Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của một số máy gia tốc hạt phần 1

Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của
một số máy gia tốc hạt
(Phần 1)
I. Máy gia tốc tĩnh điện
II. Máy gia tốc thẳng (Linac)
I. Máy gia tốc tĩnh điện
− Năm 1932 Cockcroft và Walton cho ra đời máy gia tốc nối tầng (cascade
accelerator) đầu tiên với điện áp 800 kV và đã thành công trong việc tách
nguyên tử lithium chỉ với 400 keV proton.
− Phương pháp gia tốc: sử dụng trường tĩnh điện (điện áp cao một chiều) dựa
trên mạch nhân áp.
− Mạch nhân áp là một sơ đồ nối tiếp các tụ điện và các chỉnh lưu có thể từng
bước nâng điện áp tới giá trị rất lớn.
− Mỗi điện cực chỉ có thể đặt một điện áp giới hạn, cho nên cần dùng nhiều đôi
điện cực để nhân điện áp.
− Gặp khó khăn khi tăng điện áp lên cao do hiện tượng phóng điện qua không
khí và dọc theo các bề mặt vật liệu.
− Cần chân không cao, vì khi chuyển động trong không khí các hạt tích điện liên
tục va chạm với các phân tử của các chất khí và bị mất năng lượng.
− Các ion được đưa vào điện trường gia tốc và được gia tốc qua các điện cực,
nhận được năng lượng gia tốc bằng hiệu điện thế giữa điện cực thứ nhất và
cuối cùng.
I.1. Máy gia tốc Cockcroft - Walton
− Điện áp phân bố trên nhiều điện cực còn có tác dụng điều khiển việc
hội tụ chùm hạt.
− Lợi thế lớn nhất của mạch nhân áp là điện áp của mỗi tầng chỉ gấp đôi
điện áp vào, do đó có thể dễ dàng trong việc cách điện và giá thành
các vật liệu cũng thấp.
− Ưu điểm của mạch nhân áp so với biến thế là không cần lõi thép
nặng, và một khối lượng lớn chất cách điện.
− Mạch nhân áp cho điện áp 1 chiều ổn định rất hữu dụng đối với các

nghiên cứu vật lý hạt nhân năng lượng thấp trong vùng năng lượng tới
1 MeV.
− Trong các hệ đóng kín với áp suất khí trơ cao, điện áp có thể đạt tới
6 MV.
− Máy gia tốc Cockcroft-Walton ngày nay được sử dụng nhiều trong việc
tạo chùm sơ cấp cho các máy gia tốc có năng lượng và cường độ lớn.
Hình 1: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc Cockcroft –
Walton đầu tiên
− Máy biến thế T tạo điện áp 200 kV, chỉnh lưu K tạo điện áp 1 chiều tích điện cho tụ
C'
1
, nối tiếp tụ điện này với các tụ điện bổ sung C'
2
, C'
3
, C'
4
. Nhóm tụ điện này được
nối với nhóm tụ điện C
1
, C
2
, C
3
, bằng các công tắc đóng mở, các công tắc có thể ở
hai vị trí.
− Bằng việc sử dụng các quá trình đóng ngắt của các công tắc, các tụ điện sẽ được
tích điện tới điện áp 200 kV, và hiệu điện thế hai đầu A1A3 sẽ là 800 kV.
− Công tắc đóng ngắt thường là các điot chỉnh lưu.
Nguyên lý mạch nhân áp

Hình 2: Sơ đồ nguyên lý mạch nhân áp trong máy gia tốc Cockcroft - Walton
Hình 3: Một số bộ nhân điện áp Cockcroft - Walton
I.2. Máy gia tốc Van de Graff
- Năm 1929 R. Van de Graaff, người Mỹ đưa ra mô hình máy gia tốc tĩnh
điện đầu tiên.
- Điện tích qua một thanh đầu nhọn được truyền lên băng tải làm bằng
vật liệu cách điện chuyển động liên tục.
− Thanh đầu nhọn được nối với nguồn điện áp vài chục kV.
− Băng tải truyền điện tích cho quả cầu lớn thông qua một mũi nhọn
phóng điện khác. Một điện áp cao được tạo thành trên quả cầu.
− Nguồn ion được đặt bên trong máy gia tốc và được gia tốc từ nguồn tới
bia bằng điện áp giữa nguồn cao áp và đất qua một ống chân không.
− Nguyên nhân hạn chế việc tích điện:
+ Quả cầu không hoàn toàn được cách điện, hiện tượng rò rỉ do qua
phần cách điện gắn quả cầu.
+ Phóng điện (breakdown) qua không khí do độ ẩm.
+ Độ thô ráp của quả cầu.
+ Kích thước quả cầu cũng hạn chế việc nâng cao điện áp.
− Độ rò rỉ càng lớn khi điện áp càng cao.
− Do đó phải tích điện liên tục cho quả cầu.
− Cần chọn quả cầu có độ dẫn điện, độ nhẵn cao, kích thước lớn.
− Sử dụng khí trơ để hạn chế việc rò rỉ và đánh thủng cao áp, máy được
đặt trong vỏ bọc đặc biệt chứa khí trơ có áp suất cao. Điện áp có thể
đạt tới 20 MV.
− Một số loại máy dùng 2 quả cầu tích điện dương và âm.
− Kích thước của máy gia tốc tĩnh điện có thể giảm nếu tăng tính chất
cách điện với môi trường xung quanh.
− Máy gia tốc Van de Graaff cho điện áp ổn định, nhưng dòng thấp hơn
so với loại máy gia tốc nối tầng.
Hình 4: Sơ đồ nguyên lý máy gia tốc Van de Graaff

