Các nhà khoa học trên thế giới sẽ có một hệ máy gia tốc va chạm quốc tế khổng lồ để khám phá những điều kỳ diệu của thế giới vật chất, của vũ trụ đầy bí ẩn.
Hình 3.3: Sơ đồ bố trí cỗ máy gia tốc va chạm Quốc tế
Sau khi tìm ra dấu vết của hạt Higgs Boson nhằm chứng tỏ sự đúng đắn của lý
thuyết mô hình chuẩn của các hạt cơ bản, máy gia tốc hạt lớn LHC (Large Hadron Collider) ở Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu CERN ở Geneve (Thụy Sĩ) đã tỏ ra “hụt hơi” trong việc khẳng định chắc chắn và đầy đủ hơn sự tồn tại “hạt của Chúa” và tiến thêm một bước xa hơn nữa trong nghiên cứu thế giới vật chất hay vũ trụ bao la chúng
ta đang sống, trước hết minh chứng sự tồn tại “vật chất tối” đầy bí ẩn được giả thiết chiếm đến 95% vũ trụ.
Một hệ thiết bị mới được kỳ vọng tiếp nối sứ mệnh của cỗ máy LHC có tên gọi là máy va chạm tuyến tính Quốc tế ILC (International Linear Collider). Nhiều năm qua một
dự án thiết kế ILC đã được triển khai với sự hợp tác của nhiều quốc gia. Theo
web.cern.ch, đến ngày 12/6/2013, một bản thiết kế kỹ thuật của ILC đã được công bố. Nhóm tác giả dự án chính thức bàn giao một bản báo cáo 5 chương cho Ban giám sát quốc tế thuộc Ủy ban Quốc tế về Máy gia tốc tương lai (ICFA). Bản báo cáo bao gồm thiết kế kỹ thuật và kế hoạch thực hiện với sự tính toán tối ưu về tính khả thi và giá cả…
Máy va chạm tuyến tính Quốc tế ILC là một tổ hợp thiết bị thí nghiệm quốc tế nghiên cứu vật lý năng lượng cao hiện đại nhất hiện nay. Cấu trúc của tổ hợp này thể hiện ở sơ đồ kèm theo ở phía trên.
Hoạt động của tổ hợp ILC này có thể mô tả như sau. Phần chính của ILC là hai máy gia tốc thẳng (hay còn gọi là gia tốc tuyến tính) có chiều dài khoảng 31 km nằm song song nhau. Các máy gia tốc có chức năng tăng tốc độ chuyển động hai chùm hạt cơ bản theo hai hướng ngược nhau. Trong hình vẽ, ống gia tốc các hạt electron (ký hiệu e-) mô
tả bằng màu xanh tím và các hạt positron (ký hiệu e+) bằng màu xanh lá cây (hình 3.3). Khi đạt đến tốc độ (hay năng lượng) tối đa hai chùm hạt sẽ được lái cho va chạm nhau trong một hộp chân không gắn với hai đầu dò đặc biệt. Dự tính sẽ xảy ra khoảng 10.000 cú va chạm electron và positron trong mỗi giây sau khi được tăng tốc đến năng lượng 500 tỷ electron-volt (eV) gần tương đương vận tốc ánh sáng. Các hiện tượng vật lý xảy ra, các hạt mới sinh ra do va chạm của hai chùm hạt sẽ được ghi và phân tích nhờ các đầu dò nối với hệ thống phân tích bên ngoài.
ILC sẽ tập hợp khoảng 1000 nhà khoa học và kỹ sư đến từ hơn 100 trường đại học và các phòng thí nghiệm từ hai chục nước, Nhật Bản đang được xem xét làm nơi xây dựng cỗ máy khổng lồ này. Nước này đã lựa chọn một vùng núi để đặt ILC. Họ cũng đang thương thảo với các thành viên khác của dự án ILC, gồm Mỹ, Châu Âu, Trung Quốc và Nga về địa điểm xây dựng ILC. Nhiều nhà khoa học trên thế giới tỏ ra đồng thuận với đề xuất trên của Nhật Bản.
Theo Reuters, chi phí cho dự án này ước tính khoảng 830 tỷ yên Nhật (khoảng 8,67 tỷ đôla Mỹ). Nếu được chấp nhận, nước chủ nhà có thể đồng ý gánh một nửa chi phí xây dựng. Trong tình hình kinh tế toàn cầu khó khăn hiện nay, Nhật Bản không có đối thủ
nào trong việc đăng cai xây dựng dự án này. Tuy nhiên, chính phủ nước này cần phải đối phó với các cuộc tranh cãi trong nước do khó khăn về kinh tế chưa khởi sắc sau thảm họa
sóng thần và động đất đầu năm 2011.
