báo cáo vật liệu điện vật liệu siêu dẫn SPKT

GIỚI THIỆU 3 1. Lịch sử phát triển của vật liệu siêu dẫn 5 2. Tính chất của vật liệu siêu dẫn 8 2.1 Sơ lược vật liệu siêu dẫn 8 2.2.1 Đặc tính riêng thứ nhất của chất siêu dẫn. 9 2.2.2 Đặc tính riêng thứ 2 của vật liệu siêu dẫn. 10 2.2.3 Đặc tính riêng thứ 3 của vật liệu siêu dẫn : 11 2.3 Các lý thuyết liên quan về siêu dẫn 12 2.3.1 Lý thuyết Ginzburg - Landau 12 2.3.2 Lý thuyết BCS 12 3. Nguyên lý vật liệu siêu dẫn 13 3.1 Sự khác biệt giữa vật siêu dẫn và vật dẫn điện hoàn hảo 13 3.2 Phân loại các vật liệu siêu dẫn 14 4.Ứng dụng vật liệu siêu dẫn 14 4.1 Truyền tải điện năng 14 4.2 Đoàn tàu chạy trên đệm từ 16 4.3 Tạo ra Máy gia tốc mạnh 17 4.4 Máy đo điện trường chính xác 21 4.5 Cái ngắt mạch điện từ trong máy tính điện tử siêu tốc 22 4.6 Máy quét MRI dùng trong y học 24 4.7 Chiếu sáng chất siêu dẫn - Phát kiến của nhóm giáo sư Yoram Dagan 26

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO TIỂU LUẬN ĐỀ TÀI: VẬT LIỆU ĐIỆN ĐIỆN TỬ Giảng viên hướng dẫn : Phạm Xuân Hổ Nhóm Tên thành viên Mã số sinh viên Hồ Chí Minh MỤC LỤC GIỚI THIỆU Lịch sử phát triển vật liệu siêu dẫn .5 Tính chất vật liệu siêu dẫn 2.1 Sơ lược vật liệu siêu dẫn .8 2.2.1 Đặc tính riêng thứ chất siêu dẫn 2.2.2 Đặc tính riêng thứ vật liệu siêu dẫn 10 2.2.3 Đặc tính riêng thứ vật liệu siêu dẫn : 11 2.3 Các lý thuyết liên quan siêu dẫn .12 2.3.1 Lý thuyết Ginzburg - Landau 12 2.3.2 Lý thuyết BCS 12 Nguyên lý vật liệu siêu dẫn .13 3.1 Sự khác biệt vật siêu dẫn vật dẫn điện hoàn hảo .13 3.2 Phân loại vật liệu siêu dẫn .14 4.Ứng dụng vật liệu siêu dẫn 14 4.1 Truyền tải điện 14 4.2 Đoàn tàu chạy đệm từ 16 4.3 Tạo Máy gia tốc mạnh .17 4.4 Máy đo điện trường xác .21 4.5 Cái ngắt mạch điện từ máy tính điện tử siêu tốc 22 4.6 Máy quét MRI dùng y học 24 4.7 Chiếu sáng chất siêu dẫn - Phát kiến nhóm giáo sư Yoram Dagan 26 GIỚI THIỆU Siêu dẫn hiệu ứng vật lý xảy số vật liệu nhiệt độ đủ thấp từ trường đủ nhỏ, đặc trưng điện trở dẫn đến suy giảm nội từ trường (hiệu ứng Meissner) Siêu dẫn tượng lượng tử Trạng thái vật chất khơng nên nhầm với mơ hình lý tưởng dẫn điện hoàn hảo vật lý cổ điển Trong chất siêu dẫn thông thường, siêu dẫn tạo cách tạo lực hút số electron truyền dẫn nảy sinh từ việc trao đổi phonon, làm cho electron dẫn chất siêu dẫn biểu pha siêu lỏng tạo từ cặp electron tương quan Ngồi cịn tồn lớp vật chất, biết đến chất siêu dẫn khác thường, phơ bày tính chất siêu dẫn tính chất vật lý trái ngược lý thuyết chất siêu dẫn đơn Đặc biệt, có chất siêu dẫn nhiệt độ cao có tính siêu dẫn nhiệt độ cao lý thuyết thường biết (nhưng thấp nhiều so với nhiệt độ phòng) Hiện chưa có lý thuyết hồn chỉnh chất siêu dẫn nhiệt độ cao Đối với kim loại nói chung, nhiệt độ cao điện dẫn xuất λ tỉ lệ với nhiệt độ T Ở nhiệt độ thấp, λ tăng nhanh T giảm Nếu kim loại hoàn toàn tinh khiết, nói nguyên tắc T=0 λ tiến tới vơ cực, nghĩa điện trở kim loại dần tiến tới Nếu kim loại có lẫn tạp chất nhiệt độ thấp (khoảng vài độ K) kim loại có điện trở dư khơng phụ thuộc nhiệt độ tỉ lệ với nồng độ tạp chất Thực tế đạt tới nhiệt độ T=0 độ K khơng thể có kim loại ngun chất hồn tồn, nên vật thể có điện trở vật dẫn lý tưởng Năm 1911, Heike Kamerlingh Onnes làm thí nghiệm với thủy ngân nhận thấy phụ thuộc điện trở thủy ngân vào nhiệt độ khác hẳn phụ thuộc kim loại khác Khi nhiệt độ thấp, điện trở thủy ngân không phụ thuộc vào nhiệt độ nữa, phụ thuộc vào nồng độ tạp chất Nếu tiếp tục hạ nhiệt độ xuống tới Tc=4,1 độ K, điện trở đột ngột hạ xuống cách nhảy vọt Hiện tượng nói gọi tượng siêu dẫn, Tc nhiệt độ tới hạn Đến tháng năm 1986 Zurich, hai nhà khoa học Alex Muller Georg Bednorz tình cờ phát chất gốm mà yếu tố cấu thành là: Lantan, Đồng, Bari, Oxit kim loại Chất gốm trở nên siêu dẫn nhiệt độ 35 độ K Một thời gian ngắn sau, nhà khoa học