Xem mẫu
- THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
MÁY GIA TỐC
TỪ NGHIÊN CỨU CƠ BẢN ĐẾN ỨNG DỤNG THỰC TẾ
Các máy gia tốc là phát minh quan trọng của thế kỷ XX. Máy gia tốc ra đời từ những năm
1930 để cung cấp các hạt năng lượng cao nhằm nghiên cứu cấu trúc hạt nhân nguyên tử. Kể từ đó
đến nay, chúng đã được sử dụng để nghiên cứu nhiều khía cạnh của vật lý hạt. Mục tiêu của việc sử
dụng máy gia tốc là tăng tốc và gia tăng năng lượng của chùm hạt bằng cách tạo ra các điện trường
làm tăng tốc các hạt, và các từ trường định hướng và tập trung chùm hạt theo ý muốn. Trong hơn 8
thập kỷ qua, máy gia tốc đã có nhiều đóng góp và làm thay đổi cuộc sống của con người. Với máy gia
tốc, người ta đã tạo ra các chùm tia X, electron, proton, notron và các hạt khác với các năng lượng
khác nhau. Thông thường, dải năng lượng được gọi là thấp khi hạt có năng lượng dưới 1 GeV, năng
lượng trung bình khi hạt có năng lượng trên 1 GeV và dưới 100 GeV và năng lượng cao khi trên 100
GeV (Theo định nghĩa, một eV bằng lượng năng lượng thu được hoặc bị mất khi 1 electron di chuyển
qua điện trường với hiệu điện thế 1 V và 1 eV bằng khoảng 1.6022x10-19 J). Loại hạt sử dụng phụ
thuộc vào mục tiêu của nghiên cứu, thí nghiệm.
Trong số khoảng 3 vạn máy gia tốc hiện chính là xử lý, chế tạo vật liệu và phân tích vật
đang vận hành trên thế giới, phần lớn là dành liệu. Máy gia tốc cũng được áp dụng cho bảo vệ
cho các ứng dụng trong công nghiệp (khoảng 2 môi trường, như làm sạch nước uống, xử lý nước
vạn hệ thống). Có hai loại ứng dụng công nghiệp thải, khử trùng bùn thải và loại bỏ các chất gây ô
8 Số 51 - Tháng 6/2017
- THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
nhiễm khỏi khói thải. Đồng thời nằm trong một hộp hình tròn gồm hai
Khi các máy gia tốc tăng hiệu suất, các nửa hộp rỗng hình chữ D nối vào một hiệu điện
chùm hạt cường độ cao (proton, electron và ion) thế xoay chiều. Tất cả đều nằm trong chân không.
trở thành một trong những đòi hỏi quan trọng Khi đó, điện trường xoay chiều giữa hai hình D có
được yêu cầu bởi đa số người sử dụng máy gia tốc tác dụng tăng tốc cho hạt trong quá trình chuyển
và cho hầu hết các ứng dụng. Nhiều lĩnh vực khác động: Vận tốc hạt ngày càng tăng lên cùng với
nhau đòi hỏi phải có các máy gia tốc tiên tiến, từ bán kính quỹ đạo. Khi động năng của hạt tăng
nghiên cứu cơ bản đến các ứng dụng trong khoa lên đến giá trị đủ lớn thì người ta cho chùm hạt
học, y học và công nghiệp. Các nhà khoa học đã bắn vào một tấm “bia” để tạo ra các phản ứng hạt
và đang nỗ lực thực hiện việc theo đuổi nâng cao nhân. Sự va chạm của chùm hạt trong các máy
hiệu suất các máy gia tốc cường độ cao. gia tốc có thể thực hiện với bia cố định, hoặc giữa
hai chùm hạt.
Bài viết này đưa ra nguyên lý thiết kế của
Vào những năm 1929-1933, nhà vật lý
các máy gia tốc điển hình và những ứng dụng
người Mỹ, Robert J. Van de Graaff (1901-1967)
máy gia tốc từ nghiên cứu cơ bản đến ứng dụng
đã phát minh thiết bị mang tên ông - máy phát
thực tế, giúp bạn đọc có thêm thông tin về các
Van de Graaff (Van de Graaff generator). Đây là
máy gia tốc và ứng dụng của chúng.
một loại máy phát điện tĩnh điện cao áp (cỡ 7
Phân loại và nguyên lý hoạt động của máy gia triệu volt) hoạt động như một loại máy gia tốc
tốc hạt, là cơ sở cho nhiều máy gia tốc sau này.
