LUẬN văn sư PHẠM vật lý máy GIA tốc và ỨNG DỤNG

Sự đa dạng của các loại hạt được gia tốc, năng lượng, cường độ cùng các dòng hạt thứ cấp sinh ra: bức xạ hãm, bức xạ đồng bộ, neutron, mesons, các chùm hạt nhân phóng xạ,…đã mở rộng lĩnh

GV hướng dẫn: Sinh viên: Huỳnh Hoàng Ba

ThS.Dương Quốc Chánh Tín Lớp: Sư phạm Vật lí – Tin học K34

Mã số SV: 1080260

  

Lần đầu tiên làm quen với công tác nghiên cứu khoa học thuộc lĩnh vực chuyên ngành khá mới mẻ: Máy gia tốc và ứng dụng, tôi đã vấp phải rất nhiều khó khăn Nhưng được sự tận tình hướng dẫn và giúp đỡ của thầy Dương Quốc Chánh Tín, quý thầy cô Bộ môn Sư phạm Vật lí, cùng sự ủng hộ và động viên nhiệt tình của các bạn lớp Sư phạm Vật lí – Tin học khóa

34 nên tôi đã khắc phục được những khó khăn và hoàn tất luận văn Tôi xin chuyển lời cảm ơn chân thành đến thầy Dương Quốc Chánh Tín, quý thầy cô Bộ môn Sư phạm Vật lí và tập thể lớp Sư phạm Vật lí – Tin học khóa 34 đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành tốt luận văn Trong quá trình thực hiện đề tài, mặc dù đã cố gắng nhưng vì điều kiện thời gian và tài liệu thạm khảo còn hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót Mong sự đóng góp ý kiến của quý Thầy Cô, cùng các bạn để luận văn được hoàn thiện và đầy đủ hơn

Cần Thơ, 05/2012

Tác giả

PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1

PHẦN 2: NỘI DUNG 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA TỐC 3

1.1 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH 3

1.2 MỘT SỐ MÁY GIA TỐC HIỆN NAY 4

1.3 PHÂN LOẠI MÁY GIA TỐC 9

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ VẬT LÍ CỦA MÁY GIA TỐC 11

2.1 CHUYỂN ĐỘNG CỦA HẠT TRONG ĐIỆN TRƯỜNG VÀ TỪ TRƯỜNG 11

2.1.1 Chuyển động của hạt trong từ trường đều 11

2.1.2 Sự lệch của hạt trong điện trường và từ trường 14

2.2 THUYẾT TƯƠNG ĐỐI HẸP CỦA ESINTEIN 17

2.2.1 Sự chậm lại của thời gian 17

2.2.2 Sự co lại của độ dài 18

2.2.3 Khối lượng 19

2.2.4 Hệ thức liên hệ giữa khối lượng và năng lượng 19

2.3 MỘT SỐ LOẠI MÁY GIA TỐC THẲNG 21

2.3.1 Máy gia tốc Walton – Cockrorf 21

2.3.2 Máy gia tốc Van De Graff 23

2.3.3 Máy gia tốc thẳng 24

2.4 MÁY GIA TỐC CÓ QUỸ ĐẠO TRÒN 26

2.4.1 Máy gia tốc Cyclotron 27

2.4.2 Betatron 28

2.4.3 Synchrotron, Phasotron, Synchrophasotron 30

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA MÁY GIA TỐC 33

3.1 ỨNG DỤNG TRONG PHÂN TÍCH 33

3.2 ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP 33

3.2.1 Chụp ảnh công nghiệp 33

3.2.2 Chiếu xạ thực phẩm, nông sản, khử trùng dụng cụ y tế 33

3.3 ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC 44

3.3.1 Phương pháp xạ trị ung thư bằng máy gia tốc tuyến tính 44

3.3.2 Xạ trị bằng bức xạ gamma 52

3.3.3 Sản xuất đồng vị phục vụ chuẩn đoán và chữa bệnh 54

3.3.4 Ứng dụng của máy gia tốc trong chuẩn đoán y học 54

3.4 ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU HẠT CƠ BẢN 54

3.4.1 Hạt cơ bản 55

3.4.2 Tìm hạt Higgs 58

3.4.3 Tìm hạt siêu đối xứng 58

3.4.5 Nghiên cứu các hiện tượng liên quan đến hạt quark b trên hệ đo LHCb 59

3.4.6 Máy gia tốc LHC 60

3.4.7 Ứng dụng bức xạ hãm từ máy gia tốc nghiên cứu phản ứng quang hạt nhân……….65

3.4.8 Ứng dụng bức xạ đồng bộ trong nghiên cứu vật chất………… …… 66

3.5 ỨNG DỤNG TRONG PHẢN ỨNG HẠT NHÂN NHÂN TẠO 66

3.6 ỨNG DỤNG TRONG VIỆC XỬ LÍ CHẤT THẢI PHÓNG XẠ 68

PHẦN 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO

Đề tài: MÁY GIA TỐC VÀ ỨNG DỤNG Phần 1: MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

2 Mục đích của đề tài

3 Mục tiêu của đề tài

4 Phương pháp và phương tiện nghiên cứu đề tài

5 Các bước thực hiện đề tài

Phần 2: NỘI DUNG

Chương 1: Tổng quan về máy gia tốc

Chương 2: Cơ sở vật lí của máy gia tốc

Chương 3: Ứng dụng của máy gia tốc

PHẦN 1: MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Với khát khao khám phá và chinh phục thiên nhiên, từ ngàn xưa con người đã bắt những vị thần lửa, thần gió, thần nước,… phải phục vụ cho đời sống của mình Và cũng xuất phát từ những khát vọng ấy, những máy móc thiết bị ngày càng hiện đại, tinh xảo lần lượt ra đời, giúp con người mở rộng, đào sâu, nâng cao tầm hiểu biết về thế giới tự nhiên Hiện nay với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, nhiều thiết bị công nghệ cao đã được phát minh, trong đó có thể nói máy gia tốc là một thiết bị hoàn thiện và tinh vi nhất 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 liên tục đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực ứng dụng của đời sống, đặc biệt là về lĩnh vực nghiên cứu vật lí hạt nhân

và vật lí hạt cơ bản Sự đa dạng của các loại hạt được gia tốc, năng lượng, cường độ cùng các dòng hạt thứ cấp sinh ra: bức xạ hãm, bức xạ đồng bộ, neutron, mesons, các chùm hạt nhân phóng xạ,…đã mở rộng lĩnh vực ứng dụng của Máy Gia Tốc trong công nghiệp, y học, nghiên cứu cấu trúc hạt nhân,…Và trong nền khoa học kỹ thuật nó giữ một vị trí chủ đạo, phục vụ tri thức con người và sự phát triển đi lên của các quốc gia trên thế giới