Mỹ lại phát chất gốm tạo thành chất siêu dẫn nhiệt độ tới 98 độ K Ở Việt Nam, nghiên cứu siêu dẫn nhà khoa học Trường đại học Tổng hợp Hà Nội trước đây, Đại học Quốc gia Hà Nội thực khoảng gần hai chục năm qua Các nhà khoa học Việt Nam làm lạnh Nitơ lỏng tạo số vật liệu siêu dẫn thuộc loại rẻ tiền Lịch sử phát triển vật liệu siêu dẫn Đối với kim loại nói chung, nhiệt độ cao điện dẫn xuất λ tỉ lệ với nhiệt độ T Ở nhiệt độ thấp, λ tăng nhanh T giảm Nếu kim loại hoàn toàn tinh khiết, nói nguyên tắc T=0 λ tiến tới vơ cực, nghĩa điện trở kim loại dần tiến tới Nếu kim loại có lẫn tạp chất nhiệt độ thấp (khoảng vài độ K) kim loại có điện trở dư không phụ thuộc nhiệt độ tỉ lệ với nồng độ tạp chất Thực tế đạt tới nhiệt độ T=0 độ K khơng thể có kim loại ngun chất hồn tồn, nên vật thể có điện trở vật dẫn lý tưởng Năm 1911, Heike Kamerlingh Onnes làm thí nghiệm với thủy ngân nhận thấy phụ thuộc điện trở thủy ngân vào nhiệt độ khác hẳn phụ thuộc kim loại khác (Heike Kamerlingh Onnes) Khi nhiệt độ thấp, điện trở thủy ngân không phụ thuộc vào nhiệt độ nữa, phụ thuộc vào nồng độ tạp chất Nếu tiếp tục hạ nhiệt độ xuống tới Tc=4,1 độ K, điện trở đột ngột hạ xuống cách nhảy vọt Hiện tượng nói gọi tượng siêu dẫn, Tc nhiệt độ tới hạn Đến tháng năm 1956 Zurich, hai nhà khoa học Alex Muller Georg Bednorz tình cờ phát chất gốm mà yếu tố cấu thành là: Lantan, Đồng, Bari, Oxit kim loại Chất gốm trở nên siêu dẫn nhiệt độ 35 độ K Một thời gian ngắn sau, nhà khoa học Mỹ lại phát chất gốm tạo thành chất siêu dẫn nhiệt độ tới 98 độ K Điều quan trọng chúng làm lạnh Nitơ hố lỏng Đó thứ rẻ tiền dễ thao tác so với Helium lỏng Người ta gọi chất siêu dẫn Kết kích thích nhà khoa học đua tìm chất gốm có đặc tính siêu dẫn nhiệt độ K ngày cao để mang lại thuận tiện đỡ tốn ứng dụng siêu dẫn vào đời sống… Một nam châm nâng mặt vật liệu siêu dẫn nhúng nitơ lỏng lạnh tới −200 °C, thể hiệu ứng Năm 1987, Hội Vật lý Mỹ (American Physical Society) mở Hội nghị khoa học New York với diện nhiều nhà vật lý tiếng Hoa Kỳ nhiều nước giới Người ta trao đổi đến nét siêu dẫn mà số tượng đĩa "gốm treo" lơ lửng nam châm, người ta gọi "hiệu ứng Meissner" Hiệu ứng Meissner hay hiệu ứng Meissner-Ochsenfeld hiệu ứng từ thơng hồn toàn bị đẩy khỏi bên vật siêu dẫn Hiện tượng tượng hoàn hảo Từ thơng sinh vật siêu dẫn bù trừ hồn tồn từ thơng mơi trường ngồi Do từ thông bên vật siêu dẫn Hiệu ứng ngăn cản từ trường thâm nhập vào bề mặt chất siêu dẫn, thế, làm cho đĩa gốm tự nâng lên lơ lửng nam châm; từ trường mạnh thắng sức đẩy, phá huỷ đặc tính siêu dẫn vật liệu Như vậy, chất gốm siêu dẫn tỏ dễ bị ảnh hưởng từ trường mạnh Đồng thời, nguyên lý Magnetic Levitation (maglev) đề cập đến, nguyên lý dựa vào từ trường nam châm siêu dẫn sinh trì nhiệt độ thấp Ở nhiệt độ ấy, trở kháng khơng cịn nam châm trở thành siêu dẫn tạo từ trường cực mạnh Từ kết với nghiên cứu khác, người ta kết luận: Những chất siêu dẫn nhiệt độ thấp tạo từ trường mạnh gọi chung đặc tính riêng thứ hai siêu dẫn Mọi chất siêu dẫn làm từ trường; mặt khác, dòng điện chạy chất siêu dẫn lại không gặp phải kháng trở nào, từ trường siêu dẫn sản sinh mạnh Nhờ mà nay, người tạo từ trường nhân tạo mạnh gấp tới 200 ngàn lần so với từ trường Trái đất Cũng hội nghị khoa học này, nhà khoa học thảo luận tới phát minh chất siêu lỏng (nó hoạt động nhiệt độ thấp, tới giới hạn tối đa độ âm) khơng có độ bám dính, nghĩa khơng có ma sát, tác động quay trịn, chúng khơng dừng lại Đây coi dạng chuyển động vĩnh cửu chất lỏng Từ trình bầy trên, ta định nghĩa: Chất siêu dẫn chất tồn nhiệt độ cực thấp, dịng điện chạy qua khơng có kháng trở Cả hai thứ: siêu dẫn siêu lỏng lĩnh vực hấp dẫn vật lý đương đại, từ đây, người ta nhanh chóng nhận tiềm to lớn chúng Cũng phải nói thêm rằng, năm trước, người ta biết đến chất gốm siêu dẫn hỗn hợp cấu