong các máy gia tốc ví dụ như máy gia tốc van de Graff
Máy gia tốc đầu tiên có tầm quan trọng thực tiễn dựa trên nguyên lí gia tốc tuần tự là cyclotron, do Ernest Orlando Lawrence phát minh ra Trong cyclotron, các hạt tích điện quay tròn trong một từ trường mạnh và được gia tốc bằng điện trường tại một hay nhiều khe Sau khi
Trang 6© hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 53
đi qua một khe, các hạt chuyển động bên trong một điện cực và được che chắn khỏi điện trường Khi các hạt đi ra khỏi khu vực được che chắn và đi vào khe tiếp theo, pha của hiệu điện thế xoay chiều thay đổi 180 độ sao cho các hạt được gia tốc lần nữa Quá trình cứ thế tiếp tục Sau nhiều vòng gia tốc, kết quả là một quỹ đạo xoắn ốc mở ra phía ngoài, các hạt quay tròn ở gần ranh giới của từ trường mạnh Ở đây, từ trường có hình dạng sao cho chùm hạt quay tròn có thể đi ra và hình thành vào chùm tia bên ngoài Lawrence được trao giải Nobel vật lí năm 1939 cho việc phát minh và phát triển cyclotron và cho những kết quả thu được với nó, nhất là ghi nhận nghiên cứu của ông về các nguyên tố phóng xạ tự nhiên
Ở châu Âu, ba nhà khoa học đoạt giải Nobel, Frédéric Joliot, Niels Henrik David Bohr và Karl Manne Georg Siegbahn đã có đóng góp lớn cho những cyclotron đầu tiên Năm 1938, cyclotron châu Âu đầu tiên tại Collège de France ở Paris gia tốc một chùm deuteron lên tới 4 MeV và khi va chạm vào bia, một nguồn neutron mạnh được tạo ra Khoảng cùng thời gian đó, cyclotron Copenhagen tại Viện Niels Bohr đã sẵn sàng và ở Stockholm, nghiên cứu khởi động việc xây dựng máy gia tốc Thụy Điển đầu tiên đã sẵn sàng khoảng năm 1940
Một vấn đề nghiêm trọng với các cyclotron đầu tiên hạn chế năng lượng khoảng 10 MeV đối với sự gia tốc proton Hạn chế này phụ thuộc vào việc làm chậm các proton đang quay trong
từ trường đều do sự tăng khối lượng tương đối tính của chúng, hay năng lượng toàn phần tương đương Khối lượng nghỉ của proton ứng với năng lượng 938 MeV và sẵn sàng sau khi gia tốc đến động năng 10 MeV, thì tần số quay của proton, đại lượng tỉ lệ nghịch với năng lượng toàn phần của nó (938 + 10), giảm đi một phần trăm Khi tần số quay proton và tần số điện bằng nhau lúc bắt đầu chu trình gia tốc, thì không có sự lệch pha và proton được gia tốc với cùng hiệu điện thế gia tốc tại mỗi khe Tuy nhiên, khi các proton thu năng lượng và giảm dần tần số quay của chúng, chúng sẽ đi tới mỗi khe càng lúc càng trễ hơn đối với cực đại của hiệu điện thế gia tốc có tần số
cố định Sau khi pha bị lệch nhiều quá thì không còn có sự thu năng lượng khi đi qua khe
Nguyên lí của cyclotron Sự ion hóa chất khí được giới hạn ở vùng giữa mang lại các ion được gia tốc bằng một hiệu điện thế có tần số cố định bằng tần số quay ion trong từ trường Các đường sức từ hướng thẳng về phía cực nam châm bên dưới ngụ ý các điện tích dương quay tròn theo chiều kim đồng hồ Các ion được gia tốc khi chúng chuyển động qua khe giữa các điện cực bên trong đó chúng chuyển động che chắn khỏi điện trường Khi chùm ion đi tới rìa
từ trường, nó được trích ra khỏi cyclotron và hình thành chùm ngoài
Trang 754 Những bài báo vật lí hay – Tập 1| © hiepkhachquay
Cyclotron không có ích cho việc gia tốc electron vì tần số quay của chúng trong từ trường giảm khá nhanh ngay cả khi năng lượng thấp cỡ vài MeV do khối lượng nghỉ nhỏ của electron Khối lượng nghỉ của electron tương ứng với năng lượng nghỉ 0,511 MeV theo công thứcEinstein
