Nghiên cứu chuyển động của electron trong máy gia tốc tuyến tính RF

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
*****

NGUYỄN HẢI CHÂU

NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỘNG CỦA ELECTRON
TRONG MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH RF

Chuyên ngành: Vật lý Nguyên tử, Hạt nhân và Năng lượng cao
Mã số: 604405

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN HUY BÍCH

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH–NĂM 2013
1


LỜI CẢM ƠN
Với sự đồng ý của Bộ môn Vật lý hạt nhân–Khoa Vật lý và Vật lý kỹ thuật–
Trường Đại học Khoa Học tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh, tôi đã hoàn thành
xong đề tài này. Thông qua quyển luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành
và mộc mạc nhất đến:
o TS. NGUYỄN HUY BÍCH: người đã tận tình định hướng và chỉnh sửa
cho tôi khi thực hiện luận văn này.
o ThS. TRỊNH HOA LĂNG: người đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá
trình tôi thực hiện luận văn.
o GS–TS. ITAHASHI: người đã giảng dạy và cung cấp cho tôi nhiều tài
liệu quý giá về máy gia tốc để giúp cho luận văn của tôi được hoàn thiện
hơn.

o Các thầy cô phản biện và hội đồng chấm luận văn đã cho những nhận
xét và góp ý quý giá về luận văn.
o Các thầy cô trong Bộ môn Vật lý hạt nhân–Khoa Vật Lý và Vật lý Kỹ
thuật–Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh đã tận
tình giảng dạy và hướng dẫn tôi trong suốt quá trình tôi học cao học.
o Gia đình và các bạn trong lớp cao học Vật lý Hạt nhân K21 đã ủng hộ
tôi trong suốt thời gian qua.
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2013
NGUYỄN HẢI CHÂU

2


MỤC LỤC

Trang
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC…………………………………………………………..………………1
DANH MỤC BẢNG BIỂU………………………………………………………...3
DANH MỤC HÌNH VẼ…………...…………………………………………….....4
DANH MỤC KÍ HIỆU……………………………………………………………..6
MỞ ĐẦU………………...…………………………………………………...……..8
CHƯƠNG 1. SƠ LƯỢC VỀ MÁY GIA TỐC………………..…………………11
1.1. Các cột mốc trong sự phát triển của máy gia tốc………...………………...….11
1.2. Ứng dụng máy gia tốc trong khoa học ứng dụng...…………………………....18
1.2.1. Ứng dụng máy gia tốc trong y học………………...…...……………….18
1.2.2. Ứng dụng máy gia tốc trong công nghiệp…………......………………..19
1.3. Ứng dụng máy gia tốc trong khoa học cơ bản………………...………………22
1.4. Ứng dụng máy gia tốc tuyến tính RF ở Việt Nam và trên thế giới …....….......24
CHƯƠNG 2. NGUYÊN LÝ CẤU TẠO CỦA MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH

RF……………………..………………………………...…………………………28
2.1. Sơ đồ cấu tạo của máy gia tốc tuyến tính RF………………………………….28
2.2. Các bộ phận chính trong cấu tạo của máy gia tốc tuyến tính RF……………...30
2.2.1. Ống dẫn sóng…………………...……………………………………….30
2.2.1.1. Ống dẫn sóng kiểu disk-loaded………………..………………..31
3


2.2.1.2. Ống dẫn sóng kiểu coupled-cavity…………………...…………33
2.2.2. Nguồn phát và khuếch đại sóng………...……………………………….34
2.2.3. Nguồn phát electron…………………………...………………………...34
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN TỌA ĐỘ CỦA
ELECTRON TRONG MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH RF……….………..…37
3.1. Chuyển động tương đối của electron trong ống dẫn sóng..………......………..37
3.2. Khảo sát điện từ trường trong ống dẫn sóng…………………………………..45
3.3. Chuyển động của electron theo trục ngang trong ống dẫn sóng………………46
3.3.1. Khảo sát trường hợp chuyển động của electron theo trục ngang khi không
có tọa độ  ..…….…………...………………………………..………………...46
3.3.2. Xây dựng chương trình tính tọa độ r của electron….…….….……...…..49
3.3.3. Phân tích số liệu thu được…...…….……………………………………52
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……………………............................……………58
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………..60
PHẦN PHỤ LỤC……….…………………………………………………………63

4


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 1.1: Ưu và nhược điểm của các loại máy gia tốc trong sản suất đồng vị
phóng xạ………………………………………………....…………………………26
Bảng 1.2: Tình hình máy gia tốc linac ở Việt Nam……….……...……….27
Bảng 3.1: Bảng giá trị của an .……………………...………………………47
Bảng 3.2: Các thông số của máy gia tốc tuyến tính RF…….…………..….54