Máy gia tốc thường dùng để chỉ máy gia Máy gia tốc thẳng (còn được gọi là
tốc hạt, thiết bị tăng vận tốc hạt dưới mức nguyên LINAC), máy gia tốc vòng (Cyclotron và
tử như proton, electron và positron hoặc các ion Synchrotron) là một số thiết bị phức tạp và tốn
nặng. Máy gia tốc hạt được phát minh ban đầu kém nhất từng được chế tạo. Nói chung, mục
cho mục đích nghiên cứu cấu trúc cơ bản của đích của chúng là tăng tốc các hạt tích điện, thông
vật chất, và sau này là các ứng dụng thực tiễn. thường là các electron, proton và các đồng vị,
Máy gia tốc hạt có thể được chia thành hai nhóm cũng như các hạt dưới mức nguyên tử, với tốc độ
chính: máy gia tốc thẳng và gia tốc vòng. Trong cực lớn. Các hạt này được sử dụng để điều trị các
máy gia tốc thẳng các hạt được gia tốc khi chúng khối u hoặc ung thư bên trong bệnh nhân. Các hạt
di chuyển theo một đường thẳng, đôi khi trên bắn vào các mẫu vật liệu (hoặc các chùm đi ngược
khoảng cách rất lớn. Với hệ máy gia tốc vòng các hướng với tốc độ tương tự cho các phản ứng năng
hạt di chuyển và tăng tốc theo đường tròn hoặc lượng cao hơn) cho phép xác định thành phần của
xoắn ốc với đường kính khác nhau từ ít hơn một vật liệu dựa trên các phản ứng và tán xạ của các
vài m đến nhiều km. hạt sau va chạm. Nhiều đồng vị được tạo ra sử
dụng cho mục đích y tế hoặc công nghiệp, khoa
Trong các máy gia tốc thẳng, các hạt điện học vật liệu và sinh học. Các máy gia tốc cũng
tích được tăng tốc nhờ điện trường mạnh. Chẳng được sử dụng để tăng tốc độ của hạt để chúng có
hạn trong máy gia tốc có chiều dài 4 km tại phòng thể được tiêm vào các máy gia tốc khác và đạt
thí nghiệm Stanford, các electron được gia tốc đến vận tốc và động năng cao hơn.
đến năng lượng cỡ 50 GeV.
Nguồn các hạt trong máy gia tốc được lấy
Trong các máy gia tốc vòng, hạt điện tích từ đâu? Máy va chạm Hadron lớn LHC (Large
chuyển động theo các quỹ đạo tròn dưới một từ Hadron Collider) tại Trung tâm Nghiên cứu hạt
trường đều có hướng vuông góc với vận tốc hạt. nhân châu Âu (CERN) thực hiện tăng tốc và va
Số 51 - Tháng 6/2017 9
- THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
đập các proton, cũng như các ion chì nặng. Người LINAC có thể gia tốc các ion nặng đến
ta có thể nghĩ rằng LHC cần một lượng lớn các vận tốc khó đạt được bởi máy gia tốc vòng
hạt, nhưng các chùm proton trong vòng tròn chu (Cyclotron và Synchrotron) vì chúng bị giới hạn
vi 27 km được cung cấp chỉ bởi một chai khí bởi cường độ của từ trường cần thiết để giữ các
hydro duy nhất, được thay thế hai lần mỗi năm. ion trên đường cong. LINAC cũng tốt hơn cho
việc gia tốc các electron tới vận tốc tương đối
vì các electron mất năng lượng (và vận tốc) qua
bức xạ khi đi dọc theo vòng cung. Tuy nhiên, hệ
thống cần diện tích đất rộng nên tốn kém khi xây
dựng.
