Máy gia tốc và những nhà vật lí được giải nobel

Máy gia tốc nhà vật lí giải Nobel Tại lại máy gia tốc? Máy gia tốc hạt dụng cụ tạo chùm ion electron lượng tính dùng cho nhiều mục đích khác nhau, kính hiển vi xác Như biết, vật thể có kích thước đến kích cỡ tế bào sống nghiên cứu kính hiển vi quang học đối tượng có kích thước đến kích cỡ ngun tử nghiên cứu kính hiển vi điện tử Các chi tiết vật nhìn thấy (phân giải) cho bước sóng xạ chiếu vào Để thâm nhập vào bên nguyên tử phân tử, cần phải dùng xạ có bước sóng nhỏ kích thước ngun tử nhiều lần Các nucleon (proton neutron) hạt nhân ngun tử có kích cỡ vào khoảng 10-15 m cách khoảng bậc độ lớn Các electron quay xung quanh hạt nhân nguyên tử quark bên nucleon có kích thước nhỏ 10-18 m, nên chúng xuất chất điểm Việc phát hạt electron proton máy gia tốc hạt cung cấp cần thiết cho việc nghiên cứu thành phần nguyên tử Bước sóng de Broglie tương quan hạt thăm dò bước sóng "vĩ mơ" xác định kích thước vật thể nhỏ phân giải Bước sóng de Broglie tỉ lệ nghịch với xung lượng hạt Ví dụ, electron cần có bước sóng de Broglie so sánh với kích thước nucleon, phải có động gấp vài ngàn lần lượng electron dùng kính hiển vi điện tử Đơn vị MeV, triệu electron Volt, biểu thị động mà hạt tích đơn vị điện tích có sau qua độ giảm điện triệu volt Khơng cần thiết cho kính hiển vi hạ ngun tử xác, hạt phát từ máy gia tốc va chạm với hạt bia dẫn đến hình thành hạt mới, hạt thu khối lượng chúng từ lượng va chạm theo công thức E=mc2 Như vậy, cách hoán chuyển khối lượng động thừa va chạm mà hạt, phản hạt hạt nhân lạ tạo Máy gia tốc hạt không đơn công cụ khám phá giới hạ nguyên tử mà dùng nhiều ứng dụng khác phân tích cải tạo vật liệu đo phổ, đặc biệt khoa học môi trường Khoảng nửa số 15.000 máy gia tốc hạt giới dùng làm máy cấy ion cho việc hoán cải bề mặt cho khử trùng trùng hợp polymer Sự ion hóa phát sinh hạt tích điện bị dừng lại vật chất thường sử dụng chẳng hạn phẫu thuật xạ hay liệu pháp điều trị ung thư Ở bệnh viện có khoảng 5000 máy gia tốc hạt electron dùng cho mục đích Máy gia tốc tạo nguyên tố phóng xạ dùng làm chất phóng xạ đánh dấu y học, sinh học khoa học vật liệu Tầm quan trọng không ngừng gia tăng lĩnh vực khoa học vật liệu máy gia tốc ion electron tạo số lượng phong phú neutron photon vùng lượng rộng Các chùm photon xác định rõ ràng chẳng hạn dùng cho kĩ thuật khắc để chế tạo cấu trúc nhỏ cần điện tử Tế bào sống thường nghiên cứu kính hiển vi quang học, chúng nhận photon tán xạ ánh sáng khả kiển Những đối tượng micron chẳng hạn thành phần tế bào sống thường khảo sát kính hiển vi điện tử, electron, gia tốc điển hình đến vài trăm eV, dùng để va chạm vào đối tượng tán xạ từ chúng Quark lepton cảm nhận thấy xuống đến khoảng cách 10-18 m hạt phát từ máy gia tốc khổng lồ Thống kê toàn giới máy gia tốc, tổng cộng 15.000 Số liệu W Scarf W Wiesczycka thu thập Phân loại Số lượng Máy cấy ion hoán cải bề mặt 7,000 Máy gia tốc công nghiệp 1,500 Máy gia tốc nghiên cứu phi hạt nhân 1,000 Phẫu thuật xạ 5,000 Sán xuất đồng vị y học 200 Liệu pháp hadron 20 Nguồn xạ Synchrotron 70 Nghiên cứu vật lí hạt nhân vật lí hạt 110 Thơng tin chi tiết máy gia tốc tìm thấy Giới thiệu máy gia tốc hạt Edmund Wilson, Đại học Oxford xuất năm 2001 Nội dung sách tìm website: http://www.oup.co.uk/isbn/0-19-850829-8 chương ứng dụng máy gia tốc truy cập trực tiếp địa chỉ: http://www.oup.co.uk/pdf/0-19850829-8.pdf Lịch sử Trong máy gia tốc đầu tiên, hạt gia tốc cách đặt vào hiệu điện cao khe hở cathode anode (các điện cực) Dụng cụ gọi ống tia cathode đời vào cuối kỉ 19 Với ống tia cathode, tia X phát minh năm 1895 Wilhelm Conrad Röntgen, người nhận giải Nobel vật lí (năm 1901) cho phát minh Năm 1896, Joseph John Thomson nghiên cứu chất tia cathode, thấy tích điện có tỉ số điện tích khối lượng xác Việc phát hạt sơ cấp này, electron, đánh dấu khởi đầu thời kì mới, kỉ nguyên điện tử năm 1896 Thomson trao Giải Nobel vật lí 1906 cho cơng trình liên quan tới phát minh Máy gia tốc phổ biến ống tia cathode dùng TV thị máy tính Trong ống này, chùm electron, sau gia tốc lên đến lượng cực đại 30.000 eV, quét ngang qua hình, hình phát ánh sáng bị electron va chạm vào Trong phần sau đây, thiết bị khe kính hiển vi điện tử không đề cập tới Các máy gia tốc khác có phát minh khoảng thời gian dài gần bốn thập kỉ Khoảng 1920, máy gia tốc điện cao gồm hai điện cực đặt bên bình chân khơng có hiệu vào bậc trăm kV hình thành đặt tên John Douglas Cockcroft Ernest Thomas Sinton Walton Sau đó, vào năm 1920, người ta đề nghị dùng điện thay đổi theo thời gian ngang qua loạt khe hở (Xem phần bên nói máy gia tốc thẳng) Những đề xuất gia tốc hạt theo kiểu lặp lặp lại gây cảm hứng cho Ernest Orlando Lawrence đến khái niệm cho máy gia tốc hạt Trong cyclotron ơng phát minh, hạt quay tròn từ trường qua lại khe gia tốc nhiều lần Thay cho điện chiều, điện xoay chiều tần số cao đặt khe hạt gia tốc theo quỹ đạo hình xoắn ốc theo kiểu lặp lặp lại Sau phát minh nguyên lí cân pha vào năm 1940, hai loại máy gia tốc thai nghén: máy gia tốc thẳng synchrotron Trong máy gia tốc thẳng, khe đặt dọc theo đường thẳng Trong synchrotron, từ trường tăng lên trình gia tốc hạt chuyển động vòng quỹ đạo khơng thay đổi Trong máy gia tốc này, hạt gia tốc theo kiểu lặp lặp lại lượng bị giới hạn kích thước máy gia tốc hiệu cực đại mà ta đạt Nhà phát minh cyclotron, Ernest Orlando Lawrence (trái), sinh viên ông, Edwin Mattison McMillan, hai nhà phát minh nguyên lí cân pha cho biết điểm gia tốc ngõ vào cấu trúc điện cực bán nguyệt chắn Cyclotron xây dựng từ 1929 đến 1931 Ảnh: Lawrence Berkeley Lab Máy gia tốc thế-hiệu Ống chân không electron, phát minh vào cuối kỉ 19, sử dụng