Máy gia tốc và những nhà vật lí được giải nobel

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 thế
giới 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 các
bệnh 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, sinh
học 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 công nghiệp

1,500

Máy gia tốc trong nghiên cứu phi hạt nhân

1,000

Phẫu thuật bằng bức xạ

5,000

Sán xuất các đồng vị y học

200

Liệu pháp hadron

20

Nguồn bức xạ Synchrotron

70

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: và một chương về ứng dụng
của máy gia tốc có thể truy cập trực tiếp ở địa chỉ: />
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 bị
electron 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, Edwin
Mattison 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 bán
nguyệt 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 và
anode. 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 tên
John Douglas Cockcorft và Ernest Thomas Sinton Walton. Năm 1951, họ nhận giải Nobel
vật 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 chia
thành 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 lá
kim 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 nhiều
khe. 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. Khoảng
cùng 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 Thụy
Điển, 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 938
MeV 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 sự
tăng 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
hình.
Ảnh: Teddy Thörnlund

Synchrocyclotron
Để vượt qua sự giới hạn năng lượng của cyclotron, nguyên tắc cân bằng pha đã được phát
minh và chứng minh vào năm 1944/45. Những người phát minh là Vladimir Iosifovich
Veksler ở Liên viện nghiên cứu hạt nhân Dubna, một trung tâm nghiên cứu quốc tế nằm
cách Moscow 100 km về phía bắc, và Edwin Mattison McMilan, một cựu sinh viên của
Lawrence, ở Đại học California ở Berkeley. Họ chỉ ra, một cách độc lập với nhau, rằng
bằng cách điều chỉnh tần số của điện thế đặt vào với sự giảm tần số của proton quay, ta có
thể gia tốc proton lên vài trăm MeV. Cyclotron sử dụng sự gia tốc đồng bộ bằng cách điều
biến tần số (FM) thường được gọi tên là synchrocyclotron hay cyclotron FM. Edwin

mattison McMilan nhận giải Nobel hóa học năm 1951 cùng với Glenn Theodore Seaborg
cho việc phát hiện nguyên tố neptunium.
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 năng
lượng 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 cyclotronsynchrocyclotron 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 hạt
nhân 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 sector
độc 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 được
dùng cho việc sản xuất các hạt nhân phóng xạ trong y học và công nghiệp. Cyclotron cũng
cung cấp các chùm tia cho liệu pháp đei6ù trị và phẫu thuật bằng bức xạ và chẳng hạn như
cyclotron 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 quá
trình 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 thập
niên 1970. Chúng gia tốc proton đến 450 và 1000 GeV (tương ứng từng máy), và được đặt
trong 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 quốc
gia 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 có
được 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 trong
một 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 hai
synchrootron rất lớn gần như giống hệt nhau, nay vẫn còn hoạt động, bắt đầu tại phóng thí
nghiệm 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


1960.
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 ( />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, thời
gian trôi chậm lại khi một vật chuyển động gần vận tốc ánh sáng. Chẳng hạn, trong hệ quy
chiếu 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 vào
những 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.

Kí hiệu

Điện tích

Năng lượng
nghỉ
[MeV]

neutron

n

0

939.6

889

proton

p

+1

938.3

>3x1038

deuteron

d

+1

1875

>3x1038

triton

t

+1

2809

>3x1038

Hạt

Thời gian
sống

[s]

Sơ cấp:


alpha



+2

3727

>3x1038

ion nặng

A

+92

931A

>3x1038

electron

e

-1

0.511

>6x1029

photon tia X

X

0

0

bền

photon tia
gamma



0

0

bền

meson pi



±1

139.6

2.6x10-8

meson K



±1

494

1.2x10-8

muon



±1

106

2.2x10-6

neutrino



0

<0.00002

stable

positron

+1

0.511

>5x103

phản proton

-1

938.3

>4x105

Thứ cấp:

Nam châm được thiết kế đặc biệt dùng để hội tụ các chùm hạt. Một nguyên tố hội tụ đơn
giản là nam châm tứ cực. Nó có bốn cực sắt và từ trường được kích thích bằng dòng điện
chạy trong các cuộc bao quanh. Có hai cực bắc đối diện nhau và mỗi cực bắc có một cực
nam láng giềng. Từ trường bằng không ở trục giữa và nó tăng tuyến tính theo sự tăng
khoảng cách tính từ trục giữa. Nam châm tứ cực cho sự hội tụ ở một mặt phẳng, chẳng
hạn mặt phẳng x,z, và sự phân kì ở một mặt phẳng khác, mặt phẳng y,z. Trục z được giả