− Hầu hết các máy gia tốc tĩnh điện đang sử dụng hiện nay là loại máy gia
tốc Tandem Van de Graff 2 tầng.
− Máy gồm hai ống gia tốc nối tiếp nhau. Tâm của máy gia tốc (gọi là
terminal) được đặt một điện áp dương.
− Nguồn ion tạo ra chùm proton được gia tốc tới một năng lượng thấp bằng
một nguồn điện áp cao bổ trợ. Chùm ion này đi qua một vùng chứa một
chất khí ở áp suất thấp, ở đây một số proton được chuyển thành ion âm
bằng cách nhận thêm electron.
− Trong ống gia tốc thứ nhất, chùm ion âm được gia tốc theo hướng điện
cực dương có điện áp cao.
− Tại tâm của máy gia tốc các hạt đi qua một màng các bon mỏng và bị
tước đi ít nhất 2 electron, chuyển thành ion dương. Sau đó tiếp tục được
gia tốc qua phần thứ hai của ống gia tốc.
− Với cơ chế như vậy chùm ion được gia tốc hai lần, máy gia tốc Tandem
tạo ra chùm hạt gia tốc với năng lượng gấp đôi điện áp cung cấp.
− Phần cuối của máy gia tốc các ion proton được phân tách bằng từ trường
và cho va đập vào bia.
I.3. Máy gia tốc Tandem Van de Graff
- Một hạn chế đối với máy gia tốc Tandem là cần bắt đầu với ion âm, đây là
vấn đề khó khăn đối với một số nguyên tố, nguồn ion dương là khả dĩ với
rất nhiều nguyên tố và cũng có thể tạo ra các ion dương có điện tích cao
hơn các ion từ nguồn ion âm.
- Các máy gia tốc Tandem hiện đại có thể cung cấp chùm hạt tới hơn 40
loại ion khác nhau từ hydro tới urani.
- Máy gia tốc Tandem được sử dụng nhiều trong các nghiên cứu vật lý hạt
nhân, đặc biệt là vật lý ion nặng. Ngoài ra còn là nguồn ion sơ cấp cho các
máy gia tốc lớn.
- Trong ứng dụng thực tế máy gia tốc Tandem được sử dụng trong phân
tích nguyên tố (RBS, PIXE), cấy ghép ion (implantation)…
- Một trong những ứng dụng mới và thú vị của máy Tandem là kiểm tra các

chip vi mạch dưới sự bắn phá của chùm ion để mô phỏng hiệu ứng bức xạ
trên không gian cũng như trên mặt đất nhằm cải thiện độ tin cậy của máy
tính cũng như các thiết bị điện tử.
Hình 5: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo và hoạt
động của máy gia tốc Tandem Van de Graff.
Hình6: Sơ đồ hệ thiết bị Tandem Van de Graaff
(3 ,9) hai máy gia tốc Van de Graaff; (2, 7) nguồn ion; (4,10) nam châm tách dòng;
(11,12,16) phòng đặt bia; (5) bộ phận nối hai máy gia tốc; (15) phòng điều khiển; (8)
cửa che chắn; phòng thiết bị cơ khí (1); (6) thùng lưu trữ khí cách điện; (14) khu
phòng thí nghiệm và văn phòng.
Hình 7: Máy gia tốc Tandem Pelletron- ĐH KHTN Hà Nội
II. Máy gia tốc thẳng (Linac)
 Nguyên lý chung:
− Năm 1924 Ising đề xuất ý tưởng sử dụng điện từ trường biến đổi theo
thời gian để gia tốc hạt. Có thể thay thế điện cực đơn bằng việc đặt dọc
theo đường đi của hạt các điện cực hình trụ rỗng mang điện áp dạng
xung. Đây là sự gia tốc cộng hưởng, có thể đạt năng lượng lớn hơn điện
áp cao nhất của hệ thống.
− Wideroe nhận thấy rằng nếu thay đổi pha của điện áp xoay chiều 180
0
trong khi hạt đi qua các khe (gaps) tiếp giáp giữa các ống trụ rỗng sẽ
nhận thêm năng lượng tại các khe này.
− Từ ý tưởng này năm 1928, ông thiết kế máy gia tốc thẳng ba tầng đầu
tiên theo nguyên lý của Ising sử dụng điện trường tần số siêu cao (radio
frequency, RF) tạo chùm ion kali năng lượng 50 keV.
− Nguyên lý chung của máy gia tốc linac là các hạt được đưa vào các ống
gia tốc có chứa các điện cực và được gia tốc bởi điện trường xoay chiều
có tần số cao đặt tại các trạm giữa các điện cực. Hạt chuyển động theo
một đường thẳng.
− Các hạt chuyển động qua ống sẽ được gia tốc trong các khoảng trống

giữa các điện cực nếu có sự phù hợp giữa pha của sóng điện từ và tốc
độ hạt. Khoảng cách giữa các điện cực tăng dần dọc theo chiều dài của
ống để đảm bảo sự phù hợp về pha.
− Để đảm bảo sự đồng bộ khi hạt chuyển động trong các ống thì thời gian
chúng chuyển động trong các ống phải bằng nhau. Độ dài các ống phải
tăng dần vì năng lượng và tốc độ hạt tăng dần.
− Thông thường máy gia tốc linac hoạt động với từ trường biến đổi dạng
sin và được gọi là gia tốc RF (radio frequency). Trường gia tốc RF được
tạo trong một thể tích giới hạn còn gọi hốc gia tốc (cavity).
− Sóng cao tần thường được phát ra từ một đèn Magnetron đối với các
máy công suất nhỏ hoặc từ các Klystron đối với loại công suất lớn.
− RF linac hoạt động trong giải tần số từ vài MHz tới vài GHz. Chúng thích
hợp cho việc gia tốc các hạt nhẹ như electron (giải tần GHz) cũng như
các hạt nặng hơn như proton (giải tần MHz).
− Nguồn hạt: electron được phát ra từ các loại nguồn catôt lạnh, catôt
nóng, catôt quang điện, nguồn RF… proton phát ra từ các loại nguồn ion
khác nhau.
− Giữa 2 cực đặt một điện trường xoay chiều.
− Các ống 1, 2, 3, 4 , i+1 có độ dài khác nhau được đặt giữ hai điện cực.
− Độ dài của các ống được chọn sao cho mỗi lần khi điện trường đổi dấu, hạt
chuyển động từ ống này sang ống kia được gia tốc.
− Các hạt được gia tốc khi đi qua các không gian giữa hai ống (gaps) bởi sự tác
động của điện trường.
− Toàn bộ thời gian còn lại hạt đã được gia tốc chuyển động trong các ống được
bảo vệ khỏi tác động của điện trường và không bị mất năng lượng.
Hình 8: Sơ đồ nguyên lý gia tốc kiểu Alvarez
Nguyên lý gia tốc kiểu Alvarez (drift-tube)
- Thời gian hạt đi trong ống là :

3

3
2
2
1
1

v
l
v
l
v
l
t
eU
mv

2
2
- Ta có :
- Suy ra:

23
;
22
;
2
321
m
eU
v

m
eU
v
m
eU
v




5:4:3:2:1::::
54321
lllll
- Do đó:
Nếu có i+1 điện cực (đoạn ống gia tốc) thì năng lượng của hạt thu được là
T= ieU.
trong đó: l
1
, l
2
… là độ dài của các đoạn ống, v là vận tốc tương ứng của hạt.
- Độ dài ống : (v<<c)
m
ie
c
l
RFRF
i
2
sin

