Thiết bị gia tốc hạt

Thiết bị gia tốc hạt (bao gồm gia tốc hạt nhân và gia tốc hạt cơ bản) là những công cụ sử dụng năng lượng bên ngoài để đẩy nhanh tốc độ của các hạt, từ đó gia tăng năng lượng của chúng khi chuyển động.$$

Phản vật chất
Tương tác vật chất-phản vật chất
Thiết bị[hiện] Máy gia tốc hạt Penning trap Wilson chamber
Phản hạt[hiện] Positron Phản proton Phản neutron
Ứng dụng[hiện] Positron emission tomography Fuel Vũ khí phản vật chất
Các tổ chức[hiện] ALPHA Collaboration ATHENA ATRAP CERN RHIC
Nhà khoa học[hiện] Paul Dirac Carl David Anderson Andrey Dmitryevich Sakharov

Các dạng thiết bị gia tốc hạt

Bêtatrôn

Bêtatrôn, một thiết bị gia tốc electron, hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, thực chất là một máy biến thế với cuộn thứ cấp là dòng electron. Nguyên lý hoạt động của bêtatrôn khá đơn giản: trong một từ trường ngang không đổi, electron di chuyển theo quỹ đạo tròn. Khi từ trường thay đổi, nó tạo ra một điện trường xoáy, cung cấp năng lượng cho electron. Electron nhận năng lượng sẽ di chuyển theo đường xoắn ốc trong từ trường đều. Nếu từ trường không đều, ta có thể điều chỉnh để electron chuyển động theo quỹ đạo với bán kính không đổi. Để làm được điều này, cần thực hiện các điều kiện cấu trúc từ trường cụ thể. Khi các điều kiện này được thỏa mãn, electron sẽ di chuyển theo quỹ đạo cố định. Từ trường uốn cong quỹ đạo của hạt, đảm bảo chuyển động theo vòng tròn với bán kính đã định, trong khi điện trường tăng tốc hạt và thay đổi độ lớn của xung lượng: $\frac{d{p}_t}{dt}=eE$, trong đó $p_t$ là độ lớn của xung lượng tại thời điểm $t$, $E$ được xác định bởi độ lớn của sức điện động cảm ứng: $E=\frac{U}{2\mathrm{\pi <!--\; \pi \; -->}r}$. Tuy nhiên, $U$ được xác định bởi thông lượng cảm ứng qua điện tích của quỹ đạo (với độ chính xác đến dấu của nó): $U=\frac{d}{dt}(\mathrm{\pi <!--\; \pi \; -->}{r}_{}^{}$

o 2 B t b ) {displaystyle U={ frac {d}{operatorname {d} !t}}(pi r_{o}^{2}B_{tb})} . Độ lớn xung lượng có liên hệ đơn giản với cường độ từ trường trên quỹ đạo: $p_t=e{r}_o{B}_t$. Khi đó $\frac{d}{dt}e{r}_o{B}_t=\frac{d}{dt}\left(\mathrm{\pi <!--\; \pi \; -->}{r}_o^2{B}_{tb}\right)$. Sau khi đơn giản, $r_o$, $e$, $\mathrm{\pi <!--\; \pi \; -->}$ ta có $\frac{d}{dt}{B}_t=\frac{1}{2}.\frac{d}{dt}{B}_{tb}$ hoặc $B_t=\frac{1}{2}{B}_{tb}$. Phương trình này, được gọi là điều kiện Viđerôe, đúng tại mọi thời điểm và cho thấy cùng một từ trường biến thiên có thể làm gia tốc các electron và giữ chúng trên quỹ đạo cố định nếu cảm ứng từ trên quỹ đạo bằng một nửa giá trị trung bình của cảm ứng từ bên trong quỹ đạo.

