Máy gia tốc từ nghiên cứu cơ bản đến ứng dụng thực tế

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 8 Số 51 - Tháng 6/2017 Trong số khoảng 3 vạn máy gia tốc hiện đang vận hành trên thế giới, phần lớn là dành cho các ứng dụng trong công nghiệp (khoảng 2 vạn hệ thống). Có hai loại ứng dụng công nghiệp chính là xử lý, chế tạo vật liệu và phân tích vật liệu. Máy gia tốc cũng được áp dụng cho bảo vệ môi trường, như làm sạch nước uống, xử lý nước thải, khử trùng bùn thải và loại bỏ các chất gây ô MÁY GIA TỐC TỪ NGHIÊN CỨU CƠ BẢN ĐẾN ỨNG DỤNG THỰC TẾ Các máy gia tốc là phát minh quan trọng của thế kỷ XX. Máy gia tốc ra đời từ những năm 1930 để cung cấp các hạt năng lượng cao nhằm nghiên cứu cấu trúc hạt nhân nguyên tử. Kể từ đó đến nay, chúng đã được sử dụng để nghiên cứu nhiều khía cạnh của vật lý hạt. Mục tiêu của việc sử dụng máy gia tốc là tăng tốc và gia tăng năng lượng của chùm hạt bằng cách tạo ra các điện trường làm tăng tốc các hạt, và các từ trường định hướng và tập trung chùm hạt theo ý muốn. Trong hơn 8 thập kỷ qua, máy gia tốc đã có nhiều đóng góp và làm thay đổi cuộc sống của con người. Với máy gia tốc, người ta đã tạo ra các chùm tia X, electron, proton, notron và các hạt khác với các năng lượng khác nhau. Thông thường, dải năng lượng được gọi là thấp khi hạt có năng lượng dưới 1 GeV, năng lượng trung bình khi hạt có năng lượng trên 1 GeV và dưới 100 GeV và năng lượng cao khi trên 100 GeV (Theo định nghĩa, một eV bằng lượng năng lượng thu được hoặc bị mất khi 1 electron di chuyển qua điện trường với hiệu điện thế 1 V và 1 eV bằng khoảng 1.6022x10-19 J). Loại hạt sử dụng phụ thuộc vào mục tiêu của nghiên cứu, thí nghiệm. THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 9Số 51 - Tháng 6/2017 nhiễm khỏi khói thải. Khi các máy gia tốc tăng hiệu suất, các chùm hạt cường độ cao (proton, electron và ion) trở thành một trong những đòi hỏi quan trọng được yêu cầu bởi đa số người sử dụng máy gia tốc và cho hầu hết các ứng dụng. Nhiều lĩnh vực khác nhau đòi hỏi phải có các máy gia tốc tiên tiến, từ nghiên cứu cơ bản đến các ứng dụng trong khoa học, y học và công nghiệp. Các nhà khoa học đã và đang nỗ lực thực hiện việc theo đuổi nâng cao hiệu suất các máy gia tốc cường độ cao. Bài viết này đưa ra nguyên lý thiết kế của các máy gia tốc điển hình và những ứng dụng máy gia tốc từ nghiên cứu cơ bản đến ứng dụng thực tế, giúp bạn đọc có thêm thông tin về các máy gia tốc và ứng dụng của chúng. Phân loại và nguyên lý hoạt động của máy gia tốc Máy gia tốc thường dùng để chỉ máy gia tốc hạt, thiết bị tăng vận tốc hạt dưới mức nguyên tử như proton, electron và positron hoặc các ion nặng. Máy gia tốc hạt được phát minh ban đầu cho mục đích nghiên cứu cấu trúc cơ bản của vật chất, và sau này là các ứng dụng thực tiễn. Máy gia tốc hạt có thể được chia thành hai nhóm chính: máy gia tốc thẳng và gia tốc vòng. Trong máy gia tốc thẳng các hạt được gia tốc khi chúng di chuyển theo một đường thẳng, đôi khi trên khoảng cách rất lớn. Với hệ máy gia tốc vòng các hạt di chuyển và tăng tốc theo đường tròn hoặc xoắn ốc với đường kính khác nhau từ ít hơn một vài m đến nhiều km. Trong các máy gia