TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƯ PHẠM BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ MÁY GIA TỐC THẲNG Luận văn tốt nghiệp Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Ths.GVC. Hoàng Xuân Dinh Nguyễn Trương Quốc Thái Mã số SV: 1100254 Lớp: Sư phạm Vật Lý Khóa: 36 Cần Thơ, năm 2013 LỜI CẢM ƠN  Lần đầu tiên tiếp cận với công tác nghiên cứu khoa học thuộc lĩnh vực chuyên ngành khá mới mẻ: Máy gia tốc thẳng, tôi đã vấp phải khá nhiều khó khăn. Nhưng được sự tận tình hướng dẫn và giúp đỡ của thầy Hoàng Xuân Dinh, cùng với sự ủng hộ và động viên nhiệt tình của các bạn lớp Sư phạm Vật lý khóa 36 nên tôi đã khắc phục được những khó khăn và hoàn tất luận văn. Tôi xin chuyển lời cảm ơn đến thầy Hoàng Xuân Dinh và tập thể lớp Sư phạm Vật lý khóa 36 đã tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành tốt luận văn của mình. Trong quá trình thực hiện luận văn của mình mặc dù đã cố gắng nhưng không tránh khỏi sai sót. Mong sự đóng góp ý kiến của quý Thầy Cô, cùng các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn. MỤC LỤC Phần MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1 Phần NỘI DUNG ...................................................................................................... 2 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA TỐC ....................................................... 2 1.1 Lịch sử hình thành ........................................................................................... 2 1.2 Phân loại máy gia tốc ....................................................................................... 2 1.2.1 Phân loại máy gia tốc theo loại hạt ............................................................ 2 1.2.2 Phân loại theo quỹ đạo chuyển động của hạt ............................................. 3 1.2.3 Phân loại theo tính chất của trường gia tốc ................................................ 3 1.2.4 Phân loại theo năng lượng của hạt được gia tốc ........................................ 3 1.3 Một số máy gia tốc hiện nay ............................................................................ 4 Chương 2: CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA MÁY GIA TỐC .............................................. 10 2.1 Chuyển động của hạt trong điện trường và từ trường .................................... 10 2.1.1 Chuyển động của hạt tích điện trong điện từ trường đồng nhất .............. 10 2.1.1.1 Chuyển động của hạt tích điện trong điện trường đồng nhất............. 10 2.1.1.2 Chuyển động của hạt tích điện trong từ trường đồng nhất ................ 13 2.2 Thuyết tương đối hẹp của Einstein ................................................................ 16 2.2.1 Sự chậm lại của thời gian ......................................................................... 17 2.2.2 Sự co lại của độ dài .................................................................................. 17 2.2.3 Khối lượng ............................................................................................... 18 2.2.4 Hệ thức liên hệ giữa khối lượng và năng lượng ...................................... 18 2.2.4.1 Thiết lập hệ thức ................................................................................ 18 2.2.4.2 Ý Nghĩa .............................................................................................. 19 Chương 3: MỘT SỐ LOẠI MÁY GIA TỐC THẲNG .......................................... 21 3.1 Máy gia tốc thẳng........................................................................................... 21 3.1.1 Cấu tạo ..................................................................................................... 21 3.1.2 Nguyên lý................................................................................................. 22 3.1.3 Một vài máy gia tốc thẳng lớn trên thế giới ............................................. 25 3.1.3.1 Máy gia tốc thẳng Linac Coherent Light Source (LCLS) ................. 25 3.1.3.2 Máy va chạm tuyến tính quốc tế ILC ................................................ 26 3.2 Máy gia tốc Walton-Cockroft ........................................................................ 27 3.2.1 Cấu tạo ..................................................................................................... 28 3.2.2 Nguyên lý................................................................................................. 28 3.3 Máy gia tốc Van De Graaff............................................................................ 30 3.3.1 Cấu tạo ..................................................................................................... 30 3.3.2 Nguyên lý................................................................................................. 30 3.3.3 Sơ lược các loại máy gia tốc Van De Graaff ........................................... 