Ở nước ta, tuy đã có nhưng rất ít người biết đến máy gia tốc và những ứng dụng của nó cũng rất hạn chế Bản thân là sinh viên vật lí, nhưng những kiến thức của em về máy gia tốc vẫn còn hạn chế Do đó em chon đề tài “Máy gia tốc và ứng dụng “ với hy vọng có thể trang

bị cho mình những kiến thức cần thiết về nguyên lý hoạt động cơ bản và những ứng dụng điển hình của máy gia tốc, qua đó nhận thức được tầm quan trọng của máy gia tốc trong nền khoa học kỹ thuật còn non trẻ ở nước ta

2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Tìm hiểu về máy gia tốc và những ứng dụng của nó trong đời sống, nghiên cứu khoa hoc

Từ đó nhận thức được tầm quan trọng của máy gia tốc trong nền khoa học kỹ thuật của nước ta

3 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

- Xây dựng cơ sở lý thuyết về cách phân loại, cơ sở vật lí của máy gia tốc

- Tìm hiểu cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của một số loại máy gia tốc có quỹ đạo thẳng và máy gia tốc có quỹ đạo tròn

- Tìm hiểu ứng dụng của máy gia tốc trong phân tích, công nghiệp, y học, nghiên cứu hạt cơ bản, phản ứng hạt nhân nhân tạo, xử lí chất thải phóng xạ

4 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

a Phương pháp thực hiện đề tài

- Nghiên cứu lí thuyết cách phân loại, cơ sở vật lí, một số máy gia tốc hiện nay, cấu tạo và

nguyên tắc hoạt động của một số loại máy gia tốc có quỹ đạo thẳng và một số máy gia tốc có

quỹ đạo tròn, ứng dụng của máy gia tốc.

- Phân tích các ứng dụng cụ thể của máy gia tốc

b Phương tiện thực hiện đề tài

- Các tài liệu tham khảo gồm có: các giáo trình điện từ học, vật lý hạt cơ bản, cơ học

- Các công trình nghiên cứu khoa học về ứng dụng của máy gia tốc trong đời sống, nghiên cứu khoa học

- Các trang web khoa học nói về máy gia tốc

5 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

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 GVHD

Bước 5 Viết bài luận, chỉnh sửa, hoàn thiện bài viết

Bước 6 Viết báo cáo

Bước 7 Bảo vệ luận văn

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 MỘT SỐ MÁY GIA TỐC HIỆN NAY

Máy gia tốc cộng hưởng từ:

Máy gia tốc Năm hoạt

động Hình dạng Hạt được gia tốc Động năng9-inch cyclotron 1931 Tròn Hidro 1 MeV11-inch cyclotron 1932 Tròn Proton 1,2 MeV27-inch cyclotron 1932 Tròn Deuteron 4,8 MeV37-inch cyclotron 1937 Tròn Deuteron 8 MeV60-inch cyclotron 1939 Tròn Deuteron 16 MeV

184-inch cyclotron 1942 Tròn Various >100 MeV

Synchrotrons:

Calutrons 1943 Móng ngựa Uranium

Cosmotron 1953 Vòng tròn Proton 3,3GeV

Birmingham

Bevatron 1954 Đường thẳng Proton 6,2 GeV

SLAC Linac 1966 Đường thẳng Electron/ Positron 50 GeVFermilab Booster 1970 Tròn Protons 8 GeV

Bates Linear

Accelerator 1967-2005 Thẳng Electrons phân cực 1GeV

cựcELSA 1987 Synchrotron Electrons 3,5 GeVISIS neutron source 1984 H- Linac Protons 800 MeV

Sự va chạm của Electron và positron:

Máy gia tốc Năm vận

hành

Hình dạng và chu

vi

Năng lượng Electron

Năng lượng PositronAdA 1961-1964 Tròn 3 m 250 MeV 250 MeVPrinceton-Stanford 1962-1967 2 vòng tròn 12 m 300 MeV 300 MeVVEP-1 1964-1968 2 vòng tròn 2.7 m 130 MeV 130 MeVVEPP-2, VEPP-2M 1965-1999 Tròn 17,88 m 700 MeV 700 MeV

SLC 45 GeV 45 GeVLEP 1989-2000 Tròn 27 km 104 GeV 104 GeVDORIS 1974-1993 Tròn 300 m 5 GeV 5 GeVPETRA 1978-1986 Tròn 2 km 20 GeV 20 GeVCESR 1988-2008 Tròn 2,2 km 9 GeV 3,1 GeVKEKB 1999-2008 Tròn 3 km 8 GeV 3,5 GeV

BECP 1989-2004 Tròn 240 m 2,2 GeV 2,2 GeV

DA ΦNE 1999 Tròn 98 m 0,7 GeV 0,7 GeVBECP II 2008 Tròn 240 m 3,7 GeV 3,7 GeV

Sự va chạm Hadron:

