- Máy gia tốc hạt là một thiết bị được thiết kế để tạo ra va chạm trực diện giữa các các hạt cơ bản với động năng cực lớn nhằm phá vỡ cấu trúc của các hạt cơ bản để tìm ra các hạt mới ki
Trang 1TRƯỜNG CAO ĐẲNG KĨ THUẬT LÍ TỰ TRỌNG
KHOA: CƠ KHÍ LỚP: 15CĐ-CTM2 Môn: Vật Lý Đại Cương 2
BÀI BÁO CÁO
Bài 19: CÁC PHƯƠNG PHÁP
GIA TỐC HẠT
Thực hiện: Nhóm 9
Giáo viên bộ môn: Nguyễn Thanh Tú
Tp Hồ Chí Minh – 6/2016
Trang 2Bài 19 (1 tiết): CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TỐC HẠT
Mục tiêu đạt được:
1 Biết được vì sao phải dùng tới máy gia tốc.
2 Nắm rõ cấu tạo và nguyên lí hoạt động của máy gia tốc Vanđơgraf.
3 Hiểu được cấu tạo và nguyên lí hoạt động của máy Cyclotron.
4 Giới thiệu một số máy gia tốc hạt khác trên thế giới và việc sẽ dùng máy gia tốc trong ngành
y tế tại Việt Nam.
5 Tóm tắt lại nguyên tắc hoạt động của máy gia tốc hạt.
I Máy gia tốc hạt
1 Máy gia tốc hạt là gì?
- Máy gia tốc hạt là một thiết bị được thiết kế để tạo ra va chạm trực diện giữa các các hạt cơ bản với động năng cực lớn nhằm phá vỡ cấu trúc của các hạt cơ bản để tìm ra các hạt mới kiểm chứng các lý thuyết mới của vật lý lượng tử
- Thiết bị dùng điện trường hay cả điện trường và từ trường để tăng tốc các hạt điện đều được gọi chung là máy gia tốc hạt
+ Vì vậy nguyên lí hoạt động, cấu tạo, kích thước của các máy gia tốc là khác nhau Máy gia tốc được sử dụng trong nhiều lĩnh vực
+ Trong vật lí, máy gia tốc đóng vai trò rất quan trọng Nó được sử dụng để nghiên cứu các hạt sơ cấp
2 Phân loại máy gia tốc: Có 4 loại máy gia tốc Phân loại theo quỹ đạo chuyển động
của hạt Phân loại máy gia tốc theo loại hạt Phân loại theo quỹ đạo chuyển động của hạt Phân loại theo tính chất trường gia tốc Phân loại theo năng lượng của hạt được gia tốc
- Phân loại theo quỹ đạo chuyển động của hạt.
a Máy gia tốc quỹ đạo thẳng
Máy gia tốc thẳng là loại máy gia tốc cổ Máy gia tốc thẳng cổ nhất hiện nay là máy Vi-do-ro-e ra đời từ năm 1930: Cho chùm hạt mang điện đi qua một dãy nối tiếp các miền trong đó có điện trường, các hạt mang điện sẽ được tăng tốc nhờ điện trường Cuối cùng, các hạt mang điênn có thể có năng lượng khoảng vài trăm MeV(Electron Vôn) Máy Vandegraf là máy gia tốc thẳng
b Máy gia tốc quỹ đạo tròn
- Máy gia tốc vòng là loại máy gia tốc trong đó có các hạt chuyển động theo các đường vòng Để buộc các hạt chuyển động theo các đường vòng, người ta dùng
từ trường của nam châm có dạng thích hợp để uốn cong quĩ đạo của hạt Còn để tăng tốc các hạt thì người ta dùng điện trường
- Có hai kiểu gia tốc vòng:
+ Kiểu Cyclotron: Là loại máy gia tốc giúp tăng vận tốc của hạt mang điện bằng cách kết hợp điện trường và từ trường Đây là loại máy gia tốc rất hữu ích hiện nay Trong các Cyclotron, quĩ đạo của các hạt điện tích là các đường xoắn
ốc phẳng
Trang 3+ Kiểu Synchrotron: Là hệ thống dùng để gia tốc các loại hạt tích điện
