Máy gia tốc từ nghiên cứu cơ bản đến ứng dụng thực tế

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