định là hướng theo hướng chùm hạt. Như trong quang học, sự phối hợp một thấu kính
hội tụ và một thấu kính phân kì có thể đưa đến một mạng hội tụ, một cặp nam châm tứ
cực cũng có thể được thiết kế sao cho nó cho một mạng hội tụ ở cả mặt phẳng x,z và mặt
phẳng y,z.
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. Các
nam 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 Wideröe
nah65n thấy rằng, nếu pha của điện thế biến thiên thay đổi 180 độ trong hành trình của hạt

giữa 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 vô
tuyến 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 electron
lớn 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 bởi
những khe nhỏ và đặt dọc theo một đường thẳng. Không có từ trường làm thay

đổi hướng của hạt được gia tốc. Khi hạt chuyển động bên trong vùng tự do của
một 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.


Electron
Electron được gia tốc trong những khe đơn trong hơn 100 năm qua. Ống tia X và kính
hiển vi điện tử là những máy gia tốc loại một khe phổ biến dùng cho nhiều ứng dụng đa
dạng. Một máy gia tốc gần gũi với hết thảy chúng ta đặt bên trong các bộ TV, nơi electron
được gia tốc lên điện thế 30 kV.
Máy gia tốc thẳng electron nhỏ có năng lượng trên dưới 10 MeV rất phổ biến trong các
bệnh viện cho việc tạo ra những dòng tia X mạnh dùng đều trị ung thư.
Electron năng lượng cao được gia tốc trong máy gia tốc thẳng và trong synchrotron. Công
trình tiên phong thực hiện vào đầu những năm 1960 ở Standford về sự phát triển của máy
gia tốc electron, dưới sự lãnh đạo của Burton Richter. Lúc đó, kích thước của hạt nhân
nguyên tử đã được đo ở Standford bằng sự tán xạ lectron có năng lượng lên tới 1 GeV từ
một máy gia tốc thẳng dài 100m. Với Richter là nhà khoa học chỉ đạo, việc xây dựng một
máy gia tốc thằng dài 3km bắt đầu, và năm 1967 nó đã gia tốc được, lần đầu tiên, electron
lên 20 GeV. Khái niệm máy va chạm (xem phần nói về máy va chạm) cũng được phát
triển vào lúc đó. Sự phát triển này đưa đến việc xây dựng các máy va chạm electronpositron và Richter, dùng một máy va chạm như vậy, đã cùng chia sẻ giải Nobel vật lí
1976 với Samuel Chao Chung Ting cho công trình tiên phong của họ về việc phát hiện
một loại hạt sơ cấp nặng mới. Standford hiện nay là một trung tâm quan trọng về máy gia
tốc electron và ngoài máy gia tốc thẳng dài 3km lớn nhất, thì hai máy va chạm electronpositron là những công cụ mạnh mẽ cho nghiên cứu vật lí hạt cơ bản.
Từ rất sớm, trong sự phát triển của synchrotron electron, sự hứng thú tập trung vào bức xạ
synchrotron. Năm 1977, Phòng thí nghiệm bức xạ synchrotron Standford (SSRL) khánh
thành. Ngày nay, nhiều synchrotron electron được xây dựng cho việc sản xuất các chùm

bức xạ synchrotron thứ cấp. Máy lớn nhất thuộc loại này là SPring8 8 GeV ở Harina, quận
Hyogo, phía tây Nhật Bản.
Có khoảng 10 máy gia tốc electron trong ngưỡng từ vài trăm MeV đến vài ngàn MeV
được sử dụng chủ yếu cho nghiên cứu vật lí ứng dụng, vật lí hạt nhân và biên giới giữa vật
lí hạt nhân và vật lí hạt. Máy gia tốc mạnh nhất thuộc loại này là synchrotron đường đua ở
Máy gia tốc quốc gia Thomas Jefferson ở Newport News, Virginia. Nó cho chùm electron
6 GeV mạnh và liên tục 100 microampere.