30 Chương 4: ỨNG DỤNG CỦA MÁY GIA TỐC THẲNG TRONG Y HỌC ......... 34 4.1 Phương pháp xạ trị ung thư bằng máy gia tốc thẳng ..................................... 34 4.1.1 Xạ trị ........................................................................................................ 34 4.1.2 Cách tính liều trong xạ trị ngoài .............................................................. 34 4.1.3 Máy gia tốc thẳng .................................................................................... 35 4.1.3.1 Đầu điều trị của máy gia tốc thẳng .................................................... 36 4.1.3.2 Cấu hình máy gia tốc hiện đại ........................................................... 38 4.1.3.3 Những nguyên tắc khi điều trị ........................................................... 39 4.2 Xạ trị bằng bức xạ gamma ............................................................................. 40 4.2.1 Ưu điểm nổi bật của phẫu thuật bằng gamma knife ................................ 41 4.2.2 Ứng dụng của gamma knife trong điều trị bệnh u não ............................ 42 Phần KẾT LUẬN .................................................................................................... 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO Phần MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Từ trước đến nay, khát vọng khám phá và chinh phục tự nhiên của con người luôn không có điểm dừng. Và cũng bắt nguồn từ khát vọng đó, những máy móc thiết bị ngày càng tối tân, hiện đại lần lượt ra đời, giúp con người đào sâu, nâng cao tầm hiểu biết của mình về thế giới tự nhiên. Hiện nay với sự tiến bộ không ngừng của khoa học kỹ thuật nhiều thiết bị công nghệ cao đã được phát minh, trong đó không thể không nhắc đến máy gia tốc, đặc biệt hơn là máy gia tốc thẳng là một thiết bị hoàn thiện giúp con người có thể chạm tay vào những cấu trúc nhỏ bé nhất của vật chất. Ra đời vào nửa đầu thế kỷ XX cho đến nay máy gia tốc thẳng đã liên tục đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực của đời sống, đặc biệt là nghiên cứu hạt nhân và hạt cơ bản. Và trong những năm gần đây máy gia tốc thẳng đã tạo nên bước đột phá lớn trong y học bởi tác dụng xạ trị ung thư và phẫu thuật bằng dao gamma của mình với những ưu điểm vượt bậc hơn so với những phương pháp truyền thống. Ở nước ta, tuy đã có nhưng rất ít người biết đến máy gia tốc thẳng và những ứng dụng của nó. Bản thân là một sinh viên vật lý, nhưng những kiến thức của tôi về máy gia tốc còn hạn chế. Do đó tôi chọn đề tài “ Máy gia tốc thẳng” để đào sâu tìm hiểu về một trong những loại máy gia tốc mà có nhiều đóng góp quan trọng trong cuộc sống hy vọng có thể nâng cao hiểu biết của mình về lịch sử, cấu tạo, nguyên lý hoạt động cũng như là ứng dụng trong y học của máy gia tốc thẳng. Qua đó nhận thức được tầm quan trọng của máy gia tốc thẳng trong nền khoa học kỹ thuật của nước ta. 2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Tìm hiểu về máy gia tốc thẳng và ứng dụng quan trọng của nó trong y học. Từ đó nhận thức được tầm quan trọng của máy gia tốc thẳng trong nền khoa học kỹ thuật của nước ta hiện nay. 3. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI Đề tài mang tính lý thuyết. Tập trung xây dựng cơ sở lý thuyết về cách phân loại, cơ sở vật lý của máy gia tốc.Tìm hiểu cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của các loại máy gia tốc có quỹ đạo thẳng và ứng dụng của máy gia tốc thẳng trong y học. 4. PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN a. Phương pháp thực hiện đề tài - Nghiên cứu lý thuyết cách phân loại, cơ sở vật lý, một số máy gia tốc hiện nay, cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của máy gia tốc có quỹ đạo thẳng. - Phân tích ứng dụng trong y học của máy gia tốc thẳng. b. Phương tiện thực hiện đề tài - Các tài liệu tham khảo gồm có: các giáo trình điện từ học, các sách về máy gia tốc. - Các công trình nghiên cứu khoa học về ứng dụng của máy gia tốc trong đời sống. - Các trang web khoa học nói về máy gia tốc thẳng. 5. CÁC BƯỚC THỰC HIỆN Bước 1: Nhận đề tài. Bước 2: Tìm kiếm tài liệu, thông tin trên mạng có liên quan tới đề tài. Bước 3: Đọc và phân tích các thông tin, từ đó viết đề cương. Bước 4: Tiến hành viết đề tài theo đề cương và trao đổi với giáo viên hướng dẫn. Bước 5: Viết bài luận, chỉnh sửa, hoàn thiện bài viết. Bước 6: Viết báo cáo. Bước 7: Bảo vệ luận văn. Phần NỘI DUNG Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA TỐC 1.1 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH 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. 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. 