5


DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang
Hình 1.1: Máy gia tốc cyclotron được sản xuất tại Zurich Thụy Sĩ, năm
1937……………………………………………………………………………...…12
Hình 1.2: Máy gia tốc synchroton………………………...……………….15
Hình 1.3: Máy gia tốc betatron 25 MeV...…………………………………16
Hình 1.4: Máy gia tốc linac dùng sóng RF 100 MeV tại Úc…….…………18
Hình 1.5: Hệ chụp ảnh phóng xạ dùng phim……………………………….20
Hình 1.6: Máy gia tốc LHC (Large Hadron Collider) đặt tại CERN……....24
Hình 1.7: Máy gia tốc tevatron……………………………………..………25
Hình 1.8: Máy gia tốc synchrocyclotron 600 MeV được lắp đặt tại Cern,
năm 1957………………………………………………………...…………………27
Hình 1.9: Máy gia tốc linac dùng trong xạ trị ung bướu tại Bệnh viện Chợ
Rẫy………………………………………………………………………...……….30
Hình 1.10: Máy gia tốc trị xạ prise được mua từ hãng Elekta (Anh) với kinh
phí hơn 28 tỷ đồng được lắp đặt Viện y học phóng xạ và Ung bướu quân đội…..30
Hình 1.11: Eclipse HP (Siemens) là máy gia tốc cyclotron dùng để sản xuất
đồng vị phóng xạ trong xạ hình tại Bệnh viện Chợ Rẫy………..…..……………...30
Hình 2.1: Sơ đồ cấu tạo của máy gia tốc tuyến tính RF………...………….31
Hình 2.2: Hình dạng chùm hạt trong ống dẫn sóng………...……..…….…32

Hình 2.3: Ống dẫn sóng kiểu disk-loaded………...……………………….33

6


Hình 2.4: Các thông số của ống dẫn sóng disk-loaded…...………….…….34
Hình 2.5: Trường gia tốc cho kiểu từ trường ngang trong hốc hình trụ……35
Hình 2.6: Ống dẫn sóng kiểu doupled-cavity……...………………….……36
Hình 2.7: Nguồn phát electron bằng catốt quang điện…….....……….……38
Hình 3.1: Phương pháp Euler……………………………………...……….52
Hình 3.2: Đồ thị thể hiện tọa độ r của electron theo tọa độ z trong ống dẫn
sóng (phân bố điện trường trong ống dẫn sóng có tính tuần hoàn và có sự lặp lại sau
mỗi ba hốc tăng tốc, pha của sóng RF là k0 


)………………………………....55
6

Hình 3.3. Đồ thị biểu diễn năng lượng H của electron theo tọa độ z trong ống
dẫn sóng (phân bố điện trường trong ống dẫn sóng có tính tuần hoàn và có sự lặp lại
sau mỗi ba hốc tăng tốc, pha của sóng RF là k0 


)………………………...…...56
6

Hình 3.4: Đồ thị thể hiện tọa độ r của electron theo tọa độ z trong ống dẫn
sóng (phân bố điện trường trong ống dẫn sóng có tính tuần hoàn và có sự lặp lại sau
mỗi ba hốc tăng tốc, pha của sóng RF là k0  0 )………………………………....57
Hình 3.5: Đồ thị thể hiện tọa độ r của electron theo tọa độ z trong ống dẫn

sóng (phân bố điện trường trong ống dẫn sóng có tính tuần hoàn và có sự lặp lại sau

6

mỗi ba hốc tăng tốc, pha của sóng RF là k0   )………………………….…....58
Hình 3.6: Đồ thị thể hiện tọa độ r của electron theo tọa độ z trong ống dẫn
sóng (phân bố điện trường trong ống dẫn sóng có tính tuần hoàn và có sự lặp lại sau