2



− Nguyên lý gia tốc kiểu Alvarez được áp dụng chủ yếu với proton và các
ion nặng.
− Đối với electron do tốc độ rất lớn (gần tốc độ ánh sáng khi năng lượng
còn thấp), do đó cần phải tăng kích thước ống rất dài, điều này khó thực
hiện.
− Do chiều dài ống tỷ lệ với  lên có thể thu ngắn các ống bằng việc sử
dụng có một nguồn điện áp gia tốc siêu cao tần.
− Vấn đề gặp phải khi sử dụng sóng cao tần là sự mất năng lượng do phát
xạ cao tần. Để khắc phục hiện tượng này có thể đặt các ống gia tốc trong
1 cái hốc sao cho năng lượng điện từ được tích trữ dưới dạng từ trường.
Trong cùng thời điểm tần số cộng hưởng của hốc có thể trùng hợp với
tần số trường gia tốc.
− Pha của các tín hiệu ở mỗi trạm được điều chỉnh sao cho các electron có
thể liên tục nhận được năng lượng từ sóng chuyển động và nó đạt tới vị
trí đỉnh của sóng ở điểm cuối của những ống dẫn sóng, như vậy các
electron liên tục được gia tốc.
− Việc hội tụ dòng electron được thực hiện bởi từ trường được tạo ra từ
các nam châm điện bên ngoài ống dẫn sóng. Các electron chuyển động
theo một đường thẳng.
− Năng lượng điện trường truyền chỉ
theo một hướng. Vận tốc pha lớn
hơn c.
− Điện tử được phát ra từ một dây đốt
(electron gun) được đưa vào ống gia
tốc. Các điện tử chịu tác dụng của
sóng siêu cao tần trong đó thành

phần điện trường gia tốc chạy dọc
theo trục của ống dẫn sóng.
− Các điện tử được phát thành chùm
dưới dạng xung và cưỡi lên trên đỉnh
sóng.
− Năng lượng nhận được bằng tích
eEd (d là độ dài quãng chạy có tác
dụng của điện trường E).
− Tốc độ điện tử phù hợp với tốc độ
pha của sóng siêu cao tần để điện tử
có thể liên tục nhận năng lượng từ
điện trường sóng siêu cao tần.
Nguyên lý gia tốc kiểu sóng chạy (traveling wave)
Hình 9: Sơ đồ nguyên lý gia tốc
kiểu sóng chạy
- Năng lượng được phản xạ trước và sau ở điểm cuối của hốc cộng hưởng.
- Dựa trên nguyên tắc tạo sóng đứng do sự giao thoa giữa sóng tới và sóng
phản xạ.
- Phương trình sóng tới :
)sin(
01
kxtEE



- Phương trình sóng phản xạ (chậm pha):
)sin(
02






kxtEE
trong đó : E
0
: biên độ sóng
: tần số, k: số sóng; x: quãng đường truyền sóng; : pha của sóng phản xạ.
- Giá trị biên độ cực đại 2E
0
đạt được tại những điểm tương ứng với
kx-/2 = n.


)2/sin()2/cos(2)sin()sin(
0021

 tkxEkxtkxtEEEE
- Tại điểm giao thoa ta có :
Nguyên lý gia tốc kiểu sóng đứng (standing wave)
− Như vậy tại một số điểm sóng tổng hợp có biên độ gấp đôi, điện trường
gia tốc sẽ tăng gấp đôi.
− Để tạo ra sóng đứng người ta dùng các hốc đặt nối tiếp giữa các ống
dẫn sóng để tạo độ lệch pha 180
0
giữa các hốc.
− Chùm hạt gia tốc thường được tái hội tụ trước khi đi ra ngoài bắn vào
các bia hãm.
− Kiểu gia tốc sóng chạy thường sử dụng đối với các hạt nhẹ gần với vận
tốc ánh sáng. Kiểu gia tốc sóng đứng gia tốc các hạt tốc độ chậm hơn.

Hình 10: Sơ đồ nguyên lý gia
tốc kiểu sóng đứng
Hình 11: Biểu đồ cấu trúc tuần hoàn cơ chế gia tốc trong linac
- Gia tốc sóng chạy ( đường liền nét)
- Gia tốc kiểu sóng đứng (đường liền và nét đứt)
<<1 (ion): Cấu trúc Sloan và Lawrence: ( H.12a) các ống rỗng lớn, tần số 10 tới 100
MHz). Cấu trúc kiểu H ( H.12b) , điện trường ngang tạo lên sự gia tốc qua các ống .
Một số kiểu cấu trúc của bộ phận gia tốc ( RF cavity)
0.02<<0.1 : Cấu trúc kiểu Alvarez ( H.13) các ống rỗng lớn, tốc độ gia tốc thấp
hơn loại cấu trúc kiểu H ( tần số tới 200 MHz) , có thể gia tốc với cường độ lớn.
Hình 12b
Hình 12a
Hình 13
0.03<<0.4
Cấu trúc Alvarez ( phổ biến cho gia tốc proton, H.14), cho phép gia tốc
với cường độ lớn hơn (từ 100 - tới 400 MHz).
Hình 14
>0.4
Các hốc cộng hưởng hai mặt (side
coupled, H.15), sự hội tụ được thiết
lập giữ các phần của hốc cộng hưởng
( tần số 600-1200 MHz).
Hình 15