1.2 PHÂN LOẠI MÁY GIA TỐC 1.2.1 Phân loại máy gia tốc theo loại hạt Không phải máy gia tốc nào cũng có thể gia tốc các hạt có khối lượng khác nhau. Theo Einstein khối lượng của hạt phụ thuộc vào năng lượng. Khi năng lượng tăng sẽ dẫn đến khối lượng tăng do đó thời gian hạt đi được một vòng trong máy gia tốc sẽ tăng lên làm mất đồng bộ với điện trường gia tốc. Điều này thể hiện rõ nhất đối với các hạt nhẹ. Do đó sẽ có loại máy chỉ gia tốc được hạt nặng hoặc hạt nhẹ. - Máy gia tốc hạt nặng: ví dụ các hạt proton, detơri, anpha, và ion nặng được gia tốc bằng các máy gia tốc Cyclotron, Walton-Cockroft, Van De Graaff, máy gia tốc thẳng, Synchrotron, Phasotron và Synchrophasotron. - Máy gia tốc hạt nhẹ: Hạt được gia tốc là điện tử gia tốc bằng máy gia tốc thẳng, Betatron, Microtron, Synchrotron, Phasotron và Synchrophasotron. - Máy gia tốc cả hạt nặng lẫn nhẹ: Walton-Cockroft, Van De Graaff và máy gia tốc thẳng. 1.2.2 Phân loại theo quỹ đạo chuyển động của hạt Trên cơ sở tính chất quỹ đạo người ta phân ra các loại máy gia tốc như: - Máy gia tốc quỹ đạo thẳng: bao gồm các máy gia tốc Walton-Cockroft, Van De Graaff và máy gia tốc thẳng. - Máy gia tốc quỹ đạo tròn: bao gồm Cyclotron, Phasatron ( trong các máy này hạt chuyển động theo đường xoáy trôn ốc từ tâm ra ngoài với bán kính ngày càng tăng), Synchorotron, Synchrophasotron (trong các máy này hạt chuyển động theo quỹ đạo tròn bán kính không đổi) và microtron (trong máy này hạt chuyển động theo các đường tròn có bán kính ngày càng tăng và luôn luôn tiếp xúc với nhau tại một điểm). 1.2.3 Phân loại theo tính chất trường gia tốc Trong các máy gia tốc như ta sẽ thấy các hạt có thể được gia tốc nhờ vào điện trường một chiều, điện trường biến thiên hoặc từ trường biến thiên. Vì vậy ta có phân loại máy gia tốc như sau: - Máy gia tốc tĩnh điện (điện trường một chiều): Bao gồm các máy gia tốc Walton-Cockroft, Van De Graaff và Tandem Van De Graaff. - Máy gia tốc điện trường xoay chiều: Bao gồm Cyclotron, Synchrotron, Phasotron, Synchrophasotron, Microtron và máy gia tốc thẳng. Điều đáng chú ý là trong các máy gia tốc này hạt được gia tốc nhờ vào sự cộng hưởng giữa điện trường gia tốc và sự chuyển động của hạt. - Máy gia tốc từ trường biến thiên: Đó là máy gia tốc điện tử Betatron. Trong máy gia tốc này điện tử được gia tốc không phải nhờ điện trường biến thiên mà từ trường có từ thông biến thiên. 1.2.4 Phân loại theo năng lượng của hạt được gia tốc Các máy gia tốc có thể gia tốc hạt đến những năng lượng giới hạn khác nhau. Trên cơ sở năng lượng của hạt được gia tốc chúng ta có thể phân loại máy gia tốc như sau: - Máy gia tốc không tương đối tính: Bao gồm các máy gia tốc chỉ đưa năng lượng hạt lên đến những giá trị mà tại đó tốc độ của nó nhỏ hơn nhiều so với tốc độ ánh sáng (hoặc khối lượng của hạt không lớn hơn nhiều so với khối lượng dừng). Ví dụ: máy gia tốc Walton-Cockroft, Van De Graaff và Cyclotron. - Máy gia tốc tương đối tính: Bao gồm các máy gia tốc trong đó tốc độ của hạt lên đến gần tốc độ ánh sáng. Ví dụ: máy gia tốc thẳng, betatron, Synchrotron, Phasotron, Synchrophasotron, Microtron. Trong nhiều trường hợp người ta còn gọi các máy này là siêu tương đối tính vì tốc độ của hạt gần với tốc độ của ánh sáng. 1.3 MỘT SỐ MÁY GIA TỐC HIỆN NAY Máy gia tốc cộng hưởng từ: Máy gia tốc Vị trí Năm hoạt động Hình dạng Hạt được gia tốc Động năng Đại học California tại 1931 Tròn Hidro 1 MeV Berkeley Đại học 11-inch California tại 1932 Tròn Proton 1,2 MeV cyclotron Berkeley Đại học 27-inch California tại 1932 Tròn Deuteron 4,8 MeV cyclotron Berkeley Đại học 37-inch California tại 1937 Tròn Deuteron 8 MeV cyclotron Berkeley Đại học 60-inch California tại 1939 Tròn Deuteron 19 MeV cuclotron Berkeley Phòng thí 184-inch nghiệm bức 1942 Tròn Various >100 MeV cyclotron xạ Berkeley [1] [1] Máy gia tốc đầu tiên xây dựng tại phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (Lawrence Berkeley National Laboratory), sau đó được biết như là phòng thí nghiệm bức xạ Berkeley (Berkeley Radiation Laboratory). 9-inch cyclotron Synchrotrons: Máy gia tốc Calutrons Cosmotron Birmingham synchrotron Bevantron Vị trí Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven Trường đại học Birmingham Phòng thí nghiệm bức xạ Berkeley Năm hoạt động Hình dạng Hạt được gia tốc Động năng 1942 Móng ngựa Uranium 1953 Vòng tròn Proton 3,3 GeV 1939 Proton 1 GeV 1954 Đường thẳng Proton 6,2 GeV Bevalac kết hợp máy gia tốc thẳng Super HILAC và máy Bevatron Phòng thí nghiệm bức xạ Berkeley Saturne Saclay, Pháp Sychrophasotron Dubna, Nga Zero Gradient Synchrotron Proton Synchrotron Alternating Gradient Synchrotron SLAC Linac Fermilab Booster Fermilab Main Injector Farmilab Main Ring Super Proton Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne Tổ chức nghiên cứu nguyên tử Châu Âu (CERN) Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven Trung tâm máy gia tốc thẳng Stanford (SLAC) Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia Fermi (Fermilab) Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia Fermi (Fermilab) Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia Fermi (Fermilab) Tổ chức nghiên cứu nguyên tử Châu Âu (CERN) 1970 Các hạt nhân đủ Đường thẳng vững chắc 3 GeV 1949 10 GeV 12,5 GeV 1959 Tròn 1960 Proton 28 GeV Proton 33 GeV 1966 Đường thẳng Electron/ Positron 50 GeV 1970 Tròn Protons 8 GeV 1995 Tròn Protons và antiproto ns 150 GeV 19701995 Tròn Protons và ions 400 GeV 1980 Tròn Protons và ions 480 GeV Bates Linear Accelerator Middleton, Massachusetts 19672005 CEBAF Cơ sở gia tốc quốc gia Thomas Jefferson, Newport News,Virginia 1984 ELSA Bonn, Đức 1987 Synchrotron Electrons 3,5 GeV ISIS neutron source Phòng thí nghiệm Rutherford Appleton (RAL), Didcot, Oxon 1984 H-Linac Protons 800 MeV MAMI Mainz, Đức Tròn Electrons phân cực Tevatron Spallation Neutron Source Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia Fermi (Fermilab) Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge 1 GeV Electrons phân cực 1978 2006 Electrons phân cực Thẳng Thẳng (335m) và tròn (248m) Protons 980 GeV Protons 800 MeV-1 GeV Năng lượng Electron Năng lượng Positron Sự va chạm của Electron và positron: Máy gia tốc Vị trí Năm vận hành Hình dạng và chu vi AdA Frascati,Ý ; Orsay, Pháp 1961-1964 Tròn 3m 250 MeV 250 MeV PrincetonStanford Stanford, California 1962-1967 2 vòng tròn 12m 300 MeV 300 MeV VEP-1 Novosibirsk, Nga 1964-1968 2 vòng tròn 2,7m 130 MeV 130 MeV VEPP-2, VEPP2-2M Novosibirsk, Nga 1965-1999 Tròn 17,88m 700 MeV 700 MeV SPEAR SLC LEP DORIS PETRA CESR CESR-c PEP-II KEKB Trung tâm máy gia tốc thẳng Stanford (SLAC) Trung tâm máy gia tốc thẳng Stanford (SLAC) Trung tâm máy gia tốc thẳng Stanford (SLAC) Trung tâm nghiên cứu quốc gia ở Đức (DESY) Trung tâm nghiên cứu quốc gia ở Đức (DESY) Đại học Cornell, New York, Mỹ Đại học Cornell, New York, Mỹ Trung tâm máy gia tốc thẳng Stanford (SLAC) Tổ chuc717 nghiên cứu năng lượng cao (KEK) 1972 3 GeV 3 GeV 45 GeV 45 GeV 1989-2000 Tròn 27km 104 GeV 104 GeV 1974-1993 Tròn 300m 5 GeV 5 GeV 1978-1986 Tròn 2km 20 GeV 20 GeV 1979-2002 Tròn 768m 6 GeV 6 GeV 2002-2008 Tròn 768m 6 GeV 6 GeV 1998-2008 Tròn 2,2km 9 GeV 3,1 GeV 1999-2008 Tròn 3km 8 GeV 3,5 GeV VEPP-2000 Novosibirsk, Nga 2006 Tròn 24m 1 GeV 1 GeV VEPP-4M Novosibirsk, Nga 1994 Tròn 366m 4 GeV 4 GeV BECP Trung Quốc 1989-2004 Tròn 240m 2,2 GeV 2,2 GeV DAФNE Frascati, Ý 1999 Tròn 98m 0,7 Gev 0,7 GeV BECP II Trung Quốc 2008 Tròn 240m 3,7 GeV 3,7 GeV Sự va chạm Hadron : Máy gia tốc Vị trí Tổ chức nghiên cứu Intersecting nguyên tử Storage Rings Châu Âu (CERN) Tổ chức nghiên cứu Super Proton nguyên tử Synchroton Châu Âu (CERN) Phòng thí nghiệm máy Tevatron Run gia tốc quốc I gia Fermi (Fermilab) Phòng thí nghiệm máy Tevatron Run gia tốc quốc II gia Fermi (Fermilab) Phòng thí PHIC proton + nghiệm quốc proton mode gia Brookhaven Tổ chức nghiên cứu Large Hadron nguyên tử Collider Châu Âu (CERN) Năm vận hành Hình dạng và kích thước Hạt va chạm Năng lượng của tia 31,5 GeV 1971-1984 Vòng tròn (948m) Proton/proton 1981-1984 Vòng tròn (6,9km) Proton/Antipro ton 1992-1995 Vòng tròn (6,3km) Proton/Antipro 900 GeV ton 2001 Vòng tròn (6,3km) Proton/Antopr oton 980 GeV 2000 Vòng tròn (3,8km) Polarized proton/proton 100-250 GeV 2008 Vòng tròn (27km) Proton/Proton 7 TeV Va chạm electron-proton : Máy gia tốc HERA Vị trí Năm hoạt động Trung tâm nghiên cứu 1992 quốc gia ở Đức (DESY) Hình dạng và kích thước Vòng tròn (6336m) Năng lượng electron 27,5 GeV Năng lượng proton 920 GeV Va chạm ion : Máy gia tốc Relativistic Heavy Ion Collider Large Hadron Collider, ion mode Vị trí Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven Tổ chức nghiên cứu nguyên tử Châu Âu (CERN) Năm hoạt động Hình dạng, kích thước Ion được dùng Năng lượng ion 2000 3,8km Au-Au ; Cu-Cu ; 0,1 TeV 2008 Vòng tròn (27km) Pb-Pb 2,76 TeV Chương 2: CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA MÁY GIA TỐC 2.1 CHUYỂN ĐỘNG CỦA HẠT TÍCH ĐIỆN TRONG ĐIỆN TRƯỜNG VÀ TỪ TRƯỜNG Nguyên lý chung của máy gia tốc dựa trên sự tương tác của hạt tích điện với điện từ trường. Để làm sáng tỏ hơn chúng ta sẽ xem xét sự chuyển động của các hạt tích điện trong điện từ trường. Cũng cần phải nhấn mạnh rằng loại chuyển động này là đối tượng của một ngành mới của Vật lý học hiện đại, quang học điện tử và ion trong đó nó được xem xét một cách tỉ mỷ nhằm mục đích ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như kỹ thuật đo đạc, gia tốc hạt và tách đồng vị. Nghiên cứu tương tác giữa điện trường và từ trường với các hạt tích điện cho phép chúng ta điều khiển được chúng tức là thay đổi được lực và hướng chuyển động của chúng. 