Máy gia tốc tuần tự

Máy gia tốc tuần tự: Cyclotron, Synchrocylotron
 Nguyên tắc hoạt động máy gia tốc cyclôtrôn

Bài toán điện tích chuyển động trong từ trường đều vuông góc với vận tốc ban
đầu của nó cho thấy quỹ đạo điện tích là đường tròn. Chu kì quay của điện tích không
phụ thuộc vào vận tốc của nó. Tính chất này được ứng dụng trong máy gia tốc
xiclôtrôn. Đây là một thiết bị quan trong trong nghiên cứu vật lý hạt nhân và các hạt
cơ bản.
Tuy nhiên với các loại máy gia tốc cyclotron do bán kính quỹ đạo của hạt:

Theo đó bán kính phụ thuộc vào khối lượng của hạt nên không thích hợp gia tốc với
các hạt khối lượng nhẹ như electron. Người ta đã phát triển loại máy gia tốc
synchrocyclotron.
Cấu tạo máy gia tốc gồm hai điện cực, có dạng hai nửa hình hộp hình chữ D (D 1, D2)
đặt trong một buồng chân không. Hai hộp chữ D đặt cách nhau một khe hẹp. Đặt một
hiệu điện thế thay đổi tuần hoàn vào hai hộp, hai hộp D 1và D2 trở thành hai điện cực
(đổi chiều nhưng không đổi cường độ).
Khoảng giữa khe hẹp có một điện
trường thay đổi tuần hoàn. Toàn bộ hai
hộp đặt trong một từ trường đều của
một nam châm điện cực mạnh có cảm
ứng từ


B

vuông góc với mặt hộp.

Những hạt mang điện được cung cấp từ
nguồn P, đặt ở khe giữa khe hở của hai

cực. Quá trình gia tốc các hạt mang điện được thực hiện làm nhiều bước. Giả sử, khi
hiệu điện thế giữa hai cực là lớn nhất, ở khe giữa hai cực có một hạt mang điện
dương (proton); khi đó hạt sẽ chịu tác dụng của điện trường và bị hút vào giữa điện
cực âm (D), đươc gia tốc bởi điện trường. Khoảng không gian trong điện cực là đẳng
thế, ở đó hạt chỉ chịu tác dụng của từ trường. Với vận tốc vừa thu được dưới tác
dụng của từ trường, hạt sẽ chuyển động tròn, có bán kính tỷ lệ với vận tốc:

Người ta chọn tần số của hiệu điện thế xoay chiều bằng tần số cyclôtrôn của hạt
(Điều kiện cộng hưởng)
Sau khi hạt chuyển động được nửa vòng tròn và đến khe hở giữa hai điện cực, thì lúc
đó hiệu điện thế đã đổi dấu (sau một nửa chu kỳ) và đạt giá trị cực đại. Hạt lại được
điện trường giữa hai khe tăng tốc thêm, rồi bay vào trong cực thứ hai, với vận tốc
lớn hơn, do đó quỹ đạo của hạt có bán kính lớn hơn trước trong khi thời gian chuyển
động của hạt trong điện cực D1, D2 thì không đổi (bằng nửa chu kỳ). Quá trình tăng
tốc cứ tiếp tục mãi. Quỹ đạo của hạt có dạng gần như một đường xoắn ốc (tròn trong
vùng hộp D và thẳng ở giữa 2
khe – tổng hợp lại là quỹ đạo
hình gần xoắn ốc).
Năng lượng cực đại Wmax có thể
cung cấp cho hạt phụ thuộc vào
cảm ứng từ của nam châm điện,
vào bán kính quỹ đạo cực đại
rmax của hạt rmax bằng bán kính
các hộp).
Ta có:

rmax = R =

v max

q
B
m
Wmax

do đó:

mv 2max q 2 2 2
=
=
R B
2
2m

Đối với máy gia tốc cyclotron, Wmax chỉ có thể đạt tới vài chục MeV. Bởi vì khi
hạt thu được năng lượng lớn tới mức nào đó thì khối lượng m của hạt tăng lên do
hiệu ứng tương đối tính dẫn đến điện tích riêng giảm. Theo đó tần số xiclôtrôn giảm,
sự đồng bộ giữa tần xiclôtrôn và tần số điện trường không còn vì vậy hạt không được
tăng tốc nữa. Khi đó, muốn cho năng lượng của hạt lớn, cần phải là thay đổi tần số
của hiệu điện thế tăng tốc (trong máy gia tốc phazôtrôn) hoặc là thay đổi từ trường


m
B

sao cho tỷ số
không đổi (trong máy
synchrocylotron) hoặc cả tần số của hiệu điện thế
tăng tốc lẫn từ trường đều biến đổi. Lúc đó hạt có
thể gia tốc tới năng lượng hàng chục GeV.[4]

Hoạt động của Cyclotron: