Máy gia tốc và những nhà vật lí được giải nobel

Máy gia tốc hạt là những dụng cụ tạo ra các chùm ion và electron năng lượng tính dùng cho nhiều mục đích khác nhau, nó là một chiếc kính hiển vi cực kì chính xác.. Không những cần thiết

Máy gia tốc và những nhà vật lí được giải Nobel

Tại sao lại là các máy gia tốc?

Máy gia tốc hạt là những dụng cụ tạo ra các chùm ion và electron năng lượng tính dùng cho nhiều mục đích khác nhau, nó là một chiếc kính hiển vi cực kì chính xác Như chúng

ta đều biết, những vật thể có kích thước đến kích cỡ của tế bào sống đã được nghiên cứu bởi các kính hiển vi quang học và những đối tượng có kích thước đến kích cỡ nguyên tử thì nghiên cứu bởi kính hiển vi điện tử Các chi tiết vật có thể nhìn thấy (phân giải) được cho bởi bước sóng của bức xạ chiếu vào Để thâm nhập vào bên trong nguyên tử và phân

tử, cần phải dùng những bức xạ có bước sóng nhỏ hơn kích thước nguyên tử nhiều lần Các nucleon (proton và neutron) trong hạt nhân nguyên tử có kích cỡ vào khoảng 10-15 m

và cách nhau những khoảng cùng bậc độ lớn như trên Các electron quay xung quanh hạt nhân nguyên tử và các quark bên trong các nucleon có kích thước nhỏ hơn 10-18 m, nên chúng xuất hiện như chất điểm

Việc phát hiện các hạt như electron và proton do các máy gia tốc hạt cung cấp là cần thiết cho việc nghiên cứu các thành phần nguyên tử Bước sóng de Broglie tương quan của hạt thăm dò là bước sóng "vĩ mô" xác định kích thước của vật thể nhỏ nhất có thể phân giải được Bước sóng de Broglie tỉ lệ nghịch với xung lượng hạt Ví dụ, nếu một electron cần

có bước sóng de Broglie có thể so sánh được với kích thước nucleon, thì nó phải có động năng gấp vài ngàn lần năng lượng của electron dùng trong kính hiển vi điện tử Đơn vị MeV, triệu electron Volt, biểu thị động năng mà một hạt tích một đơn vị điện tích có được sau khi đi qua một độ giảm điện thế một triệu volt

Không những cần thiết cho kính hiển vi hạ nguyên tử cực kì chính xác, các hạt phát ra từ máy gia tốc va chạm với các hạt bia còn có thể dẫn đến sự hình thành những hạt mới, những hạt này thu khối lượng của chúng từ năng lượng va chạm theo công thức E=mc2 Như vậy, bằng cách hoán chuyển khối lượng của động năng thừa trong một va chạm mà các hạt, phản hạt và hạt nhân lạ có thể được tạo ra

Máy gia tốc hạt không đơn thuần chỉ là công cụ khám phá thế giới hạ nguyên tử mà nó còn được dùng trong nhiều ứng dụng khác như sự phân tích và cải tạo vật liệu và đo phổ, đặc biệt là trong khoa học môi trường Khoảng một nửa số 15.000 máy gia tốc hạt trên thếgiới được dùng làm máy cấy ion cho việc hoán cải bề mặt và cho sự khử trùng và trùng hợp polymer Sự ion hóa phát sinh khi hạt tích điện bị dừng lại trong vật chất thường được

sử dụng chẳng hạn như trong phẫu thuật bằng bức xạ hay liệu pháp điều trị ung thư Ở cácbệnh viện có khoảng 5000 máy gia tốc hạt electron dùng cho mục đích này Máy gia tốc cũng tạo ra những nguyên tố phóng xạ dùng làm chất phóng xạ đánh dấu trong y học, sinhhọc và khoa học vật liệu Tầm quan trọng không ngừng gia tăng trong lĩnh vực khoa học vật liệu là các máy gia tốc ion và electron tạo ra số lượng phong phú neutron và photon trên một vùng năng lượng rộng Các chùm photon xác định rõ ràng chẳng hạn được dùng cho kĩ thuật khắc để chế tạo những cấu trúc rất nhỏ cần trong điện tử

Tế bào sống thường được nghiên cứu bằng kính hiển vi quang học, chúng nhận các photon tán xạ của ánh sáng khả kiển.

Những đối tượng dưới micron chẳng hạn như các thành phần của tế bào sống thường được khảo sát trong kính hiển vi điện tử, trong đó các electron, được gia tốc điển hình đến vài trăm eV, được dùng

để va chạm vào đối tượng và tán xạ từ chúng

Quark và lepton có thể cảm nhận thấy xuống đến khoảng cách 10-18 m bằng các hạt phát ra từ các máy gia tốc khổng lồ

Thống kê toàn thế giới của các máy gia tốc, tổng cộng 15.000 Số

liệu do W Scarf và W Wiesczycka thu thập

Phân loại

Số lượng

Máy cấy ion và hoán cải bề mặt 7,000

Máy gia tốc trong nghiên cứu phi hạt nhân 1,000

Nghiên cứu vật lí hạt nhân và vật lí hạt 110

Thông tin chi tiết về máy gia tốc có thể tìm thấy trong cuốn Giới thiệu máy gia tốc hạt

của Edmund Wilson, Đại học Oxford xuất bản năm 2001 Nội dung của cuốn sách có thể tìm trên website: http://www.oup.co.uk/isbn/0-19-850829-8 và một chương về ứng dụng của máy gia tốc có thể truy cập trực tiếp ở địa chỉ: http://www.oup.co.uk/pdf/0-19-

850829-8.pdf

Lịch sử

Trong các máy gia tốc đầu tiên, các hạt được gia tốc bằng cách đặt vào một hiệu điện thế cao trên khe hở giữa cathode và anode (các điện cực) Dụng cụ này được gọi là ống tia cathode và ra đời vào cuối thế kỉ 19 Với ống tia cathode, tia X được phát minh năm 1895 bởi Wilhelm Conrad Röntgen, người nhận giải Nobel đầu tiên về vật lí (năm 1901) cho phát minh này Năm 1896, Joseph John Thomson nghiên cứu bản chất của tia cathode, thấy nó tích điện và có tỉ số điện tích trên khối lượng chính xác Việc phát hiện hạt sơ cấp đầu tiên này, electron, đánh dấu sự khởi đầu một thời kì mới, kỉ nguyên điện tử do đó đã bắt đầu từ năm 1896 Thomson được trao Giải Nobel vật lí 1906 cho công trình liên quan tới phát minh này Máy gia tốc phổ biến nhất hiện nay là ống tia cathode dùng trong các

bộ TV và hiện thị máy tính Trong ống này, chùm electron, sau khi được gia tốc lên đến năng lượng cực đại 30.000 eV, quét ngang qua màn hình, màn hình phát ra ánh sáng khi bịelectron va chạm vào Trong phần sau đây, những thiết bị một khe này cũng như kính hiển

vi điện tử không được đề cập tới

Các máy gia tốc khác nhau hiện có được phát minh ra trong khoảng thời gian dài gần bốn thập kỉ Khoảng 1920, máy gia tốc điện thế cao đầu tiên gồm hai điện cực đặt bên trong một bình chân không có hiệu thế vào bậc trăm kV và được hình thành bởi và đặt tên John Douglas Cockcroft và Ernest Thomas Sinton Walton Sau đó, vào những năm 1920, người

ta đề nghị dùng điện thế thay đổi theo thời gian ngang qua một loạt khe hở (Xem phần bên dưới nói về máy gia tốc thẳng) Những đề xuất gia tốc hạt theo kiểu lặp đi lặp lại này gây cảm hứng cho Ernest Orlando Lawrence đi đến một khái niệm mới cho máy gia tốc hạt Trong cyclotron do ông phát minh, các hạt quay tròn trong từ trường và đi qua lại cùng một khe gia tốc nhiều lần Thay cho điện thế một chiều, một điện thế xoay chiều tần

số cao được đặt trên khe để cho các hạt gia tốc theo quỹ đạo hình xoắn ốc theo kiểu lặp đi lặp lại Sau khi phát minh nguyên lí cân bằng pha vào giữa những năm 1940, hai loại máy gia tốc mới được thai nghén: máy gia tốc thẳng và synchrotron Trong máy gia tốc thẳng, các khe đặt dọc theo một đường thẳng Trong synchrotron, từ trường tăng lên trong quá trình gia tốc để cho các hạt chuyển động trong một vòng quỹ đạo về cơ bản không thay đổi Trong những máy gia tốc này, các hạt được gia tốc theo kiểu lặp đi lặp lại và năng lượng bị giới hạn bởi kích thước của máy gia tốc và bởi thế hiệu cực đại mà ta có thể đạt được

Nhà phát minh ra cyclotron, Ernest Orlando Lawrence (trái), và sinh viên của ông, EdwinMattison McMillan, một trong hai nhà phát minh ra nguyên lí cân bằng pha cho biết điểm gia tốc ở ngõ vào cấu trúc điện cực bánnguyệt chắn Cyclotron đầu tiên được xây dựng từ 1929 đến

1931

Ảnh: Lawrence Berkeley Lab

Máy gia tốc thế-hiệu

Ống chân không electron, phát minh vào cuối thế kỉ 19, được sử dụng cho việc phát minh

ra electron và tia X Electron được gia tốc trong chân không giữa hai điện cực, cathode vàanode Không khí có áp suất khí quyển sẽ làm chậm các hạt, do sự va chạm của electron với các phân tử không khí Ống chân không là tiền thân của máy gia tốc điện thế cao sau này Như đã nói ở trên, máy gia tốc hạt điện thế cao đầu tiên có thế hiệu điện thế vào bậc trăm kilo volt và được xây dựng bởi, và đặt tên là Máy gia tốc Cockcroft - Walton theo tênJohn Douglas Cockcorft và Ernest Thomas Sinton Walton Năm 1951, họ nhận giải Nobelvật lí cho công trình tiên phong của họ về sự chuyển hóa hạt nhân nguyên tử bởi các hạt nguyên tử gia tốc nhân tạo