2.1.1 Chuyển động của hạt tích điện trong điện từ trường đồng nhất Khi một hạt tích điện chuyển động trong điện từ trường sẽ có hai lực tác động đồng thời lên nó. Lực thứ nhất là lực điện trường eE, còn lực thứ hai là lực Lawrence e/c [vH]. Phương trình mô tả chuyển động của hạt được biểu diễn như sau:     e   dv Fm  eE  [vxH] dt c (2.1) Trong đó: F – lực chung tác dụng lên hạt;  E – vectơ điện trường; c – tốc độ ánh sáng;  v – vectơ tốc độ hạt;  H – vectơ từ trường; Từ phương trình (2.1) chúng ta thấy rằng lực mà điện trường tác dụng lên hạt có hướng trùng với hướng của điện trường. Còn lực tác dụng của từ trường có hướng vuông góc với vectơ vận tốc của hạt và vectơ từ trường. Lực này bằng 0 khi hạt không chuyển động hoặc khi vectơ vận tốc của nó song song với vectơ từ trường. Phương trình (2.1) là phương trình vectơ có thể phân tách ra thành ba phương trình vô hướng mô tả chuyển động của hạt theo các hướng tương ứng. Chúng ta sẽ xem xét các trường hợp riêng của chuyển động. 2.1.1.1 Chuyển động của hạt tích điện trong điện trường đồng nhất 1. Trong điện trường dọc đồng nhất Trên hình 2.1biểu diễn chuyển động của hạt tích điện trong điện trường dọc. Từ phương trình (2.1) Khi không có mặt của từ trường H=0, Ey=Ex=0, Ex=E ta có phương trình: F=eE (2.2) + Ex Phương trình chuyển động của hạt tích điện là: m d2x  eE dt 2 (2.3) Phương trình (2.3) cũng có thể viết dưới dạng: m dv  eE dt Nhân hai vế của phương trình (2.4) với v ta có: dv mv  eEv dt (2.4) e- - Hình 2.1: Chuyển động của (2.5) hạt tích điện trong điện trường dọc đồng nhất Nhưng: dv 1 dv2 v  dt 2 dt (2.6) d  mv2     eEv dt  2  (2.7) Vì vậy ta nhận được: Lực của điện trường có thể biểu diễn qua gradient của điện thế  d E dx (2.8) Thay (2.8) vào (2.7) chúng ta sẽ nhận được : d  mv2  d    e dt  2  dt hoặc :  d  mv2   e   0 dt  2  (2.9) mv 2  e  const 2 (2.10) Điều này có nghĩa là : Biểu thức (2.10) thực chất là định luật bảo toàn năng lượng bởi vì mv2/2 là động năng, còn e là thế năng của hạt. Nếu đi từ một điểm này sang điểm khác của trường trong đó hiệu điện thế là 1-2 =U thì cũng như là nó được gia tốc giữa hai cực mà hiệu điện thế là U, sự thay đổi động năng của hạt là : mv 22 mv 12  2 2 (2.11) Nếu như tốc độ ban đầu của hạt là v1=0 thì mv 2  eU 2 (2.12) Như vậy có thể nói một hạt tích điện chuyển động trong một điện trường giữa hai điểm có hiệu điện thế U thì nó được gia tốc bởi một năng lượng là eU. 2. Trong điện trường ngang đồng nhất Chúng ta hãy xem xét chuyển động của hạt tích điện trong một điện trường ngang đồng nhất tạo ra từ một tụ điện phẳng (xem hình 2.2) y d l x  z y0 a Hình 2.2: Chuyển động của hạt tích điện trong điện trường ngang đồng nhất Chúng ta hãy lấy hệ tọa độ như hình vẽ. Hãy giả thuyết rằng phóng một chùm hạt tích điện với tốc độ ban đầu như nhau v0 theo trục hoành Ox chúng sẽ bị lệch đi và có thể được quan sát trên một màn ảnh phù hợp đặt trên khoảng cách l giữa màn và tụ điện bài toán đặt ra là hãy tìm độ lệch yE mà chùm hạt nhận được trên màn dưới tác dụng của điện trường ta biết rằng nếu khe hở giữa hai tấm của tụ điện phẳng nhỏ hơn rất nhiều so với độ dài l thì các hiệu ứng biên có thể bỏ qua và có thể xem điện trường giữa các tấm của tụ là đồng nhất và ta có Ex=Ez=0, Ey=E. Trong trường hợp này phương trình chuyển động của một hạt là : d2x m 2 0 dt d2y m 2 0 dt d 2z m 2 0 dt (2.13) Bởi vì quỹ đạo của hạt là một đường cong phẳng nằm trong mặt phẳng xOy vì vậy phương trình thứ ba không cần thiết cho chúng ta. Từ phương trình thứ nhất của hệ (2.13) ta có : dx  c1; x  c1t  c0 dt (2.14) Theo điều kiện ở trên tại thời điểm ban đầu hạt nằm ở gốc tọa độ và chuyển động với tốc độ v0 ta nhận được x=v0t (2.15) Phương trình thứ hai của hệ (2.13) sau khi nhân cả hai vế của nó với dx có thể viết phương trình dưới dạng : d  dy  e  dx  Edx dt  dt  m (2.16)  dy  dx e d   Edx  dt  dt m (2.17) hoặc: bởi vì: dx  v0 dt do đó: e  dy  d   Edx  dt  mv 0 (2.18) Lấy tích phân, ta có: x dy e  xdx dt mv0 0 (2.19) Vì điện trường là đồng nhất nên ta có: dy eE  vy  x dt mv 0 (2.20) Để tìm quỹ đạo của hạt trong tụ điện ta hãy tích phân một lần nữa biểu thức (2.20) sau khi đã sơ bộ nhân hai vế với dx : dy dx eE  xdx dt mv 0 (2.21) hoặc: dy  eE dx mv 02 (2.22) x y eE xdx mv02 0 (2.23) Từ đây ta nhận được phương trình quỹ đạo của hạt là: y eE 2 x 2mv 02 (2.24) Biểu thức (2.24) chỉ ra rằng quỹ đạo của hạt tích điện trong điện trường ngang đồng nhất là một hình parabol. Từ hình 2.2 ta thấy rằng độ lệch cần tìm trên màn bằng tổng hai đoạn thẳng y0 và a : y E  y 0  a  y 0  l.tgα (2.25) Từ (2.24) ta có : y0  eE 2 d 2mv 02 (2.26) eE  dy  tgα     2  dx  y y0 mv0 Cuối cùng ta có : yE   eEd 1 d 2 mv 02 (2.27)  (2.28) Từ kết quả này ta thấy độ lệch càng lớn khi đại lượng e/m (được gọi là điện tích đặc trưng) càng lớn. 2.1.1.2 Chuyển động của hạt tích điện trong từ trường đồng nhất Ta xét hai trường hợp đơn giản nhất thường được sử dụng trong các thí nghiệm. 