Máy gia tốc Năm vận

hành Hình dạng và kích thước Hạt va chạm lượng của Năng

tia

Máy gia tốc Năm hoạt

động Hình dạng và kích thước Năng lượng electron lượng Năng

Ion được dùng Năng

lượng ion

Relativistic Heavy

Ion Collider 2000 3,8 km Au-Au; Cu-Cu; 0,1 TeV

Large Hadron

Collider, ion mode 2008 Vòng tròn (27 km) Pb-Pb 2,76 TeV

1.3 PHÂN LOẠI MÁY GIA TỐC

1.3.1 Phân loại máy gia tốc theo loại hạt

Không phải máy gia tốc nào cũng có thể gia tốc được các hạt có khối lượng khác nhau Theo định luật Esintein E = mc2, thì m phụ thuộc E, E tăng ⇒ m tăng ⇒ thời gian hạt đi được một vòng trong máy tăng ⇒ mất đồng bộ với điện trường gia tốc, nhất là đối với các hạt nhẹ Do đó chỉ có loại máy gia tốc chỉ gia tốc được các hạt nặng hoặc hạt nhẹ

a Máy gia tốc hạt nặng: (các hạt proton, đơteri, alpha và ion nặng )

Máy gia tốc Cylotron, Walton-Cockroft, Vande Gaff, máy gia tốc thẳng, Synchrotron, Phasotron, SynchroPhasotron

b Máy gia tốc hạt nhẹ: ( hạt electron )

Máy gia tốc thẳng, Betatron, Microtron, Synchrotron, Phasotron, SynchroPhasotron

c Máy gia tốc hạt nặng lẫn hạt nhẹ:

Máy gia tốc Walton-Cockroft, Vande Gaff, máy gia tốc thẳng

1.3.2 Phân loại máy gia tốc theo quỹ đạo chuyển động của hạt.

Trong quá trình gia tốc, hạt có thể chuyển động theo quỹ đạo thẳng hoặc tròn

a Máy gia tốc quỹ đạo thẳng: Walton-Cockroft, Vande Gaff, máy gia tốc thẳng

b Máy gia tốc quỹ đạo tròn

- Máy gia tốc có quỹ đạo là đường xoáy ốc: Cylotron, Phasotron

- Máy gia tốc có quỹ đạo là đường tròn bán kính không đổi ( R = const ): Synchrotron, Phasotron, SynchroPhasotron

- Máy gia tốc có quỹ đạo là đường tròn có bán kính tăng dần và luôn tiếp xúc tại một điểm: Microtron

1.3.3 Phân loại máy gia tốc theo tính chất trường gia tốc.

a Máy gia tốc tĩnh điện (điện trường một chiều ): Walton-Cockroft, Van de Graff, Tandem-Van de Graff

b Máy gia tốc điện trường xoay chiều: Phasotron, SynchroPhasotron, Cylotron, máy gia tốc thẳng, Microtron

c Máy gia tốc từ trường biến thiên: Betatron

1.3.4 Phân loại máy gia tốc theo năng lượng hạt gia tốc.

a Máy gia tốc không tương đối tính:

Là các máy gia tốc chỉ đưa năng lượng hạt đến những giá trị mà tại đó vận tốc hạt v<<c

(vận tốc ánh sáng ) hoặc m (khối lượng hạt ) không lớn hơn nhiều so với m0 (khối lượng dừng của hạt ): Walton-Cockroft, Van de Graff, Cylotron.

b Máy gia tốc tương đối tính: Phasotron, Betatron, Synchrotron, SynchroPhasotron, Cylotron, máy gia tốc thẳng, Microtron

CHƯƠNG 2:

CƠ SỞ VẬT LÍ CỦA MÁY GIA TỐC

Để nghiên cứu bản chất và các đại lượng đặc trưng của lực hạt nhân và các hạt cơ bản, cấu trúc của các nucleon, cần phải có những nguồn hạt bắn phá với nhiều chủng loại khác nhau, mật độ lớn và được gia tốc đến năng lượng cần thiết Do vậy nhiệm vụ của máy gia tốc là phải tạo ra được những chùm hạt có tính chất như thế Vậy hoạt động của máy gia tốc phải dựa trên những cơ sở vật lý nào?

Nguyên lý chung của máy gia tốc là sự tương tác của các hạt tích điện với điện từ trường Lực điện trường sẽ làm hạt chuyển động có gia tốc, làm cho năng lượng hạt tăng lên, tỉ lệ với quãng đường đi được qua điện trường Lực từ giúp thay đổi hướng chuyển động của hạt, để hạt luôn nằm trong vùng tác dụng của điện trường

2.1 CHUYỂN ĐỘNG CỦA HẠT TRONG ĐIỆN TRƯỜNG VÀ TỪ TRƯỜNG

Hạt tích điện chuyển động trong điện từ trường sẽ chịu tác dụng của hai lực đồng thời là: lực điện F= e E và lực từ FL

Phương trình mô tả chuyển động của hạt:

= e E + e[v B]

dt v d m

F = evBsin900 = evB

Vì phương của lực FL luôn luôn vuông góc với phương của vectơ vận tốc v và phương của từ trường B, do đó FL sẽ đóng vai trò tác dụng của một lực hướng tâm Dưới tác dụng của lực FL hạt sẽ chuyển động theo một quỹ đạo tròn có bán kính R xác định như sau:

Theo định luật II Newton ta có:

R

v m

= ma

=

m e

v

= R

. (2.3)

e

m : điện tích riêng của hạt

T =

e

m B (2.5)Như vậy khi hạt mang điện chuyển động theo phương thẳng góc với B trong từ trường đều thì nó sẽ chuyển động tròn đều với bán kính và chu kỳ hoàn toàn xác định

Nếu hai hạt giống nhau có vận tốc khác nhau chuyển động thẳng góc với B và cùng xuất phát từ một điểm M thì sau khi chuyển động được một vòng với cùng một khoảng thời gian,chúng sẽ gặp nhau tại điểm M (Hình 2.2)

Ta thấy chu kỳ T và tần số góc ω chỉ phụ thuộc vào cảm ứng từ B và tỷ số e/m

Trong thực nghiệm, chùm electron được tạo ra từ ống phóng electron Các electron sau khi được bức xạ từ catốt sẽ được gia tốc bởi điện trường giữa anốt và catốt nhờ giữa chúng

có một hiệu điện thế gia tốc U

Động năng của electron thu được trong điện trường là: 12mv 2 =eU

⇒ Vận tốc mà electron thu được là:

2.1.1.2 Trường hợp B= const, E=0, v tạo với Bmột góc α ≠ π/2:

Lực tác dụng lên hạt mang điện có phương thẳng góc với mặt phẳng ( )v, B , có chiều sao cho (v, B, FL) tạo thành tam diện thuận khi e>0

Fn = e[vn ∧B] có độ lớn Fn = evBsinα làm cho hạt chuyển động theo quỹ đạo tròn.