Máy gia tốc thế-hiệu phổ biến nhất dùng hiện nay được đặt tên nhà phát minh ra nó, nhà khoa học Mĩ Robert Jemison Van de Graff Đầu thế cao nối với cực thế thấp (đất) bằng một dây cuaroa cách điện chuyển động Điện tích áp vào dây cuaroa ở đầu thế thấp và chuyển đến đầu kia bằng cách dẫn các màn trượt trên dây cuaroa Điện thế ở đầu kia sẽ tăng cho đến khi dòng điện rỉ từ cực thế đó ra xung quanh bằng với dòng điện mà dây cuaroa cung cấp Thông thường, cực thế và ống được đặt bên trong một thùng chứa khí SF6 ở áp suất cao để làm tăng độ cách điện giữa cực thế cao và trái đất Điện thế được chiathành từng phần và áp vào các điện cực đặt liên tiếp bên trong ống chân không, nơi electron và ion được gia tốc Electron thu được từ các dây bị nung nóng và ion thì từ chất khí phóng điện đặt ở cathode

Một vài microampere electron hoặc ion có thể được gia tốc trong các máy gia tốc Van de Graff Trong một kiểu hiện đại dành cho ion, các điện cực đầu vào và ra khỏi ống chân không ở điện thế đất, và đầu thế cao được đặt ở giữa ống Bên trong một thể tích nhỏ ở đầu vào của ống, chất khí bị ion hóa, thường là bởi sự phóng điện, và từ thể tích này các ion tích điện âm đơn lẻ được trích ra Những ion này được gia tốc bên trong ống về phía đầu thế cao, nơi đó hai hay nhiều hơn electron thoát khỏi mỗi ion khi nó truyền qua một lákim loại rất mỏng hoặc một vùng chứa đầy chất khí Điện tích của ion vì vậy thay đổi từ

âm sang dương, và ion bị đẩy ra xa cực thế đó và gia tốc về phía đầu ra của ống, nối với đất So với các máy gia tốc Van de Graff kiểu thường, có một "khe" gia tốc, thì máy gia tốc loại này có thể thu được những hạt có năng lượng cao hơn vì hiệu thế được dùng ở hai

khe Một máy gia tốc loại này do đó có tên là "máy gia tốc tandem".

Ngày nay, đa số máy gia tốc Van de Graff là những thiết bị thương mại và có sẵn các cực thế thay đổi giữa 1 và 25 triệu volt (MV) Điển hình thì chúng có hiệu điện thế dưới 10

MV Để so sánh, ta biết các xung ngắn dùng trong nghiên cứu về sét đạt tới 10 MV, và hiệu điện thế ở các đám mây ngay trước khi chúng phóng điện bởi tia sét là khoảng 200

MV Máy gia tốc Van de Graff thường được dùng trong phân tích và hoán cải vật liệu, và máy gia tốc phổ khối lượng đặc biệt dùng cho khoa học môi trường

Hình vẽ trình bày nguyên lí của máy gia tốc tandem Van de Graff Các ion tích điện âm

từ nguồn ion ở điện thế đất được gia tốc về phía cực thế dương cao ở chính giữa, nơi đó chất khí hoặc một lá kim loại mỏng bóc ra hai hay nhiều hơn electron khỏi ion, ion này sau đó trở thành tích điện dương và bị đẩy về phía cực thế đất (V=0) Điện tích được chuyển tải trên dây cuaroa cách điện với đất bởi chất khí áp suất cao, thường là SF6.Minh họa: Fredrik Stendahl

Một trong những máy gia tốc tandem lớn nhất được dùng trong nhiều năm ở Daresbury

ở Anh Ống gia tốc của nó, được đặt thẳng đứng, dài 42m và cực trung tâm có thể giữ thế

hiệu lên đến 20 triệu volt

Ảnh: CCLRC Cyclotron

Nguyên tắc gia tốc theo kiểu lặp đi lặp lại ra đời hồi những năm 1920 là một nền tảng quan trọng trong cuộc truy tìm những năng lượng càng ngày càng cao hơn Theo nguyên tắc này, sự gia tốc thu được bằng một điện thế thay đổi theo thời gian thay cho điện thế tĩnh điện chẳng hạn dùng trong các máy gia tốc Van de Graff.

Máy gia tốc có tầm quan trọng thực hành đầu tiên dựa trên nguyên tắc gia tốc lặp đi lặp lại là cyclotron, do Ernest Orlando Lawrence phát minh Trong cyclotron, các hạt tích điện quay tròn trong một từ trường mạnh và được gia tốc bởi điện trường ở một hay nhiềukhe Sau khi đi qua một khe, các hạt chuyển động bên trong một điện cực và được che chắn khỏi điện trường Khi hạt đó ra khỏi vùng được che chắn và đi vào khe tiếp theo thì pha của điện thế xoay chiều biến thiên 180 độ để hạt được gia tốc một lần nữa Quá trình lặp đi lặp lại nhiều lần Sau nhiều vòng quay gia tốc, theo một quỹ đạo hình xoắn ốc mở rộng dần ra, hạt sẽ quay tròn ở gần biên ngoài của từ trường mạnh Ở đó trường có dạng sao cho chùm hạt quay tròn có thể ló ra và hình thành một chùm bên ngoài Lawrence được trao giải Nobel 1939 về vật lí cho việc phát minh và phát triển cyclotron và cho những kết quả thu được từ nó, đặc biệt ghi nhận nghiên cứu của ông về những nguyên tố phóng xạ nhân tạo

Ở châu Âu, những người được giải Nobel, Frédéric Jiliot, Niels Henrik David Bohr và Karl Manne Georg Siegbehn đã đóng góp lớn cho những cyclotron đầu tiên Năm 1938, cyclotron châu Âu đầu tiên ở Collège de France, Paris, gia tốc một chùm deuteron lên 4 MeV và bằng cách cho va chạm với bia, một nguồn neutron mạnh đã được tạo ra Khoảngcùng thời gian đó, cyclotron Copenhagen ở Viện Niels Bohr sẵn sàng hoạt động và ở Stockholm, khởi động công trình nghiên cứu việc xây dựng máy gia tốc đầu tiên của ThụyĐiển, máy này đi vào hoạt động khoảng năm 1940

Một vấn đề nghiêm trọng với các cyclotron buổi đầu là giới hạn năng lượng khoảng 10 MeV đối với sự gia tốc proton Giới hạn này phụ thuộc vào sự chậm dần của proton quay trong một từ trường không đổi do sự tăng khối lượng tương đối tính của chúng hay năng lượng toàn phần tương đương Khối lượng nghỉ của proton tương ứng với năng lượng 938MeV và sau khi gia tốc thêm động năng 10 MeV thì tần số quay của proton, tỉ lệ nghịch với năng lượng toàn phần của nó (938+10), bị giảm 1% Khi tần số quay của proton và tần

số điện bằng nhau lúc bắt đầu chu kì gia tốc, không có sự trượt pha nào và proton được gia tốc với cùng hiệu điện thế ở mỗi khe Tuy nhiên, khi proton thu thêm năng lượng và chậm dần tần số quay của chúng, chúng sẽ càng lúc càng đến mỗi khe trễ hơn so với cực đại của điện thế gia tốc của tần số cố định Sau khi pha bị lệch quá nhiều, sẽ không còn sựtăng thêm năng lượng nào nữa ở mỗi lượt đi qua khe

Cyclotron thường không có ích cho sự gia tốc electron vì tần số quay của nó trong từ trường giảm khá nhanh ngay cả ở năng lượng thấp chỉ vài MeV do khối lượng nghỉ của electron nhỏ Khối lượng nghỉ của một electron tương ứng với năng lượng nghỉ 0,511 MeV, theo công thức Einstein E = mc2

Một biến thể khác của cyclotron là microtron, trong dụng cụ đó electron được gia tốc tại một khe ở rìa quỹ đạo Tần số của điện thế gia tốc là bội của tần số quay electron Các quỹ

đạo tròn mở rộng dần tiếp tuyến và tiếp xúc nhau ở điểm mà khe gia tốc bố trí ở đó Năng lượng tăng thêm trên mỗi vòng quay được thiết kế sao cho thời gian tăng thêm đối với một vòng quay hoàn chỉnh của electron do sự chậm dần tần số quay của nó tương ứng với một hay nhiều chu kì của tần số điện ở khe gia tốc đó.

Nguyên tắc của cyclotron Sự ion hóa chất khí giới hạn trong vùng giữa dẫn

đến việc các ion được gia tốc bởi điện thế có tần số cố định bằng với tần số

quay của ion trong từ trường Các đường sức từ hướng trực tiếp về cực nam

châm ở dưới cho biết các ion tích điện dương quay tròn theo chiều kim

đồng hồ Ion được gia tốc khi chúng chuyển động qua khe giữa các điện

cực, bên trong điện cực chúng được che chắn khỏi điện trường Khi chùm

ion tiến đến biên từ trường, nó ló ra khỏi cyclotron và tạo thành một chùm

bên ngoài

Minh họa: Fredrik Stendahl

Ở Uppsala, Thụy Điển, một cyclotron gia tốc proton đến 185 MeV và các

ion khác lên năng lương có thể so sánh được với trên Chùm hạt được gia

tốc bên trong bình chân không nhìn thấy phía dưới và phía trên các cuộn

dây (màu nâu) cho nam châm nặng 600 tấn (màu vàng) Chùm hạt được

chuyển tải đến khu vực thí nghiệm bên trong ống đặt ở phía dưới bên trái

Một người được giải Nobel hóa học khác, Theodor Svedberg, đã đề xuất vào giữa thập niên 1940 xây dựng một máy gia tốc ở Uppsala Được gây cảm hứng từ công trình

Berkeley, người ta quyết định xây dựng một synchrocyclotron Năm 1950, proton có nănglượng 185 MeV được tạo ra và Uppsala một lúc đã có các hạt năng lượng cao nhất ở Tây

Âu Năm 1957, việc chữa trị bệnh nhân ung thư đầu tiên được khởi động Sau này máy gia tốc được xây dựng lại và đi vào hoạt động, từ năm 1986, như từ ghép cyclotron-synchrocyclotron sector tập trung

Việc phát minh nguyên lí cân bằng pha ám chỉ rằng, về nguyên tắc, không có sự giới hạn năng lượng nào cho sự gia tốc các hạt Nguyên lí này đã lót đường cho hai loại máy gia tốc mới ra đời, máy gia tốc thẳng và synchrotron

Synchrocyclotron lớn nhất vẫn còn được sử dụng, đặt ở Gatchina, ngoại vi St

Peterburg và nó gia tốc proton lên đến động năng 1000 MeV Các cực sắt đường kính 6m và toàn bộ máy gia tốc nặng 10.000 tấn, trọng lượng tương đương với

tháp Eiffel Năng lượng thu được tương ứng với năng lượng mà proton được gia tốc trong một hiệu điện thế một tỉ volt Nó được dùng cho các thí nghiệm vật lí hạtnhân và các ứng dụng y học

Ảnh: Viện Vật lí hạt nhân Gatchina

Cyclotron sector hội tụ

Vào đầu thập niên 1960 xuất hiện một loại cyclotron mới, cyclotron sector hội tụ Các sector (hình quạt) được giới thiệu trong khe cực để đạt được sự thay đổi góc phương vị của từ trường Sự thay đổi góc phương vị này cho một sự hội tụ thẳng đứng lên chùm ion đang quay tròn và rồi không cần thiết trường trung bình về mặt phương vị phải giảm với

sự tăng bán kính như trong cyclotron thường để duy trì sự hội tụ thẳng đứng Như vậy, từ trường trung bình là một hàm của bán kính, có thể tăng lên để cho tần số quay của ion giữ nguyên không đổi bất chấp sự tăng khối lượng của ion đang gia tốc Sự phân kì đứng phát sinh từ sự gia tăng từ trường trung bình theo bán kính được bù lại bằng sự hội tụ đứng do

sự thay đổi góc phương vị của trường Tần số của điện thế gia tốc do đó có thể giữ không đổi trong khi vẫn duy trì một sự gia tốc đều đặn ở mỗi lần đi qua khe; năng lượng chỉ bị giới hạn bởi kích thước của nam châm Cyclotron sector hội tụ đôi khi còn được gọi là cyclotron sóng liên tục (CW) hay cyclotron đẳng thời, để phân biệt nó với cyclotron biến điệu tần số (FM) hay synchrocyclotron Nhiều cyclotron sector hội tụ hiện đang hoạt động

và chúng thay thế các synchrocyclotron phần lớn đã ngừng hoạt động Không chỉ có proton, mà bất cứ loại ion nào, về nguyên tắc, cũng có thể được gia tốc Các nguồn ion, cái sinh ra ion của bất kì nguyên tố thực tiễn nào của bảng tuần hoàn hóa học, hiện nay luôn có sẵn

Đặc biệt hấp dẫn cho sự gia tốc proton trong ngưỡng 200 đến 600 MeV là cyclotron sectorđộc lập, gồm một số sector sắt thay cho một cực sắt thường có các sector gắn vào

Cyclotron sector độc lập có bốn nam châm hình quạt, được đặt ở Máy Cyclotron Đại học Indiana, ở Bloomington, Indiana, Mĩ, và ở Trung tâm máy gia tốc quốc gia ở Faure, Nam Phi Máy gia tốc có 6 sector hoạt động ở Trung tâm nghiên cứu Vật lí hạt nhân ở Osaka và

ở Viện Paul Scherer, Villigen Thụy Sĩ Cũng nên nhắc đến trong bài viết này là Máy Meson đại học Ba bang ở Vancouver, có 8 sector và cung cấp các ion H- 600 MeV

Cyclotron là công cụ nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực vật lí hạt nhân và thường đượcdùng cho việc sản xuất các hạt nhân phóng xạ trong y học và công nghiệp Cyclotron cũngcung cấp các chùm tia cho liệu pháp đei6ù trị và phẫu thuật bằng bức xạ và chẳng hạn nhưcyclotron Nam Phi, nó được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng y học Các thiết bị

cyclotron lớn dành cho việc điều trị ung thư đang nổi bật ở nhiều nơi, đặc biệt là ở Nhật Bản Các cyclotron nhỏ cần dùng cho việc sản xuất các hạt nhân phóng xạ cho nhiều mục đích khác nhau, như tạo nguyên tử đánh dấu cho phép chụp ảnh phát xạ positron (PET), kĩ

thuật chụp ảnh lập bản đồ chức năng của cơ thể người.