Máy gia tốc Cyclotrons
Không giống như LINAC, các Cyclotron
gia tốc các hạt dọc theo đường dẫn xoắn ốc hướng
ra ngoài và hạt được giữ trong đường dẫn đó bởi
một trường điện từ tĩnh vuông góc với đường
xoắn ốc. Các hạt tích điện được tiêm vào khoang
Hình 1. Robert J. Van de Graaff và máy chân không giữa hai điện cực kim loại rỗng dạng
phát mang tên ông chữ D (gọi là “dees”) từ trung tâm của Cyclotron.
Một điện áp xoay chiều tần số vô tuyến (RF
Máy gia tốc thẳng (LINAC) voltage) vài ngàn volt được áp luân phiên cho
LINAC gia tốc các hạt theo đường thẳng. hai điện cực D. Thời gian của điện áp RF được
Các hạt, thường là electron, proton, và ion, đi chuyển giữa các D, gia tốc các hạt và tăng đường
trong buồng chân không hình ống. Các điện cực kính của đường tròn sau mỗi vòng quay, biến nó
bên trong ống được đặt cách nhau để tần số vô thành xoắn ốc.
tuyến (RF) có thể được tính thời gian để kích
hoạt chúng như các hạt nằm trong khe hẹp giữa
các điện cực, và do đó tăng tốc chúng khi chúng
di chuyển từ khe này sang khe khác. Đối với hệ
LINAC công suất lớn, mỗi điện cực đều có nguồn
RF riêng.
Hình 3. Nguyên lý máy gia tốc Cyclotron
Khi các hạt đi đến ranh giới “dees”,
chúng sẽ để các hạt đi qua một khoảng cách nhỏ
và hướng tới bia. Hạt đập vào bia có thể tạo ra
phản ứng hạt nhân, và các hạt từ phản ứng đó
có thể được hướng vào các thiết bị khác nhau để
Hình 2. Nguyên lý máy gia tốc thẳng phân tích.
10 Số 51 - Tháng 6/2017
- THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
Máy gia tốc hạt đầu tiên dạng Cyclotron vòng tròn chuyển động của hạt. Một máy phát
đặt tại Đại học California, Berkeley vào những điện RF cung cấp một trường điện từ cho khoang
năm 1930 theo thiết kế của Ernest Lawrence. đúc có hình dạng đặc biệt, chuyển đổi thành các
Trong vài thập kỷ sau khi máy Cyclotron đầu tiên sóng điện từ cộng hưởng và tích tụ bên trong
được chế tạo từ năm 1934, Cyclotron là nguồn khoang. Khi các hạt tích điện đi vào khoang, lực
cung cấp chùm hạt năng lượng cao hữu hiệu cho và hướng của trường điện từ thu được sẽ gia tốc
các nghiên cứu vật lý hạt nhân. Các chùm hạt mà chúng dọc theo vòng lặp.
các Cyclotron cung cấp phù hợp cho việc sản
Giữa máy gia tốc Cyclotron và
xuất đồng vị sử dụng trong y học hạt nhân. Có
Synchrotron có sự khác biệt:
trên 1.200 Cyclotron trên thế giới được sử dụng
để tạo các đồng vị phóng xạ trong y tế. Chùm Thứ nhất, Cyclotron sử dụng từ trường và
hạt từ Cyclotron cũng được sử dụng để chiếu vào điện trường tần số không đổi, nhưng Synchrotron
cơ thể bệnh nhân nhằm tiêu diệt các khối u với sử dụng các điện trường và từ trường biến đổi.
mức độ tổn thương tối thiểu cho phần khác của
Thứ hai, Synchrotron có thiết kế ống dạng
cơ thể người. Các chùm hạt cũng còn được sử
hình trụ vòng xuyến, trong khi Cyclotron được
dụng trong chụp ảnh PET/CT.
làm bằng buồng hình trụ hoặc hình cầu.
Máy gia tốc Synchrotrons Thứ ba, các Synchrotron được sử dụng
Synchrotron, cũng như Cyclotron, là trong hầu hết các dự án quy mô lớn như máy
các máy gia tốc theo chu kỳ và phát các hạt vào gia tốc Hadron cỡ lớn (LHC) tại CERN, còn
vòng tròn khép kín, hạt tăng tốc độ sau mỗi vòng Cyclotron chủ yếu được sử dụng trong các dự án
quay. Nhưng khác với Cyclotron, vòng lặp của quy mô nhỏ.