Do đó chuyển động của hạt sẽ là tổng hợp của hai chuyển động:

- Lực Fn làm cho hạt chuyển động tròn trên mặt phẳng thẳng góc với B

Bán kính quỹ đạo: R=

v n e

m B

=v sin α e

.1

B

2.1.2 Sự lệch của hạt trong điện trường và từ trường

2.1.2.1 Trong điện trường

Xét chuyển động của một hạt mang điện (e>0),có khối lượng m chuyển động với vận tốc

v0 khi bay vào trong điện trường đều giữa hai bản của một tụ điện phẳng, dọc theo trục Ox,

tụ điện có chiều dài l1, sau đó hạt chuyển động tự do một đoạn l2 rồi đến màn Chọn

Ez=Ex=0 ; Ey=E

Lực điện tác dụng lên hạt là Fd = e.E Phương trình chuyển động có dạng:

E e

= dt

v d

eE

= v eE

= dt

v

l

= t

.Độ lệch của hạt trong điện trường: y1= 1

2at 1

2

= 1 2

eE m

l m

eE

= y + y

eE

= tgα

Kết quả trên cho thấy, sau khi ra khỏi tụ điện hạt chuyển động thẳng giống như nó đã xuất phát từ giữa tụ điện, với phương chuyển động hợp với Ox một góc α

là l1, sau đó hạt chuyển động tự do một đoạn l2 rồi đập vào màn.

Lực từ tác dụng lên hạt mang điện: F= e( )vx B



Trên trục Ox : X x 0

x = F = v = v dt

= F

= dt

0

1y 2 0

1y 2

2

v

l l B m

e

= l v

v

= y v

v

= l

v

l B m

e

= y + y

= y

2

1 0

1

(2.10)Hình 2.5

Góc lệch của hạt so với phương ban đầu: tgα= e

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 mọi hệ qui chiếu quán tính nhưng không nói rõ các hiện tượng khác như là nhiệt, điện, từ có xảy ra như nhau trong mọi 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 Einsteinphát 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 Ðiều 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 được 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 đang chuyển động tương đối so với hệ đứng yên)

Xét một hiện tượng xảy ra tại A trong hệ quy chiếu O’ Đối với hệ này A đứng yên, x là tọa độ, t1’ là thời điểm hiện tượng bắt đầu xảy ra, t’

2 là thời điểm biến cố chấm dứt

Trong hệ O’, thời gian hiện tượng xảy ra: '

1

' 2 '

t t

t = −

∆ Gọi v là vận tốc của A đối với hệ

quy 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:

2 2

' 2

x c

v t

' 2

' 2 2

1

c v

x c

v t t

t

c v t c

v

t t t

2 2 '

2 2

' 1

' 2 1

2

1

1 1

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 quy chiếu đứng yên

⇒ Thời gian có tính tương đối, 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= x2 – x1, trong hệ O’ thì kích thước thanh: '

1

' 2

2

2 '

1

' 2 1

2

2

2 '

1

1

2

2 '

1

x

x

x

t v c

v x

x

t v c

v x

⇒ Khi vật chuyển động kích thước của nó co lại theo phương chuyển động.

1

1

c v m

m

−

=

m0 : khối lượng của vật lúc đứng yên

Theo định luật II Newton, ta có: F m d dt v





= nhưng m thay đổi theo v nên ta phải viết biểu thức của lực tác động như sau:

1

.

c v

v m dt

d dt

v m d

F







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

v m

1

.

c v

dt

dv v c

v m

dt dv c v

m

1

.

2 2

1

3

2 2

2 0

2 2 0

v c

v m c

v

m

1

.

3 2

2 2

2 0

2 2 0

Ta có :

2 3 2 2 0

2 2

2 2 2

2 2 0

2

2 2

2

2 2 0

1

.

1

1

.

1 1

.

.

dv v m dA

v c

v v c c v

dv v m c

v c

v c

v

dv v m dA

dv v ds

dt

dv

Lấy vi phân hai vế của biểu thức:

2 2 0

1

1

c v m

c

dA

c

v c

dv v

2

2 2

Khi m=0; W=0 ⇒ C=0

Ta có: W = m.c2 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

- Hệ thức 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 2

2 2

2 0 2

1

c v

c m c

- Khi v<<c ta có thể viết: 2

0

2 0 2

2 2

0

2

1 2

c

v c

=

2.3 MỘT SỐ LOẠI MÁY GIA TỐC THẲNG

Máy gia tốc có nhiều cách phân loại, một trong những cách đó là phân loại theo quỹ đạo: quỹ đạo thẳng, quỹ đạo tròn Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu về cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của một số máy gia tốc quỹ đạo thẳng tiêu biểu ( hay còn gọi là máy gia tốc thẳng )

2.3.1 Máy gia tốc Walton – Cockroft

Máy gia tốc Walton - Cockroft do hai nhà bác học Ernest Thomas Siton Walton và John Douglas Cockroft phát minh ra, dựa trên việc biến đổi hạt nhân bền thành hạt nhân phóng

xạ bằng phản ứng hạt nhân với proton Để gia tốc proton đến năng lượng cần thiết, Walton

và Cockroft đã sử dụng phương pháp điện trường bằng một sơ đồ nối tiếp các tụ điện để tạo ra điện thế cao Ta đã biết, hạt tích điện chuyển động trong điện trường sẽ thu được một động năng bằng tích độ lớn điện tích và hiệu điện thế Vì vậy, có được những proton có năng lượng cao hàng trăm ngàn electron volt thì phải tạo ra điện trường một chiều trong chân không ( tránh hiện tượng hạt bị mất năng lượng do va chạm ), với hiệu điện thế lớn

C3 và C4, C4 và C5 cũng tồn tại một hiệu điện thế 200kv Qua lỗ trống của điện cực phía trên cùng, các proton được phóng vào ống và được gia tốc đến năng lượng bằng hiệu điện thế tổng giữa C1 và C5 bằng 800 kv Sau khi nhận được năng lượng lớn, proton bay đến đập vào bề mặt kim loại cần nghiên cứu.

