Đang tải... (xem toàn văn)
Ứng dụng máy gia tốc 1
Một số ứng dụng của máy gia tốc I. Mở đầu II. Ứng dụng máy gia tốc trong nghiên cứu cơ bản III. Ứng dụng máy gia tốc trong y tế IV. Ứng dụng máy gia tốc trong công nghiệp Máy gia tốc hạt là một trong những thiết bị đa dụng nhất được các nhà vật lý thiết kế, từ sự khởi đầu của nó là ống phóng tia catot được Thomson sử dụng đã phát hiện ra điện tử tới các thiết bị collider khổng lồ ngày nay, chúng gắn liền với những sự kiện quan trọng trong sự phát triển của vật lý hạt nhân và vật lý hạt. Sự đa dạng về chủng loại hạt gia tốc, về năng lượng và cường độ kể cả đối với chùm hạt thứ cấp như bức xạ đồng bộ (synchrotron), bức xạ hãm, nơtron, meson đã mở rộng các lĩnh vực nghiên cứu, đặc biệt là những nghiên cứu cơ bản nhằm khám phá cấu trúc thế giới vật chất. Ngày nay máy gia tốc hạt được sử dụng một cách rộng rãi trong nghiên cứu khoa học cũng như ứng dụng thực tế. Chúng được sử dụng với hầu hết các lĩnh vực của vật lý từ hạt cơ bản tới chất rắn. Máy gia tốc còn là thiết bị thiết yếu trong các lĩnh vực khác như nghiên cứu các cấu trúc trong hóa học và sinh học, trong phân tích nguyên tố vết với độ nhạy cao. Sự tiến bộ của vật lý hạt nhân và vật lý hạt xuất phát từ các nghiên cứu với máy gia tốc. Chúng cũng đang đóng một vai trò quan trọng trong vật lý thiên văn và vũ trụ học. MỞ ĐẦU Các máy gia tốc có phạm vi ứng dụng rộng lớn trong công nghiệp như quá trình cấy ion trong chất bán dẫn hay làm biến đổi tính chất bề mặt của nhiều loại vật liệu. Một ứng dụng có hứa hẹn đặc biệt là công nghệ vi sắc ký (microlithography) với bức xạ synchrotron cho các mạch vi điện tử với mật độ rất lớn. Các bức xạ từ máy gia tốc còn được ứng dụng rộng rãi trong các quá trình xử lý bảo quản thực phẩm, khử trùng chất thải độc hoặc các vật dụng làm từ polyme. Phương pháp kích hoạt sử dụng nguồn nơtron từ máy gia tốc được ứng dụng nhiều trong địa vật lý và đang được phát triển để phát hiện các chất gây nổ. Khả năng ứng dụng của máy gia tốc trong y tế ngày càng mạnh mẽ, sử dung trong chế tạo đồng vị phóng xạ, chẩn đoán hình ảnh, điều trị, xạ trị với electron, photon, proton, nơtron và thậm chí cả ion nặng… Các máy gia tốc cũng đóng vai trò lớn trong kỹ thuật năng lượng. Các nghiên cứu về quá trình nhiệt hạch gây bởi các ion nặng đang được theo đuổi ở một số nước. Các máy gia tốc là một thành phần thiết yếu để cung cấp nhiệt bổ sung cần thiết cho quá trình tạo plasma trong các lò nhiệt hạch. Các máy gia tốc còn ứng dụng trong xử lý các chất thải phóng xạ có thời gian sống dài (transmutation)… I.1. Vật lý hạt nhân: − Các máy gia tốc là công cụ thiết yếu để các nhà vật lý có thể khám phá hạt nhân và xác định cấu trúc và các đặc trưng của chúng. Tùy thuộc vào các đặc tính cần quan tâm mà người ta có thể sử dụng electron, proton, chùm ion nặng cũng như các bức xạ thứ cấp khác. Sự gia tăng năng lượng và cường độ ngày càng mở ra nhiều cơ hội mới. − Trước đây các nghiên cứu vật lý hạt nhân tập trung chủ yếu về cấu trúc hạt nhân riêng lẻ, các trạng thái kích thích của chúng, các vấn đề năng phổ hạt nhân Nghiên cứu các phản ứng hạt nhân gây bởi các chùm hạt gia tốc có thể nhận được các thông tin về thời gian sống, spin và tính chẵn lẻ. Qua việc đo tiết diện có thể xác định mômen tứ cực của hạt nhân… − Các lĩnh vực hiện nay trên máy gia tốc được quan tâm nhiều như nghiên cứu các hạt nhân siêu biến dạng với mômen xung lượng rất lớn hoặc các hạt nhân lạ nằm xa vùng hạt nhân bền…Các nghiên cứu về tán xạ của điện tử năng lượng cao trên các hạt nhân và các nucleon biết được phân bố điện tích, phân bố momen từ bên trong hạt nhân và trong cả các nucleon, các trạng thái kích thích của hạt nhân… I. ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU CƠ BẢN − Các máy gia tốc tạo ra các các chùm ion nặng (nặng hơn He) như Li, B, C, Ni, O, Ar, Ne…với năng lượng ngày càng cao vượt qua hàng rào Culông tạo ra khả năng nghiên cứu động học của sự va chạm hạt nhân - hạt nhân và sự phân mảnh của các hạt nhân. Các phản ứng với chùm ion nặng cung cấp các thông tin quan trọng về tương tác của các nhóm nucleon, đưa ra một loạt các khái niệm hạt nhân như thế hạt nhân, quá trình nhiệt hạch, momen góc , các giá trị về mật độ mức, thời gian tương tác hạt nhân…, khả năng nghiên cứu động học và tính chất của các hệ hạt nhân sống ngắn… − Nghiên cứu chất hạt nhân trong những điều kiện đặc biệt, các hiện tượng liên quan tới sự phức hợp của các nucleon, đặc biệt là sự chuyển pha từ các hạt nhân sang các quark và gluon bằng việc gia tốc các ion chì ở CERN. Tính chất điện từ của các hạt nhân được nghiên cứu với các chùm electron năng lượng cao (~10 GeV) với độ phân giải tới 0.1 fm. − Các máy gia tốc electron cường độ lớn cho phép nghiên cứu cấu trúc quark của các nucleon và mối liên hệ với các hardon. Sự phát triển công nghệ beam cooling cho các collider pp-, các storage ring ion nặng đang mở ra nhiều cơ hội trong vật lý hạt nhân Hình 1: Kích thước của nguyên tử, hạt nhân và các nucleon I. 2. Vật lý hạt cơ bản: − Sự phát triển của vật lý hạt cũng như vật lý năng lượng cao gắn liền với các thành tựu trong việc xây dựng các máy gia tốc với năng lượng ngày một nâng cao. − Các máy gia tốc năng lượng cao không chỉ được sử dụng để nghiên cứu các hạt nhân nguyên tử hoặc các mảnh của chúng mà còn tạo ra nhiều loại hạt cơ bản mới cũng như tìm ra các nguyên tố hóa học mới. − Phát hiện các hạt cơ bản như antiproton ở máy gia tốc bevatron (Berkeley, USA) trong những năm 50, hai hạt nơtrino ở AGS (Brookhaven, USA) trong những năm 60, J/ ở AGS những năm 70 và gần đây các hạt W, Z với Spp_S collider ở CERN… và nhiều loại chùm hạt cơ bản khác như như pion, kaon, muon, tau… − Các số liệu thu được từ các nghiên cứu thực nghiệm trên các máy gia tốc năng lượng cao đóng góp vào sự phát triển của các lý thuyết hạt cơ bản, như các mẫu quark, mẫu chuẩn (standard model), kiểm nghiệm tính đúng đắn của các mẫu lý thuyết này. − Các máy gia tốc đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu biết tốt hơn và sâu hơn về cấu trúc và tính chất của vật chất, các nhóm hạt quark, lepton và các lực tương tác 3. Vật lý thiên văn và vũ trụ học: − Các máy gia tốc đang ngày càng trở thành thiết bị bổ trợ cho các kính thiên văn trong việc nghiên cứu vũ trụ. − Vũ trụ của chúng ta rất có thể được hình thành từ một vụ nổ lớn (Big Bang). Với các máy gia tốc và collider năng lượng rất lớn cho phép các nhà vật lý tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm các quá trình gần với thời điểm của vụ nổ hình thành vũ trụ. − Các kết quả nhận được từ các thí nghiệm trên các máy gia tốc cho phép giải thích các quan sát vũ trụ như tỷ số hidro/helium, xác định số các họ nơtrino, sự vi phạm đối xứng điện tích, chẵn lẻ (CP) − Từ các thí nghiệm với chùm ion nặng trên các máy gia tốc, thông qua việc xác định tốc độ và tiết diện của các phản ứng hạt nhân, góp phần làm sáng tỏ sự hiểu biết về sự tổng hợp các nguyên tố và cơ chế hình thành năng lượng trong trong các ngôi sao, những sự hiểu biết về hiện tượng cháy sao, về cơ chế hoạt động của mặt trời… 4. Vật lý nguyên tử: Các đặc tính của các hệ đa hạt phức tạp bao gồm các nguyên tử và các ion hiện tại vẫn còn chưa được khám phá một cách đầy đủ. Rất nhiều các nghiên cứu đã được thực hiện, từ những năm 1970 đã có tới 850 máy gia tốc ion được sử dụng. Tập trung trong một số lĩnh vực nghiên cứu sau: - Cơ chế va chạm nguyên tử và quá trình