Synchrotron không phải là một xoắn ốc. Tùy
từng mục đích sử dụng khác nhau, Synchrotron Các máy gia tốc và nghiên cứu cơ bản
phải thực hiện việc tập trung, uốn cong và gia tốc
Vật lý hạt
các hạt vào một chùm bên trong ống chân không -
có thể được thực hiện bằng các cụm thiết bị khác Nghiên cứu về vật lí hạt đòi hỏi sử dụng
nhau và vào các thời điểm khác nhau, đường đi các máy gia tốc có năng lượng cao và / hoặc
có thể là hình tròn, hình bầu dục hoặc đa giác với cường độ cao với các chùm electron (positron),
các góc tròn. muon, neutrino, proton (phản proton). Hệ thống
mới nhất của loại này là LHC (Large Hadron
Collider), được đưa vào hoạt động tại CERN năm
2010. LHC được thiết kế để gia tốc và va chạm
hai chùm proton với năng lượng đến 7 TeV.
Vật lý hạt nhân và các ngành khoa học
Nghiên cứu về các trạng thái vật chất yêu
cầu các máy gia tốc / năng lượng cao / trung bình
Hình 4. Nguyên lý máy Synchrotron
với cường độ cao hoặc các va chạm với electron
Việc gia tốc chùm hạt được xử lý bằng / positron, proton / phản proton và các chùm ion
các khoang chứa sóng vô tuyến (RF) bố trí quanh từ nhẹ đến nặng.
Số 51 - Tháng 6/2017 11
- THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
Nhiều nghiên cứu về vật lý chất rắn và chủ yếu là Cyclotron năng lượng thấp, đã được
môi trường đông đặc, sinh học, địa chất, khoa học sử dụng để sản xuất đồng vị phóng xạ. Người ta
về con người đòi hỏi phải sử dụng các máy gia cũng đang nghiên cứu khả năng sản xuất đồng vị
tốc điện tử năng lượng thấp và trung bình. Trong phóng xạ dựa trên bức xạ nơtron gây va chạm và
số nhiều dự án đang hoạt động thì SOLEIL tại chùm electron.
Pháp và DIAMOND tại Anh, là hai trong số các Phần lớn máy gia tốc y tế được sử dụng
cơ sở bức xạ Synchrotron được xây dựng gần đây để điều trị ung thư và sản xuất một số đồng vị
nhất. phóng xạ. Phần lớn trong số này là các máy gia
tốc tuyến tính sử dụng chùm electron. Tuy nhiên,
các máy gia tốc ion hoặc proton năng lượng thấp
cũng được sử dụng để điều trị các khối u, khi rất
khó điều trị bằng các phương pháp thông thường.
Lĩnh vực này đã được phát triển ở cả châu Á,
châu Âu và Mỹ.
Các máy gia tốc trong y tế, chẳng hạn như
LINAC được sử dụng dưới hai hình thức:
+ Gia tốc electron tới năng lượng cao, nơi
chúng va chạm với một mục tiêu kim loại nặng
Hình 5. Máy gia tốc tĩnh điện Tandem, để tạo ra tia X năng lượng cao
Pelletron 5SDH-2 tại khoa Vật lý, ĐH KHTN, + Sử dụng proton làm các hạt tăng tốc và
Đại học Quốc gia Hà Nội sử dụng các hạt nhân để va chạm trực tiếp với cơ
Máy gia tốc trong lĩnh vực năng lượng thể bệnh nhân.
Việc chuyển đổi chất thải phóng xạ đòi Ưu điểm của tia X năng lượng cao do
hỏi phải sử dụng các máy gia tốc proton năng máy gia tốc tạo ra là nguồn phóng xạ nhỏ hơn
lượng trung bình và cường độ cao. Nguyên lý là nguồn phóng xạ Cobalt 60 và do đó cho hình ảnh
tạo ra nơtron từ bia do chùm proton đập vào. Các sắc nét hơn. Có ít hiệu ứng trên da và ít đau đớn
tương tác của neutron với các đồng vị sống lâu hơn cho bệnh nhân. Khả năng xuyên sâu lớn của
được chiết xuất từ các lò phản ứng hạt nhân, biến tia X năng lượng cao cho phép điều trị các khối u
đổi chúng thành những đồng vị dễ quản lý hơn. ở sâu trong cơ thể.