cho việc phát minh electron tia X Electron gia tốc chân không hai điện cực, cathode anode Khơng khí có áp suất khí làm chậm hạt, va chạm electron với phân tử khơng khí Ống chân khơng tiền thân máy gia tốc điện cao sau Như nói trên, máy gia tốc hạt điện cao hiệu điện vào bậc trăm kilo volt xây dựng bởi, đặt tên Máy gia tốc Cockcroft - Walton theo tên John Douglas Cockcorft Ernest Thomas Sinton Walton Năm 1951, họ nhận giải Nobel vật lí cho cơng trình tiên phong họ chuyển hóa hạt nhân nguyên tử hạt nguyên tử gia tốc nhân tạo Máy gia tốc thế-hiệu phổ biến dùng đặt tên nhà phát minh nó, nhà khoa học Mĩ Robert Jemison Van de Graff Đầu cao nối với cực thấp (đất) dây cuaroa cách điện chuyển động Điện tích áp vào dây cuaroa đầu thấp chuyển đến đầu cách dẫn trượt dây cuaroa Điện đầu tăng dòng điện rỉ từ cực xung quanh với dòng điện mà dây cuaroa cung cấp Thơng thường, cực ống đặt bên thùng chứa khí SF6 áp suất cao để làm tăng độ cách điện cực cao trái đất Điện chia thành phần áp vào điện cực đặt liên tiếp bên ống chân không, nơi electron ion gia tốc Electron thu từ dây bị nung nóng ion từ chất khí phóng điện đặt cathode Một vài microampere electron ion gia tốc máy gia tốc Van de Graff Trong kiểu đại dành cho ion, điện cực đầu vào khỏi ống chân không điện đất, đầu cao đặt ống Bên thể tích nhỏ đầu vào ống, chất khí bị ion hóa, thường phóng điện, từ thể tích ion tích điện âm đơn lẻ trích Những ion gia tốc bên ống phía đầu cao, nơi hai hay nhiều electron khỏi ion truyền qua kim loại mỏng vùng chứa đầy chất khí Điện tích ion thay đổi từ âm sang dương, ion bị đẩy xa cực gia tốc phía đầu ống, nối với đất So với máy gia tốc Van de Graff kiểu thường, có "khe" gia tốc, máy gia tốc loại thu hạt có lượng cao hiệu dùng hai khe Một máy gia tốc loại có tên "máy gia tốc tandem" Ngày nay, đa số máy gia tốc Van de Graff thiết bị thương mại có sẵn cực thay đổi 25 triệu volt (MV) Điển hình chúng có hiệu điện 10 MV Để so sánh, ta biết xung ngắn dùng nghiên cứu sét đạt tới 10 MV, hiệu điện đám mây trước chúng phóng điện tia sét khoảng 200 MV Máy gia tốc Van de Graff thường dùng phân tích hoán cải vật liệu, máy gia tốc phổ khối lượng đặc biệt dùng cho khoa học môi trường Hình vẽ trình bày ngun lí máy gia tốc tandem Van de Graff Các ion tích điện âm từ nguồn ion điện đất gia tốc phía cực dương cao giữa, nơi chất khí kim loại mỏng bóc hai hay nhiều electron khỏi ion, ion sau trở thành tích điện dương bị đẩy phía cực đất (V=0) Điện tích chuyển tải dây cuaroa cách điện với đất chất khí áp suất cao, thường SF6 Minh họa: Fredrik Stendahl Một máy gia tốc tandem lớn dùng nhiều năm Daresbury Anh Ống gia tốc nó, đặt thẳng đứng, dài 42m cực trung tâm giữ hiệu lên đến 20 triệu volt Ảnh: CCLRC Cyclotron Nguyên tắc gia tốc theo kiểu lặp lặp lại đời hồi năm 1920 tảng quan trọng truy tìm lượng ngày cao Theo nguyên tắc này, gia tốc thu điện thay đổi theo thời gian thay cho điện tĩnh điện chẳng hạn dùng máy gia tốc Van de Graff Máy gia tốc có tầm quan trọng thực hành dựa nguyên tắc gia tốc lặp lặp lại cyclotron, Ernest Orlando Lawrence phát minh Trong cyclotron, hạt tích điện quay tròn từ trường mạnh gia tốc điện trường hay nhiều khe Sau qua khe, hạt chuyển động bên điện cực che chắn khỏi điện trường Khi hạt khỏi vùng che chắn vào khe pha điện xoay chiều biến thiên 180 độ để hạt gia tốc lần Quá trình lặp lặp lại nhiều lần Sau nhiều vòng quay gia tốc, theo quỹ đạo hình xoắn ốc mở rộng dần ra, hạt quay tròn gần biên ngồi từ trường mạnh Ở trường có dạng cho chùm hạt quay tròn ló hình thành chùm bên Lawrence trao giải Nobel 1939 vật lí cho việc phát minh phát triển cyclotron cho kết thu từ nó, đặc biệt ghi nhận nghiên cứu ông nguyên tố phóng xạ nhân tạo Ở châu Âu, người giải Nobel, Frédéric Jiliot, Niels Henrik David Bohr Karl Manne Georg Siegbehn đóng góp lớn cho cyclotron Năm 1938, cyclotron châu Âu Collège de France, Paris, gia tốc chùm deuteron lên MeV cách cho va chạm với bia, nguồn neutron mạnh tạo Khoảng thời gian đó, cyclotron Copenhagen Viện Niels Bohr sẵn sàng hoạt động Stockholm, khởi động cơng trình nghiên cứu việc xây dựng máy gia tốc Thụy Điển, máy vào hoạt động khoảng năm 1940 Một vấn đề nghiêm trọng với cyclotron buổi đầu giới hạn lượng khoảng 10 MeV gia tốc proton Giới hạn phụ thuộc vào chậm dần proton quay từ trường không đổi tăng khối lượng tương đối tính chúng hay lượng tồn phần tương đương Khối lượng nghỉ proton tương ứng với lượng 938 MeV sau gia tốc thêm động 10 MeV tần số quay proton, tỉ lệ nghịch với lượng toàn phần (938+10), bị giảm 1% Khi tần số quay proton tần số điện lúc bắt đầu chu kì gia tốc, khơng có trượt pha proton gia tốc với hiệu điện khe Tuy nhiên, proton thu thêm lượng chậm dần tần số quay chúng, chúng lúc đến khe trễ so với cực đại điện gia tốc tần số cố định Sau pha bị lệch nhiều, khơng tăng thêm lượng lượt qua khe Cyclotron thường khơng có ích cho gia tốc electron tần số quay từ trường giảm nhanh lượng thấp vài MeV khối lượng nghỉ electron nhỏ Khối lượng nghỉ electron tương ứng với lượng nghỉ 0,511 MeV, theo công thức Einstein E = mc2 Một biến thể khác cyclotron microtron, dụng cụ electron gia tốc khe rìa quỹ đạo Tần số điện gia tốc bội tần số quay electron Các quỹ đạo tròn mở rộng dần tiếp tuyến tiếp xúc điểm mà khe gia tốc bố trí Năng lượng tăng thêm vòng quay thiết kế cho thời gian tăng thêm vòng quay hồn chỉnh electron chậm dần tần số quay tương ứng với hay nhiều chu kì tần số điện khe gia tốc Nguyên tắc cyclotron Sự ion hóa chất khí giới hạn vùng dẫn đến việc ion gia tốc điện có tần số cố định với tần số quay ion từ trường Các đường sức từ hướng trực tiếp cực nam châm cho biết ion tích điện dương quay tròn theo