2.3.1.1.2 Thiết bị gia tốc

- Máy biến thế: cung cấp điện áp xoay chiều 200 kv

- Chỉnh lưu: biến điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều

- Các tụ điện mắc nối tiếp nhau: tạo hiệu điện thế tổng có giá trị như mong muốn

- Ống thủy tinh: tạo chân không cao

2.3.1.2 Nguyên tắc hoạt động

Nối gián tiếp C1 với các tụ bổ sung C2,C3,C4 rồi dùng các công tắc đóng mở nối hệ trên với hệ các tụ điện nối tiếp C1,C2,C3,C4,C5.Nhờ máy biến thế và chỉnh lưu, tụ C1 được tích điện áp một chiều 200 kv

- Khi khóa ở vị trí 1( nét liền): C1 và C1’ mắc song song tích đầy đến hiệu điện thế

200 kv

- Khi khóa ở vị trí 2 ( nét đứt): C1 và C2’ mắc song song tích đầy đến hiệu điện thế

100 kv

- Khi khóa lại về vị trí 1: C1 song song C1’ và mỗi tụ điện tích đầy đến hiệu điện thế

là 200 kv Khi đó C2 và C2’ mắc song song tích đầy đến hiệu điện thế 50 kv

- Khi khóa chuyển sang vị trí 2: C1 và C2’ mắc song song và tích đầy hiệu điện thế

125 kv, C2 và C3’ mắc song song và tích đầy đến hiệu điện thế 25 kv

Nếu cứ tiếp tục chuyển khóa qua lại giữa vị trí 1 và vị trí 2, các tụ điện đều được tích đến hiệu điện thế 200 kv, khi đó hiệu điện thế hai đầu A1A2 là 800 kv Bằng cách như vậy ta sẽ nhận được điện thế đòi hỏi

2.3.2 Máy gia tốc Van de Graff

2.3.2.1 Cấu tạo

Hình 2.8 : Máy gia tốc Van De Graff

Một quả cầu cách điện B, có độ dẫn điện, độ nhẫn cao,kích thước lớn với bán kính vài mét, bên trong không có điện trường Máy biến thế T, tạo điện thế vài chục ngàn volt, được nối với chỉnh lưu K để có điện một chiều và để cân bằng điện thế người ta lắp thêm tụ C Quả cầu B được tích điện liên tục nhờ băng tải A chuyển động liên tục trên điện tích dương được đưa vào nhờ mũi nhọn O Qua mũi nhọn D điện tích được chuyển

từ mũi nhọn sang quả cầu, rồi rơi qua ống tăng tốc về một cái bia được giữ ở thế đất

sẽ thu được năng lượng khá cao E=neV , trong đó:

n là số electron được tách khỏi điện tích

V là hiệu điện thếMột cải tiến đáng lưu ý có thể nâng năng lượng lên cao là nguyên tắc Tandem, nguyên tắc này dùng hiện tượng tái tích điện ion Ví dụ ion H- được tăng tốc theo hướng cực dương điện thế cao Khi chạm đến cực này, chúng xuyên qua một bản kim loại mỏng, tại đây hầu hết các ion mất 2 electron và lại trở thành các proton tích điện dương Các proton này bị đẩy bởi điện cực, tức là được gia tốc thêm lần nữa Như vậy, chùm hạt đi ra sẽ có năng lượng gấp đôi Với phương pháp tích điện cho quả cầu cách điện, Van de Graff đã xây dựng thành công máy gia tốc tĩnh điện có điện thế trên 1 triệu volt, góp phần quan trọng trong việc nghiên cứu các phản ứng hạt nhân: đo giá trị năng lượng của các phản ứng, xác định chính xác năng lượng các mức kích thích của hạt nhân

2.3.3 Máy gia tốc thẳng

Hình 2.9: Sơ đồ máy gia tốc Van De Graff hoạt động để gia tốc các ion dương

Năm 1924, người Thụy Điển G Ising đề xuất rằng năng lượng tối đa có thể tạo ra bằng cách thay thế khe đơn giữ hiệu điện thế một chiều bằng việc đặt dọc theo một đường thẳng vài điện cực hình trụ nối tiếp nhau giữ hiệu điện thế dạng xung Người Na Uy Rolf Wideröe nhận ra rằng, nếu pha của hiệu điện thế luân phiên biến đổi 180 độ trong hành trình của hạt giữa các khe, thì hạt 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 hiệu điện thế xoay chiều theo cách khác; các sóng đứng tần số vô tuyến bên trong các hộp hình trụ Những cái gọi là cấu trúc Alvarez này vẫn được sử dụng cho gia tốc ion Alvarez được trao giải Nobel vật lí năm 1968 vì những đóng góp có tính quyết định của ông cho nền vật lí hạt

cơ bản

2.3.3.1 Cấu tạo:

Một ống hình trụ được mắc liên tiếp đồng trục với nhau và nối với hai cực A và B của một điện trường xoay chiều Giữa các ống này cũng như giữa chúng và các điện cực A, B

Hình 2.11: Sơ đồ cấu tạo máy gia tốc thẳng:

Hình 2.10 : Máy gia tốc thẳng dài 3 km tại Stanford

có cùng một hiệu điện thế.