thành từ kim loại, hợp kim, oxit kim loại đồng (Cu), niobium (Nb) tương lai, chắn cịn tìm nhiều chất gốm siêu dẫn ưu việt khác nhiệt độ cấu thành lên ngày cao Ở Việt Nam, nghiên cứu siêu dẫn nhà khoa học Trường đại học Tổng hợp Hà Nội trước đây, Đại học Quốc gia Hà Nội thực khoảng gần hai chục năm qua Các nhà khoa học Việt Nam làm lạnh Nitơ lỏng tạo số vật liệu siêu dẫn thuộc loại rẻ tiền Tính chất vật liệu siêu dẫn 2.1 Sơ lược vật liệu siêu dẫn Năm 1911, lần nhà khoa học phát vật chất dẫn điện với tính hồn tồn khơng có điện trở, gọi chất siêu dẫn 2.2.1 Đặc tính riêng thứ chất siêu dẫn Thời sơ khai này, người biết đặc tính chất siêu dẫn, là: tuyển dòng điện vào mạch làm chất liệu siêu dẫn dịng điện chạy mà khơng suy giảm, khơng gặp trở kháng đường đi, nghĩa lượng điện khơng bị tiêu hao q trình chuyển tải điện từ nơi sang nơi khác Đây coi dạng chuyển động vĩnh cửu điện Đặc tính gọi đặc tính riêng thứ chất siêu dẫn Tính dẫn điện nghĩa điện tử tách khỏi nguyên tử chúng di chuyển cấu trúc tinh thể chất dẫn điện (đồng, nhôm, sắt v.v ), điện tử va chạm phải nguyên tử đường chất dẫn điện sinh điện trở làm tổn thất điện Như vậy, ứng dụng chất siêu dẫn vào chuyển tải điện từ nhà máy điện đến người tiêu dùng, tiết kiệm nhiều cho xã hội Nhưng trở ngại chất siêu dẫn xuất nhiệt độ thấp, vài độ không độ tuyệt đối (0 độ K, tức âm 273 độ C); cụ thể, nhiệt độ mà người ta ghi lại chất siêu dẫn nêu 23 độ K phải dùng khí Helium hố lỏng để làm lạnh, chất phức tạp đắt tiền, địi hỏi phải tìm chất siêu dẫn mới, thích hợp, khắc phục nhược điểm Cho đến nay, nhiệt độ cao đạt với chất gốm siêu dẫn 125 độ K Nhưng thực tế cho thấy, chất gốm tạo thành siêu dẫn nhiệt độ độ cao 100 độ K lại tỏ không ổn định nhanh chóng tính siêu dẫn Đây trở ngại lớn đường chinh phục siêu dẫn Sự phá huỷ đặc tính siêu dẫn ảnh hưởng từ trường mạnh giải thích sau: Đó "vịng xốy từ" (tức đường từ tính chuyển động bên chất liệu, xoáy nước dịng nước), xốy di chuyển, tạo điện trường ngăn chặn dòng điện di chuyển tự do, sinh tính siêu dẫn vật liệu Ngoài trở ngại như: chất siêu dẫn xuất nhiệt độ thấp, chất siêu dẫn nhiệt độ cao 100 độ K lại không ổn định; trở ngại khác đòi hỏi phải sớm vượt qua, là, chất siêu dẫn làm nên dạng loại bột, nén lại thành chất rắn giòn Để dễ ứng dụng, ta cần biến dạng "một sợi dây", tính giịn làm cản trở cho ý đồ kỹ thuật Tuy nhiên, dựa vào công nghệ làm vi mạch, người ta bắt chước cách làm tiến hành sau: Phun chất bột thành lớp mỏng lên chất liệu khác gọi đế (tức rải yếu tố cấu thành gốm lên đế) Nhờ tạo thành "dạng giây" uốn lượn đường dây theo ý muốn mặt phẳng Tuy nhiên, không bẻ cong dễ tạo đoản mạch 2.2.2 Đặc tính riêng thứ vật liệu siêu dẫn Những chất siêu dẫn nhiệt độ thấp tạo từ trường mạnh gọi chung đặc tính riêng thứ hai siêu dẫn Mọi chất siêu dẫn làm từ trường; mặt khác, dòng điện chạy chất siêu dẫn lại không gặp phải kháng trở nào, từ trường siêu dẫn sản sinh mạnh Từ đặc tính riêng thứ hai siêu dẫn mở nhiều hướng ứng dụng nhà công nghiệp tỏ hào hứng nhảy vào săn tìm cơng nghiệp từ siêu dẫn Họ hướng vào số lĩnh vực ứng dụng sau: Dựa vào "nam châm siêu dẫn", người Nhật người Đức thiết kế đoàn tầu chạy đệm từ Người Nhật thử nghiệm với khoảng - công nghệ tàu chạy đệm từ khác nhau, lấy tên Maglev dựa theo: thực phép nâng điện - động lực học cách tạo từ trường đối nam châm siêu dẫn đặt tàu cuộn dây lắp đường ray hình chữ U bê tơng (High Một tàu Nhật ứng dụng hệ thống Speed Surface transport) Sau hình mẫu nhiều triển vọng thử nghiệm đến lần thứ ba, có thơng số kỹ thuật: tầu chạy từ Tokyo đến Osaka cách khoảng 500km, mục tiêu chở 100 khách chạy Người Nhật phải vừa sản xuất vừa thử 10 ban đầu vật liệu siêu dẫn nhiệt độ phòng Trạng thái vật siêu dẫn nhiệt độ thấp trạng thái không thuận nghịch 3.2 Phân loại vật liệu siêu dẫn Dựa vào hiệu ứng Meissner: Siêu dẫn loại I: hoàn toàn Siêu dẫn loại II: khơng hồn tồn đúng, siêu dẫn loại II tồn vùng trung gian (vùng hỗn hợp) Tiêu chuẩn Ginzburg – Landau: 4.