E = mc2
Một biến thể của cyclotron là microtron, trong đó các electron được gia tốc tại một khe tại rìa của quỹ đạo Tần số của hiệu điện thế gia tốc là bội của tần số quay của electron Các quỹ đạo tròn mở rộng dần tiếp tuyến và tiếp xúc nhau với nhau tại điểm đặt khe gia tốc Số gia năng lượng trên mỗi vòng quay được thiết kế sao cho thời gian tăng lên trong một vòng quay hoàn chỉnh của một electron do sự chậm dần tần số quay của nó tương ứng với một hay nhiều chu kì tần số điện tại khe gia tốc
Ở Uppsala, Thụy Điển, một cyclotron gia tốc proton lên 185 MeV và các ion khác lên đến năng lượng tương đương Chùm hạt được gia tốc bên trong bình chân không nhìn thấy nằm bên dưới cuộn dây (màu xám) của nam châm nặng
600 tấn (màu vàng) Chùm hạt được vận tải tới khu vực thí nghiệm trong ống hướng về phía góc dưới bên trái trong
hình
Synchrocylotron
Nhằm khắc phục hạn chế năng lượng của cyclotron, nguyên lí cân bằng pha đã được phát minh và chứng minh vào năm 1944/45 Các nhà phát minh là Vladimir Iosifovich Veksler tại Liên Viện nghiên cứu Hạt nhân Dubna, một trung tâm nghiên cứu quốc tế cách Moscow 100 km
về phía bắc, và Edwin Mattison McMillan, một cựu sinh viên của Lawrence, tại Đại học California ở Berkeley Họ đã chỉ ra, độc lập với nhau, rằng khi điều chỉnh tần số của hiệu điện thế đặt vào để làm giảm tần số quay proton, người ta có thể gia tốc proton lên vài trăm MeV Cyclotron sử dụng sự gia tốc đồng bộ bằng cách điều biến tần số (FM) thường được gọi là synchrocyclotron hay FM cyclotron Edwin Mattison McMillan nhận giải Nobel hóa học năm
1951 cùng với Glenn Theodore Seaborg cho việc khám phá ra nguyên tố neptunium
Một người đoạt giải Nobel hóa học khác, Theodor Svedberg, đã đề xuất vào giữa những năm 1940 một máy gia tốc xây dựng ở Uppsala Được khích lệ bởi công trình Berkeley, người ta quyết định xây dựng một synchrocyclotron Năm 1950, các proton 185 MeV đã được tạo ra và Uppsala trong phút chốc đã có các hạt năng lượng cao nhất ở Tây Âu Năm 1957, phương pháp
Trang 8© hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 55
trị bệnh ung thư đầu tiên được tiên phong thử nghiệm Máy gia tốc khi đó đã được xây dựng lại
và hoạt động, kể từ năm 1986, là thiết bị lai synchrocyclotron-cyclotron cung tập trung
Việc khám phá ra nguyên lí cân bằng pha ngụ ý rằng, về nguyên tắc, không có giới hạn năng lượng nào cho sự gia tốc hạt Nó đã đặt nền tảng cho hai loại máy gia tốc mới, máy gia tốc thẳng và synchrotron
Synchrocyclotron lớn nhất vẫn đang sử dụng tọa lạc ở Gatchina, ngoại vi St Petersburg,và nó gia tốc proton lên tới động năng 1000 MeV Các cực sắt đường kính 6 m toàn bộ máy gia tốc nặng 10.000 tấn, trọng lượng tương đương với Tháp Eiffel Năng lượng thu được tương ứng với năng lượng của một proton gia tốc qua hiệu điện thế một tỉ volt
Nó được dùng cho các thí nghiệm vật lí hạt nhân và các ứng dụng y khoa
Cyclotron cung tập trung
Vào đầu những năm 1960, cyclotron cung tập trung xuất hiện Các cung sắt được đưa vào khe cực sao cho thu được sự biến thiên góc phương vị của từ trường Sự biến thiên góc phương
vị này mang lại sự tập trung mạnh theo phương thẳng đứng lên chùm ion đang quay tròn khi đó không cần thiết có trường trung bình phương vị giảm theo bán kính tăng dần như phải có trong cyclotron truyền thống để duy trì sự tập trung theo phương thẳng đứng Vì thế, từ trường trung bình là hàm của bán kính, có thể tăng sao cho tần số quay của ion vẫn giữ không đổi bất chấp sự tăng khối lượng của ion đang tăng tốc Sự phân kì dọc phát sinh do sự tăng từ trường trung bình theo bán kính được bù lại bởi sự tập trung dọc do sự biến thiên góc phương vị của từ trường Tần