Dự kiến dự án sẽ được xây dựng trong mười năm và bắt đầu hoạt động từ năm 2030. Các kết quả thương thảo sẽ được chính thức quyết định vào năm 2015. Còn tổ hợp thiết bị ILC sẽ được xây dựng trong mười năm. Hy vọng từ năm 2030 các nhà khoa học trên thế giới sẽ có một hệ máy gia tốc va chạm quốc tế khổng lồ để khám phá những điều kỳ diệu của thế giới vật chất, của vũ trụ đầy bí ẩn.
3.2. MÁY GIA TỐC WALTON – COCKRORF
Máy gia tốc Walton – Cockrorf do hai nhà bác học Ernest Thomas Siton Walton và
John Douglas Cockrorf phát minh ra. Năm 1932 Walton và Cockrorf đã thành công trong
việc biến đổi hạt nhân bền thành hạt nhân phóng xạ bằng phản ứng hạt nhân với proton. Để gia tốc proton đến năng lượng cần thiết hai ông đã dùng phương pháp gia tốc điện trường bằng một sơ đồ nối tiếp các tụ điện để tạo ra điện thế cao. Như chúng ta đã biết chuyển động trong điện trường hạt tích điện thu được một động năng bằng tích của độ lớn điện tích và hiệu điện thế. Vì vậy nếu chúng ta muốn cung cấp cho điện tử hoặc proton một năng lượng hàng trăm nghìn eV thì trước hết chúng ta phải tạo ra một điện trường với hiệu điện thế lớn như vậy. Song điều đó chưa đủ mà cần phải đưa vào điện trường các proton - các ion dương của nguyên tử Hydro. Hơn thế phải làm sao cho các proton đưa vào điện trường có thể tự do chuyển động không bị cản trở để thu được động năng mong muốn.
Bởi vì khi chuyển động trong không khí các hạt tích điện liên tục va chạm với các phân tử của các chất khí và bị mất năng lượng. Vì vậy cần thiết phải tạo ra điện trường không phải trong không khí mà trong chân không cao. Đó là việc không đơn giản.
Trong thực tế người ta có thể chế tạo các biến thế có điện áp vài trăm ngàn Volt. Cũng có những thiết bị đặc biệt cho điện thế một triệu Volt, song những thiết bị này không dùng dể gia tốc. Vấn đề là ở chỗ biến thế cho điện áp xoay chiều còn việc gia tốc lại cần điện thế một chiều. Để có thể biến điện áp xoay chiều thành một chiều cần có các tụ điện chịu được điện áp cần thiết và chỉnh lưu được điện áp gấp đôi tức là khoảng một triệu Volt.
Khó khăn lớn thứ hai là cần phải có điện thếcao trong chân không. Người ta có thể tạo ra các chân không cao và điện trường trong đó. Ví dụ ống Rơnghen là dụng cụ như vậy. Nó bao gồm một ống thủy tinh được hút không khí xuống áp suất rất thấp và hai đầu được hàn hai cực của cao áp. Khi điện trường càng cao thì ống chân không càng dài. Tuy nhiên việc tăng độ dài của ống cũng chỉ có hiệu quả đến một giới hạn nào đó, ví dụ đến vài trăm ngàn Volt. Bất kỳ một sự tăng chiều dài nào của ống cũng không thể vượt qua giới hạn đó.
3.2.1. Cấu tạo
Để có được thế gia tốc cần thiết Walton – Cockrorf cần phải giải hai bài toán tạo ra điệntrường một chiều từ 600000 – 800000
Volt và đưa điện áp đó vào ống chân không. Hai ông lý luận như sau: Nếu như không cần thiết phải đưa một điện trường cao hơn hai trăm kV vào ống cao áp thì chúng ta sẽ không đòi hỏi “ điều không thể có đó”. Chúng ta cũng sẽ tao ra giữa các điện cực một hiệu điện thế chỉ là 200 kV. Do vậy để có hiệu điện thế như ở trên thì thay vào việc dùng một đôi cực (hai cực) ta sẽ dùng nhiều hơn ví dụ 5 đôi. Nếu giữa điện cực thứ nhất và điện cực thứ hai tạo nên một điện thế 200 kV, giữa các điện cực thứ hai và thứ ba, thứ ba và thứ bốn, bốn và năm đều theo 200 kV, thì hiệu điện thế giữa cực thứ nhất và thứ năm là 800 kV. Một điều cần thiết phải làm trong đó là tạo khả năng cho các ion cần gia tốc đi qua các cực của điện trường này
đến điện trường khác. Điều đó thực ra là không phức tạp, để cho chúng đi qua như vậy thì giữa tâm các cực cần khoan một lỗ không lớn lắm. C1, C2, C3, C4 và C5 là các điệncực được nối với các hiệu điện thế 200 kV, còn D1, D2, D3 và D4 là các hình trụ thủy tinh nối liền vối các đôi điện cực (hình 3.4). Trong điện cực phía trên cùng C1 có lỗ trống qua đó thiết bị phóng điện A phóng các proton vào trong ống, đi qua tất cả các điện cực và sau khi nhận được năng lượng bằng hiệu điện thế giữa điện cực thứ nhất và cuối cùng các proton đập vào bia P trên đó được đặt chất nghiên cứu.