(charged particles) như electrons trong một quỹ đạo giúp đạt đến vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng Trong các Synchrotron, quĩ đạo của các hạt là đường tròn, muốn quĩ đạo của các hạt là đường tròn người ta phải dùng nhiều nam châm có cảm ứng từ khác nhau và bố trí theo thứ tự cảm ứng từ tăng dần Mỗi khi hạt được tăng tốc thì cảm ứng của từ trường phải tăng tương ứng để giữ cho bán kính của quĩ đạo không đổi
3 Chuyển động của một hạt trong điện từ trường đều
Một điện tích q > 0 chuyển động với vận tốc là v trong từ trường đều, ta đã biết từ trường tác dụng lực từ lên điện tích q là lực Lorenxơ (Lorentz) được xác định bằng biểu thức
Trong đó θ là góc hợp bởi véc tơ vận tốc và véc tơ cảm ứng từ
Khi θ = 0 hoặc θ = 1800 (tương ứng với điện tích chuyển động dọc theo đường sức
từ trường và ngược chiều đường sức từ trường) thì lực Lorenxơ bằng 0 (hay không
có lực từ tác dụng lên điện tích Khi điện tích chuyển động vuông góc với các đường sức từ trường, lực Lorenxơ đóng vai trò lực hướng tâm tạo nên chuyển động với quỹ đạo cong, do hướng của véc tơ lực luôn vuông góc với hướng của véc tơ vận tốc nên véc tơ lực từ cũng luôn vuông góc với hướng chuyển động của điện tích Công của lực Lorenxơ sinh ra bằng 0 => năng lượng của điện tích không đổi => vận tốc không đổi
=> chuyển động của điện tích là chuyển động tròn đều
Bán kính quỹ đạo chuyển động của điện tích chuyển động theo phương vuông góc với các đường cảm ứng từ
Kết luận:
• Chuyển động của các điện tích trong từ trường đều có độ lớn vận tốc là không đổi chỉ có hướng thay đổi
• Căn cứ vào biểu thức tính độ lớn của bán kính quỹ đạo khi điện tích chuyển động vuông góc với các đường sức từ ta có thể tăng tốc cho các hạt điện tích trong từ trường và có thể giữ được độ lớn vận tốc của điện tích đó sau khi tăng tốc
4 Vai trò của máy gia tốc?
- Khi nói đến máy gia tốc chắc chắn chúng ta ai cũng nghĩ rằng đó là thiết bị để tăng năng lượng cho các hạt cần gia tốc Câu hỏi đặt ra ở đây là tại sao lại phải gia tốc và năng lượng cần gia tốc phải đạt đến bao nhiêu Hơn thế nữa ngoài chức năng tăng năng lượng cho các hạt thì máy gia tốc còn có những vai trò gì?
- Để nghiên cứu cấu trúc của vật chất ở trạng thái vi mô cần có những phương tiện khác hẳn với trạng thái vĩ mô Một trong những phương tiện đó là sử dụng
Trang 4các loại hạt bắn phá vào vật chất bao gồm các hạt cơ bản cũng như ion của các nguyên tử Cấu trúc và tính chất của vật chất được phát hiện nhờ vào sự tương tác của các hạt kể trên với vật chất Điều cần thiết là để có được khả năng như vậy thì các hạt phải có năng lượng nhất định và cường độ của chúng phải đủ lớn Phương tiện duy nhất có thể giúp chúng là được điều đó là các máy gia tốc
- Bên cạnh việc phát triển máy gia tốc do mục đích nghiên cứu thì ngày nay nhiều nhu cầu đòi hỏi phải xây dựng các máy gia tốc để phục vụ các nhu cầu cần thiết sau:
+ Tạo ra các vật liệu mới có những tính chất đặc biệt
+ Là phương tiện phân tích hiệu quả
+ Phục vụ nghiên cứu và điệu trị trong Y học
+ Là phương tiện chụp ảnh có hiệu quả trong công nghiệp và rất nhiều ứng dụng khác