1. Trong từ trường đồng nhất, tiết diện hình tròn Giả sử hạt chuyển động vuông góc với các đường sức ( xem hình 2.3). Các đường sức trong hình vẽ vuông góc với mặt giấy. Theo định luật Lawrence phương trình chuyển động của hạt tại Hx=Hz=0, Hy=H là : dv x e  vzH dt mc dv y 0 dt dv z e  vxH dt mc z zN (2.29) x y d l-d Nếu chúng ta không quan tâm đến quỹ đạo của hạt và chỉ tìm độ lệch trên một màn đặt ở quãng l từ Hình 2.3: Chuyển động của hạt điểm cuối của từ trường, chúng ta có thể giải phương tích điện trong từ trường ngang trình thứ ba. Trong trường hợp từ trường yếu (độ lệch đồng nhất tiết diện tròn của hạt nhỏ) với một phép gần đúng ta có thể cho rằng thành phần vx của tốc độ là không đổi trong toàn bộ thời gian và bằng v0 tốc độ ban đầu. Tất nhiên phép gần đúng tương tự sẽ không có hiệu lực ở những độ lệch quá lớn. Từ phương trình thứ ba trong hệ (2.29) ta có: d 2z e  v0H 2 dt mc Nhân hai vế của (2.30) với dx ta nhận được : d  dz  e v 0 Hdx  dx  dt  dt  mc (2.30) hoặc : e  dz  dx d   v 0 Hdx  dt  dt mc (2.31) Từ đây ta có : x dz e  Hdx dt mc 0 (2.32) Một lần nữa nhân với dx ta có : dz e dx  dx Hdx dt mc  x e dz  dx  Hdx mcv0 0 (2.33) (2.34) bởi vì : dx  v0 dt Tích phân lần thứ hai chúng ta nhận được : x' x e z dx Hdx mcv0 0 0 (2.35) Nếu chúng ta đặt x’=L (khoảng cách từ đầu hệ tọa độ đến màn) chúng ta sẽ có độ lệch trên màn là : L x e zm  dx Hdx mcv0 0 0 (2.36) Ở đây có thể phân tích theo từng phần bằng cách đặt : x U   Hdx 0 Và dv=dx L  e  e zm  L Hdx   xHdx    H(L  x)dx mcv0  0 0  mcv0 0 L L (2.37) Để thực hiện việc tích phân biểu thức (2.37) cần chú ý rằng : a. Từ trường không kéo dài đến màn mà được giới hạn trong một đường tròn có đường kính d. b. Theo giả thuyết thì độ lệch rất nhỏ. Khi phân chia tích phân cuối cùng ra hai tích phân từ 0 đến d và từ d đến L chúng ta nhận được : zm  L d  e H  H(L  x)dx   H(L  x)dx mcv0  0 0  (2.38) và bởi vì H không đổi trong vùng từ 0 đến d và H=0 trong vùng từ d đến L nên : d  e zm  H  (L  d)dx mcv0  0  (2.39) Nếu ta đặt l=L-d. Cuối cùng ta sẽ có : zm  eHd  d  1   mcv 0  2  (2.40) Công thức (2.40) có dạng giống như công thức (2.28) về độ lệch của hạt trong điện trường ngang đồng nhất chỉ khác ở chỗ mẫu số thay bằng mv 02 là mv 0 c còn ở tử số thay bằng E là H. Sự hiện có của c trong (2.40) phụ thuộc vào việc lựa chọn đơn vị. Nếu sử dụng hệ đơn vị điện từ công thức (2.40) sẻ có dạng : zm  eHd  d  1   mv 0  2  (2.41) Như vậy ta thấy độ lệch của hạt do từ trường tạo ra cũng phụ thuộc vào điện tích riêng e/m. 2. Trong từ trường ngang đồng nhất Ta hãy xem xét trường hợp riêng khác khi không có điện trường nhưng có từ trường. Giả sử hạt có tốc độ ban đầu là v0 rơi vào một từ trường có cường độ là H. Chúng ta xem từ trường này là đồng nhất và ngang vì có hướng vuông góc với tốc độ v 0 (xem hình 2.4) chúng ta có thể làm sáng tỏ những đặc trưng cơ bản của chuyển động trong từ trường này mà không cần phải giải đầy đủ phương trình chuyển động. v B Hình 2.4 : Chuyển động của hạt tích điện trong từ trường ngang đồng nhất Trước hết chúng ta chú ý rằng lực Lawrence tác dụng lên hạt luôn luôn vuông góc với tốc độ chuyển động của hạt và các đường sức của từ trường. Điều đó có nghĩa là công của lực Lawrence luôn luôn bằng 0. Vì vậy giá trị tuyệt đối của tốc độ hạt, cũng có nghĩa là năng lượng của hạt không thay đổi khi chuyển động. Bởi vì tốc độ v0 của hạt không thay đổi nên độ lớn của lực Lawrence F=(e/c)vH không thay đổi. Lực này như đã nói là vuông góc với hướng chuyển động và là lực hướng tâm (theo cơ học). Nhưng chuyển động dưới tác dụng của một lực hướng tâm không đổi có quỹ đạo là một đường tròn được xác định bằng điều kiện: mv 2 e  vH r c (2.42) Từ (2.42) ta có bán kính quỹ đạo tròn là : r mv e H c (2.43) Giả sử rằng hạt đạt được tốc độ v nhờ đi qua 2 điểm của một điện trường có hiệu điện thế là U như công thức (2.12) thì tốc độ của nó là :  e  v  2 U   m  1 2 (2.44) Và vì vậy ta có bán kính là :  2  r    e/m  1 2 1 U 2 H (2.45) Chuyển động tròn của hạt tích điện trong từ trường đồng nhất có đặc điểm rất quan trọng là thời gian chúng chuyển động trong một vòng tròn không phụ thuộc vào năng lượng của hạt. T 2 πr v (2.46) Thay giá trị của r từ (2.43) ta có : T 2 πme 1 e H (2.47) Tần số góc quay vòng của hạt : ω 2π e  H T mc (2.48) Như vậy đối với mỗi loại hạt chu kỳ và tần số chỉ phụ thuộc vào độ lớn của cường độ từ trường. Đặc điểm quan trọng này có vai trò rất to lớn mà chúng ta sẽ quan tâm đến sau này khi đề cập cụ thể đến máy gia tốc. Trên đây chúng ta giả thuyết rằng hướng của tốc độ ban đầu vuông góc với hướng của từ trường. Hoàn toàn không khăn để luận giải về đặc trưng của chuyển động nếu tốc độ ban đầu của hạt tạo thành một góc  bất kỳ với từ trường. Trong trường hợp này để thuận tiện ta phân tích tốc độ v0 thành hai thành phần. Thành phần thứ nhất vt=v0 cos (song song với từ trường), còn thành phần thứ hai vn=v0sin (vuông góc với từ trường). Lực Lawrence tác dụng lên hạt là do thành phần v