Thiết bị chùm electron liên tục (CEBAF) ở Phòng thí nghiệm Jefferson, Virginia, Mĩ, gia
tốc electron lên 6 GeV trong một microtron đường đua có chu vi 1,4km. Sự gia tốc xảy ra
trong 338 vỏ rỗng (hộp) đặt trong những đoạn thẳng bên trong cryomodule và chùm tia bị
bẻ cong 180 độ trong năm hình cung khác. Trong vòng quay thứ nhất, electron chuyển
động trong những hình cung ở trên, chúng lần lượt đi xuống và sau 5 vòng quay gia tốc
chúng chạm đến các hình cung dưới đáy. Thí nghiệm đặt trong ba căn phòng khác nhau,
A, B và C. Trong tương lai, phòng D mới sẽ được thêm vào và năng lượng sẽ tăng lên 12
GeV.
Minh họa: Phòng thí nghiệm DOE/Jefferson.

Ion nặng
Cyclotron sector hội tụ rất có ích cho việc cung cấp các ion nặng năng lượng thấp. Những
ion đó phải tích điện cao để đạt năng lượng lớn nhất khả dĩ đối với một máy gia tốc cho
trước. Năng lượng thu được bởi hạt tích điện đi qua khe có hiệu điện thế V là ZeV, trong
đó Z là điện tích của ion tính theo đơn vị điện tích electron e. Các loại nguồn ion đa dạng
đã được phát triển, ECR (Cyclotron cộng hưởng electron) và EBIS (Nguồn ion tia
electron), và chúng cho những chùm ion tích điện cao năng lương thấp cường độ mạnh.
Những nguồn này lớn và đặt bên ngoài máy gia tốc.
Bằng cách cho ion đi qua một môi trường mỏng, chẳng hạn một lá kim loại, electron được
trao đổi giữa ion và môi trường. Vận tốc càng cao thì cơ hội để ion mất electron nguyên tử
càng lớn. Đối với electron có năng lượng rất cao, mọi electron có thể bị bóc ra và ion

hoàn toàn trơ trụi. Một ion uranium hoàn oàn trơ trụi có điện tích gấp 92 lần điện tích
proton và trong khi đi qua hiệu điện thế gia tốc, năng lượng của nó tăng lên 92 lần năng
lượng mà proton tăng thêm. Vì không thể tạo ra ion tích điện cao từ các nguồn ion hơn
khoảng 10 đơn vị điện tích cơ bản, hai máy gia tốc "tầng" có thể dùng làm tăng điện tích
của ion bằng cách "bóc trụi" nó. Sau khi gia tốc lên vận tốc cao trong máy gia tốc thứ
nhất, ion được cho ra ngoài và truyền qua một lá kim loại mỏng, ở đó các electron bị bóc
ra. Ion tích điện cao sau đó được cho vào máy gia tốc thứ hai, nơi đây chúng được gia tốc
đến năng lượng sau cùng. Một ví dụ cho thiết bị tầng kiểu này là khu liên hợp máy gia tốc
GANIL ở Caen, ở đó hai cyclotron sector hội tụ được dùng cho vật lí ion nặng. Các thiết
bị khác là GSI ở Darmstadt, ở đó một máy gia tốc thẳng, Máy gia tốc thẳng Universal


(UNILAC), đóng vai trò làm vòi phun cho Synchrotron ion nặng (SIS) và khu phức hợp
CERN PS cung cấp ion cho SPS.
Vì năng lượng cực đại trong một cyclotron bị giới hạn bởi cường độ từ trường và bán kính
ngoài của nó, nên các cuộn dây siêu dẫn được dùng thay cho các cuộn dây đồng truyền
thống bao quanh các cực sắt để cung cấp từ trường mạnh hơn. Do đó có thể thu được năng
lượng cao hơn và cyclotron có thể được xây dựng rắn chắc hơn. Cyclotron được phát triển
đầu tiên bởi Henry Blosser và các đồng sự của ông ở East Lansing, Mĩ, nơi hai cyclotron
"rắn chắc" hiện đang được ghép đôi với nhau. Từ trường là 5 tesla và đường kính cực từ là
1,5 đến 2m, tương ứng với hai máy. Trong các cyclotron này, ion nặng có thể được gia tốc
đến năng lượng 160 MeV/nucleon. Ví dụ, ion argon có thể được gia tốc lên đến động năng
toàn phần 6400 MeV. Một thiết bị ion nặng mới hiện đang có kế hoạch xây dựng cho Viện
nghiên cứu Vật lí và Hóa học Riken, ở Wako, Saitama, Tokyo.
Máy gia tốc thẳng và synchrotron cho electron và ion cũng là những công cụ quan trọng
cho nền vật lí ion nặng khi mà năng lượng cao được cần đến. Phòng thí nghiệm quốc gia
Lawrence Berkeley (LBL), mạng tên nhà phát minh ra cyclotron, thiết đặt một máy gia
tốc thẳng hiện có và synchrorton vào đầu thập niên 1970 cho việc gia tốc ion nặng lên
khoảng 2000 MeV/nucleon. Synchrotron Berkeley nay đã ngừng hoạt động nhưng
synchrotron SIS cho ion nặng ở Darmstadt cung cấp từ 1990 các ion có năng lượng lên tới