3.2.2. Nguyên lý Giả thuyết rằng Giả thuyết rằng trong sự sắp xếp của chúng ta ta có máy biến thế T với điện áp 200 kV. Bằng chỉnh lưu K ta tích điện cho tụ điện C1’ đến điện áp đó. Chúng ta nối gián tiếp tụ điện này với các tụ điện bổ sung C2’, C3’,C4’ và ngoài ra chúng ta lập một nhóm các tụ điện bổ sung C2’,C3’,C4’ và ngoài ra chúng ta lập Anode Cửa sổ quan sát Bia
Bơm chân không Lối vào ion Hydro
Hình 3.4: Sơ đồ Nguyên lý ống Walton Cockroft C1 C3 C2 C4 C5 D1 D D5 D4 D2 T K A1 D0 C1’ C2’ C3’ C4’ B1 B2 B3 B4 B5 D1 D2 D3 D4 D5
Hình 3.5: Phần gia tốc của thiết bị Walton Cockroft
C1 C2 C3
một nhóm các tụ điện mắc nối tiếp C1,C2,C3 mà mỗi tụ điện trong đó có điện áp 200 kV. Nhóm các tụ điện C1’,C2’,C3’,C4’ có thể nối với nhóm các tụ điện C1,C2,C3 bằng một công tắc đóng mở. Công tắc có thể nằm ở hai vị trí. Ở vị trí thứ nhất B1 được nối với D1, B2 với D2, B3 với D3, B4 với D4, B5 với D5,. Ở vị trí thứ hai B1 được nối với D0, B2 nối với D1, B3 với D2, B4với D3, B5 với D4. Những vị trí này công tắc được ký hiệu trên hình 3.5 bằng những đường khác nhau. Vị trí thứ nhất là các đường liền, vị trí thứ hai là các
đường chấm. Điều gì sẽ xảy ra khi ta các công tắc này hoạt động?
Đầu tiên (vị trí thứ nhất) tụ điện C1’ mắc song song với tụ điện C1 và cả hai tụ này được tích đầy đến 200 kV. Khi chuyển công tắc sang vị trí thứ hai, tụ C1’ bị ngắt vì vậy tụ C1 được nối song song với tụ C2’. Hệ quả của điều đó là tụ C2’ được tích đến 1/2 hiệu điện thế có ở trên tụ C1, trong khi đó tụ C1 phóng đi một nửa. Trên C1 cũng như C2’ bây giờ hiệu điện thế là 100 kV. Ta lại chuyển công tắc về vị trí ban đầu. Tụ C1 lại được nối với C1’ và lại được tích điện đến 200 kV. Đồng thời với việc đó là C2cũng được tích điện vì tại vị trí này của công tắc C2 được nối song song với C2’. Tụ C2’ sẽ phóng điện xuống
50 kV, còn C2 được tích đến 50 kV. Chúng ta lại đưa công tắc sang vị trí thứ hai. Tụ C1 lại nối với C2’. Thế trên hai tụ được cân bằng. Trên C1 đã có thế 200 kV còn trên C2’ là 50 kV. Điều đó có nghĩa là trên mỗi tụ C1 và C2’ sẽ có thế là 125 kV. Ngoài ra tụ C3’ được tích điện từng phần vì nó được nối với tụ C2. Tụ C3’ được tích đến 25 kV. Tiếp tục quá trình đóng ngắt mạch như vậy chúng ta sẽ thấy rằng dần dần tất cả các tụ C2’,C3’,C4’ sẽ được tích đến 200 kV và trên các đầu A1,A3 hiệu điện thế là 800 kV. Bằng cách như vậy có thể nhận được điện thế đòi hỏi. Hơn thế nữa điện thế cao này được chia ra thành nhiều phần mà mỗi phần là 200 kV. Điều đó đặc biệt quan trọng đối với hoạt động của ống gia tốc bởi vì mỗi điện cực chỉ có thể đặt một hiệu điện thế cho phép không quá cao. Trong thiết bị gia tốc này công tắc đóng ngắt bằng cơ khí không tồn tại. Bài toán này được thực hiện với sự giúp đỡ của một hệ các chỉnh lưu hoạt động tương tự như công tắc đóng ngắt cơ khí.