n và hạt chuyển động theo đường tròn nằm trong mặt phẳng vuông góc với từ trường. Thành phần vt không tạo ra sự xuất hiện lực bổ sung bởi vì lực Lawrence trong chuyển động song song với từ trường bằng 0. Vì vậy theo hướng của từ trường hạt sẽ chuyển động theo quán tính, chuyển động đều với tốc độ vt=v0cos. Kết quả của việc tổng hợp hai chuyển động là hạt sẽ chuyển động theo một hình xoắn: f  v t T  Tv 0 cosα Thay biểu thức của T ta có : f 2ππ0cosα 1 e H me Tóm lại thông qua sự tương tác giữa điện từ trường và hạt tích điện chúng ta đồng thời có thể vừa gia tốc hạt vừa có thể điều khiển hướng chuyển động của hạt. Đó chính là nguyên lý chung và là cơ sở của nguyên lý hoạt động của các loại máy gia tốc. 2.2 THUYẾT TƯƠNG ĐỐI HẸP CỦA EINSTEIN Nguyên lý tương đối trong cơ học Newton nói rằng các hiện tượng cơ học đều xảy ra như nhau trong một hệ qui chiếu quán tính nhưng không nói rõ các hiện tương khác như là nhiệt, điện, từ có xảy ra như nhau trong một hệ qui chiếu quán tính. Ở phần điện từ trường ta thấy tương tác từ xảy ra chủ yếu là do dòng điện tức là do chuyển động của các hạt mang điện. Như vậy có thể trong các hệ qui chiếu quán tính khác nhau các hiện tượng điện từ sẽ xảy ra khác nhau. Nhiều thí nghiệm được thực hiện với các hệ qui chiếu quán tính khác nhau với mục đích tìm ra một hệ qui chiếu quán tính mà ở đó tốc độ ánh sáng khác hẳn với tốc độ ánh sáng trong các hệ qui chiếu quán tính khác. Nhưng những thí nghiệm đó không đạt được kết quả. Năm 1905 Einstein phát biểu nguyên lý tương đối về sự bình đẳng của các hệ qui chiếu quán tính cụ thể bằng hai tiên đề sau : Tiên đề 1 : Mọi hiện tượng Vật lý (Cơ, nhiệt, điện, từ,…) đều xảy ra như nhau trong các hệ qui chiếu quán tính. Điều này cho thấy các phương trình mô tả các hiện tượng tự nhiên đều có cùng dạng như nhau trong các hệ qui chiếu quán tính. Tiên đề 2 : Tốc độ ánh sáng trong chân không là một đại lượng không đổi trong tất cả các hệ qui chiếu quán tính. 2.2.1 Sự chậm lại của thời gian Theo giả thuyết Einstein người ta có thể kết luận rằng: các đồng hồ đồng bộ trong cùng một hệ qui chiếu quán tính thì sẽ không đồng bộ khi đặt nó trong hai hệ qui chiếu quán tính khác nhau (một hệ qui chiếu đang đứng yên còn một hệ qui chiếu khác đang chuyển động tương đối so với hệ đứng yên). Xét một hiện tượng xảy ra tại A trong hệ qui chiếu O’. Đối với hệ này A đứng yên, x’ là tọa độ, t1’ là thời điểm hiện tượng bắt đầu xảy ra, t2’ là thời điểm biến cố chấm dứt. Trong hệ O’, thời gian hiện tượng xảy ra : ∆t’=t2’- t1’. Gọi v là vận tốc của A đối với hệ qui chiếu O cũng là vận tốc của hệ quy chiếu O’ đối với O. Ta tìm khoảng thời gian xảy ra hiện tượng đối với người quan sát trong hệ O. Gọi t1, t2 là thời gian bắt đầu và kết thúc hiện tượng đối với hệ O, theo phép biến đổi Lorenxơ : t1  v ' v x t '2  2 x ' 2 c c ; t2  2 v v2 1 2 1 2 c c t1'  Khoảng thời gian ∆t xảy ra biến cố trong hệ quy chiếu O là : Δt  t 2  t1  t '2  t1' 1 v2 c2  Δt ' 1 v2 c2 v2 Δt  Δt 1  2 c ' Δt  Δt ' Khoảng thời gian xảy ra của một biến cố trong hệ quy chiếu O’ chuyển động bao giờ cũng nhỏ hơn thời gian xảy ra của cùng biến cố đó trong hệ qui chiếu đứng yên. Thời gian có tính tương đổi, nó phụ thuộc vào chuyển động. 2.2.2 Sự co lại của độ dài Xét một thanh nằm yên trong hệ O’ xuôi theo phương chuyển động của nó, thanh sẽ chuyển động với vận tốc v đối với hệ O. Ta có, trong hệ O thì kích thước thanh: l=x 2-x1, trong hệ O’ thì kích thước thanh: l0=x2’- x1’ x 2  x '2 1  v2  v.t c2 v2 x1  x 1  2  v.t c ' 1 x 2  x1  (x '2  x1' ) 1  l  l0 1  v2 c2 v2 c2 Độ dài của thanh đo được trong hệ mà thanh chuyển động ngắn hơn độ dài của nó đo được trong hệ mà nó đứng yên. Khi vật chuyển động kích thước nó co lại theo phương chuyển động. 2.2.3 Khối lượng Người ta chứng minh được khối lượng của một vật khi chuyển động với vận tốc v được xác định bằng biểu thức: m  m0 1 1 v2 c2 m0: khối lượng của một vật lúc đứng yên.    dv Theo định luật II Newton, ta có: F  m. nhưng m thay đổi theo v nên ta phải viết dt biểu thức của lực tác động như sau:        d(m.v) d  m 0 .v  F  . 2  dt dt  1  v  c2   Đây là phương trình cơ bản của chuyển động chất điểm trong thuyết tương đối. 2.2.4 Hệ thức liên hệ giữa khối lượng và năng lượng 2.2.4.1 Thiết lập hệ thức Theo định luật bảo toàn năng lượng ta có: “Độ tăng năng lượng của vật bằng công của ngoại lực tác dụng lên vật”. dW=dA   dA  F.d s   Giả sử F và ds cùng phương, chiều nên ta có: dA=F.ds     d  m0 v  dA   ds 2  dt v  1   c2      1  2v  dv       2 .v.   m0 dv 2  c  dt dA   .  m0  .ds 3 2 2 2 v dt    v  1  2   1  c2     c      2  m0  dv m0 v dA    . ds 3  2 2  dt v2   v   1  c 2 c 2 1  2     c   dv ds  v.dv dt     2 2 2 m 0 .v.dv  v2   m 0 .v.dv  c  v  v  dA  1   2 2 2 v 2  c 2 .1  v   v2  c  v  1 2  1 2  c2   c  c   Ta có: m .v.dv dA  0 3 2 2  v  1  2   c  Lấy vi phân hai vế của biểu thức: m  m 0 . dm  1 v2 1 2 c ta có: m 0 .v.dv 3  v2  2 c 2 1  2   c   dA  c 2 .dm  dW W  m.c2  C Khi m=0; W=0  C=0 Ta có: W=mc2. Đó là hệ thức Einstein nói lên mối liên hệ giữa khối lượng và năng lượng. 