1000 MeV/nucleon, và được dùng cho nghiên cứu vật lí thuần túy và vật lí ứng dụng.
Sử dụng các ion nặng được gia tốc, một số nguyên tố mới đã được phát hiện trước tiên ở
Berkeley và Dubna và sau là ở Darmstadt. Nguyên tố nặng nhất phát hiện được trước đây,
nguyên tố 110, được tìm thấy trước tiên ở Darmstadt và phát hiện đã được xác nhận bởi
các nhóm nghiên cứu ở Dubna và Berkeley. Việc nghiên cứu vẫn diễn ra mạnh mẽ và
nguyên tố 112 được xác nhận ở Darmstadt, nguyên tố 114 ở Dubna và nguyên tố 116 và
118 ở Berkeley. Các kết quả này cần phải được xác nhận trước khi phát hiện có thể được
minh chứng rõ ràng. Thông tin về máy gia tốc Darmstadt và nghiên cứu của nó có thể tìm
trên web site />Tại CERN, các ion oxygen và sulphur được gia tốc ban đầu trong thời gian 1986/87 trong
Siêu Synchrotron proton (SPS) đến năng lượng 158 GeV/nucleon. Rồi đến những ion có
năng lượng 160 GeV/nucleon, tức là 33 TeV năng lượng toàn phần được dùng để bắn phá
hạt nhân của nguyên tố nặng dùng làm bia. Đối tượng nghiên cứu hấp dẫn nhất là các hạt
có tên là gluon, những hạt mang lực mạnh giữ các quark lại với nhau bên trong proton và
neutron. Một câu hỏi quan trọng là có thể hình thành hay không một kết tập lớn của quark
và gluon, gọi là plasma quark-gluon, khi ion năng lượng cao đó tác động trở lại với hạt
nhân nặng làm bia. Tính chất của plasma quark-gluon sẽ cho cái nhìn thấu đáo hơn về
động lực học tương tác của quark và về sự phát triển ban đầu của Vũ trụ cho việc hiểu biết
kỉ nguyên quark của Big Bang.
Từ 1996, ion từ thiết bị Darmsatdt được dùng cho phép điều trị chiếu xạ cho các bệnh
nhân. Một phương pháp chẩn đoán hấp dẫn đã phát triển bằng cách dùng ion carbon cho
sự chiếu xạ. Để tiêu diệt khối u và đồng thời giữ liều lượng cho mô bình thường ở giá trị


cực tiểu, cần thiết phải giữ sự điều khiển chính xác về sự phân bố liều lượng chiếu xạ.
Bằng cách sử dụng một lượng nhỏ carbon 11 phóng xạ sinh ra trong sự chiếu xạ, ta có thể
thu được bản đồ phân bố liều lượng. Giống như trong Phép chụp ảnh phát xạ positron
thông thường (PET), positron tiêu hủy với electron của mô và tạo ra hai photon, ghi nhận
trong detector, cho thông tin về nguồn gốc của hạt nhân carbon 11.
Những hiệu ứng lí thú của ion nặng là những hiệu ứng lạ kì mà các nhà du hành vũ trụ đã
từng trải với đôi mắt của họ. Những ánh sáng này lóe lên giống như các đường hay các