Ứng dụng vật liệu siêu dẫn 4.1 Truyền tải điện Gần đây, công nghệ siêu dẫn ứng dụng cho tàu thủy, tuốc-bin gió xe chạy điện Nhưng thách thực lớn trước mắt ứng dụng vào hệ thống truyền dẫn điện năng, nhu cầu hệ thống đường dây truyền điện đường dài để đưa điện từ nguồn lượng thay sức gió lượng mặt trời ngày thiết Chẳng hạn Mỹ, khu vực tối ưu để thu sức gió dải kéo dài từ bắc Texas đến Dakotas, lượng mặt trời lại tận dụng tốt Arizona New Mexico, khu vực tiêu thụ lượng điện nhiều nhất, tức khu đô thị, lại tập trung dọc theo bờ biển quanh vùng Hồ Lớn Nếu sử dụng hệ thống dây điện thông thường mặt gây mỹ quan mặt khác quan trọng gây thất nhiều điện đường truyền tải (có thể tới 14% điện đường cáp làm đồng) chi phí cho hệ thống khơng rẻ 14 Và điều tạo điểm vượt trội sợi cáp siêu dẫn Một bó dây cáp truyền dẫn gigawatt – tương đương với sản lượng nhà máy điện hạt nhân – nằm gọn đường ống với đường kính feet chơn lịng đất Một phần đường ống nối với hệ thống làm lạnh – tượng siêu dẫn diễn nhiệt độ vật liệu siêu dẫn hạ xuống mức thấp Trước người ta sử dụng heli hóa lỏng nhiệt độ -269oC để làm lạnh, ngày nhà khoa học tạo loại vật liệu đạt tính siêu dẫn với việc làm lạnh nitơ lỏng, tức nhiệt độ khoảng -70° C Đây bước tiến có ý nghĩa kinh tế lớn chi phí sản xuất làm lạnh nitơ rẻ so với chi phí heli Hệ thống làm lạnh tiêu hao phần lượng từ dây cáp mức nhỏ nhiều so với lượng thất thoát điện sử dụng đường dây điện đồng Hiện nay, hệ thống cáp điện siêu dẫn lắp đặt thử nghiệm đảo Long Island, California thành phố New York Nếu thành công, dự kiến mạng lưới truyền tải điện Manhattan, Mỹ nâng cấp toàn diện vào năm 2010 loại cáp điện 15 4.2 Đoàn tàu chạy đệm từ Ai biết xe lửa không nhanh máy bay, khơng phải điều thiên kinh địa nghĩa Chẳng lẽ xe lửa so tài cao thấp với máy bay ? Thế xe lửa chạy khơng nhanh ? Đó có bánh xe Xe dựa vào bánh xe đỡ để đường, chuyện thấy từ nghìn năm nay, bánh xe mặt đất có ma sát ảnh hưởng đến việc nâng cao tốc độ xe Ngoài để xe cịn phải xây đường bộ, đường sắt, bắc cầu Chỉ xem xét từ điểm thấy xe lửa khơng thuận tiện máy bay Thế liệu bỏ bánh xe lửa không ? Ngay từ đầu kỷ 19 có người đề xuất dùng dịng khí phun xuống tạo thành “ đệm khơng khí ” thay bánh xe đỡ đoàn tàu Chỉ tiếc thời chưa thể sản xuất loại khí có áp suất cao để hình thành đệm khí đỡ đồn tàu, nên kế hoạch khơng thể thực Vào cuối năm 60 kỷ 20, lần xuất đoàn xe có đệm khí, lợi dụng khơng khí áp suất cao để nâng lên Khi vận hành, phun khơng khí áp suất cao xuống dưới, cột khí nâng xe lên đến độ cao cách mặt đất từ cm - m Đồn tàu đệm khơng khí phá vỡ phương thức cổ xưa bánh xe lăn đường ray; lực cản lên đoàn tàu nhỏ, chấn động nhỏ, tốc độ tăng lên nhiều, nhanh tốc độ đạt 500km Ngoài việc dùng đệm khơng khí cịn lợi dụng từ lực để nâng đoàn xe lên Năm 1971 đoàn tàu dùng đệm từ lần 16 đời Trên đường ray loại tàu có lắp vịng dây dẫn điện sinh từ trường.ở gầm tàu lắp từ siêu dẫn, lợi dụng nguyên lý hai từ cực đẩy để nâng đoàn tàu lên cách mặt đường ray vài centimét Hiện tốc độ đoàn tàu dùng đệm từ đạt tới 500 km Để cân trơi dạt khơng định hướng dịng khí cao tốc sinh ra, xe lửa có lắp thêm cánh khiến trơng giống máy bay Xe lửa khơng có bánh khử sức cản ma sát mặt đất chưa triệt để loại trừ sức cản khơng khí Xem khơng khí chướng ngại lớn việc nâng cao tốc độ đồn tàu Liệu để đồn tàu khơng bánh chạy chân khơng khơng? Đã có người nêu đồn tàu đường ống Đem đường ống chôn xuống đất Bên ống đặt đường rây, lợi dụng từ lực nâng đồn tàu lên phía đường rây, lại đem phía trước đồn tàu biến thành chân khơng, đồng thời đưa khơng khí vào phía sau đoàn tàu, nhờ chênh lệch áp suất hai đầu đẩy đoàn tàu chạy