3

mỗi ba hốc tăng tốc, pha của sóng RF là k0   )……………………………....59

7


DANH MỤC KÍ HIỆU

Ý nghĩa

Kí hiệu
A

Thế vectơ

E

Cường độ diện trường

p

Động lượng

a

Bán kính lỗ

an

Hệ số khai triển Fourier

b

Bán kính bên trong hốc tăng tốc

b0

Bán kính ống dây quấn bên ngoài ống dẫn sóng

c

Vận tốc ánh sáng trong chân không

d

Chiều dài mỗi hốc tăng tốc

e

Điện tích nguyên tố

f

Tần số sóng điện từ

Gi

Biểu thức liên hệ khi đổi biến

H

Hàm Hamilton

I

Cường độ dòng điện chạy qua ống dây

J

Hàm Bessel

k

Số sóng

Ki

Hàm Hamilton suy rộng

kn

Số sóng truyền theo trục z

L

Chiều dài ống dây quấn bên ngoài ống dẫn sóng

m

Khối lượng tương đối tính

m0

Khối lượng nghỉ

q

Điện tích



Tần số góc của sóng điện từ

T

Động năng

t

Thời gian
8




Ý nghĩa

Kí hiệu
TE

Chế độ hoạt động Transverse Electric mode

U

Thế năng

v

Vận tốc electron

vg

Vận tốc nhóm của sóng

vp

Vận tốc pha của sóng



Biến số thời gian suy rộng của hàm Hamilton suy rộng K



Động lượng suy rộng

kin


Động lượng suy rộng theo động năng
Thời gian sóng RF truyền qua mỗi hốc

0

Độ thay đổi pha của sóng RF khi đi qua mỗi hốc tăng tốc

TM

Chế độ hoạt động Transverse Magnetic mode

RF

Radio Frequency- Tần số vô tuyến

TeV

Tetra electron volt

MeV

Mega electron volt

9


MỞ ĐẦU

Ngày nay, cuộc sống con người đã đạt được những thành công rực rỡ nhưng
cũng phải đối mặt với không ít thách thức mang ý nghĩa tồn vong. Để vượt qua điều
đó, loài người đã không ngừng tìm kiếm, sáng tạo trong mọi lĩnh vực của đời sống
và khoa học công nghệ là một trong những lĩnh vực chủ lực. Do đó, các thành công
của khoa học cộng được ứng dụng một cách sâu rộng, toàn diện vào cuộc sống hiện
đại trên toàn thế giới. Nó giúp con người làm chủ được tri thức, mở rộng mọi giới
hạn.
Nên Việt Nam cũng không thể đứng ngoài xu hướng đó. Với mục tiêu trở
thành một nước công nghiệp phát triển vào năm 2020, nước ta đã đề các dự án lớn
trong việc ứng dụng rộng rãi thành tựu của khoa học công nghệ. Một trong các dự
án đang được tiến hành là ứng dụng máy gia tốc trong lĩnh vực công nghiệp, y học
và nghiên cứu khoa học cơ bản. Máy gia tốc là một thiết bị điện tử dùng để gia tốc
các hạt mang điện như electron, prôtôn, deuteron hay các ion nặng khác đạt đến
năng lượng mong muốn nhất định. Tại Việt Nam, máy gia tốc đầu tiên được lắp đặt
vào năm 1974 để phục vụ cho nghiên cứu khoa học. Theo thời gian, số lượng máy
gia tốc xuất hiện ngày càng nhiều tại các trung tâm nghiên cứu khoa học như
Trường đại học Khoa học tự nhiên Hà Nội, Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai
công nghệ bức xạ,… Ngoài ra, nhiều máy gia tốc được lắp đặt tại những bệnh viện
để phục vụ cho việc chẩn đoán và điều trị bệnh. Có thể nói rằng máy gia tốc đang
dần trở nên phổ biến tại nước ta. Chắc chắn trong tương lai không xa kỹ thuật gia
tốc ở nước ta sẽ phát triển.
Trên thực tế hiện nay, Việt Nam có một số lượng đáng kể các máy gia tốc
tuyến tính như linac, cyclotron đang được sử dụng trong các bệnh viện, các cơ sở
công nghiệp. Hàng năm, nước ta cũng sẽ nhập về các thế hệ máy gia tốc tuyến tính

mới. Với xu hướng phát triển của công nghệ gia tốc như vậy, việc nghiên cứu về
nguyên lý hoạt động cũng như cấu tạo của máy gia tốc tuyến tính là điều cần thiết.
10


Nên chúng tôi thực hiện đề tài “ Nghiên cứu chuyển động của electron trong máy
gia tốc tuyến tính RF “.
Mục tiêu của đề tài này là tìm hiểu sơ lược về lịch sử phát triển của máy gia
tốc; Tình hình ứng dụng của máy gia tốc, đặc biệt là máy gia tốc tuyến tính RF, trên
thế giới và ở Việt Nam; Tìm hiểu nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc tuyến tính RF;
Nghiên cứu chuyển động tương đối của electron trong máy gia tốc tuyến tính RF;
Viết chương trình tính tọa độ của electron trong chuyển động tương đối theo các
thông số kỹ thuật và chế độ hoạt động của một máy gia tốc cụ thể. Do đó, nội dung
của luận văn này được chia làm ba chương với những nội dung chính như sau:
Chương 1. Sơ lược về máy gia tốc: tóm tắt một cách sơ lược về các cột mốc
quan trọng trong lịch sử phát triển của máy gia tốc; các ứng dụng máy gia tốc trong
khoa học cơ bản, y học và công nghiệp. Đồng thời, trình bày tình hình các ứng dụng
của máy gia tốc tuyến tính RF trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay.
Chương 2. Nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc tuyến tính RF: mô tả khái
quát nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc tuyến tính RF bằng sơ đồ khối. Những
module quan trọng sẽ được giới thiệu một cách chi tiết như ống dẫn sóng; nguồn
phát và khuếch đại sóng; nguồn phát electron.
Chương 3. Xây dựng chương trình tính toán tọa độ của electron trong
máy gia tốc tuyến tính RF: trong chương này, ta sẽ đi khảo sát quá trình chuyển
động của một electron cụ thể khi bay trong trường điện từ của máy gia tốc tuyến
tính RF. Và xem xét một trường hợp đặc biệt trong chuyển động của electron theo
trục ngang. Giả lập một máy gia tốc cụ thể với những thông số cần thiết để viết
chương trình tính tọa độ của electron.
Chúng tôi mong muốn các kết quả thu được từ đề tài này, sẽ đóng góp một
viên gạch nhỏ trong việc xây dựng nền móng của công nghệ máy gia tốc ở Việt