vết giống sao. Hiệu ứng tương tự có thể tái tạo được vào đầu thập niên 1970 khi ion từ
máy gia tốc Berkeley hướng về mắt, ở phía trên đầu hay bên hông. Cornelius Tobias, một
người tiên phong về liệu pháp bức xạ, là một trong những người đầu tiên trải nghiệm cá
nhân hiệu ứng "sáng" sau khi nhìn xuyên qua những ion nặng phát ra từ máy gia tốc
Berkeley. Hiện tượng ánh sáng lóe lên được nghiên cứu rộng rãi trên trạm không gian Mir
của Nga, giữa năm 1995 và 1999. Bức xạ hạt vũ trụ xung quanh được phát hiện và nhận
dạng bằng một dải detector Si nhạy cảm positron và tín hiệu phát hiện được cách nhau
bảy phút và cảm giác nhạy cảm liên quan rõ rệt đến ion truyền đến mắt.Vấn đề vẫn còn bỏ
ngỏ đó là liệu ánh sáng có được sinh ra trong đường đi của hạt ion hóa không, hay là các
tế bào hình que và tế bào hình nón của mắt bị kích thích trực tiếp bởi hạt thâm nhập vào.

Máy va chạm
Trong cuộc chạy đua liên tục tím đến những năng lượng cao hơn, cần thiết cho việc tìm
kiếm những hạt nặng chưa được phát hiện và cho việc khám phá những khoảng cách nhỏ
hơn, các máy va chạm là tốt hơn so với các loại máy gia tốc khác. Một máy va chạm gồm
một hoặc hai vòng trữ trong đó các chùm hạt được gia tốc theo các hướng ngược nhau,
cùng chiều và ngược chiều kim đồng hồ. Khi hạt thu được năng lượng cần thiết, chúng
được giữ lại và cho va chạm ở những điểm đặc biệt dọc theo chu vi của vòng, nơi đặt các
detector để ghi nhận các hạt tán xạ và sinh ra trong sự va chạm. Ngay vào những năm
1960, công trình tiên phong về cách cho va chạm hai chùm electron đang quay tròn trong
hai cyclotron đã đu7ọc thực hiện ở Novosibirsk, tại Viện Budker, đặt theo tên nhà phát
minh ra phương pháp làm lạnh electron của các chùm hạt (Xem phần dưới nói về các
vòng trữ lạnh).
Máy va chạm đầu tiên được dùng cho thí nghiệm là các vòng trữ giao nhau (ISR), dùng tại
CERN từ 1971 đến 1983. Proton được đưa từ synchrotron proton vào hai vòng cắt ngang
nhau ở tám vị trí giao nhau, nơi đó proton được làm cho va chạm. Năng lượng va chạm
lên tới 62 GeV và có thể thu được dòng proton 30 A ở mỗi vòng. Do vận tốc proton gần
bằng vận tốc ánh sáng, nên số proton trữ được có thể tính một cách dễ dàng. Biết chu vi
của ISR là khoảng 1km, dòng 30A thu được ứng với 600.000 tỉ proton trữ trong mỗi vòng.
Phản proton, hạt tích điện âm, có thể cho quay tròn trong cùng vòng như proton nhưng

theo hướng ngược lại. Tại CERN, năm 1980, lần đầu tiên phản proton có thể được điều
khiển và tạo thành chùm quay tròn. Phản proton sinh ra trong va chạm proton-hạt nhân và
lần lượt được gom góp và hình thành một chùm hẹp bằng một phương pháp làm lạnh gọi
là làm lạnh stochastic do nhà khoa học Hà Lan Simon van der Meer phát minh. Trước