Cyclotron sector độc lập ở Vancouver, cung cấp chùm hydrogen âm 600 MeV và nó là cyclotron lớn nhất Ảnh cho thấy khe mà ion được gia tốc

Ảnh: TRIUMF

Synchrotron

Hai loại máy gia tốc khác dựa trên nguyên tắc gia tốc lặp đi lặp lại, synchrotron và máy gia tốc thẳng, quan trọng trong nghiên cứu vật lí hạt cơ bản, nơi cần các năng lượng hạt cao nhất khả dĩ Trong synchrotron, các hạt được gia tốc theo quỹ đạo hình vòng tròn và

từ trường, bẻ cong các hạt, tăng theo thời gian để duy trì quỹ đạo không đổi trong suốt quátrình gia tốc Hai synchrotron proton lớn nhất, ở CERN, phòng thí nghiệm Vật lí năng lượng cao châu Âu gần Geneva, và ở Fermilab gần Chicago, đi vào hoạt động từ giữa thậpniên 1970 Chúng gia tốc proton đến 450 và 1000 GeV (tương ứng từng máy), và được đặttrong những tầng hầm tròn dài 6,9 và 6,3 km Các proton năng lượng cao như vậy không thể tạo ra được trong cyclotron hay synchrotron Một cực nam châm sắt có chu vi 6,9 km

là lớn ngoài sức tưởng tượng Lợi ích của từ trường biến thiên là rõ ràng

Khái niệm synchrotron dường như được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1943 bởi nhà vật lí người Australia Mark Oliphant Muộn hơn một chút, Edwin M McMilan ở Berkeley đề xuất, khi ông công bố nguyên tắc cân bằng pha, một máy gia tốc có từ trường biến thiên

Sự kiểm chứng thực nghiệm đầu tiên tiến hành vào năm 1946 ở Phòng nghiên cứu

Malvern, Mĩ

Synchrotron đầu tiên là thuộc loại gọi là hội tụ yếu Sự hội tụ theo phương đứng các hạt đang quay tròn đạt được bằng cách làm nghiêng từ trường, từ bán kính trong ra bán kính ngoài Ở một thời điểm nào đó, từ trường trung bình theo phương đứng cảm ứng suốt một vòng quay hạt thì lớn hơn đối với bán kính cong nhỏ hơn và nhỏ hơn đối với bán kính

cong lớn hơn Synchrotron đầu tiên thụôc loại này là Cosmotron ở Phóng thí nghiệm quốcgia Brookhaven, Long Island, Mĩ Nó bắt đầu hoạt động năm 1952 và cung cấp proton có năg lượng lên tới 3 GeV Năm 1960, synchrotron thuộc loại hội tụ yếu đang hoạt động là synchrotron 1 GeV ở Đại học Birmingham, Betatron 6 GeV ở phòng thí nghiệm bức xạ Lawrence ở Berkeley, California, Mĩ, và Synchrophasotron 10 GeV ở Dubna, Nga và Saturne 3 GeV ở Saclay, Gif sur Yvette, Pháp Từ trường tiêu biểu thay đổi từ 0,02 tesla ở năng lượng vào, một vài MeV, lên tới khoảng 1,5 tesla ở năng lượng sau cùng Cc1 synchrorton này gia tốc điển hình 1011 proton trong một xung thường ngắn hơn một giây đồng hồ Các xung này cách nhau vài giây Vào đầu những năm 1960, synchrotron hội tụ yếu có năng lượng cao nhất thế giới, Zero Gradient Synchrotron (ZGS) 12,5 GeV, bắt đầu hoạt động ở Phòng thí nghiệm quốc gia gần Chicago, Mĩ Các synchrotron buổi đầu là những thiết bị hùng vĩ Synchrotron Dubna, synchrotron lớn nhất trong số chúng có bán kính 28m và có trọng lượng của nam châm sắt là 36.000 tấn là synchrotron duy nhất còn lại trong số các máy gia tốc buổi đầu này Nó hiếm khi được sử dụng và được xem như một đài kỉ niệm của bản anh hùng ca này.

Năm 1952, Ernest D Courant, Milton Stanley Livingston và Hartland S Snyder đề xuất một sơ đồ hội tụ mạnh một chùm hạt đang quay tròn sao cho kích thước của nó có thể chế tạo nhỏ hơn kích thước trong synchrorton hội tụ yếu Trong sơ đồ này, nam châm lái tia cóđược chế tạo gradient từ trường thay đổi; sau một nam châm có thành phần trường dọc trục giảm khi bán kính tăng là một nam châm có thành phần trường dọc trục tăng khí bán kính tăng, và vân vân Theo cách này, sau một nam châm phân kì chùm tia thẳng đứng là một nam chậm hội tụ chùm tia thẳng đứng Như vậy, giống như trong quang học, nơi các thấu kính phân kì và hội tụ kết hợp để cho sự hội tụ, một mạng mạnh hộ tụ thu được trongmột synchrortron gradient biến đổi Nhờ sự hội tụ mạnh, các kẽ hở nam châm có thể chế tạo nhỏ hơn và do đó cần ít sắt hơn so với synchrotron hội tụ yếu cho năng lượng tương đương