II. Máy gia tốc Van de Graff (Hay còn gọi là máy phát Van de Graff)
1 Cấu tạo máy gia tốc Van de Graff.
- Nguyên tắc chính trong việc gia tốc các hạt tích điện là cho các hạt này chuyển động giữa hai điện cực với hiệu điện thế U Sau khi đi qua hai điện cực này, hạt
có điện tích q sẽ nhận thêm một năng lượng
- Tuy nhiên, máy tĩnh điện dựa trên nguyên tắc trên được biết đến từ lâu, nhưng điện thế chỉ đạt đến vài trăm nghìn vôn Người đầu tiên xây dựng thành công máy gia tốc tĩnh điện có điện thế trên một triệu vôn là Van De Graaf vào năm 1929
- Thành phần cấu tạo:
+ Biến thế T: Dùng dể tạo điện thế
+ Bộ phận chỉnh lưu K: Dùng để tạo dòng điện một chiều
+ Tụ C giúp cân bằng điện tích
+ B: Quả cầu kim loại rỗng (điện cực điện thế cao) được nối với điện cực điện thế thấp(đất) qua băng tải A (băng tải được làm từ vật liệu cách điện)
+ O1O2: Hai con lăn giúp băng tải A chuyển động
+ O, D hai mũi nhọn dung để truyền điện tích
2 Nguyên lí hoạt động của máy gia tốc Van de Graff.
- Với sự giúp đỡ của biến thế T tạo ra điện thế một vài chục nghìn vôn Qua mũi nhọn O điện tích được truyền lên băng tải A tại đầu điện thế thấp(dất) và được truyền đến cực kia Để tích điện liên tục băng tải A được chuyển động liên tục trên trục P nhờ hai con lăn O1,O2 Qua mũi nhọn D điện tích được chuyển từ băng tải A sang quả cầu B Các điện tích tích tụ tại bề mặt của quả cầu nâng điện thế lên cho đến khi dòng điện rò từ điện cực ra xung quanh bằng với dòng điện do băng tải A 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
Trang 5III Máy gia tốc Cyclotron
1 Cấu tạo của máy gia tốc Cyclotron.
- Cyclotron là một dạng của máy gia tốc hạt tròn Nó gia tốc những hạt tích điện dùng tần số cao Một từ trường thẳng đứng gây ra cho hạt theo hình xoắn ốc trong một đường tròn để chúng được gia tốc nhiều lần Và Ernest Lawrence của Đại học California Berkeley được công nhận với máy gia tốc hạt đầu tiên – Cyclotron vào năm 1929
- Máy Cyclotron có hai hộp rỗng hình chữ D làm bằng đồng ghép với nhau thành một hình tròn được đặt trong chân không Hai cạnh thẳng của các hộp ấy không đặt sát nhau hoàn toàn mà cách nhau một khoảng hẹp Hai hộp được nối với hai cực của nguồn điện có chiều thay đổi một cách tuần hoàn theo thời gian Vì vây, trong khoảng hẹp của chúng có điện trường luôn thay đổi một cách tuần hoàn Hộp đặt trong từ trường đều của một nam châm điện, vectơ cảm ứng từ vuông góc với mặt hộp
2 Nguyên lí hoạt động.
Một hạt tích điện dương xuất phát từ điểm P vào thời điểm hiệu điện thế ở cực A lớn hơn B Trong thời gian T/2 hạt đi được một nửa đường tròn ra khỏi điện cực B
và chuyển động theo hướng tới cực A Sau thời gian T/2 hiệu điện thế đổi dấu, điện thế ở điện cực B trở nên cao hơn A, và hạt được gia tốc.− Trong điện cực A hạt chuyển động với vận tốc lớn hơn và trong thời gian T/2 hạt điđược ½ quỹ đạo với bán kính lớn hơn, sau đó chuyển động từ A sang B và lại được gia tốc.− Mỗi lần hạt chuyển động từ cực này sang cực kia hạt lại được tăng tốc và nhận một năng lượng là 2nqU ( n, số vòng quay) Ở quỹ đạo cuối cùng hạt được lái ra ngoài qua cửa sổ W