năm 1980, phản proton chỉ quan sát được trong vài phần của giây. Phản proton có thể giữ
trong nhiều giờ, quay trong một ống có độ chân không cao khác thường (10-12 torr) để
ngăn chúng khỏi bị hủy quá nhanh trong va chạm với vật chất thường, trong trường hợp
này tức là với các phân tử khí còn lại. Người ta chờ đợi phản proton được tách khỏi vật
chất có cùng thời gian sống như proton, tức là chúng là hạt bền. Giải Nobel vật lí 1984
chia cho Carlo Rubbia và van der Meer cho những đóng góp có tính quyết định cho việc
phát hiện hạt trường W và Z, hạt truyền tương tác của tương tác yếu, sinh ra trong va
chạm giữa proton và phản proton đang quay tròn theo hai hướng ngược nhau và trong
cùng một vòng synchrotron, SPS.
Tại Fermilab gần Chicago, synchrotron đầu tiên của thế giới dựa trên kĩ thuật nam châm
siêu dẫn được xây dựng và đi vào hoạt động từ năm 1987. Trong các nam châm có những
cuộn dây siêu dẫn, proton và phản proton được gia tốc đến năng lượng 1000 GeV, giữ lại
và mang cho va chạm. Năng lượng cũng có thể lên tới một tera electron volt (1 TeV), từ
đó mà cái tên Tevatron được đặt cho máy va chạm Fermilab. Khi máy va chạm Tevatron
hoạt động vào năm 1987, phản proton sinh ra bởi hoạt động Vòng Chính ở 120 GeV. Phản
proton được thu thập trong một vòng Debuncher trước khi chúng được đưa đến
Accumulator, ở đó xảy ra làm lạnh stochastic. Sau khi làm lạnh, phản proton được tiêm
vào Vòng Chính và Tevatron cho việc gia tốc đến 1 TeV. Cùng với sự mở rộng gần đây
của khu phức hệ Fermilab, Vòng Chính đã được thay bằng một vòng synchrotron nhanh
mới 120 GeV, Insjector Chính. Trong cùng tầng hầm, một vòng trữ 8 GeV, Recycler, được
xây dựng sử dụng các nam châm vĩnh cữu. Rycycler đóng vai trò kho chứa cho phản
proton đã làm lạnh, từ đó cho phép tốc độ làm lạnh nhanh trong Accumulator, nơi hoạt
động tốt nhất với các dòng điện thấp, để duy trì. Rycycler cũng nhận các phản proton còn
lại và bị chậm lại sau khi hoàn thành việc trữ trong Tevatron. Làm lạnh stochastic, ban

đầu được thiết đặt trong Recycler, sẽ được cải tiến bằng cách thêm làm lạnh electron trong
tương lai gần.

Fermilab là phòng thí nghiệm đầu tiên giới thiệu kĩ thuật siêu dẫn ở quy mô lớn.
Vòng trên mặt đất chứa các nam châm có các cuộn dây siêu dẫn và đặt dưới
synchrotron proton hiện có, đã tháo dỡ vào năm 1997. Các cuộn dây siêu dẫn cung


cấp từ trường lên tới 5 tesla. Trong vòng thấp hơn này, proton và phản proton,
tương ứng quay cùng chiều và ngược chiều kim đồng hồ, được gia tốc đến 1 TeV,
tương đương một tỉ MeV (1 TeV = 1 Tera electron Volt). Máy gia tốc Tevatron này
là máy đầu tiên thuộc thế hệ synchrotron mới sử dụng kĩ thuật siêu dẫn, cuối cùng
sẽ cho phép gia tốc các hạt lên năng lượng nhiều TeV.
Ảnh: Fermilab

Insjector chính mới (cận cảnh) chu vi 3,2 km của Fermilab, bơm hạt vào Tevatron
lớn hơn, synchrotron siêu dẫn và máy va chạm proton-phản proton. Nó gia tốc
proton lên 150 GeV và bơm chúng vào synchrotron proton Tevatron dài 6,3 km và
máy va chạm phản proton-proton.
Ảnh: Fermilab
Một va chạm trực diện giữa proton và phản proton trong Tevatron thường sinh ra hàng
trăm hạt mới. Theo công thức Einstein E=mc2 thì khối lượng cực đại có thể chuyển thành
động năng tương đương với khối lượng của khoảng 2000 proton, nếu như toàn bộ động
năng của proton và phản proton trong một va chạm được chuyển hết thành khối lượng.
Nếu thay bằng một phản proton có cùng năng lượng va chạm với một proton đứng yên
làm bia thì có thể tạo ra khối lượng cực đại tương đương khối lượng của khoảng 40
proton. Sự mất mát năng lượng quá nhiều sẵn cho sự sản sinh khối lượng trong trường
hợp sau là bởi vì, trong va chạm với bia đứng yên, xung lượng của phản proton đang
chuyển động phải bảo toàn. Vì một lí do tương tự, sự va chạm trực diện giữa hai chiếc ô
tô đang chuyển động phải dữ dội hơn nhiều so với trường hợp có một chiếc đang đậu.