2.2.4.2 Ý nghĩa - Khi một vật có khối lượng m thì nó có năng lượng tương ứng là W và ngược lại. - Khi năng lượng thay đổi một lượng ∆W thì khối lượng cũng thay đổi một lượng và ta có: ∆W=∆m.c2 nêu lên sự khác nhau giữa cơ học cổ điển khi một hạt chuyển động tự do với vận tốc v sẽ có năng lượng 1 m.v2 . Khi hạt đứng yên thì năng lượng bằng 0. Theo 2 thuyết tương đối Einstein vật có khối lượng m chuyển động với vận tốc v thì có năng lượng: W  mc2  m0c 2 1 v2 c2 - Khi vật đứng yên v=0 vật vẫn có năng lượng nghỉ W0=m0.c2.  - Khi v[...]... đối với máy gia tốc thẳng electron lớn nhất đặt tại Trung tâm Máy gia tốc thẳng Stanford (SLAC) Ở Los Alamos, một máy gia tốc thẳng proton gia tốc proton lên 800 MeV trên khoảng cách 800 m Máy gia tốc này là trái tim của Tổ hợp Vật lí Meson Los Alamos (LAMPF) và nó là máy gia tốc thẳng proton lớn nhất thế giới Nhiều máy gia tốc thẳng được sử dụng làm máy bơm hạt cho synchrotron Ngoài các máy gia tốc khoa... xung có thời gian 1 đến 2 s Máy gia tốc này làm việc theo chế độ xung với tần số lặp là 60 xung/s và được sử dụng để nghiên cứu tương tác giữa điện tử và proton 3.1.3 Một vài máy gia tốc thẳng lớn trên thế giới 3.1.3.1 Máy gia tốc thẳng Linac Coherent Light Source (LCLS) Máy gia tốc tuyến tính Linac Coherent Light Source (hình 3.2), dài 130m và được cung cấp năng lượng bởi máy gia tốc hạt thẳng ngắn,...SPEAR SLC LEP DORIS PETRA CESR CESR-c PEP-II KEKB Trung tâm máy gia tốc thẳng Stanford (SLAC) Trung tâm máy gia tốc thẳng Stanford (SLAC) Trung tâm máy gia tốc thẳng Stanford (SLAC) Trung tâm nghiên cứu quốc gia ở Đức (DESY) Trung tâm nghiên cứu quốc gia ở Đức (DESY) Đại học Cornell, New York, Mỹ Đại học Cornell, New York, Mỹ Trung tâm máy gia tốc thẳng Stanford (SLAC) Tổ chuc717 nghiên cứu năng lượng cao... 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... tốc thẳng sóng truyền Trong máy gia tốc này, các sóng điện từ truyền về phía trong máy gia tốc với tốc độ ánh sáng và các electron, cũng chuyển động rất gần tốc độ ánh sáng, được gia tốc đều đặn từng bước với sóng đó tương tự như lướt trên một con sóng đại dương Đối với các mục đích khoa học, hiện nay có khoảng 1300 máy gia tốc thẳng cho electron và positron và khoảng 50 máy cho ion, kể cả proton Chúng... có thể thu năng lượng trong từng khe Dựa trên ý tưởng này, ông đã xây dựng một máy gia tốc ba giai đoạn cho các ion Natri Ý tưởng về máy gia tốc thẳng đã ra đời Các hạt được gia tốc trong những khe nhỏ và giữa các khe chúng chuyển động bên trong các điện cực hình trụ được che chắn Một phiên bản cải tiến của máy gia tốc thẳng đã được hình thành vài năm sau đó bởi Luis Walter Alvarez, người đã làm phát... dùng cho các máy gia tốc có công suất nhỏ (~2-5 W) và klystron dùng cho máy có công suất lớn hơn (~20-40W) Độ ổn định tần số của magnetron là cỡ 10-4, còn của klystron là cỡ 10-6 đến 10-7 Tần số của nguồn điện thế xoay chiều theo tính toán phải rất cao cỡ hàng chục MHz Người ta sử dụng máy gia tốc thẳng để gia tốc điện tử cũng như proton Có những máy loại này có công suất lớn để gia tốc điện tử lên... 3,7 GeV Sự va chạm Hadron : Máy gia tốc Vị trí Tổ chức nghiên cứu Intersecting nguyên tử Storage Rings Châu Âu (CERN) Tổ chức nghiên cứu Super Proton nguyên tử Synchroton Châu Âu (CERN) Phòng thí nghiệm máy Tevatron Run gia tốc quốc I gia Fermi (Fermilab) Phòng thí nghiệm máy Tevatron Run gia tốc quốc II gia Fermi (Fermilab) Phòng thí PHIC proton + nghiệm quốc proton mode gia Brookhaven Tổ chức nghiên... l1 l 2   3 v1 v 2 v3 Mặt khác ta c : mv 2 eU 2 do đ : v1  2eU , v2  m 2.2eU , v3  m 2.3eU m Từ đây ta c : l1 2eU m  l2 2.2eU m  l3 2.3eU m  hay: l l1 l  2  3 1 2 3 Vì vậy: l1 : l2 : l3 : l4 : l5  1 : 2 : 3 : 4 : 5 Nếu như trong máy gia tốc ta có n + 1 điện cực thì năng lượng hạt thu được khi chuyển động từ cực thứ nhất đến cực (n + 1) là neU Như vậy có thể nói rằng nếu ta có một hệ thống... 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 3.1 1: Cấu tạo máy gia tốc Tandem Nguyên l : 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 ... gia tốc thẳng Điều đáng ý máy gia tốc hạt gia tốc nhờ vào cộng hưởng điện trường gia tốc chuyển động hạt - Máy gia tốc từ trường biến thiên: Đó máy gia tốc điện tử Betatron Trong máy gia tốc. .. lượng dừng) Ví d : máy gia tốc Walton-Cockroft, Van De Graaff Cyclotron - Máy gia tốc tương đối tính: Bao gồm máy gia tốc tốc độ hạt lên đến gần tốc độ ánh sáng Ví d : máy gia tốc thẳng, betatron,... KẾT LUẬN Đề tài Máy gia tốc thẳng cung cấp kiến thức máy gia tốc thẳng Đầu tiên, đề tài trình bày tổng quan máy gia tốc Trong phần nêu lịch sử hình thành nên máy gia tốc; phân loại máy gia tốc