với tốc độ cao đường ống, dự tính tốc độ đạt tới 1000 km Toàn tàu chạy với tốc độ siêu vừa lại vừa khơng có tiếng ồn nhiễm, so với máy bay bình thường nhanh Hiện cịn giai đoạn chế thử, đưa vào sử dụng, xe lửa khơng có bánh trở thêm cánh, ngồi ngày vịng quanh trái đất 4.3 Tạo Máy gia tốc mạnh Trong ứng dụng lượng nguyên tử, bên cạnh lò phản ứng hạt nhân, gần máy gia tốc nói chung máy gia tốc tuyến tính LINAC nói riêng lên thiết bị quan trọng lĩnh vực cơng nghệ cao, góp phần thúc đẩy phát triển chung y khoa đại sản xuất công nghiệp tiên tiến Đầu tư bước xây dựng lực khoa học công nghệ (KH&CN) lĩnh vực sử dụng máy gia tốc cần thiết q trình cơng nghiệp hóa, đại hóa hội nhập Nói đến máy gia tốc nhiều người nghĩ rằng, nói đến lĩnh vực vật lý lượng cao với cỗ máy “khủng” nghiên cứu “cơ bản” trường đại học hay viện nghiên cứu lớn Ngay người làm cơng tác nghiên cứu khoa học có điều kiện tiếp cận với lĩnh vực liên quan có tâm lý “e ngại” thảo luận máy gia tốc Điều khơng ngạc nhiên máy gia 17 tốc thời kỳ đầu thiết kế để phục vụ nghiên cứu cấu trúc hạt nhân nguyên tử Trải qua giai đoạn dài tiến hóa, máy gia tốc phát triển đa dạng có nhiều ứng dụng sản xuất đời sống, bên cạnh nghiên cứu vật lý lượng cao Có nhiều lĩnh vực cơng nghệ cao tích hợp máy gia tốc kết hợp với máy gia tốc để tạo công nghệ cơng nghệ vật liệu, sóng cao tần, chân không, điện từ trường, laser… Nhờ tiến chung cơng nghệ, ngày nay, dễ dàng tiếp cận với thiết bị sử dụng máy gia tốc, trạm soi container, máy chụp cắt lớp CT bệnh viện hay “vơ tình” sử dụng sản phẩm nhờ máy gia tốc, chi tiết nhựa, cao su chịu nhiệt, siêu bền ô tô, hình cảm ứng điện thoại di động, chip bán dẫn linh kiện điện tử nằm dụng cụ gia đình hay thực phẩm trái cây, gia vị bảo quản nhờ chiếu xạ máy gia tốc… Có thể nói, tiến KH&CN thúc đẩy phát triển máy gia tốc ngược lại, máy gia tốc góp phần quan trọng vào tiến mang tính đột phá cơng nghệ, làm giới biến đổi nhanh chóng ngày Trên thực tế, số lượng máy gia tốc sử dụng cho nghiên cứu khoa học giới khoảng vài trăm (chiếm khoảng 3%) so với 30.000 máy sử dụng bệnh viện, nhà máy hóa chất sản xuất vật liệu [Hana Samy, 2012] Máy gia tốc tham gia vào đời sống sản xuất theo nhiều cách Hơn nửa kỷ qua, máy gia tốc sử dụng để sản xuất đồng vị dược chất phóng xạ cho khoa chẩn đốn hình ảnh, chữa trị cho hàng triệu bệnh nhân mắc ung thư bệnh hiểm nghèo khác; khử trùng bảo quản thực phẩm; chế tạo vật liệu bán dẫn, sản xuất polymer biến tính; phân tích tìm hiểu cấu trúc vật liệu, tạo tia laser siêu lượng… Tỷ lệ sử dụng máy gia tốc y tế sản xuất công nghiệp 50/50 Trong ngành y tế nước phát triển, trung bình triệu người dân có khoảng 5-10 máy gia tốc tuyến tính LINAC Theo thống kê Mỹ, máy gia tốc điện tử giá trị khoảng triệu USD suốt thời gian khai thác, tạo giá trị sản xuất trung bình khoảng tỷ USD (nghĩa lợi ích 1.000 lần) Trong tương lai, máy gia tốc tham gia vào trình truyền tải lượng khơng dây khơng gian, chuyển đổi nhân phóng xạ làm giảm thiểu tính nguy hiểm chất thải hạt nhân, phá hủy bất hoạt nhiên liệu vũ khí hạt nhân, 18 tạo tia siêu laser cho phản ứng cần lượng cao tham gia vào cơng nghệ lị phản ứng hạt nhân tới hạn hệ nhằm cải thiện tính an tồn cho nhà máy điện hạt nhân Các nhà khoa học dự báo rằng, việc sản xuất số đồng vị đặc thù cho kỹ thuật chẩn đốn hình ảnh PET, máy gia tốc dần thay lò phản ứng hạt nhân để sản xuất đồng vị phóng xạ sử dụng cho y tế công nghiệp thông qua phản ứng quang hạt nhân lợi chi phí sản xuất, ưu điểm an toàn an ninh hạt nhân Nhu cầu nghiên cứu - phát triển ứng dụng máy gia tốc thúc đẩy phát triển nhiều ngành khoa học khoa học vật liệu, vật lý hạt nhân lượng cao, hóa xạ, cơng nghệ nano siêu dẫn… Có thể nói, lị phản ứng hạt nhân đóng vai trị chủ lực vào thời kỳ sau chiến tranh giới thứ máy gia tốc tạo kỷ nguyên lĩnh vực