Một máy va chạm dùng cho ion nặng có khối lượng lên tới khối lượng vàng đã được
khánh thành vào năm 2000 ở Brookhaven. Máy va chạm ion nặng tương đối tính (RHIC)
này dùng các nam châm siêu dẫn để lái ion. Nó có khả năng cho va chạm bất cứ nguyên tố
nào trong hệ thống tuần hoàn lên tới năng lượng 100 GeV/nucleon. Tháng 6 năm 2000, va


chạm đầu tiên với ion vàng 56 GeV/nucleon đã được ghi nhận.

Ảnh nhìn từ trên cao của RHIC, Máy va chạm ion nặng
tương đối tính, tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven
(BNL). Cũng được chỉ rõ trong hình là các máy gia tốc
khác, đặc biệt là AGS, Synchrotron gradient biến đổi.
Ảnh: Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven.
Tại CERN, trong một tầng hầm dài 27km, hai vòng nam châm siêu dẫn đang được xây
dựng cho việc gia tốc proton và ion. Máy va chạm này, Máy va chạm hadron lớn (LHC),
sẽ cho phép nghiên cứu va chạm proton-proton và va chạm ion-ion tại những mức năng
lượng cao nhất chưa từng có trong phòng thí nghiệm. Proton trong mỗi vòng sẽ được gia
tốc đến năng lượng 7 TeV. Các cuộn dây siêu dẫn cung cấp từ trường 8,3 tesla hoạt động ở
nhiệt độ 1,9 K, chất lỏng làm nguội là helium siêu lỏng. Việc làm lạnh 31.000 tấn vật liệu
ở quy mô 27km là một cột mốc quan trọng trong sự phát triển của kĩ thuật siêu dẫn. LHC
được chờ đợi đi vào hoạt động vào khoảng năm 2006.
Giống như proton và phản proton, electron và positron cũng có thể cho quay tròn theo hai
hướng ngược nhau và va chạm nhau trong cùng vòng synchrotron. Máy va chạm electronpositron có năng lượng từ 1 đến 10 GeV là công cụ chính sản xuất ra meson, sự phân hủy
của hạt này có thể nghiên cứu dưới những điều kiện rõ ràng. Máy va chạm thuộc loại này
hiện có ở Rome, Ithaca, Novosibirsk, Bắc Kinh, Standford và Tsukuba. Máy va chạm Bắc
Kinh đi vào hoạt động năm 1989 chủ yếu dùng cho nghiên cứu quark duyên (charm) và
lepton tau. Năng lượng va chạm thay đổi từ 2 đến 5,6 GeV. Máy va chạm ở Standford và
Tsukuba, tên gọi là phân xưởng B, đi vào hoạt động hai năm trước đây. Chúng tạo ra một
số lớn meson B và phản B, mà sự phân hủy của chúng sẽ được nghiên cứu để cho sự hiểu
biết tốt hơn về cái gọi là vi phạm CP, tức là tính đối xứng trong sự phân hủy của hạt vật

chất và hạt phản vật chất. Nhà máy B Standford gồm hai vòng độc lập đặt trong một tầng
hầm dài 2,2 km. Electron được gia tốc lên 9 và positron lên 3,1 GeV trước khi chúng được
mang cho va chạm.