Synchrotron gradient biến đổi đầu tiên gia tốc electron đến 1,5 GeV Nó được xây dựng tại Đại học Cornell, Ithaca, New York, và hoàn thành vào năm 1954 Sự gia tốc trước được thực hiện trong một máy gia tốc Van de Graff 2 MeV và sau sự tiêm nhiễm ở năng lượng này, trường của vòng nam châm là 0,002 tesla Việc gia tốc đến 1,5 GeV được thực hiện trong 0,01 giây và trong thời gian này từ trường tăng lên 1,35 tesla Năm 1958, synchrotron electron hội tụ mạnh đầu tiên của châu Âu (500 MeV) được khởi động ở Bonn Nó được phát triển và xây dựng dưới sự lãnh đạo của Wolfgang Pauli, người được giải Nobel 1945 cho phát minh của ông về kĩ thuật bẫy ion Một synchotron khác thuộc loại gradient thay đổi vào đầu những năm 1960 đặt tại Hamburg (6 GeV), Harvard-MIT, Cambridge (6 GeV) và Đại học Tokyo (1,3 GeV)

Không bao lâu sau khi phát minh ra nguyên tắc hội tụ gradient thay đổi, việc xây dựng haisynchrootron rất lớn gần như giống hệt nhau, nay vẫn còn hoạt động, bắt đầu tại phóng thínghiệm châu Âu CERN ở Geneva và Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven trên đảo Long Island, New York Ở CERN, proton được gia tốc tới 28 GeV và ở Brookhaven đến

33 GeV Synchrotron proton (PS) CERN bắt đầu hoạt động năm 1959 và Brookhaven năm

Vào những năm 1960, Brookhaven PS là máy gia tốc mạnh nhất và một số hình ảnh biểu diễn có lẽ thật hấp dẫn Nó có một máy gia tốc thẳng làm vòi phun và năng lượng phun vào là 50 MeV Proton được gia tốc trong 12 trạm gia tốc đặt dọc theo chu vi của

synchrotron Trong suốt thời gian gia tốc khoảng một giây, trường của nam châm bẻ cong tăng từ 0,012 lên 1,3 tesla Điều này miêu tả một sự thay đổi rất lớn của năng lượng dự trữ

vì 800m chiều dài vòng tròn chứa đầy các nam châm có tổng trọng lượng là 4000 tấn Cường độ điển hình là 1011 proton mỗi xung, được lặp lại mỗi ba giây Ngày nay, cường

độ lớn hơn hai bậc độ lớn Danh sách các synchrotron sử dụng hiện nay có thể tìm, chẳng hạn, qua trang chủ của CERN (http://www.cwern.ch/)

Các hạt sinh ra trong sự va chạm giữa một chùm ion hay electron với bia có thể tạo ra những chùm thứ cấp có nhiều ứng dụng quan trọng trong khoa học và kĩ thuật Chúng ta

có thể phân biệt các chùm hạt có thời gian sống ngắn như meson hay muon và các chùm hạt có thời gian sống dài, như photon, neutrino, positron, neutron và phản proton Một số hạt sống ngắn ngủi có thể truyền qua những khoảng cách xa vì, theo thuyết tương đối, thờigian trôi chậm lại khi một vật chuyển động gần vận tốc ánh sáng Chẳng hạn, trong hệ quychiếu nghỉ gắn liền với chúng, meson  có thời gian sống 2.6x10-8 giây và trong thời gian

đó chúng đi được tối đa là 8m nếu chúng chuyển động với vận tốc ánh sáng Meson  vốn có sẵn tại các synchrotron proton lớn nhất hiện nay, có năng lượng vượt quá năng lượng nghỉ của chúng, 140 MeV, 1000 lấn Do đó thời gian sống của chúng cũng tăng thêm ngần ấy lần và chúng có thể đi được, về trung bình, 8 km trong thời gian sống của chúng Thực tế này là một minh chứng tuyệt vời cho thuyết tương đối và khiến ta có thể tạo ra các chùm meson pi, meson K và muon năng lượng cao và đưa chúng đến các khu vực thí nghiệm Cùng với những chùm hạt bền thứ cấp như neutrino, photon, phản proton

và neutron, các chùm thứ cấp đã tạo nên cơ sở cho các chương trình nghiên cứu vật lí bao quát đặc biệt tại synchrotron lớn ở CERN, Brookhaven, Serpukhov (Nga) và Fermilab vàonhững năm 1960 và 1970

Những hạt sơ cấp phổ biến nhất sinh ra trong máy gia tốc Các hạt thứ cấp

sinh ra trong tương tác của hạt sơ cấp với vật chất Đơn vị là MeV cho

năng lượng nghỉ và giây cho thời gian sống

Năng lượng nghỉ

[MeV]

Thời gian sống [s]