Nam. Đồng thời, có thể xem đề tài như một tài liệu tiếng Việt để tham khảo. Xa hơn
nữa, chúng tôi hi vọng sẽ có thêm nhiều đề tài khoa học nghiên cứu về máy gia tốc
tuyến tính và công nghệ máy gia tốc sẽ trở thành một xu hướng không thể thiếu
trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa ở nước ta.
11


CHƯƠNG 1
SƠ LƯỢC VỀ MÁY GIA TỐC

1.1. Các cột mốc trong sự phát triển máy gia tốc
Tùy theo nhu cầu sử dụng mà máy gia tốc có các mức năng lượng khác nhau
từ vài MeV được ứng dụng trong y tế, công nghiệp đến các dòng máy gia tốc hàng
trăm triệu MeV ứng dụng trong các lĩnh vực nghiên cứu hạt nhân và vật lý năng
lượng cao.

Hình 1.1. Máy gia tốc cyclotron được sản xuất tại Zurich, Thụy Sĩ, năm 1937.
Những nghiên cứu dẫn đến phát hiện hạt cơ bản và ý tưởng gia tốc các hạt
được đánh dấu bằng một số mốc sự kiện đặc biệt quan trọng. Điều này đã định
hướng cho những nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm sau này. Những khám phá

12


quan trọng mở đầu cho ngành vật lý máy gia tốc hiện đại bắt đầu từ thế kỷ 19 được
nêu dưới dây [18]:
o Năm 1815: W.Proust, nhà vật lý người Anh cho rằng mọi nguyên tử
đều cấu thành từ các nguyên tử hidrô.
o Năm 1839: Faraday công bố kết quả thực nghiệm về dòng điện và mô
tả các hiện tượng phát tia lửa điện.

o Năm 1858: Pluscker công bố các kết quả thực nghiệm về tia catốt và sự
lệch hướng của chúng do từ trường. Các kết quả thực nghiệm cũng cho
thấy rằng tia sáng catốt cũng bị lệch hướng theo cùng chiều xoáy của dòng
Am-pe chạy trong nam châm điện. Do vậy, tia sáng điện phải mang từ
tính.
o Năm 1867: L.Lorenz nghiên cứu cùng lúc với Maxwell về lý thuyết
trường điện từ tính theo các giá trị của các trường cổ điển.
o Năm 1869: Hittorf thực hiện các thí nghiệm về sự lệch của các tia sáng
điện do từ trường và hiệu chỉnh một số suy luận không chính xác của
Pluscker.
o Năm 1871: C.F.Varley khám phá ra rằng tia catốt là chùm hạt.
o Năm 1874: H.Von Helmholtz công bố cấu trúc nguyên tử của dòng
điện.
o Năm 1883: J.C.Maxwell công bố lý thuyết điện từ. Đây là lý thuyết cơ
bản trong vật lý gia tốc hạt. Cũng trong cùng năm này, T.A.Edison khám
phá ra hiện tượng phát ion nhiệt.
o Năm 1886: E.Goldstein quan sát các hạt mang điện được tách từ ống
phát tia sáng qua các kênh trong catốt.
o Năm 1887: H.Hertz khám phá ra sóng điện từ và hiệu ứng quang điện.
o Năm 1891: G.J.Stoney đặt tên cho electron.
o Năm 1894: P.Lenard thiết kế ống phóng cho phép đưa tia catốt ra
không khí.

13


o Năm 1895: W.Rosntgen khám phá ra tia X. Cũng trong cùng năm
Wiedemann đề nghị nghiên cứu bức xạ mới về tia lửa điện. Thomson giải
thích về sự phát xạ được tạo ra do gia tốc xảy ra trong quá trình va chạm
của các hạt mang điện với các nguyên tử khác, từ đó tính được năng lượng

phát xạ trong một đơn vị thời gian: E=(2e2a2)/(3c); trong đó, e là điện tích
hạt phát xạ, a là gia tốc và c là vận tốc ánh sáng.
o Năm 1897: J.J.Thomson đo tỷ số e/m của các tia kanal và catốt bằng
phổ kế từ và nhận thấy rằng tỷ số e/m của các tia catốt lớn hơn 1700 lần so
với tỷ số này của tia kanal. Từ đó kết luận rằng tia catốt tạo bởi dòng điện
tự do dẫn đến bằng chứng về electron tự do. Cũng trong năm này,
J.Larmor đã đưa ra khái niệm về sự tịnh tiến Larmor.
o Năm 1898: Lienard tính được điện trường và từ trường của hạt mạng
điện chuyển động và năng lượng mất mát bởi bức xạ điện từ của hạt mang
điện chuyển động trên quỹ đạo tròn.
o Năm 1900: Wiechert dẫn ra biểu thức cho thế cổ điển của các điện tích
điểm.
o Năm 1905: A.Einstein công bố lý thuyết tương đối hẹp.
o Năm 1907: Schott tính được lý thuyết đầu tiên về bức xạ synchrotron
nhằm giải thích phổ nguyên tử. Cũng trong năm này, W.Kaufmann và
A.H.Bucherer đo sự tăng khối lượng của electron theo năng lượng. Đây là
thực nghiệm đầu tiên nhằm chứng minh lý thuyết tương đối hẹp.