số của hiệu điện thế gia tốc, do đó, có thể giữ không đổi trong khi duy trì sự gia tốc đều đặn tại mỗi lần đi qua khe; năng lượng chỉ bị giới hạn bởi kích thước của nam châm Cyclotron cung tập trung đôi khi còn được gọi là cyclotron sóng liên tục (CW), hay cyclotron đẳng thời, để phân biệt
nó với cyclotron điều biến tần số (FM) hay synchrocyclotron Nhiều cyclotron cung tập trung hiện đang hoạt động và chúng thay thế cho các synchrocyclotron đa số đã ngừng hoạt động Không chỉ có proton mà, về nguyên tắc, bất kì ion nào cũng gia tốc được Các nguồn ion, chúng tạo ra ion thuộc bất kì nguyên tố thực tế nào trong bảng tuần hoàn hóa học, hiện nay có bán trên thị trường
Sức hấp dẫn đặc biệt cho việc gia tốc proton trong ngưỡng 200 đến 600 MeV là cyclotron cung độc lập, chúng gồm một số cung sắt, thay cho các cực sắt thông dụng với các cung gắn vào
nó Cyclotron cung độc lập có 4 cung nam châm, đặt tại Tổ hợp Cyclotron Đại học Indiana ở Bloomington, Indiana, Mĩ, và tại Trung tâm Máy gia tốc Quốc gia, ở Faure, Nam Phi Các máy
Trang 956 Những bài báo vật lí hay – Tập 1| © hiepkhachquay
gia tốc có 6 cung hoạt động tại Trung tâm Nghiên cứu Vật lí Hạt nhân ở Osaka và tại Viện Paul Scherer ở Thụy Sĩ Villigen Cũng phải nhắc tới ở đây là Tổ hợp Meson Đại học Ba bang ở Vancouver , có 8 cung và cung cấp ion H- 600 MeV
Cyclotron là công cụ nghiên cứu quan trọng trong vật lí hạt nhân và thường được dùng cho việc sản suất các hạt nhân phóng xạ trong y khoa và công nghiệp Cyclotron còn cung cấp các chùm tia cho phẫu thuật và liệu pháp bức xạ và ví dụ cyclotron Nam Phi, là thiết bị lớn dùng cho các ứng dụng y khoa Các tổ hợp cyclotron lớn dành cho điều trị ung thư đang xuất hiện ở nhiều nơi, nhất là ở Nhật Các cyclotron nhỏ cần thiết cho việc sản suất các hạt phóng xạ dùng cho những mục đích khác nhau, một trong số đó là dùng làm chất đánh dấu cho phép nội soi phát
xạ positron (PET), một kĩ thuật lập bản đồ chức năng của cơ thể người
Cyclotron cung độc lập ở Vancouver, cung cấp các ion hydrogen âm 600 MeV và nó là cyclotron lớn nhất Hình
chụp cho thấy khe bên trong nơi gia tốc ion
Synchrotron
Hai loại máy gia tốc khác dựa trên nguyên lí gia tốc tuần tự, synchrotron và máy gia tốc thẳng, thật quan trọng trong nghiên cứu vật lí hạt cơ bản, nơi cần năng lượng các hạt cao nhất có thể có Trong synchrotron, các hạt được gia tốc theo một quỹ đạo hình vòng và từ trường, bẻ cong các hạt, tăng theo thời gian sao cho quỹ đạo không đổi được duy trì trong quá trình gia tốc Hai synchrotron proton lớn nhất, tại CERN, phòng thí nghiệm vật lí năng lượng cao của châu Âu
ở gần Geneva, và tại Fermilab ở gần Chicago, hiện vẫn còn hoạt động kể từ giữa thập niên 1970 Chúng gia tốc proton tương ứng lên 450 và 1000 GeV (xem thêm phần bên dưới về các máy va chạm) và lắp đặt trong những tầng hầm tròn, dài 6,9 và 6,3 km (1 GeV = 1000 MeV) Các proton năng lượng cao như thế không thể tạo ra trong một cyclotron hay synchrotron Một cực nam châm sắt với chu vi 6,9 km là một hiện thực xa vời Sự thuận tiện của từ trường biến thiên theo thời gian là rõ ràng