chiều kim đồng hồ Ion gia tốc chúng chuyển động qua khe điện cực, bên điện cực chúng che chắn khỏi điện trường Khi chùm ion tiến đến biên từ trường, ló khỏi cyclotron tạo thành chùm bên Minh họa: Fredrik Stendahl Ở Uppsala, Thụy Điển, cyclotron gia tốc proton đến 185 MeV ion khác lên lương so sánh với Chùm hạt gia tốc bên bình chân khơng nhìn thấy phía phía cuộn dây (màu nâu) cho nam châm nặng 600 (màu vàng) Chùm hạt chuyển tải đến khu vực thí nghiệm bên ống đặt phía bên trái hình Ảnh: Teddy Thörnlund Synchrocyclotron Để vượt qua giới hạn lượng cyclotron, nguyên tắc cân pha phát minh chứng minh vào năm 1944/45 Những người phát minh Vladimir Iosifovich Veksler Liên viện nghiên cứu hạt nhân Dubna, trung tâm nghiên cứu quốc tế nằm cách Moscow 100 km phía bắc, Edwin Mattison McMilan, cựu sinh viên Lawrence, Đại học California Berkeley Họ ra, cách độc lập với nhau, cách điều chỉnh tần số điện đặt vào với giảm tần số proton quay, ta gia tốc proton lên vài trăm MeV Cyclotron sử dụng gia tốc đồng cách điều biến tần số (FM) thường gọi tên synchrocyclotron hay cyclotron FM Edwin mattison McMilan nhận giải Nobel hóa học năm 1951 với Glenn Theodore Seaborg cho việc phát nguyên tố neptunium Một người giải Nobel hóa học khác, Theodor Svedberg, đề xuất vào thập niên 1940 xây dựng máy gia tốc Uppsala Được gây cảm hứng từ cơng trình Berkeley, người ta định xây dựng synchrocyclotron Năm 1950, proton có lượng 185 MeV tạo Uppsala lúc có hạt lượng cao Tây Âu Năm 1957, việc chữa trị bệnh nhân ung thư khởi động Sau máy gia tốc xây dựng lại vào hoạt động, từ năm 1986, từ ghép cyclotronsynchrocyclotron sector tập trung Việc phát minh nguyên lí cân pha ám rằng, nguyên tắc, khơng có giới hạn lượng cho gia tốc hạt Ngun lí lót đường cho hai loại máy gia tốc đời, máy gia tốc thẳng synchrotron Synchrocyclotron lớn sử dụng, đặt Gatchina, ngoại vi St Peterburg gia tốc proton lên đến động 1000 MeV Các cực sắt đường kính 6m tồn máy gia tốc nặng 10.000 tấn, trọng lượng tương đương với tháp Eiffel Năng lượng thu tương ứng với lượng mà proton gia tốc hiệu điện tỉ volt Nó dùng cho thí nghiệm vật lí hạt nhân ứng dụng y học Ảnh: Viện Vật lí hạt nhân Gatchina Cyclotron sector hội tụ Vào đầu thập niên 1960 xuất loại cyclotron mới, cyclotron sector hội tụ Các sector (hình quạt) giới thiệu khe cực để đạt thay đổi góc phương vị từ trường Sự thay đổi góc phương vị cho hội tụ thẳng đứng lên chùm ion quay tròn khơng cần thiết trường trung bình mặt phương vị phải giảm với tăng bán kính cyclotron thường để trì hội tụ thẳng đứng Như vậy, từ trường trung bình hàm bán kính, tăng lên tần số quay ion giữ nguyên không đổi bất chấp tăng khối lượng ion gia tốc Sự phân kì đứng phát sinh từ gia tăng từ trường trung bình theo bán kính bù lại hội tụ đứng thay đổi góc phương vị trường Tần số điện gia tốc giữ khơng đổi trì gia tốc đặn lần qua khe; lượng bị giới hạn kích thước nam châm Cyclotron sector hội tụ đơi gọi cyclotron sóng liên tục (CW) hay cyclotron đẳng thời, để phân biệt với cyclotron biến điệu tần số (FM) hay synchrocyclotron Nhiều cyclotron sector hội tụ hoạt động chúng thay synchrocyclotron phần lớn ngừng hoạt động Khơng có proton, mà loại ion nào, nguyên tắc, gia tốc Các nguồn ion, sinh ion nguyên tố thực tiễn bảng tuần hồn hóa học, ln có sẵn Đặc biệt hấp dẫn cho gia tốc proton ngưỡng 200 đến 600 MeV cyclotron sector độc lập, gồm số sector sắt thay cho cực sắt thường có sector gắn vào Cyclotron sector độc lập có bốn nam châm hình quạt, đặt Máy Cyclotron Đại học Indiana, Bloomington, Indiana, Mĩ, Trung tâm máy gia tốc quốc gia Faure, Nam Phi Máy gia tốc có sector hoạt động Trung tâm nghiên cứu Vật lí hạt nhân Osaka Viện Paul Scherer, Villigen Thụy Sĩ Cũng nên nhắc đến viết Máy Meson đại học Ba bang Vancouver, có sector cung cấp ion H- 600 MeV Cyclotron công cụ nghiên cứu quan trọng lĩnh vực vật lí hạt nhân thường dùng cho việc sản xuất hạt nhân phóng xạ y học công nghiệp Cyclotron cung cấp chùm tia cho liệu pháp đei6ù trị phẫu thuật xạ chẳng hạn cyclotron Nam Phi, sử dụng rộng rãi cho ứng dụng y học Các thiết bị cyclotron lớn dành cho việc điều trị ung thư bật nhiều nơi, đặc biệt Nhật Bản Các cyclotron nhỏ cần dùng cho việc sản xuất hạt nhân phóng xạ cho nhiều mục đích khác nhau, tạo nguyên tử đánh dấu cho phép chụp ảnh phát xạ positron (PET), kĩ thuật chụp ảnh lập đồ chức thể người Cyclotron sector độc lập Vancouver, cung cấp chùm hydrogen âm 600 MeV cyclotron lớn Ảnh cho thấy khe mà ion gia tốc Ảnh: TRIUMF Synchrotron Hai loại máy gia tốc khác dựa nguyên tắc gia tốc lặp lặp lại, synchrotron máy gia tốc thẳng, quan trọng nghiên cứu vật lí hạt bản, nơi cần lượng hạt cao Trong synchrotron, hạt gia tốc theo quỹ đạo hình vòng tròn từ trường, bẻ cong hạt, tăng theo thời gian để trì quỹ đạo khơng đổi suốt q trình gia tốc Hai synchrotron proton lớn nhất, CERN, phòng thí nghiệm Vật lí lượng cao châu Âu gần Geneva, Fermilab gần Chicago, vào hoạt động từ thập niên 1970 Chúng gia tốc proton đến 450 1000 GeV (tương ứng máy), đặt tầng hầm tròn dài 6,9 6,3 km Các proton lượng cao tạo cyclotron hay synchrotron Một cực nam châm sắt có chu vi 6,9 km lớn ngồi sức tưởng tượng Lợi ích từ trường biến thiên rõ ràng Khái niệm synchrotron dường đề xuất lần vào năm 1943 nhà vật lí người Australia Mark Oliphant Muộn chút, Edwin M McMilan Berkeley đề xuất, ông công bố nguyên tắc cân pha, máy gia tốc có từ trường biến thiên Sự kiểm chứng thực nghiệm tiến hành vào năm 1946 Phòng nghiên cứu Malvern, Mĩ Synchrotron thuộc loại gọi hội tụ yếu Sự hội tụ theo phương đứng hạt quay tròn đạt cách làm nghiêng từ trường, từ bán kính bán kính ngồi Ở thời điểm đó, từ trường trung bình theo phương