Nam châm có các cực đặc biệt tạo ra từ trường không đồng nhất. Trong từ trường này, có một buồng chân không hình phỏng xuyến chứa các nguồn electron. Các đường sức từ trong khu vực này có dạng hình trống. Phân bố của từ trường theo bán kính tuân theo quy luật $\frac{1}{r^n}$, với $n$

Đây là chỉ số không đồng đều thỏa mãn điều kiện: 0 < n < 1. Thông thường, n = 0,4 ÷ 0,8. Cuộn nam châm được cung cấp bởi một dòng điện xoay chiều với tần số 50 Hz. Năng lượng mà electron nhận được có thể được xác định từ mối quan hệ giữa xung lượng và năng lượng toàn phần: E² = c²(p² + m₀²c²) = c²[r₀eB² + m₀²c²], từ đó suy ra E = cr₀eB√(1 + (m₀c / r₀eB)²). Xung lượng p của electron trong bêtatrôn lớn hơn nhiều so với m₀c: m₀c / r₀eB ≪ 1. Thực tế, đối với bêtatrôn có kích thước nhỏ (R₀ = 50 cm, B = 3000 gauss): m₀c / p ∼ 10⁻² ≪ 1. Vì vậy, đối với năng lượng của electron đã được tăng tốc trong bêtatrôn, có thể viết chính xác: E = cr₀eB. Nếu biểu diễn năng lượng dưới dạng eV, r₀ dưới dạng cm, và B dưới dạng gauss, công thức cho năng lượng có thể viết là: B = 300r₀B. Biểu thức này chứng minh rằng để đạt được năng lượng lớn cần phải tăng r₀ và B. Trong bêtatrôn, B có giá trị khoảng từ 4000 đến 5000 gauss, nên không thể tiếp tục tăng B vì khi đó trường bên trong quỹ đạo sẽ vào khoảng 18 - 20 kgauss và bắt đầu xảy ra hiện tượng bão hòa sắt. Việc gia tăng r₀ cũng có giới hạn, vì thể tích sắt của nam châm và trọng lượng của nó tăng gần tỷ lệ với r₀³. Năng lượng tiêu thụ và chi phí thiết bị cũng sẽ tăng theo tỷ lệ đó. Do vậy, việc tăng lớn bán kính r₀ không phải là giải pháp kinh tế.

Tuy nhiên, năng lượng tối đa có thể đạt được trong bêtatrôn bị hạn chế bởi hiện tượng electron phát quang. Khi electron chuyển động theo quỹ đạo, nó có gia tốc, và mọi chuyển động có gia tốc của điện tích đều phát ra sóng điện từ, dẫn đến việc tiêu hao năng lượng. Tại năng lượng từ 50 đến 100 MeV, bức xạ này có thể quan sát thấy bằng mắt thường dưới dạng ánh sáng xanh - trắng nếu nhìn theo phương tiếp tuyến với quỹ đạo. Hiện tượng này phá vỡ trạng thái cân bằng của electron, và ở năng lượng cao, electron có thể bị rơi khỏi quỹ đạo cân bằng và cần được xử lý kịp thời để tránh bị mất khi va chạm vào thành buồng. Năng lượng tối đa mà electron có thể đạt được trong bêtatrôn không vượt quá 300 MeV.

Vì năng lượng nghỉ của electron là 511 keV, nên electron với năng lượng E MeV có khối lượng toàn phần xấp xỉ 2E lần khối lượng nghỉ. Cụ thể, với E = 300 MeV, khối lượng toàn phần của electron vào khoảng 600 lần khối lượng nghỉ. Đối với vận tốc của electron, ta có công thức: v/c = sqrt(1 - (m_o/m)^2) ≈ 1 - (1/2)(E_o/E)^2. Ví dụ, với E = 2 MeV, ta có v/c = 0,9997 và với E = 100 MeV, v/c = 0,99995. Do đó, trong nhiều tính toán, ta có thể coi v ≈ c.

Hãy xem xét vấn đề liên quan đến tính ổn định của chuyển động theo quỹ đạo cân bằng. Nếu electron bị lệch ngẫu nhiên do va chạm và không thể trở lại quỹ đạo cân bằng, số lượng hạt có thể giảm đột ngột vào cuối quá trình tăng tốc. Sự trở lại của electron được đảm bảo nhờ cấu trúc hình trống của các đường sức của trường và sự hiện diện của thành phần xuyên tâm của trường, lực này tác động vào electron theo chiều từ mặt phẳng trung bình hướng vào trung tâm. Cơ chế này hoạt động trong tất cả các máy gia tốc. Khi electron lệch ra khỏi mặt phẳng quỹ đạo, lực Lorentz và lực hướng tâm được đảm bảo theo định luật giảm: B ∼ 1/r^n. Lực Lorentz phụ thuộc vào khoảng cách r, với công thức F_L = const/r^n, và lực hướng tâm có công thức F_ht = const/r. Trên quỹ đạo cân bằng, lực Lorentz bằng lực hướng tâm. Nếu electron lệch về phía tâm, lực Lorentz sẽ nhỏ hơn lực hướng tâm cần thiết, và electron sẽ bị gia tốc theo bán kính ra khỏi tâm, trở lại quỹ đạo cân bằng. Khi lệch ra khỏi tâm, lực Lorentz giảm chậm hơn lực hướng tâm (n < 1), do đó tạo ra gia tốc xuyên tâm đưa electron về quỹ đạo cân bằng. Quá trình này dẫn đến sự dao động giảm dần quanh quỹ đạo cân bằng do quán tính của electron.