14


Hình 1.2. Máy gia tốc synchroton [27].
o Năm 1909: R.A.Millikan bắt đầu đo điện tích electron.
o Năm 1913: J.Franck và G.Hertz thực hiện thí nghiệm đầu tiên nhằm
kích thích nguyên tử bằng các electron được gia tốc.
o Năm 1914: Marsden tạo ra chùm prôtôn đầu tiên bằng cách chiếu chùm
hạt alpha vào parafin.
o Năm 1920: H. Greinacher thiết kế máy phát đa tầng đầu tiên.
o Năm 1922: R.Wideroe khi còn là sinh viên đã phát thảo ra máy biến thế
chùm hạt.

o Năm 1924: Ising phát minh ra máy gia tốc thẳng electron dùng các ống
trôi và phát hiện ra sự kích thích khe sáng.
o Năm 1928: Wideroe công bố hoạt động của máy gia tốc thẳng cho
chùm ion kali và natri. Khảo sát hoạt động của betatron và bị thất bại
trong việc thu chùm tia do không đạt được sự hội tụ. Trong cùng năm
P.A.M.Dirac đã tiên đoán về sự tồn tại của pôzitron.
o Năm 1931: Van de Graaff lắp ráp máy phát cao thế đầu tiên.
o Năm 1932: Lawrence và Livingston lần đầu tiên gia tốc được chùm
prôtôn bằng cyclotron 1,2 MeV. Trong năm này còn có một số sự kiện

15


quan trọng khác như Crockcroft và Walton đã cải tiến máy phát đa tầng để
gia tốc prôtôn và tạo phản ứng hạt nhân đầu tiên Li+p  2He;
C.D.Anderson phát hiện ra pôzitron; Chadwick khám phá nơtron; và
H.C.Urey khám phá ra đơteri.
o Năm 1939: W.W.Hansen, R.Varian và S.Varian phát minh ra ống phát
sóng vi ba klystron tại Stanford.
o Năm 1941: Kerst và Serber hoàn thành máy betatron đầu tiên. Cũng
trong năm này, Touschek và Wideroe tính được nguyên lý vòng tích lũy.

Hình 1.3. Máy gia tốc betatron 25 MeV [27].
o Năm 1944: Ivanenko và Pomeranchuk cùng với Schwinger đồng thời
tìm được giới hạn năng lượng trong các máy gia tốc vòng do mất mát từ
bức xạ synchrotron.
o Năm 1945: Veksler và McMillan cùng lúc phát hiện nguyên lý hội tụ
pha. Trong năm này, Bletwett khám phá bằng thực nghiệm bức xạ
synchrotron bằng cách đo năng lượng mất mát của electron.

16


o Năm 1947: Alvarez thiết kế máy gia tốc thẳng prôtôn đầu tiên tại
Berkeley của Mỹ. Trong năm này, nhóm Ginxton đã thực hiện thí nghiệm
gia tốc electron lên đến 6 MeV bằng máy gia tốc thẳng Mark I tại Stanford
của Mỹ.
o Năm 1949: Nhóm E.M. McMillan xây dựng synchrotron electron 320
MeV.
o Năm 1950: Christofilos đưa ra khái niệm về hội tụ mạnh.
o Năm 1951: Motz xây dựng nam châm Wiggler đầu tiên nhằm tạo bức
xạ synchrotron giả đơn sắc.
o Năm 1952: Nhóm Livingson công bố thiết kế cosmotron 2,2 GeV tại
Brochaven. Trong năm này còn có nhóm Courant công bố bài báo đầu tiên
về hội tụ mạnh và nhóm Chodorow hoàn thành máy gia tốc tuyến tính
electron 600 MeV Mark III.
o Năm 1954: Nhóm R.R.Wilson vận hành synchrotron electron AG đầu
tiên tại Cornell ở Mỹ đạt năng lượng đến 1,1 GeV. Trong năm này, Nhóm
Lofgren gia tốc prôtôn đạt đến năng lượng 5,7 GeV trong bevatron.
o Năm 1955: Sands xác định giới hạn hội tụ pha do kích thích nguyên tử.
o Năm 1958: Courant và Snyder xuất bản bài báo đầu tiên về lý thuyết
synchrotron.

17


Hình 1.4. Máy gia tốc linac dùng sóng RF 100 MeV tại Úc [23].
Quá trình nghiên cứu và phát triển máy gia tốc nở rộ vào những năm năm
mươi, nhờ sự hỗ trợ của máy phát tần số vô tuyến công suất cao. Cùng với sự phát
triển của kỹ thuật máy gia tốc là những hiểu biết vượt bậc về lý thuyết được công bố

trên rất nhiều bài báo, tạp chí khoa học. Giai đoạn phát triển rầm rộ này đã thúc đẩy
sự phát triển công nghệ gia tốc như ngày nay, giúp các nhà khoa học phát triển hơn
nữa những nghiên cứu khoa học cơ bản.
Từ đây những ứng dụng của máy gia tốc trong các lĩnh vực khác như công
nghiệp, nông nghiệp, y tế và các ngành công nghệ vật liệu được phát triển như vũ
bão tạo ra một giá trị thị trường hàng năm rất lớn cho các thiết bị gia tốc.