Khái niệm về hệ thống điều khiển máy gia tốc
(ADS) đã được phát triển trong dự án MYRRHA.
Máy gia tốc hạt đang được áp dụng trong
nhiều hoạt động kinh tế - xã hội. Ban đầu được
phát triển cho nghiên cứu cơ bản, ngày nay chúng
được sử dụng cho nhiều ứng dụng, từ chăm sóc
sức khoẻ đến sản xuất chip silicon để giảm ô
nhiễm.
Máy gia tốc trong y học
Hình 6. Nguyên lý sử dụng máy gia tốc
Các máy gia tốc có kích thước khác nhau, trong y tế
12 Số 51 - Tháng 6/2017
- THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
Các proton có năng lượng lên đến 250 khoa học Việt Nam đã có nhiều nghiên cứu cơ
MeV cũng được sử dụng. Các bức xạ tạo ra chùm bản cũng như ứng dụng trên các máy gia tốc. Số
hạt sắc nét có thể điều trị các khu vực rất nhỏ của các dự án máy gia tốc cũng gia tăng mạnh mẽ trên
cơ thể. Thay đổi điện áp gia tốc cho phép điều thế giới (hình 8).
chỉnh độ xuyên sâu khác nhau - ví dụ proton 200
MeV có khoảng xuyên sâu 27 cm trong mô, trong
khi chùm năng lượng 140 MeV chỉ đạt đến độ sâu
15 cm.
Hình 8. Sự phát triển các dự án máy gia
tốc trên thế giới (Theo thống kê của mạng https://
gust.com/accelerators)
Các nhà vật lý sử dụng các máy gia tốc
hạt để trả lời các câu hỏi về vật lý cơ bản - vũ
Hình 7. Máy gia tốc Cyclotron 30 MeV trụ của chúng ta được tạo ra như thế nào, tại sao
tại Bệnh viện Trung ương quân đội 108 các vật thể có khối lượng v.v... Khi phát minh ra
Máy gia tốc trong công nghiệp máy gia tốc, chúng mới chỉ là các công cụ nghiên
cứu thuần túy. Ngày nay, các máy gia tốc đã được
Mặc dù ít được biết đến hơn các ứng dụng
sử dụng bên ngoài các phòng thí nghiệm nghiên
khác, có rất nhiều ứng dụng công nghiệp sử dụng
cứu. Các máy gia tốc đã và đang đi ra khỏi các
máy gia tốc. Máy gia tốc ion, proton, electron
phòng thí nghiệm và đã được ứng dụng trong
năng lượng thấp được sử dụng để cấy ion trong
nhiều ngành công nghiệp, y tế và đời sống xã hội
công nghiệp bán dẫn, cắt và hàn bằng electron,
trong nhiều thập kỷ, và nhiều ứng dụng mới sẽ
các máy chiếu xạ sử dụng chum electron và tia
tiếp tục được phát triển.
X, chụp ảnh và kiểm tra không phá mẫu, phân
tích chùm ion, khử trùng thực phẩm, khử trùng
y tế v.v… Lê Đại Diễn
Kết luận Trung tâm Đào tạo hạt nhân
Theo GS. Trần Đức Thiệp (Máy gia tốc,
NXB KHKT, Hà Nội 2002) tại Việt Nam các
máy gia tốc đầu tiên là các máy phát notron NA-
3-C do Hungary chế tạo và máy gia tốc điện tử
Microtron MT-17 do Liên Xô chế tạo đã được lắp
đặt vào các năm 1974 và 1982 tại Viện Vật lý,
Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt nam.
Cho đến nay, các nhà vật lý cũng như cộng đồng
Số 51 - Tháng 6/2017 13
nguon tai.lieu . vn