lượng nguyên tử phục vụ mục đích hịa bình Máy gia tốc phát triển phong phú đa dạng, từ loại khổng lồ Tevatron Phịng thí nghiệm Fermi, Hadron Liên hợp CERN Geneva chuyên dụng cho nghiên cứu siêu lượng đến cyclotron gia tốc hạt ion máy gia tốc tuyến tính LINAC chuyên dùng cho ứng dụng y tế sản xuất công nghiệp Theo Cơ quan lượng nguyên tử quốc tế - IAEA Hiệp hội chiếu xạ quốc tế - IIA xu máy gia tốc tuyến tính LINAC thiết kế nhỏ gọn giá thành hạ cho công việc riêng sản xuất đồng vị cho PET, xạ trị… thay dần máy cyclotron đắt tiền Người ta dùng nam châm cực mạnh để bẻ cong chùm hạt, làm cho chúng chạy theo đường tròn để chúng va đập vào nhau, qua nghiên cứu “mảnh” sinh va đập mạnh đó, người ta gọi siêu va đập siêu dẫn” dựa theo nguyên tắc này, nhà khoa học Mỹ tiến hành xây dựng “ máy gia tốc cực mạnh” đường hầm dài 88km bang Texec để nghiên cứu hạt vật chất Ở Việt Nam, máy gia tốc phát neutron vào năm 70 kỷ XX đặt Viện Vật lý (Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) chủ yếu phục vụ nghiên cứu mẫu địa chất Hiện nay, nước có khoảng 30 thiết bị loại, phân bố chủ yếu số bệnh viện lớn như: Quân đội 108, Bạch Mai, Chợ Rẫy, K, Đa 19 khoa quốc tế Vinmac… với mục đích xạ trị sản xuất dược chất phóng xạ xạ hình PET/CT Khoảng 14 máy gia tốc tuyến tính phát tia X gắn thiết bị soi container cảng biển cửa khẩu, máy gia tốc điện tử cho chiếu xạ công nghiệp Các thiết bị nhập dựa nhu cầu thực tế, đội ngũ vận hành hãng cung cấp đào tạo Tuy nhiên, không chủ động việc xây dựng hướng nghiên cứu liên quan nên lực KH&CN chưa đáp ứng nhu cầu đảm bảo vận hành, khai thác đạt hiệu thiết bị trang bị Nhiều thiết bị hiệu suất sử dụng khoảng 20%, chưa kể có thiết bị nhập chạy thử để Cũng chưa có quy trình sản xuất nghiên cứu để lắp đặt sở máy gia tốc Một máy gia tốc loại LINAC thường bao gồm hệ thống phụ trợ xung quanh ống gia tốc Klystron hệ thống chân không cao cấp, hệ cao thế, phận từ trường lái tia, phận làm mát, biến đổi chuẩn trực, hệ thống điều khiển… Dựa quy trình sản xuất nghiên cứu thiết lập chuyên gia lĩnh vực hóa xạ, hóa phóng xạ, vật lý hạt nhân hay y sinh phóng xạ… hệ thống phối hợp thiết kế chế tạo, xây dựng xung quanh máy gia tốc để sử dụng 20 chùm xạ đạt hiệu Như thế, việc nghiên cứu ứng dụng máy gia tốc bao gồm tham gia đồng thời thúc đẩy nhiều lĩnh vực KH&CN liên quan Để thúc đẩy ứng dụng lượng ngun tử, góp phần tích cực vào cơng cơng nghiệp hóa, đại hóa hội nhập quốc tế đất nước, thiết nghĩ cần phải đầu tư xây dựng lực với nhóm (phịng thí nghiệm) chun mơn có lĩnh vực chuyên ngành liên quan nêu để nghiên cứu - phát triển công nghệ dựa máy gia tốc, bao gồm từ khâu mua sắm máy gia tốc đến việc nghiên cứu quy trình ứng dụng tạo sản phẩm từ xử lý xạ nghiên cứu thiết kế, chế tạo dây chuyền công nghệ xung quanh máy gia tốc 4.4 Máy đo điện trường xác Máy đo điện trường trái đất dò nước ngầm sâu 600 mét sử dụng điện cực để đo điện trường tự nhiên trái đất, dựa vào để nghiên cứu, thu thập thay đổi bất thường lịng đất Sau thơng qua phần mềm máy tính để tạo biểu đồ mặt cắt lớp địa chất, giúp cho việc tìm kiếm khống sản, tìm nước ngầm, khảo sát địa chất cơng trình… đất liền dễ dàng Thiết bị đo điện trường trái đất dò nước ngầm sâu 600m thiết kế gọn nhẹ nằm vali nhôm, cách sử dụng đơn giản cho hiệu quả, độ xác cao, có khả chống nhiễu từ mơi trường bên ngồi mạnh mẽ 21 Ưu điểm Máy đo điện trường trái đất dò nước ngầm sâu 600m:  Hiệu tốc độ đo cao: Hoàn thành 6000 mét phép đo mặt cắt ngang ngày để thấy rõ bất thường địa chất độ sâu khác nhau, tốc độ hiệu thăm dò cải thiện khoảng 10 lần so với phương pháp điện trở suất truyền thống  Thuận tiện để mang theo: Không sử dụng nguồn cung cấp nặng nề, mà sử dụng tín hiệu tần số thấp điện trường tự nhiên trái đất tín hiệu nguồn, nên trọng lượng thiết bị nhỏ gọn (dưới 4kg) dễ dàng