đứng cảm ứng suốt vòng quay hạt lớn bán kính cong nhỏ nhỏ bán kính Thiết bị chùm electron liên tục (CEBAF) Phòng thí nghiệm Jefferson, Virginia, Mĩ, gia tốc electron lên GeV microtron đường đua có chu vi 1,4km Sự gia tốc xảy 338 vỏ rỗng (hộp) đặt đoạn thẳng bên cryomodule chùm tia bị bẻ cong 180 độ năm hình cung khác Trong vòng quay thứ nhất, electron chuyển động hình cung trên, chúng xuống sau vòng quay gia tốc chúng chạm đến hình cung đáy Thí nghiệm đặt ba phòng khác nhau, A, B C Trong tương lai, phòng D thêm vào lượng tăng lên 12 GeV Minh họa: Phòng thí nghiệm DOE/Jefferson Ion nặng Cyclotron sector hội tụ có ích cho việc cung cấp ion nặng lượng thấp Những ion phải tích điện cao để đạt lượng lớn máy gia tốc cho trước Năng lượng thu hạt tích điện qua khe có hiệu điện V ZeV, Z điện tích ion tính theo đơn vị điện tích electron e Các loại nguồn ion đa dạng phát triển, ECR (Cyclotron cộng hưởng electron) EBIS (Nguồn ion tia electron), chúng cho chùm ion tích điện cao lương thấp cường độ mạnh Những nguồn lớn đặt bên máy gia tốc Bằng cách cho ion qua môi trường mỏng, chẳng hạn kim loại, electron trao đổi ion môi trường Vận tốc cao hội để ion electron nguyên tử lớn Đối với electron có lượng cao, electron bị bóc ion hồn toàn trơ trụi Một ion uranium hoàn oàn trơ trụi có điện tích gấp 92 lần điện tích proton qua hiệu điện gia tốc, lượng tăng lên 92 lần lượng mà proton tăng thêm Vì khơng thể tạo ion tích điện cao từ nguồn ion khoảng 10 đơn vị điện tích bản, hai máy gia tốc "tầng" dùng làm tăng điện tích ion cách "bóc trụi" Sau gia tốc lên vận tốc cao máy gia tốc thứ nhất, ion cho truyền qua kim loại mỏng, electron bị bóc Ion tích điện cao sau cho vào máy gia tốc thứ hai, nơi chúng gia tốc đến lượng sau Một ví dụ cho thiết bị tầng kiểu khu liên hợp máy gia tốc GANIL Caen, hai cyclotron sector hội tụ dùng cho vật lí ion nặng Các thiết bị khác GSI Darmstadt, máy gia tốc thẳng, Máy gia tốc thẳng Universal (UNILAC), đóng vai trò làm vòi phun cho Synchrotron ion nặng (SIS) khu phức hợp CERN PS cung cấp ion cho SPS Vì lượng cực đại cyclotron bị giới hạn cường độ từ trường bán kính ngồi nó, nên cuộn dây siêu dẫn dùng thay cho cuộn dây đồng truyền thống bao quanh cực sắt để cung cấp từ trường mạnh Do thu lượng cao cyclotron xây dựng rắn Cyclotron phát triển Henry Blosser đồng ông East Lansing, Mĩ, nơi hai cyclotron "rắn chắc" ghép đôi với Từ trường tesla đường kính cực từ 1,5 đến 2m, tương ứng với hai máy Trong cyclotron này, ion nặng gia tốc đến lượng 160 MeV/nucleon Ví dụ, ion argon gia tốc lên đến động toàn phần 6400 MeV Một thiết bị ion nặng có kế hoạch xây dựng cho Viện nghiên cứu Vật lí Hóa học Riken, Wako, Saitama, Tokyo Máy gia tốc thẳng synchrotron cho electron ion cơng cụ quan trọng cho vật lí ion nặng mà lượng cao cần đến Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (LBL), mạng tên nhà phát minh cyclotron, thiết đặt máy gia tốc thẳng có synchrorton vào đầu thập niên 1970 cho việc gia tốc ion nặng lên khoảng 2000 MeV/nucleon Synchrotron Berkeley ngừng hoạt động synchrotron SIS cho ion nặng Darmstadt cung cấp từ 1990 ion có lượng lên tới 1000 MeV/nucleon, dùng cho nghiên cứu vật lí túy vật lí ứng dụng Sử dụng ion nặng gia tốc, số nguyên tố phát trước tiên Berkeley Dubna sau Darmstadt Nguyên tố nặng phát trước đây, nguyên tố 110, tìm thấy trước tiên Darmstadt phát xác nhận nhóm nghiên cứu Dubna Berkeley Việc nghiên cứu diễn mạnh mẽ nguyên tố 112 xác nhận Darmstadt, nguyên tố 114 Dubna nguyên tố 116 118 Berkeley Các kết cần phải xác nhận trước phát minh chứng rõ ràng Thơng tin máy gia tốc Darmstadt nghiên cứu tìm web site http://www.gsi.de/ Tại CERN, ion oxygen sulphur gia tốc ban đầu thời gian 1986/87 Siêu Synchrotron proton (SPS) đến lượng 158 GeV/nucleon Rồi đến ion có lượng 160 GeV/nucleon, tức 33 TeV lượng toàn phần dùng để bắn phá hạt nhân nguyên tố nặng dùng làm bia Đối tượng nghiên cứu hấp dẫn hạt có tên gluon, hạt mang lực mạnh giữ quark lại với bên proton neutron Một câu hỏi quan trọng hình thành hay khơng kết tập lớn quark gluon, gọi plasma quark-gluon, ion lượng cao tác động trở lại với hạt nhân nặng làm bia Tính chất plasma quark-gluon cho nhìn thấu đáo động lực học tương tác quark phát triển ban đầu Vũ trụ cho việc hiểu biết kỉ nguyên quark Big Bang Từ 1996, ion từ thiết bị Darmsatdt dùng cho phép điều trị chiếu xạ cho bệnh nhân Một phương pháp chẩn đoán hấp dẫn phát triển cách dùng ion carbon cho chiếu xạ Để tiêu diệt khối u đồng thời giữ liều lượng cho mơ bình thường giá trị cực tiểu, cần thiết phải giữ điều khiển xác phân bố liều lượng chiếu xạ Bằng cách sử dụng lượng nhỏ carbon 11 phóng xạ sinh chiếu xạ, ta thu đồ phân bố liều lượng Giống Phép chụp ảnh phát xạ positron thông thường (PET), positron tiêu hủy với electron mô tạo hai photon, ghi nhận detector, cho thông tin nguồn gốc hạt nhân carbon 11 Những hiệu ứng lí thú ion nặng hiệu ứng lạ kì mà nhà du hành vũ trụ trải với đơi mắt họ Những ánh sáng lóe lên giống đường hay vết giống Hiệu ứng tương tự tái tạo vào đầu thập niên 1970 ion từ máy gia tốc Berkeley hướng mắt, phía đầu hay bên hơng Cornelius Tobias, người tiên phong liệu pháp xạ, người trải nghiệm cá nhân hiệu ứng "sáng" sau nhìn xuyên qua ion nặng phát từ máy gia tốc Berkeley Hiện tượng ánh sáng lóe lên nghiên cứu rộng rãi trạm không gian Mir Nga, năm 1995 1999 Bức xạ hạt vũ trụ xung quanh phát nhận dạng dải detector Si nhạy cảm positron tín hiệu phát cách bảy phút cảm giác nhạy cảm liên quan rõ rệt đến ion truyền đến mắt.Vấn đề bỏ ngỏ liệu ánh sáng có sinh đường hạt ion hóa khơng, tế bào hình que tế bào hình nón mắt bị kích thích trực tiếp hạt thâm nhập vào Máy va chạm Trong chạy