tốc thẳng, các hạt điện tích được tăng tốc nhờ điện trường mạnh. Chẳng hạn trong máy gia tốc có chiều dài 4 km tại phòng thí nghiệm Stanford, các electron được gia tốc đến năng lượng cỡ 50 GeV. Trong các máy gia tốc vòng, hạt điện tích chuyển động theo các quỹ đạo tròn dưới một từ trường đều có hướng vuông góc với vận tốc hạt. Đồng thời nằm trong một hộp hình tròn gồm hai nửa hộp rỗng hình chữ D nối vào một hiệu điện thế xoay chiều. Tất cả đều nằm trong chân không. Khi đó, điện trường xoay chiều giữa hai hình D có tác dụng tăng tốc cho hạt trong quá trình chuyển động: Vận tốc hạt ngày càng tăng lên cùng với bán kính quỹ đạo. Khi động năng của hạt tăng lên đến giá trị đủ lớn thì người ta cho chùm hạt bắn vào một tấm “bia” để tạo ra các phản ứng hạt nhân. Sự va chạm của chùm hạt trong các máy gia tốc có thể thực hiện với bia cố định, hoặc giữa hai chùm hạt. Vào những năm 1929-1933, nhà vật lý người Mỹ, Robert J. Van de Graaff (1901-1967) đã phát minh thiết bị mang tên ông - máy phát Van de Graaff (Van de Graaff generator). Đây là một loại máy phát điện tĩnh điện cao áp (cỡ 7 triệu volt) hoạt động như một loại máy gia tốc hạt, là cơ sở cho nhiều máy gia tốc sau này. Máy gia tốc thẳng (còn được gọi là LINAC), máy gia tốc vòng (Cyclotron và Synchrotron) là một số thiết bị phức tạp và tốn kém nhất từng được chế tạo. Nói chung, mục đích của chúng là tăng tốc các hạt tích điện, thông thường là các electron, proton và các đồng vị, cũng như các hạt dưới mức nguyên tử, với tốc độ cực lớn. Các hạt này được sử dụng để điều trị các khối u hoặc ung thư bên trong bệnh nhân. Các hạt bắn vào các mẫu vật liệu (hoặc các chùm đi ngược hướng với tốc độ tương tự cho các phản ứng năng lượng cao hơn) cho phép xác định thành phần của vật liệu dựa trên các phản ứng và tán xạ của các hạt sau va chạm. Nhiều đồng vị được tạo ra sử dụng cho mục đích y tế hoặc công nghiệp, khoa học vật liệu và sinh học. Các máy gia tốc cũng được sử dụng để tăng tốc độ của hạt để chúng có thể được tiêm vào các máy gia tốc khác và đạt đến vận tốc và động năng cao hơn. Nguồn các hạt trong máy gia tốc được lấy từ đâu? Máy va chạm Hadron lớn LHC (Large Hadron Collider) tại Trung tâm Nghiên cứu hạt nhân châu Âu (CERN) thực hiện tăng tốc và va THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 10 Số 51 - Tháng 6/2017 đập các proton, cũng như các ion chì nặng. Người ta có thể nghĩ rằng LHC cần một lượng lớn các hạt, nhưng các chùm proton trong vòng tròn chu vi 27 km được cung cấp chỉ bởi một chai khí hydro duy nhất, được thay thế hai lần mỗi năm. Hình 1. Robert J. Van de Graaff và máy phát mang tên ông Máy gia tốc thẳng (LINAC) LINAC gia tốc các hạt theo đường thẳng. Các hạt, thường là electron, proton, và ion, đi trong buồng chân không hình ống. Các điện cực bên trong ống được đặt cách nhau để tần số vô tuyến (RF) có thể được tính thời gian để kích hoạt chúng như các hạt nằm trong khe hẹp giữa các điện cực, và do đó tăng tốc chúng khi chúng di chuyển từ khe này sang khe khác. Đối với hệ LINAC công suất lớn, mỗi điện cực đều có nguồn RF riêng. Hình 2. Nguyên lý máy gia tốc thẳng LINAC có thể gia tốc các ion nặng đến vận tốc khó đạt