TRƯỜNG CAO ĐẲNG KĨ THUẬT LÍ TỰ TRỌNG KHOA: CƠ KHÍ LỚP: 15CĐ-CTM2 Môn: Vật Lý Đại Cương BÀI BÁO CÁO Bài 19: CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TỐC HẠT Thực hiện: Nhóm Giáo viên môn: Nguyễn Thanh Tú Tp Hồ Chí Minh – 6/2016 Bài 19 (1 tiết): CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TỐC HẠT Mục tiêu đạt được: Biết phải dùng tới máy gia tốc Nắm rõ cấu tạo nguyên lí hoạt động máy gia tốc Vanđơgraf Hiểu cấu tạo nguyên lí hoạt động máy Cyclotron Giới thiệu số máy gia tốc hạt khác giới việc dùng máy gia tốc ngành y tế Việt Nam Tóm tắt lại nguyên tắc hoạt động máy gia tốc hạt I Máy gia tốc hạt Máy gia tốc hạt gì? - Máy gia tốc hạt thiết bị thiết kế để tạo va chạm trực diện các hạt với động cực lớn nhằm phá vỡ cấu trúc hạt để tìm hạt kiểm chứng lý thuyết vật lý lượng tử - Thiết bị dùng điện trường hay điện trường từ trường để tăng tốc hạt điện gọi chung máy gia tốc hạt + Vì nguyên lí hoạt động, cấu tạo, kích thước máy gia tốc khác Máy gia tốc sử dụng nhiều lĩnh vực + Trong vật lí, máy gia tốc đóng vai trò quan trọng Nó sử dụng để nghiên cứu hạt sơ cấp Phân loại máy gia tốc: Có loại máy gia tốc Phân loại theo quỹ đạo chuyển động hạt Phân loại máy gia tốc theo loại hạt Phân loại theo quỹ đạo chuyển động hạt Phân loại theo tính chất trường gia tốc Phân loại theo lượng hạt gia tốc - Phân loại theo quỹ đạo chuyển động hạt a Máy gia tốc quỹ đạo thẳng Máy gia tốc thẳng loại máy gia tốc cổ Máy gia tốc thẳng cổ máy Vi-do-ro-e đời từ năm 1930: Cho chùm hạt mang điện qua dãy nối tiếp miền có điện trường, hạt mang điện tăng tốc nhờ điện trường Cuối cùng, hạt mang điênn có lượng khoảng vài trăm MeV(Electron Vôn) Máy Vandegraf máy gia tốc thẳng b Máy gia tốc quỹ đạo tròn - Máy gia tốc vòng loại máy gia tốc có hạt chuyển động theo đường vòng Để buộc hạt chuyển động theo đường vòng, người ta dùng từ trường nam châm có dạng thích hợp để uốn cong quĩ đạo hạt Còn để tăng tốc hạt người ta dùng điện trường - Có hai kiểu gia tốc vòng: + Kiểu Cyclotron: Là loại máy gia tốc giúp tăng vận tốc hạt mang điện cách kết hợp điện trường từ trường Đây loại máy gia tốc hữu ích Trong Cyclotron, quĩ đạo hạt điện tích đường xoắn ốc phẳng + Kiểu Synchrotron: Là hệ thống dùng để gia tốc loại hạt tích điện (charged particles) electrons quỹ đạo giúp đạt đến vận tốc gần vận tốc ánh sáng Trong Synchrotron, quĩ đạo hạt đường tròn, muốn quĩ đạo hạt đường tròn người ta phải dùng nhiều nam châm có cảm ứng từ khác bố trí theo thứ tự cảm ứng từ tăng dần Mỗi hạt tăng tốc cảm ứng từ trường phải tăng tương ứng để giữ cho bán kính quĩ đạo không đổi Chuyển động hạt điện từ trường Một điện tích q > chuyển động với vận tốc v từ trường đều, ta biết từ trường tác dụng lực từ lên điện tích q lực Lorenxơ (Lorentz) xác định biểu thức Trong θ góc hợp véc tơ vận tốc véc tơ cảm ứng từ Khi θ = θ = 1800 (tương ứng với điện tích chuyển động dọc theo đường sức từ trường ngược chiều đường sức từ trường) lực Lorenxơ (hay lực từ tác dụng lên điện tích Khi điện tích chuyển động vuông góc với đường sức từ trường, lực Lorenxơ đóng vai trò lực hướng tâm tạo nên chuyển động với quỹ đạo cong, hướng véc tơ lực vuông góc với hướng véc tơ vận tốc nên véc tơ lực từ vuông góc với hướng chuyển động điện tích Công lực Lorenxơ sinh => lượng điện tích không đổi => vận tốc không đổi => chuyển động điện tích chuyển động tròn Bán kính quỹ đạo chuyển động điện tích chuyển động theo phương vuông góc với đường cảm ứng từ Kết luận: • Chuyển động điện tích từ trường có độ lớn vận tốc không đổi có hướng thay