đua liên tục tím đến lượng cao hơn, cần thiết cho việc tìm kiếm hạt nặng chưa phát cho việc khám phá khoảng cách nhỏ hơn, máy va chạm tốt so với loại máy gia tốc khác Một máy va chạm gồm hai vòng trữ chùm hạt gia tốc theo hướng ngược nhau, chiều ngược chiều kim đồng hồ Khi hạt thu lượng cần thiết, chúng giữ lại cho va chạm điểm đặc biệt dọc theo chu vi vòng, nơi đặt detector để ghi nhận hạt tán xạ sinh va chạm Ngay vào năm 1960, công trình tiên phong cách cho va chạm hai chùm electron quay tròn hai cyclotron đu7ọc thực Novosibirsk, Viện Budker, đặt theo tên nhà phát minh phương pháp làm lạnh electron chùm hạt (Xem phần nói vòng trữ lạnh) Máy va chạm dùng cho thí nghiệm vòng trữ giao (ISR), dùng CERN từ 1971 đến 1983 Proton đưa từ synchrotron proton vào hai vòng cắt ngang tám vị trí giao nhau, nơi proton làm cho va chạm Năng lượng va chạm lên tới 62 GeV thu dòng proton 30 A vòng Do vận tốc proton gần vận tốc ánh sáng, nên số proton trữ tính cách dễ dàng Biết chu vi ISR khoảng 1km, dòng 30A thu ứng với 600.000 tỉ proton trữ vòng Phản proton, hạt tích điện âm, cho quay tròn vòng proton theo hướng ngược lại Tại CERN, năm 1980, lần phản proton điều khiển tạo thành chùm quay tròn Phản proton sinh va chạm proton-hạt nhân gom góp hình thành chùm hẹp phương pháp làm lạnh gọi làm lạnh stochastic nhà khoa học Hà Lan Simon van der Meer phát minh Trước năm 1980, phản proton quan sát vài phần giây Phản proton giữ nhiều giờ, quay ống có độ chân khơng cao khác thường (10-12 torr) để ngăn chúng khỏi bị hủy nhanh va chạm với vật chất thường, trường hợp tức với phân tử khí lại Người ta chờ đợi phản proton tách khỏi vật chất có thời gian sống proton, tức chúng hạt bền Giải Nobel vật lí 1984 chia cho Carlo Rubbia van der Meer cho đóng góp có tính định cho việc phát hạt trường W Z, hạt truyền tương tác tương tác yếu, sinh va chạm proton phản proton quay tròn theo hai hướng ngược vòng synchrotron, SPS Tại Fermilab gần Chicago, synchrotron giới dựa kĩ thuật nam châm siêu dẫn xây dựng vào hoạt động từ năm 1987 Trong nam châm có cuộn dây siêu dẫn, proton phản proton gia tốc đến lượng 1000 GeV, giữ lại mang cho va chạm Năng lượng lên tới tera electron volt (1 TeV), từ mà tên Tevatron đặt cho máy va chạm Fermilab Khi máy va chạm Tevatron hoạt động vào năm 1987, phản proton sinh hoạt động Vòng Chính 120 GeV Phản proton thu thập vòng Debuncher trước chúng đưa đến Accumulator, xảy làm lạnh stochastic Sau làm lạnh, phản proton tiêm vào Vòng Chính Tevatron cho việc gia tốc đến TeV Cùng với mở rộng gần khu phức hệ Fermilab, Vòng Chính thay vòng synchrotron nhanh 120 GeV, Insjector Chính Trong tầng hầm, vòng trữ GeV, Recycler, xây dựng sử dụng nam châm vĩnh cữu Rycycler đóng vai trò kho chứa cho phản proton làm lạnh, từ cho phép tốc độ làm lạnh nhanh Accumulator, nơi hoạt động tốt với dòng điện thấp, để trì Rycycler nhận phản proton lại bị chậm lại sau hoàn thành việc trữ Tevatron Làm lạnh stochastic, ban đầu thiết đặt Recycler, cải tiến cách thêm làm lạnh electron tương lai gần Fermilab phòng thí nghiệm giới thiệu kĩ thuật siêu dẫn quy mơ lớn Vòng mặt đất chứa nam châm có cuộn dây siêu dẫn đặt synchrotron proton có, tháo dỡ vào năm 1997 Các cuộn dây siêu dẫn cung cấp từ trường lên tới tesla Trong vòng thấp này, proton phản proton, tương ứng quay chiều ngược chiều kim đồng hồ, gia tốc đến TeV, tương đương tỉ MeV (1 TeV = Tera electron Volt) Máy gia tốc Tevatron máy thuộc hệ synchrotron sử dụng kĩ thuật siêu dẫn, cuối cho phép gia tốc hạt lên lượng nhiều TeV Ảnh: Fermilab Insjector (cận cảnh) chu vi 3,2 km Fermilab, bơm hạt vào Tevatron lớn hơn, synchrotron siêu dẫn máy va chạm proton-phản proton Nó gia tốc proton lên 150 GeV bơm chúng vào synchrotron proton Tevatron dài 6,3 km máy va chạm phản proton-proton Ảnh: Fermilab Một va chạm trực diện proton phản proton Tevatron thường sinh hàng trăm hạt Theo công thức Einstein E=mc2 khối lượng cực đại chuyển thành động tương đương với khối lượng khoảng 2000 proton, toàn động proton phản proton va chạm chuyển hết thành khối lượng Nếu thay phản proton có lượng va chạm với proton đứng yên làm bia tạo khối lượng cực đại tương đương khối lượng khoảng 40 proton Sự mát lượng nhiều sẵn cho sản sinh khối lượng trường hợp sau vì, va chạm với bia đứng yên, xung lượng phản proton chuyển động phải bảo tồn Vì lí tương tự, va chạm trực diện hai ô tô chuyển động phải dội nhiều so với trường hợp có đậu Một máy va chạm dùng cho ion nặng có khối lượng lên tới khối lượng vàng khánh thành vào năm 2000 Brookhaven Máy va chạm ion nặng tương đối tính (RHIC) dùng nam châm siêu dẫn để lái ion Nó có khả cho va chạm nguyên tố hệ thống tuần hoàn lên tới lượng 100 GeV/nucleon Tháng năm 2000, va chạm với ion vàng 56 GeV/nucleon ghi nhận Ảnh nhìn từ cao RHIC, Máy va chạm ion nặng tương đối tính, Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven (BNL) Cũng rõ hình máy gia tốc khác, đặc biệt AGS, Synchrotron gradient biến đổi Ảnh: Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven Tại CERN, tầng hầm dài 27km, hai vòng nam châm siêu dẫn xây dựng cho việc gia tốc proton ion Máy va chạm này, Máy va chạm hadron lớn (LHC), cho phép nghiên cứu va chạm proton-proton va chạm ion-ion mức lượng cao chưa có phòng thí nghiệm Proton vòng gia tốc đến lượng TeV Các cuộn dây siêu dẫn cung cấp từ trường 8,3 tesla hoạt động nhiệt độ 1,9 K, chất lỏng làm nguội helium siêu lỏng Việc làm lạnh 31.000 vật liệu quy mô 27km cột mốc quan trọng phát triển kĩ thuật siêu dẫn LHC chờ đợi vào hoạt động vào khoảng năm 2006 Giống proton phản proton, electron positron cho quay tròn theo hai hướng ngược va chạm vòng synchrotron Máy va chạm electronpositron