Khái niệm synchrotron hình như đã được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1943 bởi nhà vật
lí người Australia Mark Oliphant Muộn hơn một chút, Edwin M McMillan ở Berkeley đề xuất, khi ông công bố nguyên lí cân bằng pha, một máy gia tốc với từ trường biến thiên Bằng chứng thực nghiệm đầu tiên của khái niệm synchrotron xảy ra vào năm 1946 tại Phòng Nghiên cứu Malvern ở Anh
Trang 10© hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 57
Những synchrotron đầu tiên thuộc loại gọi là loại hội tụ yếu Sự tụ dọc của các hạt quay tròn thu được bằng cách nghiêng từ trường, từ trong ra thành từ ngoài vào bán kính Tại bất kì một thời điểm cho trước nào trong thời gian, từ trường thẳng đứng trung bình chịu trong một chu
kì hạt là lớn hơn đối với bán kính cong nhỏ hơn Synchrotron đầu tiên thuộc loại này là Cosmotron tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven, Long Island Nó bắt đầu hoạt động vào năm 1952 và cung cấp proton có năng lượng lên tới 3 GeV Năm 1960, các sychrotron thuộc loại hội tụ yếu đi vào hoạt động là synchrotron 1 GeV tại Đại học Birmingham, Bevatron 6 GeV tại Phòng thí nghiệm bức xạ Lawrence ở Berkeley, California, Mĩ, Synchrophasotron 10 GeV tại Dubna, Nga, và Saturne 3 GeV tại Saclay, Gif sur Yvette, Pháp Từ trường tiêu biểu biến đổi từ 0,02 tesla ở năng lượng đưa vào, một vài MeV, lên tới khoảng 1,5 tesla ở năng lượng cuối cùng Những synchrotron này thường gia tốc 1011 proton trong một xung thường ngắn hơn nhiều so với một giây Các xung cách nhau vài ba giây Vào đầu những năm 1960, synchrotron hội tụ yếu năng lượng cao nhất của thế giới, Zero Gradient Synchrotron (ZGS) 12,5 GeV, bắt đầu hoạt động tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne ở gần Chicago, Mĩ Những synchrotron ban đầu là những dụng cụ hùng vĩ Synchrotron Dubna, lớn nhất trong số chúng với bán kính 28 m và trọng lượng của nam châm sắt 36.000 tấn là cái duy nhất vẫn còn hoạt động trong số các máy gia tốc buổi đầu này Nó hiếm khi được sử dụng và có thể xem là một đài kỉ niệm của thời kì phát triển này
Năm 1952, Ernest D Courant, Milton Stanley Livingston và Hartland S Snyder, đề xuất một kế hoạch cho sự tập trung mạnh của chùm hạt quay tròn sao cho kích thước của nó có thể làm cho nhỏ hơn trong một synchrotron tập trung yếu Trong kế hoạch này, nam châm bẻ cong
có gradient từ trường xen kẽ; sau một nam châm có thành phần từ trường trục giảm khi bán kính tăng lên là một nam châm có thành phần trường đó tăng lên khi bán kính tăng lên, và cứ thế Theo cách này, nam châm làm phân kì chùm tia theo phương thẳng đứng được theo sau là một nam châm làm hội tụ chùm tia theo phương đứng Như vậy, giống như trong quang học, nơi một thấu kính phân kì và một thấu kính hội tụ kết hợp với nhau để mang lại sự hội tụ, một sự hội tụ toàn phần mạnh thu được trong một synchrotron gradient xen kẽ Nhờ sự tập trung mạnh, khẩu
độ nam châm có thể làm cho nhỏ hơn và do đó cần ít sắt hơn so với trong một synchrotron tập trung yếu có năng lượng tương đương