18


1.2. Ứng dụng máy gia tốc trong khoa học ứng dụng
Mặc dù những phát triển về công nghệ gia tốc thay đổi không nhiều nhưng
tốc độ ứng dụng máy gia tốc trong các quá trình xử lý trong các ngành công nghiệp
vẫn tăng đều đặn hàng năm. Điều này là kết quả của sự phát triển nhanh chóng của
ngành kinh doanh sản xuất máy gia tốc của nhiều công ty và viện nghiên cứu trên
toàn thế giới. Số lượng các nhà cung cấp máy gia tốc tăng theo nhu cầu sử dụng
máy gia tốc theo sự tăng trưởng của các ngành công nghiệp của các nền kinh tế mới
nổi.
Hiện nay, phần lớn các máy gia tốc công nghiệp được sản xuất bởi các nhà
cung cấp lớn ở Bắc Mỹ, Châu Âu và Nhật Bản. Nhưng có một số nhà cung cấp ở
Nga, Ấn Độ, Hàn Quốc và Trung Quốc cũng đang phát triển rất nhanh chóng.
Những nhà cung cấp mới này sản xuất máy phục vụ trong các lĩnh vực địa chất và
số lượng máy sẽ tiếp tục tăng khi kỹ thuật gia tốc được chấp nhận sử dụng rộng rãi
trong các ngành công nghiệp của những nước này. Theo số liệu thống kê được công
bố từ các nhà cung cấp lớn thì hệ thống máy gia tốc công nghiệp được sản xuất trên
một năm hơn gấp hai lần số lượng máy gia tốc được sản xuất cho nghiên cứu và
điều trị y khoa.
1.2.1. Ứng dụng máy gia tốc trong y học
Một số ứng dụng quan trọng của máy gia tốc trong y học là chẩn đoán và
điều trị một số căn bệnh, đặc biệt là bệnh ung thư. Ngày nay, các bệnh viện đều

được trang bị máy chụp X-quang. Trong những thiết bị này luôn có một bộ phận
đóng vai trò là máy gia tốc để tạo ra chùm electron năng lượng cao, sau đó chùm
electron này được cho va chạm với bia kim loại làm sinh ra chùm tia X. Dựa vào
tính chất hấp thụ và truyền qua của tia X khi chiếu qua cơ thể, người ta thu được
hình ảnh bên trong cơ thể phục vụ việc chẩn đoán.

19


Trong xạ trị, chùm tia năng lượng thích hợp được dùng để chiếu vào vị trí có
tế bào ung thư. Trước đây, người ta thường dùng chùm tia gamma phát ra từ nguồn
côban (Co60). Ngày nay máy gia tốc được dùng để dần thay thế cho nguồn côban
bởi vì nó có thể tạo ra được hai loại bức xạ: chùm electron và chùm tia X. Máy gia
tốc còn có ưu điểm linh hoạt trong việc điều chỉnh cường độ cũng như năng lượng
của chùm hạt.
1.2.2. Ứng dụng máy gia tốc trong công nghiệp
Trong công nghiệp, máy gia tốc được sử dụng rất đa dạng. Các ứng dụng chủ
yếu đó là: chụp ảnh công nghiệp, chụp ảnh phóng xạ, phân tích kích hoạt vật liệu…
Để tạo ra ảnh của 1 mẫu vật, chỉ ra những thay đổi ở độ sâu, các khuyết tật
(bên trong và trên bề mặt), những thay đổi trong cấu trúc, các chi tiết… ta thường
dùng phương pháp kiểm tra không phá mẫu, trong đó phương pháp chụp ảnh phóng
xạ là được sử dụng rộng rãi nhất.

Hình 1.5. Hệ chụp ảnh phóng xạ dùng phim.
Việc sử dụng các tia X hay tia gamma có năng lượng khác nhau để chụp ảnh
phóng xạ hoàn toàn phụ thuộc vào độ dày của mẫu kiểm tra. Nếu mẫu có độ dày
nhỏ, người ta dùng các nguồn có năng lượng thấp, để lúc đi qua mẫu nó vẫn có thể
20