Ảnh: Teddy Thörnlund

Nguyên tắc của synchrorton Các hạt được gia tốc theo một đường đi hình vòng tròn Các nam châm cần cho việc uốn cong và hội tụ, được đặt xung quanh quỹ đạo hạt Từ trường được điều chỉnh trong quá trính gia tốc từ giá trị thấp đến giá trị cao, tương ứng với sự tăng năng lượng của hạt, để cho quỹ đạo về cơ bản giữ nguyên không đổi Các hạt được gia tốc bởi hiệu điện thế cao qua một hoặc một vài khe dọc theo vòng tròn.Minh họa: Fredrik Stendahl

Bên trong đường hầm dài 6,9 km của synchrotron siêu proton 450 GeV của CERN Cácnam châm màu xanh hội tụ, và các nam châm màu đỏ bẻ cong các hạt

Ảnh: CERN

Ảnh từ trên cao phòng thí nghiệm CERN đặt ở giữa sân bay Geneva và núi Jura Các vòng tròn cho biết vị trí của các máy gia tốc SPS và LEP đặt trong đường hầm dưới mặt đất Sau khi máy gia tốc LEP ngừng hoạt động vào năm 2000, nó đã được tháo dở bỏ và Máy va chạm hadron (LHC) hiện đang được thiết đặt trong tầng hầm dài 27 km.

Ảnh: CERN

Máy gia tốc thẳng

Năm 1924, nhà vật lí Thụy Điển G Ising cho rằng năng lượng cực đại có thể tăng thêm bằng cách thay khe hở đơn lẻ giữ diện thế một chiều bằng cách đặt dọc theo một đường thẳng một số điện cực hình trụ rỗng giữ điện thế xung Nhà khoa học Na Uy Rolf Wideröenah65n thấy rằng, nếu pha của điện thế biến thiên thay đổi 180 độ trong hành trình của hạtgiữa các khe thì hạt có thể thu thêm năng lượng ở mỗi khe Dựa trên ý tưởng này, ông đã xây dựng một máy gia tốc ba tầng cho ion Na Ý tưởng về máy gia tốc thẳng ra đời Hạt được gia tốc trong những khe nhỏ và giữa các khe chúng chuyển động bên trong những điện cực hình trụ kín Một phiên bản cải tiến của máy ga tốc thẳng hình thành vài năm sau

đó bởi Luis Walter Alvarez, người khai sinh ra điện thế xoay chiều, giữ các sóng tần số vôtuyến bên trong những hộp hình trụ.Những cái gọi là cấu trúc Alvarez này vẫn còn được

sử dụng cho gia tốc ion Alvarez được trao giải Nobel 1968 về vật lí cho những đóng góp

có tính quyết định của ông với nền vật lí hạt cơ bản

Những đề xuất ban đầu không có tính thực tế cho sự gia tốc hạt, và nó vẫn không được đưa vào thực tế mãi cho đến sau chiến tranh thế giới thứ hai, khi mà sự phát triển các máy gia tốc electron thật sự khởi động Từ sự phát triển của những hệ radar, các sóng dẫn nổi lên là có thể hữu dụng cho máy gia tốc thẳng truyền-sóng Trong máy gia tốc này, sóng điện từ truyền về phía trước trong máy gia tốc với vận tốc ánh sáng và electron, cũng chuyển động rất gần vận tốc ánh sáng, được gia tốc đều đặn từng bước với sóng đó tương

tự như sóng vỗ trên bề mặt đại dương.

Nhằm phục vụ các mục đích khoa học, chẳng mấy chốc đã có khoảng 130 máy gia tốc thẳng cho electron và positron và khoảng 50 máy cho ion, bao gồm cả proton Chúng bao quát một ngưỡng năng lượng rộng từ vài MeV đến 52 GeV cho máy gia tốc thẳng electronlớn nhất đặt ở Trung tâm Máy gia tốc thẳng Standford (SLAC) Ở Los Alamos, máy gia tốc thẳng proton gia tốc proton lên 800 MeV trên khoảng cách 800m Máy gia tốc này là trái tim của Phóng thí nghiệm vật lí meson Los Alamos (LAMPF) và nó là máy gia tốc thẳng lớn nhất thế giới Nhiều máy gia tốc thẳng được dùng làm vòi phun cho synchrotron

(tức làm công việc tiền gia tốc cho synchrotron).

Ngoài các máy gia tốc khoa học, còn có hàng ngàn máy gia tốc thẳng nhỏ dùng trong các bệnh viện cho việc điều trị ung thư

Nguyên tắc hoạt động của máy gia tốc thẳng Rất nhiều điện cực cách nhau bởinhững khe nhỏ và đặt dọc theo một đường thẳng Không có từ trường làm thayđổi hướng của hạt được gia tốc Khi hạt chuyển động bên trong vùng tự do củamột điện cực nào đó, chiều của điện trường gia tốc đảo ngược lại để cho hạt

luôn luôn được gia tốc trong các khe giữa các điện cực

Minh họa: Fredrik Stendahl

Máy gia tốc thẳng dài 3km ở Standford

Ảnh: Trung tâm Máy gia tốc thẳng Standford