có lượng từ đến 10 GeV cơng cụ sản xuất meson, phân hủy hạt nghiên cứu điều kiện rõ ràng Máy va chạm thuộc loại có Rome, Ithaca, Novosibirsk, Bắc Kinh, Standford Tsukuba Máy va chạm Bắc Kinh vào hoạt động năm 1989 chủ yếu dùng cho nghiên cứu quark duyên (charm) lepton tau Năng lượng va chạm thay đổi từ đến 5,6 GeV Máy va chạm Standford Tsukuba, tên gọi phân xưởng B, vào hoạt động hai năm trước Chúng tạo số lớn meson B phản B, mà phân hủy chúng nghiên cứu hiểu biết tốt gọi vi phạm CP, tức tính đối xứng phân hủy hạt vật chất hạt phản vật chất Nhà máy B Standford gồm hai vòng độc lập đặt tầng hầm dài 2,2 km Electron gia tốc lên positron lên 3,1 GeV trước chúng mang cho va chạm Ảnh cho thấy máy va chạm KEKB Tsukuba, Nhật Bản Electron gia tốc đến 8,5 positron đến 3,5 GeV sau chúng mang cho va chạm để sinh meson B phản B Ảnh: KEK Máy va chạm electron-positron lớn xây dựng, LEP, Máy va chạm lớn electron positron, có chu vi 27km ủy thác vào năm 1989 CERN Trong thời kì đầu, va chạm positron electron lượng va chạm 91,2 GeV, tương đương khối lượng nghỉ boson Z, đượcnghiên cứu Sau lắp đặt hộp gia tốc tần số vô tuyến siêu dẫn mạnh, lượng va chạm không ngừng tăng thêm cuối đạt đến cực đại 209 GeV LEP ngừng hoạt động vào cuối năm 2000, năm LHC lắp đặt tầng hầm LEP Một biến thể máy va chạm Máy va chạm tuyến tính Standford (SLC) Chùm positron electron gia tốc đồng thời lên khoảng 45GeV máy gia tốc thẳng dài 3km Ở cuối máy gia tốc thẳng, chúng lái khỏi hướng thẳng, tương ứng sang trái sang phải, lái trở lại cho va chạm theo đường thẳng Chùm hạt gặp lần, máy va chạm thường, chúng gặp nhiều lần điểm va chạm Để thu tốc độ va chạm thích hợp, hai chùm tia, va chạm lần qua nhau, phải có tiết diện ngang cực nhỏ Tiết diện ngang hai chùm tia có đường kính micromét SLC ngừng hoạt động, phát triển Standford điều hấp dẫn cho va chạm electron-positron lượng cao tương lai, mà để tránh xạ synchrotron thừa, chúng phải xây dựng làm hai máy gia tốc thẳng đối diện trực tiếp gia tốc electron positron hướng điểm va chạm Máy va chạm tuyến tính Standford (SLC) Electron gia tốc máy gia tốc dài 3km với positron Sau đạt đến lượng sau chúng, positron electron tách từ truyền dọc theo hai vòng cung lớn, cuối chúng gặp trực diện điểm va chạm Positron sinh phần electron gia tốc chúng bị dừng lại bia làm phát vô số positron, electron photon Positron góp nhặt quay lại ngược dòng đến phía cuối máy gia tốc thẳng, chúng tạo thành chùm dày đặc vòng làm tắt dần Thơng thường chúng gia tốc với chùm electron Minh họa: Trung tâm Máy gia tốc thẳng Standford Những phép đo tinh tế kích thước electron máy va chạm electron-positron cho thấy điện tích electron bị giới hạn cỡ 1000 lần nhỏ kích thước proton Người ta thấy với việc thăm dò cấu trúc nội proton, electron ưa chuộng so với proton thân có cấu trúc Việc nghiên cứu cấu trúc proton mục tiêu nghiên cứu máy va chạm electron-proton nhất, máy va chạm HERA DESY, Hamburg Trong máy HERA, electron 27 GeV va chạm với proton 920 GeV chuyển động ngược chiều Vòng proton siêu dẫn đặt phía vòng electron, xây dựng từ nam châm thường, tầng hầm dài 6,3 km Các máy gia tốc electron tương lai ngưỡng TeV cần gradient gia tốc cao mét để dài Sự phát triển buồng cộng hưởng vô tuyến siêu dẫn DESY, Hamburg, cho khả đạt tới gradient gia tốc 30 MV/m Cái gọi phương pháp gia tốc hai chùm tia, phát triển dự án CLIC CERN, sử dụng điện cao, 30 GHz, điện gia tốc đưa đến hộp gia tốc vào cỡ cm Thay cho buồng gia tốc có sử dụng klystron, chúng kích thích dòng electron lái tia lượng thấp Chùm lái tia chạy song song với chùm gia tốc lượng truyền từ chùm lái tia sang buồng tăng tốc, bắt cặp nhờ sóng ngắn dẫn đến buồng gia tốc Với hệ thống này, gradient gia tốc 100 MV/m minh chứng Những phát triển quan trọng liên quan đến máy va chạm electron-posiron thẳng tương lai xem xét Mĩ, châu Âu Nhật Bản Mục tiêu có lượng gia tốc 150 MeV/m mục tiêu đạt hai máy gia tốc thẳng, máy dài 10km, cho lượng va chạm 3000 GeV Các vòng trữ lạnh Làm lạnh chùm hạt quay tròn nghĩa làm giảm xung lượng kích thước ngang chùm tia Chùm hạt chưa làm lạnh điển hình có kích cỡ vào khoảng mm-cm xung lượng vào cỡ phần trăm fermi Lí tưởng chùm hạt phải đơn sắc, tức hạt phải có vận tốc kích thước ngang phải giống bút chì Cơ chế tự làm lạnh xảy lượng hạt đủ cao Bức xạ điện từ, photon, phát hạt quay tròn gia tốc xuyên tâm liên tục chúng, phát xạ này, "luyện" lượng từ hạt quay tròn, kết hợp với gia tốc giữ lượng trung bình chúng khơng đổi, có làm lạnh tác động lên chúng; hạt quay tròn xem anten nhỏ Năng lương phát vòng quay hạt, tỉ lệ với lũy thừa bốn lượng hạt, tỉ lệ nghịch với lũy thừa bốn khối lượng tỉ lệ nghịch với bán kính cong Năng lượng phát này, gọi xạ synchrotron, trở nên đáng kể cyclotron electron vài trăm MeV, lại khơng đáng kể tất synchrotron có Làm lạnh electron phát minh Novosibirsk vào cuối năm 1970 Một chùm electron chất lượng cao bơm vào tiết diện thẳng synchrotron proton nhỏ làm cho chuyển động với proton vài mét Khoảng trải vận tốc electron nhỏ, điển hình 1/100.000 vận tốc electron trung bình Vận tốc trung bình electron điều chỉnh cho vận tốc trung bình proton dòng chùm electron lớn đáng kể so với dòng chùm proton Những điều kiện cho trước này, khoảng trải vận tốc proton tiến đến khoảng trải vận tốc electron, tức làm lạnh xảy Trong lần thử nghiệm đầu, proton làm lạnh cho khoảng trải vận tốc với khoảng trái vận tốc cảu electron, cải thiện khoảng 1000 lần tốt Làm lạnh electron có ích cho việc cải thiện chất lượng chùm proton, phản proton ion Tuy nhiên, khó gia tốc chùm electron cường độ mạnh lên vài trăm kV, khe đơn, nên việc làm lạnh electron khơng có ích cho việc làm