Ảnh cho thấy máy va chạm KEKB tại Tsukuba, Nhật Bản.
Electron được gia tốc đến 8,5 và positron đến 3,5 GeV và sau
đó chúng được mang cho va chạm để sinh ra các meson B và
phản B.
Ảnh: KEK.
Máy va chạm electron-positron lớn nhất từng được xây dựng, LEP, Máy va chạm lớn
electron positron, có chu vi 27km và được ủy thác vào năm 1989 tại CERN. Trong thời kì
đầu, va chạm giữa positron và electron ở năng lượng va chạm 91,2 GeV, tương đương
khối lượng nghỉ của boson Z, đã đượcnghiên cứu. Sau khi lắp đặt các hộp gia tốc tần số
vô tuyến siêu dẫn rất mạnh, năng lượng va chạm không ngừng tăng thêm và cuối cùng đạt
đến cực đại 209 GeV. LEP ngừng hoạt động vào cuối năm 2000, năm LHC được lắp đặt
trong tầng hầm LEP.
Một biến thể của máy va chạm là Máy va chạm tuyến tính Standford (SLC). Chùm
positron và electron được gia tốc đồng thời lên khoảng 45GeV trong một máy gia tốc
thẳng dài 3km. Ở cuối máy gia tốc thẳng, chúng được lái khỏi hướng thẳng, tương ứng
sang trái và sang phải, và được lái trở lại và cho va chạm theo một đường thẳng. Chùm hạt
chỉ gặp nhau một lần, trong khi ở máy va chạm thường, chúng gặp nhau nhiều lần ở điểm
va chạm. Để thu được tốc độ va chạm thích hợp, hai chùm tia, va chạm trong một lần đi
qua nhau, phải có tiết diện ngang cực nhỏ. Tiết diện ngang của hai chùm tia chỉ có đường
kính 1 micromét. SLC nay đã ngừng hoạt động, nhưng sự phát triển ở Standford là một
điều hấp dẫn cho những va chạm electron-positron năng lượng cao trong tương lai, mà để
tránh bức xạ synchrotron thừa, chúng phải được xây dựng làm hai máy gia tốc thẳng đối
diện trực tiếp cùng gia tốc electron và positron hướng về một điểm va chạm.

Máy va chạm tuyến tính Standford (SLC). Electron được gia tốc trong một máy gia tốc dài
3km cùng với positron. Sau khi đạt đến năng lượng sau cùng của chúng, positron và
electron được tách ra bằng từ và truyền dọc theo hai vòng cung lớn, ở cuối đó chúng sẽ gặp
nhau trực diện ở một điểm va chạm. Positron được sinh ra bởi một phần của các electron
được gia tốc khi chúng bị dừng lại trong bia làm phát ra vô số positron, electron và photon.
Positron được góp nhặt và quay lại ngược dòng đến phía cuối của máy gia tốc thẳng, ở đó
chúng tạo thành một chùm dày đặc bởi các vòng làm tắt dần. Thông thường thì chúng được
gia tốc cùng với chùm electron.
Minh họa: Trung tâm Máy gia tốc thẳng Standford.
Những phép đo tinh tế kích thước electron bằng máy va chạm electron-positron cho thấy
điện tích của electron bị giới hạn ở cỡ ít nhất là 1000 lần nhỏ hơn kích thước của proton.
Người ta thấy rằng với việc thăm dò cấu trúc nội tại của proton, thì electron được ưa
chuộng hơn so với proton vì bản thân nó có một cấu trúc rồi. Việc nghiên cứu cấu trúc của
proton là mục tiêu chính của các nghiên cứu ở máy va chạm electron-proton duy nhất,
máy va chạm HERA ở DESY, Hamburg. Trong máy HERA, electron 27 GeV va chạm với
proton 920 GeV chuyển động ngược chiều. Vòng proton siêu dẫn đặt phía trên vòng
electron, xây dựng từ các nam châm thường, trong một tầng hầm dài 6,3 km.
Các máy gia tốc electron tương lai ở ngưỡng TeV sẽ cần gradient gia tốc rất cao trên mỗi
mét để không phải quá dài. Sự phát triển các buồng cộng hưởng vô tuyến siêu dẫn ở
DESY, Hamburg, cho khả năng đạt tới gradient gia tốc 30 MV/m. Cái gọi là phương pháp
gia tốc hai chùm tia, được phát triển trong dự án CLIC ở CERN, sử dụng điện thế rất cao,
30 GHz, điện thế gia tốc đưa đến hộp gia tốc vào cỡ cm. Thay cho các buồng gia tốc hiện
có sử dụng klystron, chúng được kích thích bằng dòng electron lái tia năng lượng thấp.
Chùm lái tia này chạy song song với chùm được gia tốc và năng lượng được truyền từ
chùm lái tia sang buồng tăng tốc, bắt cặp nhờ sóng ngắn dẫn đến buồng gia tốc. Với hệ
thống này, một gradient gia tốc 100 MV/m đã được minh chứng. Những phát triển này rất
quan trọng liên quan đến một máy va chạm electron-posiron thẳng trong tương lai hiện
đang được xem xét ở Mĩ, châu Âu và Nhật Bản. Mục tiêu là có năng lượng gia tốc 150