đến phim mà không bị hấp thụ hoàn toàn trong mẫu. Nguồn ở đây thường là nguồn
gamma năng lượng dưới 1 MeV hay ống Rơn-ghen năng lượng tầm 450 KeV.
Trong thực tiễn các ngành công nghiệp, để kiểm tra các mẫu kích thước lớn bằng
phương pháp chụp ảnh phóng xạ, người ta thường những nguồn tia X có khả năng
đâm xuyên cao hơn nhiều, tầm từ 1 đến 25 MeV. Các thiết bị phù hợp nhất tạo ra
các năng lượng này là máy gia tốc betatron, máy gia tốc thẳng. Điểm cần lưu ý
trong việc chụp ảnh phóng xạ các vật thể lớn là năng lượng tia X rất cao nhưng
không được vượt quá ngưỡng phản ứng hạt nhân để đảm bảo an toàn phóng xạ. Do
vậy, năng lượng tia X từ máy gia tốc thường phải nhỏ hơn 10 MeV.
Để có thể phân tích nhiều đối tượng khác nhau như mẫu môi trường, đất
nông nghiệp, mẫu địa chất, các loại vật liệu… người ta thường dùng phương pháp
phân tích vật liệu. Trong phần này, chúng tôi muốn trình bày một trong những
phương pháp rất phổ biến là phân tích kích hoạt sử dụng máy gia tốc. Phân tích kích
hoạt là phương pháp dựa trên việc đo cường độ phát xạ của các đồng vị phóng xạ
được tạo ra trong các phản ứng hạt nhân, các phản ứng này xảy ra lúc mẫu được
kích hoạt bởi một chùm hạt nơtron, hạt điện tích hay phôtôn. Cường độ này tỉ lệ với
hàm lượng nguyên tố cần xác định trong mẫu. Những nhân tố ảnh hưởng đến việc
xác định hàm lượng các nguyên tố trong mẫu gồm: tiết diện phản ứng hạt nhân;
thông lượng dòng hạt kích hoạt; độ phổ cập đồng vị; thời gian sống; trọng lượng các
nguyên tố; sơ đồ phân rã; thời gian chiếu, thời gian nghỉ và thời gian đo; hiệu suất
đầu dò ghi bức xạ. Để tiến hành một phép phân tích kích hoạt, chúng ta cần giải
quyết ba khâu sau: mẫu phân tích và mẫu chuẩn (tức đối tượng cần phân tích);
nguồn kích hoạt (nguồn chiếu xạ); hệ thống thiết bị đo đạc và xử lý phổ: gồm các
đầu dò ghi phổ, máy tính được cài đặt chương trình xử lý phổ.
Ngoài ra, một số ứng dụng chùm electron là sử dụng năng lượng electron
trực tiếp để thay đổi một số đặc trưng hóa lý của vật liệu thông qua sự tích nhiệt, sự
ion hóa và các tương tác với nguyên tử. Trong khi đó, một số khác sử dụng bức xạ
thứ cấp như bức xạ hãm của electron để tạo ra tia X hoặc bức xạ synchrotron dùng
trong kiểm tra vật liệu. Nhiều ứng dụng của chùm ion dựa vào tương tác trực tiếp
21

của hạt nhân cụ thể vào vật liệu bia. Nhưng một số ứng dụng khác dựa vào năng
lượng hãm của ion trong vật liệu bia như ứng dụng cấy ion trong vật liệu hoặc trong
ứng dụng tạo chùm nơtron dùng trong kiểm tra vật liệu.
Trên thực tế, có nhiều hệ máy gia tốc được xây dựng cho việc cấy ion vào
vật liệu ứng dụng trong ngành công nghiệp chất bán dẫn. Các hệ máy gia tốc trong
lĩnh vực này vượt trội hơn các hệ máy gia tốc ứng dụng trong các lĩnh vực khác cả
về số lượng máy lẫn giá trị kinh tế của sản phẩm tạo ra từ máy gia tốc.
Các ứng dụng chùm ion trong công nghiệp khác như tạo chất đồng vị phóng
xạ ứng dụng trong các đánh dấu chất đồng vị; hay các máy gia tốc tạo ra nơtron
đang còn hoạt động trong ngành công nghiệp dầu khí; các máy gia tốc tĩnh điện, hầu
hết là các máy kiểu Van de Graaff, hiện đang được sử dụng để phân tích chùm ion
sử dụng trong công nghiệp.
Ngành công nghiệp lớn nhất sử dụng máy gia tốc electron là ngành công
nghiệp chế tạo vật liệu. Trong ngành này, chùm electron chính xác có năng lượng
tương đối được dùng trong công nghệ hàn, cắt, khoan, xử lý nhiệt, mài và làm cứng
bề mặt đòi hỏi độ chính xác cực kỳ cao. Gia tốc chùm electron còn được sử dụng
trong việc tạo ra các nhiệt độ nóng chảy chính xác cao cho các vật liệu có độ nóng
chảy cao như tungsten hoặc molybden và dùng trong các chế tạo các kim loại siêu
dẫn tinh khiết như niobium trong ngành công nghiệp luyện kim kỹ thuật cao. Quá
trình xử lý chùm electron đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp ôtô như
dùng trong việc chế tạo hộp số, tôi luyện trục cam và các đầu thanh nối.
Một ứng dụng khác của máy giá tốc electron là dùng chùm electron có năng
lượng cao cỡ năng lượng ion hóa để chiếu xạ các vật liệu và các sản phẩm để tăng
cường các đặc tính hóa, lý và sinh học. Các máy gia tốc electron này còn được gọi
là máy chiếu xạ electron. Những máy gia tốc này được sử dụng rất nhiều trong công
nghệ ứng dụng gia tốc như các quá trình xử lý nối mạch và lưu hóa polyme, tạo các
liên kết ngang của đơn phân tử và tạo liên kết cho vật liệu tổng hợp trên đế nhựa
epoxy. Những ứng dụng bao gồm sản xuất dây cách điện chịu nhiệt, ống co nhiệt và