lạnh hạt có ngưỡng lượng GeV Sau minh chứng làm lạnh electron Novosibirsk, nghiên cứu khởi động CERN kĩ thuật làm lạnh, phương pháp mới, làm lạnh stochastic Simon van der Meer phát minh chứng minh thực nghiệm lần ISR Trong làm lạnh stochastic, điện cực điểm chu tuyến cảm nhận vị trí trung bình hạt quay tròn quỹ đạo Một tín hiệu tỉ lệ với đổi chỗ hạt quỹ đạo chính, phát tín hiệu gửi tới điểm khác chu tuyến, điện xung hiệu chỉnh áp điện cực, ép hạt tiến đến quỹ đạo Thật rõ ràng, hệ thống hoạt động có hạt quay tròn Tuy nhiên, người ta việc hiệu chỉnh dao động vị trí trung bình nhiều hạt đủ để tạo hiệu ứng làm lạnh, mà có tên làm lạnh stochastic Khơng sau việc chứng minh thành công làm lạnh proton phản proton, hai vòng làm lạnh xây dựng CERN, Máy tích góp phản proton (AA) Vòng phản proton lượng thấp (LEAR) AA nhận phản proton sinh va chạm proton-bia chất lượng chúng cải thiện dần làm lạnh stochastic Sau nhiều tích góp làm lạnh, phản proton đủ nhiều (hàng trăm tỉ) chúng bơm vào máy va chạm SPS, chúng dùng cho thí nghiệm năm 1981 1990, đặc biệt tạo boson trug gian W Z (xem phần nói máy va chạm) LEAR hoạt động 1980 1996 gia tốc trữ phản proton ngưỡng lượng 50 đến 1300 MeV Cả làm lạnh electron làm lạnh stochastic dùng LEAR, thiết bị vốn chủ yếu dùng cho nghiên cứu phổ meson Một phát ngoạn mục vào cuối kì hoạt động LEAR vào năm 1995 phát phản hydrogen, nguyên tố bảng tuần hoàn phản vật chất Nó sinh tương tác chùm phản proton quay tròn tia khí xenon Positron từ cặp positron-electron sinh tương tác phản proton-xenon bị bẫy trạng thái cầm tù phản proton Sau phát minh cách làm lạnh thành công, nha 2khoa học Bloomington, Indiana đề xuất xây dựng vòng trữ lạnh cho proton có bia mỏng đặt bên chùm proton chất lượng cao quay tròn làm lạnh với electron Vòng trữ Indiana proton lượng lên tới 400 MeV trữ hoạt động từ năm 1980 Các vòng trữ lạnh cung cấp proton ion lên tới lượng vài GeV cho việc nghiên cứu vật lí hạt nhân vật lí hạt, chẳng chốc hoạt động Jülich, Darmstadt Uppsala Vòng trữ lạnh ion lượng thấp cho thí nghiệm vật lí nguyên tử đặt Aarhus, Heidelberg Stockholm Trong vòng lượng thấp này, làm lạnh cung cấp làm lạnh electron làm lạnh laser, phương pháp làm lạnh ion có lượng thấp Các vòng trữ lạnh mở biên giới thí nghiệm xác cao nhờ phương pháp làm lạnh Khoảng trải xung lượng tương đối giảm xuống 10-5 thu tiết diện ngang nhỏ 1mm Cảnh Synchrotron lạnh COSY Julich giai đoạn lắp đặt năm 1992 Các nam châm lưỡng cực màu cam dùng uốn tia nam châm tứ cực màu vàng dùng hội tụ, phận vòng Trong vòng này, làm lạnh stochastic làm lạnh electron dùng để cải thiện chất lượng chùm quay tròn Ảnh : Forschungszentrum Jülich Nhà máy sản xuất Meson Trong năm 1960, ba máy gia tốc xây dựng để cung cấp dòng meson cường độ mạnh có lượng trung bình, vài trăm MeV Chúng gọi nhà máy sản xuất meson, dòng meson cao, khoảng 1000 triệu meson pi giây Meson  sinh chùm proton mạnh bị dừng lại bia Proton sơ cấp gia tốc cyclotron Villigan, Thụy Sĩ, Vancouver, Canada, máy gia tốc thẳng Los Alamos, Mĩ Vì cường độ proton cao, nên cần phải điều chỉnh chùm proton cẩn thận lúc gia tốc đưa chúng đến bia, meson pi sinh phản ứng proton vật chất làm bia Máy gia tốc Villigen gia tốc dòng proton 1,5 mA lên 590 MeV Nếu việc điều khiển chùm mạnh chứa công suất 900 kW va chạm với thành ống chân khơng, bị tan chảy nhanh chóng Các nguồn neutron Khi proton lượng cao xuyên qua bia vật liệu nặng chì, tungsten hay uranium, hàng loạt neutron bật Ví dụ, proton 800 MeV bị dừng bia uranium gây trung bình khoảng 30 neutron (Một hạt nhân uranium chứa 92 proton 146 neutron, neutron uranium bị giữ trung bình MeV) Thoạt đầu, neutron nhanh có động vài MeV, vận tốc bị giảm, giống lò phản ứng nghiên cứu hạt nhân, qua vật chất điều tiết Động neutron giảm va chạm liên tiếp chúng với nguyên tử chất điều tiết neutron có lượng trung bình ngun tử Người ta nói chúng nóng, ý nói động khoảng eV Các nguồn neutron máy gia tốc lái, thường gọi nguồn phá vỡ, thường dạng xung chúng có, so với nguồn neutron lò phản ứng nghiên cứu, tiềm cung cấp dòng neutron cao Trong lò phản ứng nghiên cứu, dòng bị giới hạn mật độ lõi lò Hiện nay, nguồn neutron xung mạnh đặt Phòng thí nghiệm Rutherford Appleton, gần Oxford, Anh, nơi máy gia tốc thẳng 70MeV làm injector cho synchrotron cung cấp proton 800MeV với cường độ 200 microampere Chùm hạt có dạng xung tần số lặp lại 50Hz Bia sử dụng tantalum có 17 neutron sinh proton tới Ở Villigen, Thụy Sĩ, cyclotron sector độc lập 590MeV cho dòng neutron liên tục Dòng chùm cao kỉ lục, 1,5mA, số neutron sinh từ bia zircaloy 15 proton tới Các nguồn neutron xung khác hoạt động Argonne, Illinois, Los Alamos, New Mexico Tsukuba, Nhật Bản Năng lượng tương ứng 450, 800 500MeV bia dùng uranium, tungsten tantalum Các nguồn neutron máy gia tốc đem đến bổ thể có giá trị cho nguồn neutron sinh từ lò phản ứng khoa học vật liệu, sinh học y học Trong hóa học, việc kết hợp nhiễu xạ neutron, cung cấp thông tin vị trí hạt nhân nguyên tử tinh thể phân tử, với nhiễu xạ tia X, nhạy cảm với vị trí electron, cho thơng tin có giá trị cấu trúc phân tử Năm 1990, nhà khoa học Los Alamos đề xuất xây dựng máy gia tốc thẳng có dòng proton liên tục 250mA, 1600MeV Những số ngụ ý chùm công suất 400MW, hai bậc độ lớn so với độ lớn sinh máy gia tốc có Theo đề nghị đó, tương tác chùm mạnh với bia chì/bismuth cho dòng neutron mạnh dùng để chuyển hóa chất thải phóng xạ có thời gian sống dài từ vũ khí từ lò phản ứng tạo lượng chấp nhận từ lõi hạn uranium-238 hay thorium-232 Nghiên cứu tiếp tục Mĩ, châu Âu, Nga Nhật Bản dẫn tới thiết kế thực tế lĩnh vực thường gọi Kĩ thuật chuyển hóa máy gia tốc lái tia (ADDT) Hiện thời, thiết