Hình 3.6: Thiếtbị gia tốc Walton Cockroft Thiết bị gia tốc Walton –Cockrorf được thể hiện trên hình 3.6
3.3. MÁY GIA TỐC VAN DE GRAAFF
Nguyên tắc chính trong việc gia tốc các hạt tích điện là cho các hạt này chuyển động giữa hai điện cực với hiệu điện thế U. Sau khi đi qua hai điện cực này, hạt có điện tích q sẽ nhận thêm một năng lượng:
E = qU
Tuy nhiên, máy tĩnh điện dựa trên nguyên tắc trên được biết đến từ lâu, nhưng điện
thế chỉ đạt đến vài trăm nghìn Volt. Người đầu tiên xây dựng thành công máy gia tốc tĩnh điện có điện thế trên một triệu Volt là Van De Graaf vào năm 1929.
3.3.1. Cấu tạo
- Biến thế T: Dùng để tạo điện thế.
- Bộ phận chỉnh lưu K: Dùng để tạo dòng điện một chiều.
- Tụ C giúp cân bằng điện tích.
- B: Quả cầu kim loại rỗng (điện cực điện thế cao) được nối với điện cực điện thế thấp (đất) qua băng tải A (băng tải được làm từ vật liệu cách điện).
- O, D hai mũi nhọn dùng để truyền điện tích.
Hình 3.7: Sơ đồ máy gia tốc Van De Graaff
3.3.2. Nguyên lý
Với sự giúp đở của biến thế T tạo ra điện thế một vài chục nghìn Volt. Qua mũi nhọn O điện tích được truyền lên băng tải A tại đầu điện thế thấp và được truyền đến cực kia. Để tích điện liên tục băng tải A được chuyển động liên tục trên trục P nhờ hai con lăn
O1,O2. Qua mũi nhọn D điện tích được chuyển từ băng tải A sang quả cầu B. Các điện tích tích tụ tại bề mặt của quả cầu nâng điện thế lên cho đến khi dòng điện rò từ điện cực ra xung quanh bằng với dòng điện do băng tải A cung cấp và được đưa vào ống gia tốc.
Năng lượng của hạt được gia tốc phụ thuộc vào điện thế của quả cầu và bản thân điện thế này bị giới hạn bởi độ rò rỉ của điện tích từ quả cầu ra không khí.
3.3.3. Sơ lược các loại máy gia tốc Van De Graaff
Trên hình 3.8 là máy gia tốc tĩnh điện nhỏ đường kính 2 mét. Loại máy này có thể gia tốc hạt đến năng lượng 1,5MeV.
Hình 3.8: Máy gia tốc tĩnh điện loại nhỏ đường kính 2 m
Hình 3.9 là một loại máy gia tốc tĩnh điện
khác
Cấu tạo:
- Gồm hai quả cầu trong đó một điện dương, một tích điện âm.
- Đường kính mỗi quả cầu là khoảng
4,5m.
- Điện thế giữa chúng lên đến 5 triệu
Volt.
Do điện thế giữa hai quả cầu lớn nên để dụng máy gia tốc này phải đặt ống điện tử nằm ngang.
Do biết rằng khí trơ có độ bền về điện cao hơn rất nhiều so với không khí bình thường vì vậy người ta cho máy gia tốc tĩnh điện vào trong một vỏ bọc đặt biệt chứa khí trơ dưới áp suất đến 15 atm.
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 caovà trái đất.
Các máy tĩnh điện Van De Graaf tốt nhất, thế phóng điện không vượt quá chục triệu
Volt và chùm ion điện tích một đơn vị có năng lượng không vượt quá 20MeV, thông thường có năng lượng 2 – 5MeV. Dòng của chùm hạt khá lớn, đạt đến vài trăm µA.
Một sự hoàn thiện của máy gia tốc Van De Graaf là Tandem. *Máy gia tốc Tandem
Trong tandem đã sử dụng hiện tượng tái tích điện (thay đổi dấu điện tích) của các
ion.
Hình 3.11: Cấu tạo máy gia tốc Tandem
Nguyên lí: 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