Trong quá trình tăng tốc, các electron chỉ bị thu thập chủ yếu trong giai đoạn đầu, do đó chùm electron được tăng tốc thường không liên tục mà ở dạng xung với tần số tương ứng với tần số của nam châm điện. Năng lượng của các electron có thể được sử dụng trực tiếp hoặc dưới dạng photon gamma mà các electron phát ra khi bị hãm trên các bia đặc biệt trong các buồng chân không.

Xanhcrôtrôn

L.A. Arximôvit đã chỉ ra rằng việc tăng tốc electron có thể thực hiện bằng cách sử dụng điện trường biến thiên tại các điện cực mà electron đi qua, trong khi từ trường chỉ cần đảm nhận vai trò uốn cong quỹ đạo. Điều này có nghĩa là từ trường chỉ cần được tập trung vào một dải hẹp gần quỹ đạo cân bằng. Nam châm hình nhẫn tạo ra từ trường cần thiết cho chuyển động electron theo quỹ đạo tròn và điều chỉnh quỹ đạo. Tại một điểm cụ thể trên quỹ đạo, một điện cực cộng hưởng được đặt để tiếp nhận điện trường biến thiên với tần số khớp với tần số quay của electron. Khi electron đi qua trường của điện cực cộng hưởng, nó hấp thụ năng lượng δE = eV₀cosφ, trong đó V₀ là biên độ của hiệu điện thế tăng tốc, và φ là pha của trường khi electron đi qua. Trong phần còn lại của quỹ đạo, electron di chuyển với năng lượng không đổi. Khi năng lượng và xung lượng của electron tăng lên, từ trường cũng phải được điều chỉnh tăng để giữ electron trên quỹ đạo cân bằng.

Độ lớn của năng lượng E = 300r₀B có thể đạt được trong bêtatrôn lớn hơn nhiều so với bêtatrôn.

Xyclôtrôn

Để tăng tốc các hạt nặng như proton, neutron, hạt α và các ion của nguyên tử khác, máy gia tốc gọi là xyclôtrôn được sử dụng. Sơ đồ của thiết bị này cho thấy trong khoảng không gian giữa các đầu cực của nam châm với bán kính nhất định, có một buồng chân không phẳng (áp suất giảm xuống khoảng 10⁻⁸ mmHg). Trong buồng này có hai điện cực A và B gọi là các cực đê, chúng có thể là hai nửa của hình bình trụ được cắt theo đường kính và kéo ra một chút. Các cực đê chịu tác dụng của hiệu điện thế cao tần V = V₀cosωt, tạo ra từ trường biến thiên trong khe trống giữa các cực đê. Trong khe trống, có một nguồn phát ion cần được tăng tốc. Khi ion bay khỏi nguồn, chúng được tăng tốc bởi điện trường. Khi đi qua khe trống, các ion chuyển động theo quỹ đạo tròn trong từ trường. Sau thời gian Δt = πm/(qB), các ion trở lại khe trống. Nếu cực tính của các cực đê thay đổi sau khoảng thời gian đó, các ion sẽ tiếp tục được tăng tốc. Do chu kỳ quay trong từ trường không phụ thuộc vào vận tốc của hạt, sau mỗi khoảng thời gian Δt, ion sẽ lại đi qua khe trống, vì vậy cần thay đổi cực tính của các cực đê để tiếp tục tăng tốc ion.

• Siêu dẫn
• Các hạt cơ bản
• Từ trường
• Điện trường
• Electron
• Proton

Liên kết ngoài

• Tài liệu liên quan đến Máy gia tốc hạt trên Wikimedia Commons
• Máy gia tốc hạt (thiết bị) trên Encyclopædia Britannica (tiếng Anh)