đổi • Căn vào biểu thức tính độ lớn bán kính quỹ đạo điện tích chuyển động vuông góc với đường sức từ ta tăng tốc cho hạt điện tích từ trường giữ độ lớn vận tốc điện tích sau tăng tốc Vai trò máy gia tốc? - Khi nói đến máy gia tốc chắn nghĩ thiết bị để tăng lượng cho hạt cần gia tốc Câu hỏi đặt lại phải gia tốc lượng cần gia tốc phải đạt đến Hơn chức tăng lượng cho hạt máy gia tốc có vai trò gì? - Để nghiên cứu cấu trúc vật chất trạng thái vi mô cần có phương tiện khác hẳn với trạng thái vĩ mô Một phương tiện sử dụng loại hạt bắn phá vào vật chất bao gồm hạt ion nguyên tử Cấu trúc tính chất vật chất phát nhờ vào tương tác hạt kể với vật chất Điều cần thiết để có khả hạt phải có lượng định cường độ chúng phải đủ lớn Phương tiện giúp chúng điều máy gia tốc - Bên cạnh việc phát triển máy gia tốc mục đích nghiên cứu ngày nhiều nhu cầu đòi hỏi phải xây dựng máy gia tốc để phục vụ nhu cầu cần thiết sau: + Tạo vật liệu có tính chất đặc biệt + Là phương tiện phân tích hiệu + Phục vụ nghiên cứu điệu trị Y học + Là phương tiện chụp ảnh có hiệu công nghiệp nhiều ứng dụng khác II Máy gia tốc Van de Graff (Hay gọi máy phát Van de Graff) Cấu tạo máy gia tốc Van de Graff - Nguyên tắc việc gia tốc hạt tích điện cho hạt chuyển động hai điện cực với hiệu điện U Sau qua hai điện cực này, hạt có điện tích q nhận thêm lượng - Tuy nhiên, máy tĩnh điện dựa nguyên tắc biết đến từ lâu, điện đạt đến vài trăm nghìn vôn Người xây dựng thành công máy gia tốc tĩnh điện có điện triệu vôn Van De Graaf vào năm 1929 - Thành phần cấu tạo: + Biến T: Dùng dể tạo điện + Bộ phận chỉnh lưu K: Dùng để tạo dòng điện chiều + Tụ C giúp cân điện tích + B: Quả cầu kim loại rỗng (điện cực điện cao) nối với điện cực điện thấp(đất) qua băng tải A (băng tải làm từ vật liệu cách điện) + O1O2: Hai lăn giúp băng tải A chuyển động + O, D hai mũi nhọn dung để truyền điện tích Nguyên lí hoạt động máy gia tốc Van de Graff - Với giúp đỡ biến T tạo điện vài chục nghìn vôn Qua mũi nhọn O điện tích truyền lên băng tải A đầu điện thấp(dất) truyền đến cực Để tích điện liên tục băng tải A chuyển động liên tục trục P nhờ hai lăn O1,O2 Qua mũi nhọn D điện tích chuyển từ băng tải A sang cầu B Các điện tích tích tụ bề mặt cầu nâng điện lên dòng điện rò từ điện cực xung quanh với dòng điện băng tải A cung cấp đưa vào ống gia tốc - Năng lượng hạt gia tốc phụ thuộc vào điện cầu thân điện bị giới hạn độ rò rỉ điện tích từ cầu không khí III Máy gia tốc Cyclotron Cấu tạo máy gia tốc Cyclotron - Cyclotron dạng máy gia tốc hạt tròn Nó gia tốc hạt tích điện dùng tần số cao Một từ trường thẳng đứng gây cho hạt theo hình xoắn ốc đường tròn để chúng gia tốc nhiều lần Và Ernest Lawrence Đại học California Berkeley công nhận với máy gia tốc hạt – Cyclotron vào năm 1929 - Máy Cyclotron có hai hộp rỗng hình chữ D làm đồng ghép với thành hình tròn đặt chân không Hai cạnh thẳng hộp không đặt sát hoàn toàn mà cách khoảng hẹp Hai hộp nối với hai cực nguồn điện có chiều thay đổi cách tuần hoàn theo thời gian Vì vây, khoảng hẹp chúng có điện trường thay đổi cách tuần hoàn Hộp đặt từ trường nam châm điện, vectơ cảm ứng từ vuông góc với mặt hộp Nguyên lí hoạt động Một hạt tích điện dương xuất phát từ điểm P vào thời điểm hiệu điện cực A lớn B Trong thời gian T/2 hạt nửa đường tròn khỏi điện cực B chuyển động theo hướng tới cực A Sau thời gian T/2 hiệu điện đổi dấu, điện điện cực B trở nên cao A, hạt gia tốc.− Trong điện cực A hạt chuyển động với vận tốc lớn thời gian T/2 hạt điđược ½ quỹ đạo với bán kính lớn hơn, sau chuyển động từ A sang B lại gia tốc.