2.3.3.2Nguyên tắc hoạt động:

Máy gia tốc thẳng là loại máy mà điện tích được gia tốc nhờ điện trường một chiều hoặc xoay chiều có điện thế cao và quỹ đạo của hạt là đường thẳng khi chuyển động trong điện trường

Khi VA>VB: hạt mang điện trường bay ra từ A đến ống 1thu được năng lượng eU đi vào trong ống và chuyển động đều trong ống

Khi VA<VB: lúc này V2<V1 (chọn độ dài ống 1 thích hợp sao cho khi đó hạt ở điểm cuối cùng của ống 1) hạt được gia tốc thu năng lượng bổ sung là eU đi vào ống 2 và tiếp tục chuyển động thẳng đều trong ống 2

Khi VA>VB: lúc này V3<V2 (chọn độ dài ống 2 thích hợp sao cho khi đó hạt ở điểm cuối cùng của ống 2) hạt được gia tốc thu năng lượng bổ sung là eU đi vào ống 3 và tiếp tục chuyển động thẳng đều trong ống 3

Như vậy, sau mỗi lần điện trường đổi dấu hạt được gia tốc từ ống này sang ống kia và thu năng lượng bổ sung là eU Giả sử nếu có n ống thì năng lượng của hạt thu được sau khi qua các ống là neU Tuy nhiên để đảm bảo việc gia tốc đồng bộ thì thời gian hạt chuyển động trong các ống phải bằng nhau Điều đó đòi hỏi độ dài các ống tăng dần vì năng lượng và tốc

độ hạt tăng dần, thời gian hạt được gia tốc đi trong các ống được tính theo công thức sau:

3

3 2

eU

= v , m

eU

=

v 21 22 23 .

3 2

1

Từ đó ta có: 21 22 23

3 2

m eU

l

= m eU

l

= m eU l

Vì vậy chiều dài các ống thỏa mãn:

l1 : l2 : l3 : l4 : l5= 1 : 2 : 3 : 4 : 5

Nguyên lý trên được đề ra để gia tốc các ion nặng, không thích hợp với hạt electron vì chúng rất nhẹ, do đỡ cần phải dùng các nguồn điện áp gia tốc có tần số siêu cao tần ( vi sóng)

Vậy nếu trong máy gia tốc có n+1 điện cực, thì năng lượng hạt thu được khi chuyển động

từ điện cực thứ nhất đến điện cực thứ (n+1) là neU Thật vậy với phương pháp này Lawrence đã gia tốc được ion Hg đến năng lượng 1,26 MeV với 31 điện cực đặt trong hiệu điện thế 42 000 Volt Ngoài ra, ta còn phương pháp khác để gia tốc electron: gia tốc sóng chạy và gia tốc sóng dừng

- Gia tốc sóng chạy: các electron được bắn vào ống dẫn sóng với năng lượng khá lớn ( vài MeV) sao cho vận tốc electron gần bằng vận tốc ánh sáng Khi vận tốc electron và vạn tốc sóng siêu cao tần trong ống cùng pha nhau, thì electron được gia tốc với một năng lượng bằng eEd

- Đối với máy gia tốc sóng dừng: các electron được gia tốc nhờ vào sự giao thoa giữa sóng tới và sóng phản xạ

2.4 MÁY GIA TỐC CÓ QUỸ ĐẠO TRÒN

Ở chương II chúng ta đã tìm hiểu các loại máy gia tốc có quỹ đạo thẳng, trong đó hạt được gia tốc nhờ vào tĩnh điện trường hoặc điện trường xoay chiều Tiếp theo, trong chương này ta sẽ tìm hiểu về cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của một số loại máy gia tốc

có quỹ đạo tròn, mà năng lượng gia tốc thu được từ điện trường hoặc từ trường

2.4.1 Máy gia tốc Cyclotron

Nhược điểm lớn của máy gia tốc thẳng là phải sử dụng một số lượng lớn các điện cực để gia tốc các hạt Khắc phục được yếu điểm trên, năm 1931 Lawrence và Living Stone đã xây dựng máy gia tốc Cyclotron chỉ dùng hai điện cực nhưng hạt tích điện được đưa vào một trường để chúng chuyển động theo quỹ đạo tròn

2.4.1.1Cấu tạo:

Gồm một hình trụ rỗng bằng kim loại cắt thành 2 phần theo đường kính gọi là duant của máy gia tốc, các duant được đặt gần nhau và giữa hai cực của một nam châm đồng nhất, rồi đặt vào buồng kim loại (không nhiễm từ) gọi là buồng gia tốc Tùy vào loại hạt và năng lượng cần gia tốc mà bán kính của buồng gia tốc và các cực của nam châm khác nhau.Buồng gia tốc được hút chân không đến áp suất 10-5-10-6 mmHg hoặc thấp hơn Tại tâm buồng giữa các duant đặt một nguồn ion đặc biệt, các ion này được gia tốc bằng điện

áp và đi vào các daunt rỗng, bên trong các daunt ion chuyển động với tốc độ không đổi theo quỹ đạo tròn vì chuyển động của chúng vuông góc với từ trường Các duant được nối với hiệu điện thế hình sin có tần số cao

(n: số vòng quay) và có thể đạt đến giá trị lớn hơn nhiều so với điện thế gia tốc ở các duant.