màng mỏng đóng gói thực phẩm, tạo bọt polyethylen, lốp cao su, tạo hydrogel cho
22


băng vết thương, cũng như xử lý mực in, sơn, keo dán giấy, gỗ, kim loại và nhựa.
Chùm electron năng lượng cao và tia X cũng được dùng trong khử trùng các dụng
cụ y tế và nước thải, khử trùng và bảo quản thực phẩm, xử lý khí thải trong ống
khói, và làm lão hóa nhựa dùng trong sơn và mực in.
Những chùm electron năng lượng cao cũng được sử dụng để tạo ra các bức
xạ thứ cấp dùng trong thăm dò và xử lý vật liệu. Các bức xạ thứ cấp như bức xạ
hãm được tạo ra bằng cách bắn các electron năng lượng cao được tạo ra từ máy gia
tốc tuyến tính vào các bia hoặc các bức xạ synchrotron được tạo ra từ các electron
chuyển động tương đối tính trong máy gia tốc synchrotron.
Việc sử dụng các kỹ thuật X-quang trong việc kiểm tra an ninh tại các sân
bay và cửa khẩu đã tạo ra sự bùng nổ trong việc sử dụng các máy gia tốc electron
tuyến tính trong kiểm tra không hủy thể. Phương pháp này có ưu điểm so với các
phương pháp chụp ảnh X-quang cũ là có thể kiểm tra các hàng hóa có bề dày lớn
hơn và thành phần hành lý phức tạp hơn.
1.3. Ứng dụng máy gia tốc trong khoa học cơ bản
Nhờ có máy gia tốc mà sự hiểu biết của con người về thế giới tự nhiên mới
có thể sâu rộng như những gì chúng ta đang có. Thật vậy, cấu trúc và tính chất của
vật chất có thể phát hiện khi có chùm hạt chuyển động với tốc độ cao tương tác với
vật chất. Muốn xảy ra điều này thì cần phải có một phương tiện để tạo ra một chùm
hạt có năng lượng và cường độ đủ lớn. Phương tiện này chính là máy gia tốc. Ngay
từ khi ra đời vào khoảng nửa đầu của thế kỉ 20, máy gia tốc đã bắt đầu đóng góp
cho sự phát triển của ngành vật lí học. Ngày nay, máy gia tốc đã trở thành công cụ
đắc lực để nghiên cứu hạt cơ bản. Những máy gia tốc này có kích thước rất lớn, chu
vi của mỗi vòng tăng tốc lên đến hàng chục kilômét, chùm hạt sau khi được tăng tốc
sẽ đạt đến mức năng lượng hàng TeV.

23


Hình 1.6. Máy gia tốc LHC (Large Hadron Collider) đặt tại CERN.
Những sự kiện quan trọng trong lĩnh vực nghiên cứu hạt cơ bản có sử dụng
máy gia tốc làm phương tiện nghiên cứu đó là:
o

Năm 1990: nhóm nghiên cứu với máy gia tốc SLAC đã tìm được cấu

trúc hạt quark bên trong prôtôn và nơtron [25].
o

Năm 1995: các nhà vật lí tại SLAC tìm thấy hạt tau lepton [25].

o

Năm 2006: máy gia tốc tevatron phát hiện hai loại hạt sigma baryon

[22].
o

Năm 2007: máy gia tốc tevatron phát hiện hạt xi baryon [22].

o

Năm 2008: máy gia tốc tevatron tiếp tục phát hiện hạt omega baryon

[22].

24


Hình 1.7. Máy gia tốc tevatron.
1.4. Ứng dụng của máy gia tốc tuyến tính RF ở Việt Nam và trên thế giới
Máy gia tốc dùng để sản xuất các nhân phóng xạ (đồng vị phóng xạ). Các
loại máy gia tốc tuyến tính có thể sản xuất nhân phóng xạ là linac, cyclotron. Trong
đó, cyclotron là loại máy gia tốc chủ lực.
Hiện nay, máy gia tốc linac là phương tiện chủ yếu trong xạ trị ung thư với
các tia bức xạ electron và photon. Xạ trị bằng prôtôn hay hạt cacbon ngày càng phát
triển tại các nước phát triển và hứa hẹn có một tương lai tươi sáng.
Tình hình máy gia tốc tuyến tính linac ở Việt Nam: Có khoảng 15 máy gia tốc
tuyến tính linac trải đều trên khắp đất nước. Nhưng tập trung chủ yếu vẫn là ở Hà
Nội và Thành phố Hồ Chí Minh.

25