Synchrotron gradient xen kẽ đầu tiên gia tốc các electron lên 1,5 GeV Nó được xây dựng tại Đại học Cornell, Ithaca, New York, và hoàn thành vào năm 1954 Sự gia tốc trước được thực hiện trong một máy gia tốc van de Graff 2 MeV và sau khi đưa vào ở năng lượng này, từ trường của nam châm vòng là 0,002 tesla Sự gia tốc lên 1,5 GeV được thực hiện trong 0,01 giây và trong thời gian này, từ trường nam châm tăng lên 1,35 tesla Năm 1958, synchrotron electron tập trung mạnh đầu tiên của châu Âu (500 MeV) bắt đầu hoạt động ở Bonn Nó được phát triển và xây dựng dưới sự chỉ đạo của Wolfgang Paul, người đoạt giải Nobel vật lí năm 1989 cho sự phát triển của ông về kĩ thuật bẫy ion Các synhrotron electron khác thuộc loại gradient xen kẽ vào đầu những năm 1960 tọa lạc ở Hamburg (6 GeV), Harvar-MIT, Cambridge (6 GeV) và tại Đại học Tokyo (1,3 GeV)
Trang 1158 Những bài báo vật lí hay – Tập 1| © hiepkhachquay
Không bao lâu sau phát minh ra nguyên lí tập trung gradient xen kẽ, việc xây dựng hai synchrotron rất lớn gần như giống hệt nhau, cho đến nay vẫn còn hoạt động, khởi động tại phòng thí nghiệm CERN châu Âu ở Geneva và Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven trên đảo Long Island, New York Tại CERN, các proton được gia tốc lên 28 GeV và tại Brookhaven lên 33 GeV Synchrotron proton CERN (PS) bắt đầu hoạt động năm 1959 và Brookhaven PS hoạt động năm 1960
Vào thập niên 1960, Brookhaven PS là mạnh nhất trong số tất cả các máy gia tốc và một
số con số thực hiện có lẽ thật hấp dẫn Nó có một máy gia tốc thẳng làm bộ phận bơm và năng lượng đưa vào là 50 MeV Các proton được gia tốc trong 12 trạm gia tốc đặt dọc theo chu vi của synchrotron Trong thời gian gia tốc khoảng một giây, từ trường của nam châm bẻ cong chùm tia tăng từ 0,012 lên 1,3 tesla Điều này cho thấy một sự thay đổi rất lớn của năng lượng dự trữ khi xét tới vòng dài 800 m chứa đầy các nam châm có tổng trọng lượng 4.000 tấn Cường độ tiêu biểu là 1011 proton mỗi xung lặp lại mỗi giây thứ ba Ngày nay, cường độ chùm hạt lớn hơn hai bậc độ lớn Danh sách các synchrotron hiện đang sử dụng có thể tìm thấy, ví dụ, qua trang chủ của CERN
Các hạt sinh ra trong sự va chạm giữa một chùm ion hay electron với bia có thể hình thành những chùm thứ cấp tìm thấy nhiều ứng dụng trong khoa học và công nghệ Chúng ta có thể phân biệt các chùm hạt có thời gian sống ngắn như meson hay muon với các chùm hạt có thời gian sống lâu, như photon, neutrino, positron, neutron và phản proton Một số trong những hạt có thời gian sống ngắn có thể truyền đi những khoảng cách xa vì, theo lí thuyết tương đối, thời gian bị chậm đi ở một vật chuyển động gần vận tốc ánh sáng Ví dụ, trong hệ quy chiếu nghỉ riêng của chúng, meson pi có thời gian sống 2,6 x 10-8 s và trong thời gian này chúng truyền đi khoảng cách tối đa là 8 m nếu chúng chuyển động với tốc độ ánh sáng Meson pi, có sẵn tại các synchrotron proton lớn nhất ngày nay, nó năng lượng vượt quá năng lượng nghỉ của chúng, 140 MeV, gấp 1.000 lần Vì thế, thời gian sống của chúng tăng lên cùng hệ số đó và chúng có thể truyền đi, trung bình, 8 km trong thời gian sống của chúng Thực tế này là bằng chứng đẹp của lí thuyết tương đối và làm cho có thể hình thành các chùm meson pi, meson K và muon năng lượng cao và đưa chúng đến khu vực thí nghiệm Cùng với các chùm hạt bền thứ cấp như neutrino, photon, phản proton và neutron, các chùm thứ cấp đó hình thành nên cơ sở cho các chương trình nghiên cứu vật lí bia cố định mở rộng, nhất là tại các synchrotron lớn tại CERN, Brookhaven, Serpukhov (Nga) và Fermilab trong những năm 1960 và 1970
Đa số các hạt sơ cấp sinh ra trong các máy gia tốc Các hạt thứ cấp được tạo ra trong tương tác của các hạt sơ cấp với vật chất Đơn vị cho năng lượng nghỉ
là MeV và cho thời gian sống là giây