Để có được điều kiện trên, thì thời gian ion đi được một nửa vòng tròn trong các duant được xác định bằng các điều kiện cân bằng của lực ly tâm và lực hướng tâm

Để thực hiện sự đồng bộ giữa chuyển động của các ion và sự thay đổi của điện thế thì tốc

độ góc của nguồn cao tần: ω= v

πR=

eH

mc=2πf (f: tần số điện xoay chiều)Cyclotron không có ích cho việc gia tốc electron vì tần số quay của chúng trong từ trường giảm khá nhanh ngay cả khi năng lượng thấp cỡ vài MeV do khối lượng nghỉ nhỏ của electron Khối lượng nghỉ của electron tương ứng với năng lượng nghỉ 0,511 MeV theo công thức Einstein E=mc2

Một biến thể của cyclotron là microtron, trong đó các electron được gia tốc tại một khe tại rìa của quỹ đạo Tần số của hiệu điện thế gia tốc là bội của tần số quay của electron Các quỹ đạo tròn mở rộng dần tiếp tuyến và tiếp xúc nhau với nhau tại điểm đặt khe gia tốc Số gia năng lượng trên mỗi vòng quay được thiết kế sao cho thời gian tăng lên trong một vòng quay hoàn chỉnh của một electron do sự chậm dần tần số quay của nó tương ứng với một hay nhiều chu kì tần số điện tại khe gia tốc

Ở Uppsala, Thụy Điển, một cyclotron gia tốc proton lên 185 MeV và các ion khác lên đến năng lượng tương đương Chùm hạt được gia tốc bên trong bình chân không nhìn thấy nằm bên dưới cuộn dây (màu xám) của nam châm nặng 600 tấn (màu vàng) Chùm hạt được vận tải tới khu vực thí nghiệm trong ống hướng về phía góc dưới bên trái trong hình

Cyclotron được xem là một trong những thiết bị vật lý thông minh nhất, giúp các nhà khoa học tiếp cận nghiên cứu tính chất của hạt nhân nguyên tử Song nó vẫn còn hạn chế như: khi hạt chuyển động với vận tốc lớn, khối lượng của hạt tăng nên chu kỳ chuyển động tăng, mất dần tính đồng bộ với sự thay đổi của điện trường do sự đến chậm của hạt, kết quả có sự giới hạn về năng lương của hạt.Vì vậy năng lượng của hạt được gia tốc chỉ đạt đến những giá trị giới hạn nhất định và phụ thuộc vào khối lượng của hạt, đối với proton giới hạn đó khoảng 10 MeV, đối với hạt alpha giới hạn đó là 20 MeV

Để khắc phục nhược điểm trên, năm 1940 nhà bác học Kerst đã phát minh một thiết bị gia tốc bằng lực điện động cảm ứng, dùng để sản ra các electron năng lượng cao Các electron này với năng lượng lên tới 300 MeV trong Betatron lớn nhất đang hoạt động, được

sử dụng chủ yếu để sản ra các tia X rất cứng

2.4.2.1 Cấu tạo

Betatron chủ yếu là một máy biến thế mà cuộn thứ cấp của nó chỉ có một vòng duy nhất, một ống kim loại hình xuyến chạy xung quanh lõi từ, sao cho điện tử chuyển động trong ống đó Sự biến thiên của từ thông gia tốc các electron tự do xung quanh ống đó, cho

ta thấy buồng thủy tinh đã rút khí có dạng một ống hình xuyến khổng lồ và đặt giữa các đầu cực của một nam châm điện mạnh thiết kế cho dòng điện xoay chiều Các electron tự do phát ra từ một dây tóc phát sang và được gia tốc bằng thế điện động hình sin

2.4.2.2 Nguyên tắc hoạt động

Ngoài trường gia tốc, hạt còn chịu thêm tác dụng của từ trường điều khiển Khi đó, dòng điện tử chạy vòng tròn trong ống xem như dòng điện tròn Suất điện động cảm ứng trong dây là: E= dφ

Hình 2.13 : Máy gia Betatron

Do đó: φ=2πR2H

Công thức trên cho ta biết mối liên hệ giữa giá trị tức thời của từ thông tạo ra bởi từ trường gia tốc và cường độ từ trường điều khiển tại khoảng cách R tính từ tâm Như vậy, nam châm không thể có dạng phẳng mà có dạng đặc biệt

Chúng ta hãy xét các electron bắt đầu chuyển động với vận tốc bằng không tại thời điểm

ở đó thông lượng xoay chiều φ bằng không.Ở đây tốc độ biến thiên dφ/dt và do đó thế điện động cảm ứng đạt các giá trị cực đại của chúng Thế điện động được xác định bởi dφ/dt, φ

là từ thông cắt toàn bộ diện tích của tiết diện ngang Thế điện động đó gây ra lực tiếp tuyến tác dụng lên các electron, trong chân không cao các electron này tự do gia tốc ( khác với khi chúng ở trong cuộn dây đồng của máy biến thế )

Các electron này sẽ bay ra khỏi quỹ đạo tròn của chúng trừ khi chúng bị cản trở Ở đây

độ cảm ứng từ mà tốc độ biến thiên của nó gia tốc các electron đảm nhiệm chức năng phụ

đó Ở biên ngoài nó gây ra một lực tác dụng đặt vào các electron theo phương vuông góc với cả B và vận tốc v và do đó hướng vào tâm Đối với sự làm lệch này, không phải thông lượng toàn phần mà chỉ là giá trị địa phương tại biên ngoài mới quan trọng Khi tốc

độ tăng lên, các electron cần có một độ cảm ứng từ B tăng theo để giữ chúng lại trên quỹ đạo tròn Vì nam châm điện hoạt động với dòng điện xoay chiều để cảm ứng một thế điện động, cho nên nó cho giá trị tăng của B ở biên ngoài của nó Nếu ta biểu thị hai chức năng