cho việc vận chuyển  Hoạt động đơn giản: Thiết bị điều khiển tự động vi máy tính, bạn cần thực thao tác đơn giản để thăm dò Mất khoảng 10 phút cho việc học cách sử dụng thiết bị khoảng 30 phút cho người chưa có kinh nghiệm  Độ xác cao: Sử dụng khuếch đại chuyển đổi AD hiệu suất cao, kỹ thuật lọc kỹ thuật số FFT cho độ xác phép đo máy dị nước ngầm lên đến 0.01mV, so sánh với ổn định số lượng lớn kiểm tra thực địa đạt với phương pháp truyền thống thiết bị điện trường nhân tạo  Khả chống nhiễu mạnh mẽ: Sử dụng công nghệ nhiều thiết kế chống nhiễu tiên tiến Bạn quan sát kết đường cong bất thường từ mô rõ nét khu vực tín hiệu yếu, thành phố, khu vực có nhiễu điện cao khu vực làm việc với can thiệp từ bên khác qua chọn tần xử lý kỹ thuật số  Điện cực linh hoạt: Các điện cực sử dụng chất liệu nhựa đồng chất lượng cao giúp cho việc thao tác dễ dàng, tiết kiệm nhiều thời gian, cho độ xác cao 4.5 Cái ngắt mạch điện từ máy tính điện tử siêu tốc 22 Trong đời sống thực tế, vật liệu siêu dẫn chiếm phần quan trọng sống dễ nhận thấy bếp điện từ ứng dụng từ nguyên lý Cấu tạo bếp điện từ bao gốm: - Mặt bếp: làm sứ thủy tinh cao cấp chịu nhiệt độ cao chịu va chạm - Cuộn dây tạo từ trường: cuộn dây phẳng dạng đĩa đặt bên mặt bếp - Mạch điện tử công suất: gồm nhiều linh kiện điện tử phức tạp có khả tăng giảm biên độ dòng điện xoay chiều, có khả thay đổi tần dịng điện vào cuộn dây - Bảng điều khiển: gồm nút chức để đặt chức điều khiển chế độ làm việc bếp nút chức để đặt chức điều khiển chế độ làm việc bếp Thành phần quan trọng cấu tạo bếp điện từ mạch công suất cuộn cảm Đối với loại lị nung tần số cơng nghiệp (lò trung tần, lò cao tần…), vòng cảm ứng (cuộn cảm) thường dùng loại ống đồng (có nước làm mát chạy bên trong) nhiệt độ phôi nung cao cao (từ 800 độ C trở lên) Cịn bếp điện từ, nhiệt độ cơng suất thường nhỏ (so với lị cơng nghiệp), cuộn cảm thường dùng dây cáp đồng (được sơn tráng lớp cách điện) quấn tròn mặt phẳng hệ thống làm mát cần dùng quạt cỡ nhỏ (thường loại ~ 12 cm) Nguyên lý hoạt động bếp từ sau: 23 Nung nóng cảm ứng (nung tần số) tượng nhiệt sinh vật liệu kim loại (chủ yếu hợp kim sắt từ) có trường điện từ biến thiên qua Khi đó, vật liệu xuất dòng điện cảm ứng (dòng Foucault) tương tác với trở kháng kim loại để sinh nhiệt (theo định luật Joule – Lens) Khi cuộn dây có dòng điện biến thiên (dòng điện tần số cao) chạy qua, tạo nên trường điện từ (có đường sức từ màu vàng cam) tương tác với nồi kim loại làm cho nồi nóng lên, nhiệt lượng truyền từ nồi vào đồ nấu bên Và vùng bên ngồi nồi khơng bị ảnh hưởng (nếu nhấc nồi khỏi bếp tắt bếp, trình nung nóng kết thúc lập tức) Khi cắm điện vào bếp từ mạch dao động điên LC sinh từ trường biến thiên mặt bếp, Nếu có vật dẫn từ mặt bếp lịng vật dẫn từ có dịng điện chạy nội nó, dịng điện có tác dụng sinh nhiệt lớn, dịng điện gọi dịng FUCO Vì lý đó, nồi nấu phải chế tạo vật liệu sắt từ, nồi thủy tinh hay gốm sứ không dùng trực tiếp bếp từ mà cần có thêm đĩa từ lót Do nồi làm nóng trực tiếp nên hiệu suất truyền nhiệt cao, tổn thất nhiệt Phần mạch điện bên có sử dụng cầu chỉnh lưu AC-DC, mạch dao động tần số cao, IGBT điều khiển công suất, cuộn dây cảm ứng tất nhiên phải có MicroController để điều chỉnh kiểm soát chế độ nấu… 4.6 Máy quét MRI dùng y học Chụp cộng hưởng từ hay chụp MRI (Magnetic Resonnace Imaging) kỹ thuật chẩn đốn hình ảnh tiên tiến Đây phương pháp đưa thể vào vùng từ trường mạnh để đồng hóa chiều chuyển động nguyên tử Hydro phân tử nước thể ăng ten thu phát sóng radio tần số thấp (tần số radio thay đổi vùng từ trường ổn định nam châm tùy theo mục đích khảo sát phân biệt mỡ, nước ) sử dụng để gửi tín hiệu đến thể gặp nguyên tử Hydro thể sau nhận lại tín hiệu chiều chuyển động nguyên tử này, tín hiệu ăng ten truyền trung tâm xử lý tín hiệu tái tạo thành hình ảnh cấu