kế tính cho phần máy gia tốc thiết bị 1000MeV 10mA Một máy gia tốc có hiệu suất mạnh vài lần so với phân xưởng meson có Los Alamos Villigen so với nguồn neutron phá vỡ đề xuất Mĩ, Nhật Bản châu Âu Như vậy, nguyên tắc cho việc phân hủy chất thải hạt nhân cho việc sản xuất lượng hạt nhân kiểm tra theo dự kiến vòng 20 năm tới Ở châu Âu, người tiên phong theo hướng phát triển kĩ thuật chuyển hóa máy gia tốc lái tia Carlo Rubbia Bức xạ Synchrotron Electron quay từ trường liên tục lượng dạng xạ điện từ (photon) phát tiếp tuyến với quỹ đạo Đây xạ synchrotron Nó John Blewett tiên đốn năm 1945 ơng tính tốn thấy chùm electron quay tròn phải lượng cách phát xạ sau liên tục giảm bán kính cong Bức xạ synchrotron sau thu Phòng thí nghiệm nghiên cứu điện đại cương vào năm 1947 từ synchrotron electron 70MeV Bức xạ điện từ chẳng hạn từ anten gây ra, theo phương trình Maxwell, electron chuyển động có vận tốc không Trong synchrotron, quỹ đạo electron liên tục bị lệch hướng thay đổi hướng liên tục mà xạ điện từ (photon) phát liên tục theo đường thẳng tiếp tuyến với quỹ đạo Bức xạ synchrotron quan trọng thiên văn học Nhiều thiên hà phát xạ synchrotron kết electron quay tròn từ trường (của thiên hà) Bức xạ từ thiên hà vơ tuyến nghiên cứu kính thiên văn vô tuyến lớn Sự mát lượng to lớn tăng theo lũy thừa bậc bốn lượng electron lí thật khó khơng thực tế việc sử dụng synchrotron cho gia tốc electron lên mức lượng cao proton Năng lượng cao từ trước đến nay, 104.000 MeV, thu LEP cho electron gia tốc tầng hầm dài 27km CERN Bức xạ synchrotron thừa khoang 13 MW lí mà synchrotron electron lớn LEP không đề xuất Bức xạ synchrotron, giới hạn lượng đạt máy gia tốc electron tròn, dẫn tới lựa chọn hấp dẫn cho nguồn tia X ánh sáng cực tím thơng thường cho nghiên cứu cần dòng photon cao Bức xạ synchrotron phát liên tục từ quỹ đạo, dạng xung, phân cực xuất với cường độ cao phổ bước sóng rộng Một bước sóng mong muốn chọn nhiễu xạ tinh thể thích hợp hay cách tử, gọi đơn sắc Từ xuất tương tự với cách mà ánh sáng màu đơn lọc từ ánh sáng trăng lăng kính Những thí nghiệm sử dụng xạ synchrotron đề xướng 30 năm trước synchrotron vốn chủ yếu sử dụng cho nghiên cứu vật lí hạt Ngày nay, nhiều synchrotron sử dụng rộng rãi làm nguồn photon mạnh phòng thí nghiệm tồn giới, ví dụ Stanford, Brookhaven (Long Island), Argonne (Illinois), Berkeley (California), Daresbury (UK), Orsay (Paris), Grenoble, Berlin, Hamburg, Lund, Tsukuba (Bắc Tokyo) SPring8 Harima, quận Hyogo, Tây Nhật Bản Thông tin thêm thiết bị xạ synchrotron tìm web site http://www.esrf.fr/ Máy xạ synchrotron châu Âu Grenoble Electron trữ cho mục đích synchrotron thường có lượng ngưỡng từ 500 tới 8000 MeV cho xạ có bước sóng từ ánh sáng hồng ngoại đến tia X cứng Trong số ứng dụng phải kể tới phép đo tọa độ nguyên tử bề mặt chất rắn, nhiễu xạ từ chấm vạch lượng tử tinh thể học protein cho việc điều chế thuốc có lí trí từ cấu trúc ngun tử đo protein Bức xạ synchrotron bước sóng ngắn làm tăng thêm hấp dẫn vi điện tử đại, nơi mà mẫu nhỏ chế tạo bị giới hạn bước sóng xạ dùng để khắc Những sóng ngắn ánh sáng khả kiến cần thiết cho việc chế tạo cạnh biên sắc board mạch khắc kĩ thuật micron Laser electron tự do, FEL, dụng cụ nghiên cứu quan trọng nhiều phòng thí nghiệm máy gia tốc electron Một FEL gồm chùm laser lượng cao truyền qua từ trường ngang tuần hoàn với hướng chọn sẵn Trường làm electron bị lệch tạo chuyển động gợn sóng Ở chỗ uốn, xung xạ synchrotron ngắn phát electron chúng thực số lớn chỗ uốn Bức xạ synchrotron phát chỗ uốn thêm vào mạch lạc theo cách này, xung xạ sóng ngắn gần đơn sắc xây dựng thành cơng Bước sóng xạ phụ thuộc vào lượng chùm electron vào từ trường tuần hồn chuyển động gợn sóng Bằng cách tăng lượng chùm electron, bước sóng xạ làm cho ngắn So với laser truyền thống, FEL phát liên tục bước sóng nào, xạ có bước sóng ngắn thu Hiện có dự án phát triển FEL tia X DESY, Hamburg, KEK Tsukuba SLAC Standford Mục tiêu tạo xạ đơn sắc xuống bước sóng 1/10 nm Phòng thực hành xạ synchrotron từ vòng trữ electron Hamburg Ảnh:DESY Ảnh Thiết bị xạ synchrotron châu Âu, ESRF, Grenoble Ảnh:ESRF Đầu năm 2000, kỉ lục bước sóng ngắn xạ thu nhận với laser electron tự (FEL) DESY, Hamburg Bức xạ xuống đến bước sóng 80nm thu xạ điều chỉnh lên 80 đến 180nm Nghiên cứu tiếp tục DESY nơi khác cố gắng làm giảm bước sóng xuống bậc độ lớn vòng vài năm tới Ảnh: DSEY Một số loại hạt khảo sát khả phân giải đối tượng có kích thước nhỏ Giá trị điển hình động bước sóng tương ứng cho theo đơn vị eV picomét (pm) Về nguyên tắc, đối tượng phân giải chúng lớn bước sóng xạ chiếu vào Nguồn Năng lượng hạt [eV ] Bước sóng [pm] Đối tượng đèn, laser  600,000 tế bào kính hiển vi điện tử e 200,000 phân tử ống tia X X 60,000 20 nguyên tử lò phản ứng n 30 nguyên tử van de Graaff p 6,000 000 01 hạt nhân cyclotron p 100,000,000 003 hạt nhân máy gia tốc thẳng e 45,000,000,000 00003 quark synchrotron p 500,000,000,000 000002 nucleon* *Do kích thước giới hạn nó, proton khơng thể thăm dò cấu trúc nội proton khác bước sóng nhỏ (Tác giả : Sven Kullander) ... với máy gia tốc Van de Graff kiểu thường, có "khe" gia tốc, máy gia tốc loại thu hạt có lượng cao hiệu dùng hai khe Một máy gia tốc loại có tên "máy gia tốc tandem" Ngày nay, đa số máy gia tốc. .. Alamos, máy gia tốc thẳng proton gia tốc proton lên 800 MeV khoảng cách 800m Máy gia tốc trái tim Phóng thí nghiệm vật lí meson Los Alamos (LAMPF) máy gia tốc thẳng lớn giới Nhiều máy gia tốc thẳng... khoảng 10 máy gia tốc electron ngưỡng từ vài trăm MeV đến vài ngàn MeV sử dụng chủ yếu cho nghiên cứu vật lí ứng dụng, vật lí hạt nhân biên giới vật lí hạt nhân vật lí hạt Máy gia tốc mạnh thuộc