đó của độ cảm ứng từ dưới dạng toán học thì độ cảm ứng từ B tại biên ngoài phải bằng nửa giá trị trung bình mà nó có trên tiết diện ngang Đó là điều kiện điều hướng của Betatron.Hoạt động mô tả ở trên chỉ đúng phần chu kỳ ở gần thông lượng φ bằng không vào lúc tốc độ tăng của nó ∆φ/∆t là lớn nhất và gây ra gia tốc lớn nhất cho các electron Vì vậy trong Betatron một nhóm các electron được gia tốc liên tục với tốc độ rất lớn (không qua nhiều bước gián đoạn như các ion trong Cyclotron ) Nhưng những nhóm như vậy xuất hiện theo từng xung, mỗi xung trong một chu kỳ của dòng xoay chiều cung cấp cho nam châm điện Ở cuối chu kỳ gia tốc, từ trường do một tụ điện phóng điện đột ngột qua một cuộn dây phụ gây ra sẽ làm lệch dòng electron về phía bia, bia này sau đó phát ra tia X Đối với công tác nghiên cứu, Betatron thường được thay bằng Synchrotron, nhưng đối với các mục đích

y học nó được sử dụng để sản xuất các tia X có khả năng xuyên mạch

2.4 3 SYNCHROTRON, PHASOTRON,SYNCHROPHASOTRON

Với hai loại máy gia tốc Cyclotron và Betatron có thể cung cấp những “ viên đạn” với

năng lượng hàng trăm MeV Ở Cyclotron hạt được gia tốc nhờ điện trường biến thiên có thay đổi, do đó hạn chế của nó là sự mất đồng bộ của chuyển động hạt và tần số của điện trường, dẫn đến sự mất năng lượng hạt Đối với Betatron, hạt được gia tốc nhờ từ trường gia tốc ( tạo ra từ máy biến thế ) Nhược điểm của nó là khi năng lượng hạt bị giới hạn bởi

sự mất năng lượng do phát xạ Để đáp ứng nhu cầu nghiên cứu, các nhà khoa học đã tổng hợp phát huy ưu điểm và khắc phục nhược điểm của hai loại máy Cyclotron và Betatron, lần lượt cho ra đời các loại máy gia tốc: Synchrotron, Phasotron, Synchrophasotron

2.4.3.1 Synchrotron

Trong các synchrotron quỹ đạo của các hạt là đường tròn, muốn quỹ đạo của các hạt là đường tròn thì người ta phải dung 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 từ của từ trường phải tăng tương ứng để giữ cho bán kính của quỹ đạo không đổi

Trong Synchrotron quá trình gia tốc các điện tử được thực hiện qua hai giai đoạn:

- Lúc đầu, các điện tử được gia tốc bằng từ thông biến thiên ( sinh ra từ trường gia tốc )

để đạt đến năng lượng khoảng 1 MeV Khi đó vận tốc electron không thay đổi nên chu kỳ quay vòng không đổi

- Lúc sau, các điện tử được gia tốc bằng điện trường xoay chiều như trong máy Cyclotron Lúc này phần từ trường chỉ còn chức năng giữ cho điện tử chuyển động theo quỹ đạo tròn cố định như ban đầu

Bằng cách kết hợp hai phương pháp trên, Synchrotron cho phép cung cấp điện tử với năng lượng lớn lên đến hàng trăm GeV

2.4.3.2 Phasotron

Hình 2.14 : Máy gia tốc Synchrotron

Khắc phục hạn chế của máy Cyclotron, Veskler phát minh ra máy Phasotron dựa trên phương pháp thay đổi điện trường theo cùng một định luật thay đổi khối lượng của hạt gia tốc.Ông thực hiện bằng cách giảm tần số để tăng chu kỳ của điện trường gia tốc, sao cho phù hợp với sự tăng chu kỳ quay do khối lượng của hạt Do đó có thể gia tốc hạt proton lên đến 730 MeV

2.4.3.3Synchrophasotron

Hình 2.15 : Máy gia tốc Phasotron

Việc phá vỡ cấu trúc hạt nhân nguyên tử để nghiên cứu sâu bản chất của nó, cần phải có nguồn đạn với năng lượng rất cao và nhiều chủng loại Có được nguồn đạn đó, nhất thiết phải có thiết bị đảm bảo gia tốc được nhiều loại hạt với mức năng lượng cao và máy gia tốc Synchrophasotron ( hay Bevatron) có thể đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đó Vì nó là thiết bị kết hợp tính chất của Synchrotron và phasotron, tức là ở đó hạt vừa được gia tốc bằng điện trường biến thiên có tần số thay đổi, vừa được giữ trên quỹ đạo có bán kính không đổi ( nhờ từ trường thay đổi theo thời gian ).

Hình 2.16 : Máy gia tốc Synchrophasotron

* Phương pháp kích hoạt notron nhanh: nguồn notron nhanh có được từ máy phát notron

và photonotron từ máy gia tốc thẳng và vòng microtron

* Phương pháp kích hoạt notron nhiệt: nguồn notron là từ máy phát notron, máy gia tốc điện tử thẳng và vòng Microtron sau khi đã nhiệt hóa

* Phương pháp kích hoạt bằng hạt tích điện: hạt tích điện có được từ máy gia tốc thẳng, máy gia tốc Van de Graff và Cyclotron

3.2.ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP

Ngoài ra, phương pháp chụp ảnh phóng xạ còn được ứng dụng trong ngành hải quan giúp kiểm tra cả đoàn tàu và các container có thể tích lớn mà không phải tháo gỡ

3.2.2 Chiếu xạ thực phẩm, nông sản, khử trùng dụng cụ y tế

Công nghệ khử trùng dụng cụ y tế và thanh trùng thực phẩm bằng bức xạ iôn là một công nghệ tiên tiến hiện nay đang được ứng dụng phổ biến trên thế giới, công nghệ này đã được ngành hạt nhân nước ta nghiên cứu từ năm 1981, được ứng dụng triển khai năm 1991

và đã đạt đến ứng dụng quy mô công nghiệp từ năm 1999 tại Trung tâm nghiên cứu và triển khai công nghệ bức xạ

3.2.2.1 Sự phát triển của việc ứng dụng bức xạ iôn hóa trong lĩnh vực chiếu xạ thực phẩm, nông sản, khử trùng dụng cụ y tế.

Ý tưởng dùng bức xạ iôn hóa để diệt vi sinh vật gây bệnh đã nảy sinh sau khi Henri Becquerel phát hiện ra phóng xạ và Wihelm Conrad Roentgen phát minh ra tia X vào năm