trúc quan, phận 24 thể cần khảo sát Những hình ảnh thu nhận cung cấp nhiều thơng tin có giá trị việc chẩn đoán điều trị bệnh Nhờ sử dụng từ trường sóng radio, khơng sử dụng tia X nên MRI an toàn cho bệnh nhân Đây kỹ thuật nhanh, gọn không gây ảnh hưởng phụ, phương pháp chẩn đốn hình ảnh đại, hiệu phổ biến giới Ngày nay, MRI sử dụng để kiểm tra gần quan thể Kỹ thuật đặc biệt có giá trị việc chụp ảnh chi tiết não dây cột sống Kể từ MRI mang lại hình ảnh chiều, bác sĩ nắm thơng tin vị trí thương tổn Những thơng tin có giá trị trước phẫu thuật chẳng hạn tiểu phẫu não Trong thể người chứa nhiều nước, đồng nghĩa với có nhiều nguyên tử hydro (proton) Ngồi ra, mơi trường khác trình hồi phục hạt nhân diễn khác Do đó, tín hiệu phát vùng bình thường khối u, hay mơ cứng mơ mềm khơng giống Từ ta có hình ảnh khác Cơ thể cấu tạo chủ yếu từ nước (60-70%) Trong thành phần phân tử 25 nước ln có ngun tử hydro Về mặt từ tính, nguyên tử hydro nguyên tử đặc biệt hạt nhân chúng chứa proton Do đó, có mơmen từ lớn Từ điều dẫn tới hệ là: ta dựa vào hoạt động từ nguyên tử hydro để ghi nhận phân bố nước khác mơ thể ghi hình phân biệt mơ Mặt khác, quan, tổn thương bệnh lý dẫn đến thay đổi phân bố nước vị trí tổn thương, dẫn đến hoạt động từ thay đổi so với mơ lành, nên ta ghi hình thương tổn Ứng dụng nguyên lý này, MRI sử dụng từ trường mạnh hệ thống phát xung có tần số vơ tuyến để điều khiển hoạt động điện từ nhân nguyên tử, mà cụ thể nhân nguyên tử hydro có phân tử nước thể, nhằm xạ lượng dạng tín hiệu có tần số vơ tuyến Các tín hiệu hệ thống thu nhận xử lý điện tốn để tạo hình ảnh đối tượng vừa đưa vào từ trường 4.7 Chiếu sáng chất siêu dẫn - Phát kiến nhóm giáo sư Yoram Dagan Rõ ràng, nhiệt độ thấp rào cản cho việc đưa siêu dẫn gần với sống Do nhà khoa học mong muốn tìm phương pháp để biến đổi tính chất vật liệu theo ý Một cách thức phổ biến nghiên cứu nhiều pha tạp hóa học (chemical doping) ion bổ sung hay loại bỏ để thay đổi nhiệt độ tới hạn (Tc - critical temperature) chất siêu dẫn Tuy nhiên phương pháp phức tạp khó thực Nhu cầu đặt cần phải có phương pháp khác thay cho phương pháp pha tạp hóa học, nơi mà giáo sư Dagan cho thấy tài Sử dụng phương pháp đơn giản cách lấy màng mỏng siêu dẫn (khoảng 50 nanomet) phủ chúng lớp vật liệu hữu có độ dày chứa phân tử mà thôi, giáo sư Yoram Dagan thấy phân tử phơi sáng chúng bị kéo dãn thay đổi hình dạng, từ làm thay đổi tính chất lớp màng mỏng siêu dẫn phủ bên lớp vật liệu hữu Điều thú vị tính chất bị thay đổi nhiệt độ tới hạn Tc chất siêu dẫn 26 Đi sâu nghiên cứu, nhóm làm việc định thử nghiệm với loại phân tử phủ khác họ thu kết thực bất ngờ Với loại vật liệu thứ nhất, việc chiếu ánh sáng làm tăng nhiệt độ tới hạn chất siêu dẫn Với loại thứ hai, chiếu ánh sáng có bước sóng dải cực tím Tc tăng ánh sáng thuộc dải phổ nhìn thấy Tc lại giảm Với loại thứ ba, nhiệt độ Tc tăng chiếu sáng, tắt ánh sáng Tc trở bình thường Dễ thấy, ánh sáng trường hợp thứ ba đóng vai trị cơng tắc tắt/bật siêu dẫn Giáo sư Dagan gọi phát “nắm cửa” cho việc điều khiển nhiệt độ tới hạn vật liệu siêu dẫn Cùng với điều nói trên, người ta cịn hy vọng thành siêu dẫn áp dụng để tạo thiết bị quan sát sao, hành tinh, bề mặt trái đất giúp giải thích chế số vật thể lạ vũ trụ, Neutron, vật thể siêu rắn sót lại ngơi phát nổ trước tắt mà người ta nghĩ có đặc tính xoay vòng tương tự với chất siêu dẫn lỏng Nói vật liệu siêu dẫn mới, ta khơng thể không đề cập tới thành công người Nhật, là, nhà khoa học thuộc Trường đại học Aoyama - Gakin Tokyo tìm vật liệu siêu dẫn từ phi kim loại Magie (Mg), Bo (B) Điều làm cho trở nên rẻ tiền chất siêu dẫn làm việc nhiệt độ 133 độ C Nghĩa ưu việt Keramik người Mỹ Thành công đáng trân trọng, mở tìm chất bán dẫn từ phi kim loại vật liệu rẻ tiền, mà nhiệt độ để tạo thành chất siêu dẫn chấp nhận 27 28