48 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 = mc 2 . 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 © 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) Loại Số lượng Ống phóng ion và biến tính bề mặt 7,000 Máy gia tốc trong công nghiệp 1,500 Máy gia tốc trong nghiên cứu phi hạt nhân 1,000 Xạ trị 5,000 Sản suất đồng vị y khoa 200 50 Những bài báo vật lí hay – Tập 1 | © hiepkhachquay Liệu pháp hadron 20 Nguồn bức xạ synchrotron 70 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. © 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 SF 6 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 52 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 SF 6 . 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 © 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. 54 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 = mc 2 . 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 © 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 56 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. © 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 10 11 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). [...]... i v i máy gia t c th ng electron l n nh t t t i Trung tâm Máy gia t c th ng Stanford (SLAC) Los Alamos, m t máy gia t c th ng proton gia t c proton lên 800 MeV trên kho ng cách 800 m Máy gia t c này là trái tim c a T h p V t lí Meson Los Alamos (LAMPF) và nó là máy gia t c th ng proton l n nh t th gi i Nhi u máy gia t c th ng ư c s d ng làm máy bơm h t cho synhrotron Ngoài các máy gia t c khoa h c,... ng gia t c ư c o sao cho các h t luôn luôn ư c gia t c trong các khe gi a các i n c c Electron Electron ư c gia t c trong các khe ơn ã hơn 100 năm Các ng tia X và kính hi n vi i n t là lo i ph bi n c a máy gia t c khe ơn dùng cho nhi u ng d ng a d ng M t máy gia t c quen thu c v i t t c chúng ta, t bên trong máy thu hình c a chúng ta, trong ó các electron ư c gia t c lên hi u i n th 30 kilovolt Các máy. .. cách làm tán x các electron có năng lư ng lên t i 1 GeV t m t máy gia t c th ng dài 100 m V i Richter là nhà khoa h c ch o, vi c xây d ng m t máy gia t c th ng dài 3 km ã b t u, và vào năm 1967 nó ã gia t c, l n u tiên, các electron lên 20 GeV ng th i, khái ni m máy va ch m (xem ph n nói v máy va ch m) cũng ư c phát tri n vào lúc y S phát tri n ưa n vi c xây d ng các máy va ch m electron-positron và. .. d ng m t máy gia t c ba giai o n cho các ion natri Ý tư ng v máy gia t c th ng ã ra i Các h t ư c gia t c trong nh ng khe nh và gi a các khe chúng chuy n ng bên trong các i n c c hình tr ư c che ch n M t phiên b n c i ti n c a máy gia t c th ng ã ư c hình thành vài năm sau ó b i Luis Walter Alvarez, ngư i ã làm phát hi u i n th xoay chi u theo cách khác; các sóng ng t n s vô tuy n bên trong các h p... châm màu xanh làm h i t , và các nam châm màu b cong các h t nh ch p toàn c nh phòng thí nghi m CERN n m gi a sân bay Geneva và dãy núi Jura Các vòng tròn ch v trí c a các máy gia t c SPS và LEP t trong các ư ng h m dư i t Sau khi máy gia t c LEP ng ng ho t ng h i cu i năm 2000, nó ã b tháo g và Máy Va ch m Hadron L n (LHC) hi n ang ư c l p t trong ư ng h m dài 27 km Máy gia t c th ng Năm 1924, ngư... này, các sóng i n t truy n v phía trong máy gia t c v i t c ánh sáng và các electron, cũng chuy n ng r t g n t c ánh sáng, ư c gia t c u n t ng bư c v i sóng ó tương t như lư t trên m t con sóng i dương i v i các m c ích khoa h c, hi n nay có kho ng 1.300 máy gia t c th ng cho electron và positron và kho ng 50 máy cho ion, k c proton Chúng bao quát m t ngư ng năng lư ng r ng t vài MeV n 52 GeV i v i máy. .. bi n th h p d n c a máy va ch m là Máy gia t c Th ng Stanford (SLC) Các chùm positron và electron ư c gia t c ng th i lên kho ng 45 GeV trong m t máy gia t c th ng dài 3 km T i cu i máy gia t c th ng, chúng b b cong ra kh i hư ng th ng, tương ng sang trái và sang ph i, và r i b cong tr l i và làm cho va ch m d c theo ư ng th ng Các chùm h t v a g p nhau m t l n trong khi trong máy va ch m thư ng, chúng... n V t lí và Nghiên c u Hóa h c Riken Wako, Saitama, Tokyo Các máy gia t c th ng và synchrotron cho electron và ion là nh ng công c nghiên c u quan tr ng ng th i dùng cho v t lí ion n ng khi c n n năng lư ng cao Phòng thí nghi m qu c gia Lawrence Berkeley (LBL), mang tên nhà phát minh ra cyclotron, ư c trang b m t máy gia t c th ng hi n có và synchrotron vào u nh ng năm 1970 dùng cho gia t c các ion... tìm th y là t t hơn các lo i máy gia t c khác M t máy va ch m g m m t hay hai vòng c t tr trong ó các chùm h t ư c gia t c theo nh ng hư ng ngư c nhau, theo chi u kim ng h và ngư c chi u kim ng h Khi các h t thu ư c năng lư ng c n thi t, chúng ư c c t tr và cho va ch m t i nh ng i m nh t nh d c theo chu tuy n c a (các) vòng, t i ó ngư i ta t các máy dò h t ghi nh n các h t b tán x và t o ra trong va... Geneva và Phòng thí nghi m qu c gia Brookhaven trên o Long Island, New York T i CERN, các proton ư c gia t c lên 28 GeV và t i Brookhaven lên 33 GeV Synchrotron proton CERN (PS) b t u ho t ng năm 1959 và Brookhaven PS ho t ng năm 1960 Vào th p niên 1960, Brookhaven PS là m nh nh t trong s t t c các máy gia t c và m t s con s th c hi n có l th t h p d n Nó có m t máy gia t c th ng làm b ph n bơm và năng . 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. 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. 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