ion hóa. - Nghiên cứu các trạng thái nguyên tử kích thích cao tạo thành trong quá trình va chạm. - Vật lý các ion hóa và các nguyên tử được bóc tước (bare). - Tiết diện trao đổi điện tích đối với các ion năng lượng lớn. - Tia X tạo bởi các va chạm ion tương đối tính. - Các trạng thái giả phân tử tạo bởi các va chạm ion - nguyên tử gần đối xứng. - Các quá trình ion hóa tác động của điện tử và các va chạm ion điện tử. - Sự phát xạ electron từ tác động của ion trên các bia chất rắn mỏng. - Sự truyền cộng hưởng và kích thích trong các va chạm ion - nguyên tử - Sự mất mát năng lượng của ion trong chất rắn. - Phân bố quãng chạy và năng suất hãm electron trong chất rắn…. 5. Vật lý chất rắn và khoa học vật liệu: − Trong một thời gian dài công cụ chủ yếu trong nghiên cứu cấu trúc và tính chất của vật chất ở trạng thái rắn là tia X được tạo bởi các nguồn truyền thống và các nơtron từ lò phản ứng. − Trong những năm gần đây nhờ có máy gia tốc hạt nhiều lĩnh vực nghiên cứu đã được mở rộng, đặc biệt là với bức xạ đồng bộ (synchrotron). Kỹ thuật EXAFS (Extended X ray Absorption Fine Structure) cho những thông tin về môi trường nguyên tử sử dụng cho các nghiên cứu về sự sắp xếp nguyên tử trong các hệ chất rắn như chất xúc tác, tinh thể, thủy tinh, polyme, các lớp bề mặt, phim mỏng − Do không có điện tích và khả năng đâm xuyên lớn, nơtron được sử dụng nhiều để nghiên cứu chất rắn. Tán xạ nơtron cho những hiểu biết về sự liên kết và sự cố kết của các kim loại, chất bán dẫn và chất cách điện. Nhiễu xạ nơtron được sử dụng nghiên cứu sự sắp xếp cấu trúc của các hạt nguyên tử trong vật chất và mối quan hệ với các tính chất vật lý và hóa học. [...]... ht nhõn 1 photon/electron 0 .1 0. 01 1E-3 Ee-=65 MeV Ee- =15 MeV 1E-4 1E-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Năng lượng (MeV) Hỡnh 3: Ph bc x hóm phỏt ra t bia W vi chựm electron 15 MeV v 65 MeV c tớnh bng chng trỡnh EGS4 Cương độ tương đối của bức xạ hãm 1. 4 đo; E e-= 15 M eV Irms (1/ e ) I0 đo; E e= 65 MeV 1. 2 khớp 1. 0 rms = (13 ,6 41, 23) độ 0.8 0.6 0.4 rms = (2,340, 21) độ 0.2 0.0 -12 0 -90... D C g m g g g g 1 trong đó: 1 e m m ( T ) 1 e mti t t Bm e ; Am ; Dm e m d ; C m 1 e m c ; m 1 e mT g ti 1 e g g ( T ) 1 e Bg e ; Ag T g 1 e g ; Dg e g td ; Cg 1 e g tc Hỡnh 6: Nghiờn cu phn ng photospallation - Khi cỏc photon nng lng rt cao tng tỏc vi ht nhõn cỏc sn phm ch yu c to ra t cỏc phn ng ht nhõn loi photospallation (,xnyp) vi x 1, y 1 - C ch ca cỏc phn... b c phỏt ra bi in t tng i tớnh chuyn ng trong mt mt hỡnh nún hp vi na gúc : me c 2 1 Te trong ú: 1 1 2 v ; c Trc hỡnh nún hng theo tip tuyn ca chựm in t, bc x ng b cú ph liờn tc v cú tn s cc i l : 0 = 4, 610 -6 HTe4 - i vi trng hp H =10 4 G v Te =10 0 MeV, bc x ng b phỏt ra trong hỡnh nún vi gúc =17 ' v cú 0 = 4, 610 14 Hz tng ng vi vựng ca ph nhỡn thy - Vi Te = 20 GeV bc x ng b ch yu l tia X cng... õy c s dng : i i I m m Si N om (1 e mt1m )e mt2 m (1 e mt3 m ) m I i i S m N oi (1 e i t1i )e i t 2 i (1 e i t3 i ) m Trong ú i v m l ký hiu tng ng cho ht nhõn nghiờn cu v ht nhõn monitor Nghiờn cu t s s ng phõn Tỷ số tiết diện của phản ứng hạt nhân tạo thành trạng thái isome (m) và trạng thái cơ bản (g) cho biết các thông tin quan trọng về cơ chế phản ứng, phân bố năng lượng, mômen góc,... N 0 I F (1 e t i ) e t d (1 e t c ) - Ngun phỏt bc x ch xung: Sp N oI F( 1 e )( 1 e t i )e t d ( 1 e t c ) ( 1 e T p ) Trong ú: S: din tớch nh ph gamma; : tit din phn ng ; : thụng lng chựm ht ti ; : hng s phõn ró, N0: s ht nhõn bia, ti: thi gian chiu; td: thi gian ngh; tc: thi gian o; I: cng tia gamma; : hiu suõt ghi ca etect, F : h s hiu chnh : rng xung, Tp: chu k xung Trong... cú th cho phõn gii ti 0,01m Hng gia tc v/c 1 v/c<