Trang 1360 Những bài báo vật lí hay – Tập 1| © hiepkhachquay
Nguyên tắc synchrotron Các hạt được gia tốc dọc theo một hành trình hình vòng Các nam châm, cần thiết cho việc
bẻ cong và hội tụ, đặt xung quanh quỹ đạo hạt Từ trường được điều chỉnh trong quá trình gia tốc từ giá trị thấp lên cao, phù hợp với năng lượng tăng dần của hạt, sao cho quỹ đạo về cơ bản vẫn giữ không đổi Các hạt được gia tốc
bằng hiệu điện thế cao qua một hoặc vài khe dọc theo chu tuyến
Bên trong đường hầm dài 6,9 km của siêu proton synchrotron CERN 450 GeV Các nam châm màu xanh làm hội tụ,
và các nam châm màu đỏ bẻ cong các hạt
Ảnh chụp toàn cảnh phòng thí nghiệm CERN nằm giữa sân bay Geneva và dãy núi Jura Các vòng tròn chỉ vị trí của các máy gia tốc SPS và LEP đặt trong các đường hầm dưới đất Sau khi máy gia tốc LEP ngừng hoạt động hồi cuối năm 2000, nó đã bị tháo gỡ và Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) hiện đang được lắp đặt trong đường
hầm dài 27 km
Máy gia tốc thẳng
Năm 1924, người Thụy Điển G Ising đề xuất rằng năng lượng tối đa có thể tạo ra bằng cách thay thế khe đơn giữ hiệu điện thế một chiều bằng việc đặt dọc theo một đường thẳng vài
Trang 14© hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 61
điện cực hình trụ nối tiếp nhau giữ hiệu điện thế dạng xung Người Na Uy Rolf Wideröe nhận ra rằng, nếu pha của hiệu điện thế luân phiên biến đổi 180 độ trong hành trình của hạt giữa các khe, thì hạt có thể thu năng lượng trong từng khe Dựa trên ý tưởng này, ông đã xây dựng một máy gia tốc ba giai đoạn cho các ion natri Ý tưởng về máy gia tốc thẳng đã ra đời Các hạt được gia tốc trong những khe nhỏ và giữa các khe chúng chuyển động bên trong các điện cực hình trụ được che chắn Một phiên bản cải tiến của máy gia tốc thẳng đã được hình thành vài năm sau đó bởi Luis Walter Alvarez, người đã làm phát hiệu điện thế xoay chiều theo cách khác; các sóng đứng tần số vô tuyến bên trong các hộp hình trụ Những cái gọi là cấu trúc Alvarez này vẫn được
sử dụng cho gia tốc ion Alvarez được trao giải Nobel vật lí năm 1968 vì những đóng góp có tính quyết định của ông cho nền vật lí hạt cơ bản
Những đề xuất ban đầu này không thực tiễn đối với việc gia tốc hạt, và mãi cho đến sau Thế chiến thứ hai thì sự phát triển của máy gia tốc electron mới thật sự bắt đầu Từ sự phát triển của các hệ radar, các sóng dẫn đã xuất hiện có thể dùng cho máy gia tốc thẳng sóng truyền Trong máy gia tốc này, các sóng điện từ truyền về phía trong máy gia tốc với tốc độ ánh sáng và các electron, cũng chuyển động rất gần tốc độ ánh sáng, được gia tốc đều đặn từng bước với sóng đó tương tự như lướt trên một con sóng đại dương
Đối với các mục đích khoa học, hiện nay có khoảng 1.300 máy gia tốc thẳng cho electron
và positron và khoảng 50 máy cho ion, kể cả proton Chúng bao quát một ngưỡng năng lượng rộng từ vài MeV đến 52 GeV đối với máy gia tốc thẳng electron lớn nhất đặt tại Trung tâm Máy gia tốc thẳng Stanford (SLAC) Ở Los Alamos, một máy gia tốc thẳng proton gia tốc proton lên
800 MeV trên khoảng cách 800 m Máy gia tốc này là trái tim của Tổ hợp Vật lí Meson Los Alamos (LAMPF) và nó là máy gia tốc thẳng proton lớn nhất thế giới Nhiều máy gia tốc thẳng được sử dụng làm máy bơm hạt cho synhrotron
Ngoài các máy gia tốc khoa học, còn có hàng nghìn máy gia tốc thẳng nhỏ dùng tại các bệnh viện cho phép điều trị ung thư
Máy gia tốc thẳng dài 3 km tại Stanford