3 Nhược điểm của máy gia tốc Cyclotron.
Máy gia tốc Cyclotron có một nhược điểm mà hầu như máy gia tốc nào cũng mắc phải, đó là khi vận tốc của hạt rất lớn, do hiệu ứng tương đối tính, hạt có khối
lượng thay đổi Khi đó chu kỳ quay sẽ không cùng pha với hiệu điện thế của nguồn điện Vì vậy, máy xiclotron chỉ có thể tăng tốc cho hạt tới một giới hạn nhất định nào đó
IV Giới thiệu một số máy gia tốc trên thế giới và việc dùng máy gia tốc
trong y tế Việt Nam
1 Một số máy gia tốc trên thế giới
a/ Máy gia tốc Large Hadron Collider (LHC)
LHC là máy gia tốc hạt lớn nhất và mạnh nhất thế giới Chiếc máy được chứa trong một đường hầm vòng tròn với chu vi 27 km, nằm ở độ sâu từ 50 đến 175 m dưới mặt đất Đường kính hầm là 3,8 m, có cấu trúc bê tông, được xây dựng trong các năm từ 1983 đến 1988, nguyên được dùng làm nơi chế tạo máy Large
Electron-Positron Collider Đường hầm có 4 điểm chạy cắt qua biên giới Pháp-Thụy Sĩ, với phần lớn năm trên nước Pháp Trên mặt công trình bao gồm rất nhiều thiết bị hỗ trợ như máy nén, quạt gió, các thiết bị điện tử điều khiển và các thiết bị làm mát
Trang 6b/ Máy gia tốc Tandem
Nguyên lí: 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) và được gia tốc thêm một lần nữa
Chẳng hạn, các ion âm của hyđrogen H- được gia tốc theo phương đến điện cực dương có điện thế cao Tại điện cực này các ion H- tán xạ lên một bia mỏng, một
số lớn các ion bị mất hai electron và trở thành proton tích điện dương H+ Các proton này lại bị điện cực dương đẩy ngược lại nghĩa là chúng bị gia tốc thêm lần nữa vả năng lượng tăng lên gấp đôi
Hiện nay đã có các máy tandem chuyển điện tích các ion 2 lần, do đó năng lượng của chúng tăng lên gấp ba
2 Sử dụng máy gia tốc trong y tế Việt Nam
a/ Máy gia tốc tuyến tính (LINAC) tại Bệnh viện Bạch Mai Hà Nội
Máy gia tốc tuyến tính Primus của hãng SIEMENS được sản xuất với tiêu chuẩn
kỹ thuật cao để điều trị hầu hết các bệnh ung thư Năng lượng electron trực tiếp của Primus được sử dụng trong điều trị các tổn thương nông và khối u ở sát bề mặt với
độ nông sâu khác nhau như ung thư da và ung thư vú Năng lượng photon dùng dể điều trị khối u ở độ nông sâu khác nhau như u vùng tai mũi họng, vùng cổ, u phổi,
u trung thất, các khối u vùng bụng và tiết niệu, khối u xương, não, đầu, cổ, ngực, phổi, hạch bạch huyết, tuyến tụy, xương chậu và các bệnh ở trẻ em Với những ưu điểm này, máy Primus có thể điều trị hiệu quả khối u ở mọi vị trí: trong não, đầu mặt cổ, phổi, các tạng trong ổ bụng, hạch bạch huyết
b/ Máy gia tốc thẳng Linax CX tại Bệnh viện TW Quân đội 108
Hiện nay, hệ thống máy gia tốc Clinax CX của hãng Varian (Hoa Kỳ) tại bệnh viện
là hệ thống máy xạ trị hiện đại nhất tại Việt Nam có chức năng 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,
do đó giúp điều trị chính xác, tăng hiệu quả kiểm soát khối u và giảm thiểu các biến chứng do xạ trị Các bác sỹ xạ trị ung thư và kỹ sư vật lý tại Đơn vị xạ trị đều
có tâm huyết và được đào tạo một cách bài bản, chuyên nghiệp tại các Trung tâm xạ trị ung thư có uy tín trong và ngoài nước
V Tóm tắt lại nguyên tắc cơ bản hiện nay để gia tốc hạt.
Công việc đáng khao khát nhất của các nhà vật lí nghiên cứu hạt sơ cấp là: cho các hạt hạ nguyên tử lao vào nhau ở tốc độ kinh khủng để làm sáng tỏ những bí ẩn của vũ trụ
Máy va chạm nguyên tử, hay máy gia tốc hạt, cho các hạt va chạm với các nguyên tử hay các hạt hạ nguyên tử khác ở tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, làm sinh ra những hạt mới và bức xạ, chúng sẽ cho các nhà khoa học biết về những viên gạch cấu trúc của vật chất