− Mỗi lần hạt chuyển động từ cực sang cực hạt lại tăng tốc nhận lượng 2nqU ( n, số vòng quay) Ở quỹ đạo cuối hạt lái qua cửa sổ W Nhược điểm máy gia tốc Cyclotron Máy gia tốc Cyclotron có nhược điểm mà máy gia tốc mắc phải, vận tốc hạt lớn, hiệu ứng tương đối tính, hạt có khối lượng thay đổi Khi chu kỳ quay không pha với hiệu điện nguồn điện Vì vậy, máy xiclotron tăng tốc cho hạt tới giới hạn định IV Giới thiệu số máy gia tốc giới việc dùng máy gia tốc y tế Việt Nam Một số máy gia tốc giới a/ Máy gia tốc Large Hadron Collider (LHC) LHC máy gia tốc hạt lớn mạnh giới Chiếc máy chứa đường hầm vòng tròn với chu vi 27 km, nằm độ sâu từ 50 đến 175 m mặt đất Đường kính hầm 3,8 m, có cấu trúc bê tông, xây dựng năm từ 1983 đến 1988, nguyên dùng làm nơi chế tạo máy Large Electron-Positron Collider Đường hầm có điểm chạy cắt qua biên giới PhápThụy Sĩ, với phần lớn năm nước Pháp Trên mặt công trình bao gồm nhiều thiết bị hỗ trợ máy nén, quạt gió, thiết bị điện tử điều khiển thiết bị làm mát b/ Máy gia tốc Tandem Nguyên lí: Các ion tích điện âm phát từ nguồn ion điện đất gia tốc phía điện cực điện dương cao giữa, chất khí kim loại mỏng tước hai hay nhiều electron khỏi ion, chúng trở nên tích điện dương bị đẩy phía điện cực nối đất (V = 0) gia tốc thêm lần Chẳng hạn, ion âm hyđrogen H- gia tốc theo phương đến điện cực dương có điện cao Tại điện cực ion H- tán xạ lên bia mỏng, số lớn ion bị hai electron trở thành proton tích điện dương H+ Các proton lại bị điện cực dương đẩy ngược lại nghĩa chúng bị gia tốc thêm lần vả lượng tăng lên gấp đôi Hiện có máy tandem chuyển điện tích ion lần, lượng chúng tăng lên gấp ba Sử dụng máy gia tốc y tế Việt Nam a/ Máy gia tốc tuyến tính (LINAC) Bệnh viện Bạch Mai Hà Nội Máy gia tốc tuyến tính Primus hãng SIEMENS sản xuất với tiêu chuẩn kỹ thuật cao để điều trị hầu hết bệnh ung thư Năng lượng electron trực tiếp Primus sử dụng điều trị các tổn thương nông và khối u sát bề mặt với độ nông sâu khác ung thư da ung thư vú Năng lượng photon dùng dể điều trị khối u độ nông sâu khác u vùng tai mũi họng, vùng cổ, u phổi, u trung thất, khối u vùng bụng tiết niệu, khối u xương, não, đầu, cổ, ngực, phổi, hạch bạch huyết, tuyến tụy, xương chậu bệnh ở trẻ em Với ưu điểm này, máy Primus điều trị hiệu quả khối u ở mọi vị trí: não, đầu mặt cổ, phổi, các tạng ổ bụng, hạch bạch huyết b/ Máy gia tốc thẳng Linax CX Bệnh viện TW Quân đội 108 Hiện nay, hệ thống máy gia tốc Clinax CX của hãng Varian (Hoa Kỳ) bệnh viện hệ thống máy xạ trị đại Việt Nam có chức thực hiện các kỹ thuật xạ trị 2D, 3D theo hình dạng khối u (3D Conformal Radiation Therapy – 3D CRT) và đặc biệt là kỹ thuật xạ trị điều biến liều (Intensity Modulated Radiation Therapy – IMRT) Kỹ thuật xạ trị điều biến liều cho phép đảm bảo phân bố liều cao tối đa ở khối u đồng thời phân bố liều tối thiểu ở các tổ chức lành xung quanh, đó giúp điều trị xác, tăng hiệu quả kiểm soát khối u và giảm thiểu các biến chứng xạ trị Các bác sỹ xạ trị ung thư và kỹ sư vật lý Đơn vị xạ trị đều có tâm huyết được đào tạo một cách bài bản, chuyên nghiệp tại các Trung tâm xạ trị ung thư có uy tín và ngoài nước V Tóm tắt lại nguyên tắc để gia tốc hạt Công việc đáng khao khát nhà vật lí nghiên cứu hạt sơ cấp là: cho hạt hạ nguyên tử lao vào tốc độ kinh khủng để làm sáng tỏ bí ẩn vũ trụ Máy va chạm nguyên tử, hay máy gia tốc hạt, cho hạt va chạm với nguyên tử hay hạt hạ nguyên tử khác tốc độ gần tốc độ ánh sáng, làm sinh hạt xạ, chúng cho nhà khoa học biết viên gạch cấu trúc vật chất