được bởi máy gia tốc vòng (Cyclotron và Synchrotron) vì chúng bị giới hạn bởi cường độ của từ trường cần thiết để giữ các ion trên đường cong. LINAC cũng tốt hơn cho việc gia tốc các electron tới vận tốc tương đối vì các electron mất năng lượng (và vận tốc) qua bức xạ khi đi dọc theo vòng cung. Tuy nhiên, hệ thống cần diện tích đất rộng nên tốn kém khi xây dựng. Máy gia tốc Cyclotrons Không giống như LINAC, các Cyclotron gia tốc các hạt dọc theo đường dẫn xoắn ốc hướng ra ngoài và hạt được giữ trong đường dẫn đó bởi một trường điện từ tĩnh vuông góc với đường xoắn ốc. Các hạt tích điện được tiêm vào khoang chân không giữa hai điện cực kim loại rỗng dạng chữ D (gọi là “dees”) từ trung tâm của Cyclotron. Một điện áp xoay chiều tần số vô tuyến (RF voltage) vài ngàn volt được áp luân phiên cho hai điện cực D. Thời gian của điện áp RF được chuyển giữa các D, gia tốc các hạt và tăng đường kính của đường tròn sau mỗi vòng quay, biến nó thành xoắn ốc. Hình 3. Nguyên lý máy gia tốc Cyclotron Khi các hạt đi đến ranh giới “dees”, chúng sẽ để các hạt đi qua một khoảng cách nhỏ và hướng tới bia. Hạt đập vào bia có thể tạo ra phản ứng hạt nhân, và các hạt từ phản ứng đó có thể được hướng vào các thiết bị khác nhau để phân tích. THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 11Số 51 - Tháng 6/2017 Máy gia tốc hạt đầu tiên dạng Cyclotron đặt tại Đại học California, Berkeley vào những năm 1930 theo thiết kế của Ernest Lawrence. Trong vài thập kỷ sau khi máy Cyclotron đầu tiên được chế tạo từ năm 1934, Cyclotron là nguồn cung cấp chùm hạt năng lượng cao hữu hiệu cho các nghiên cứu vật lý hạt nhân. Các chùm hạt mà các Cyclotron cung cấp phù hợp cho việc sản xuất đồng vị sử dụng trong y học hạt nhân. Có trên 1.200 Cyclotron trên thế giới được sử dụng để tạo các đồng vị phóng xạ trong y tế. Chùm hạt từ Cyclotron cũng được sử dụng để chiếu vào cơ thể bệnh nhân nhằm tiêu diệt các khối u với mức độ tổn thương tối thiểu cho phần khác của cơ thể người. Các chùm hạt cũng còn được sử dụng trong chụp ảnh PET/CT. Máy gia tốc Synchrotrons Synchrotron, cũng như Cyclotron, là các máy gia tốc theo chu kỳ và phát các hạt vào vòng tròn khép kín, hạt tăng tốc độ sau mỗi vòng quay. Nhưng khác với Cyclotron, vòng lặp của Synchrotron không phải là một xoắn ốc. Tùy từng mục đích sử dụng khác nhau, Synchrotron phải thực hiện việc tập trung, uốn cong và gia tốc các hạt vào một chùm bên trong ống chân không - có thể được thực hiện bằng các cụm thiết bị khác nhau và vào các thời điểm khác nhau, đường đi có thể là hình tròn, hình bầu dục hoặc đa giác với các góc tròn. Hình 4. Nguyên lý máy Synchrotron Việc gia tốc chùm hạt được xử lý bằng các khoang chứa sóng vô tuyến (RF) bố trí quanh vòng tròn chuyển động của hạt. Một máy phát điện RF cung cấp một trường điện từ cho khoang đúc có hình dạng đặc biệt, chuyển đổi thành các sóng điện từ cộng hưởng và tích tụ bên trong khoang. Khi các hạt tích điện đi vào khoang, lực và hướng của trường điện từ thu được sẽ gia tốc chúng dọc theo vòng lặp. Giữa máy gia tốc Cyclotron và Synchrotron có sự khác biệt: Thứ nhất, Cyclotron sử dụng từ trường và điện trường tần số không đổi, nhưng Synchrotron sử dụng các điện trường và từ trường biến đổi. Thứ hai, Synchrotron có thiết kế ống dạng hình trụ vòng xuyến, trong khi Cyclotron được làm bằng buồng hình trụ hoặc hình cầu. Thứ ba, các Synchrotron được sử dụng trong hầu hết các dự án quy mô lớn như máy gia tốc Hadron cỡ lớn (LHC) tại CERN, còn Cyclotron chủ yếu được sử dụng trong các dự án quy mô nhỏ. Các máy gia tốc và nghiên cứu cơ bản Vật lý hạt Nghiên cứu về vật lí hạt đòi hỏi sử dụng các máy gia tốc có năng lượng cao và / hoặc cường độ cao với các chùm electron (positron), muon, neutrino, proton (phản proton). Hệ thống mới nhất của loại này là LHC (Large Hadron Collider), được đưa vào hoạt động tại CERN năm 2010. LHC được thiết kế để gia tốc và va chạm hai chùm proton với năng lượng đến 7 TeV. Vật lý hạt nhân và các ngành khoa học Nghiên cứu về các trạng thái vật chất yêu cầu các máy gia tốc / năng lượng cao / trung bình với cường độ cao hoặc các va chạm với electron / positron, proton / phản proton và các chùm ion từ nhẹ đến nặng. THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 12 Số 51 - Tháng 6/2017 Nhiều nghiên cứu về vật lý chất rắn và môi trường đông đặc, sinh học, địa chất, khoa học về con người đòi hỏi phải sử dụng các máy gia tốc điện tử năng lượng thấp và trung bình. Trong số nhiều dự án đang hoạt động thì SOLEIL tại Pháp và DIAMOND tại Anh, là hai trong số các cơ sở bức xạ Synchrotron được xây dựng gần đây nhất. Hình 5. Máy gia tốc tĩnh điện Tandem, Pelletron 5SDH-2 tại khoa Vật lý, ĐH KHTN, Đại học Quốc gia Hà Nội Máy gia tốc trong lĩnh vực năng lượng Việc chuyển đổi chất thải phóng xạ đòi hỏi phải sử dụng các máy gia tốc proton năng lượng trung bình và cường độ cao. Nguyên lý là tạo ra nơtron từ bia do chùm proton đập vào. Các tương tác của neutron với các đồng vị sống lâu được chiết xuất từ các lò phản ứng hạt nhân, biến đổi chúng thành những đồng vị dễ quản lý hơn. Khái niệm về hệ thống điều khiển máy gia tốc (ADS) đã được phát triển trong dự án MYRRHA. Máy gia tốc hạt đang được áp dụng trong nhiều hoạt động kinh tế - xã hội. Ban đầu được phát triển cho nghiên cứu cơ bản, ngày nay chúng được sử dụng cho nhiều ứng dụng, từ chăm sóc sức khoẻ đến sản xuất chip silicon để giảm ô nhiễm. Máy gia tốc trong y học Các máy gia tốc có kích thước khác nhau, chủ yếu là Cyclotron năng lượng thấp, đã được sử dụng để sản xuất đồng vị phóng xạ. Người ta cũng đang nghiên cứu khả năng sản xuất đồng vị phóng xạ dựa trên bức xạ nơtron gây va chạm và chùm electron. Phần lớn máy gia tốc y tế được sử dụng để điều trị ung thư và sản xuất một số đồng vị phóng xạ. Phần lớn trong số này là các máy gia tốc tuyến tính sử dụng chùm electron. Tuy nhiên, các máy gia tốc ion hoặc proton năng lượng thấp cũng được sử dụng để điều trị các khối u, khi rất khó điều trị bằng các phương pháp thông thường. Lĩnh vực này đã được phát triển ở cả châu Á, châu Âu và Mỹ. Các máy gia tốc trong y tế, chẳng hạn như LINAC được sử dụng dưới hai hình thức: + Gia tốc electron tới năng lượng cao, nơi chúng va chạm với một mục tiêu kim loại nặng để tạo ra tia X năng lượng cao + Sử dụng proton làm các hạt tăng tốc và sử dụng các hạt nhân để va chạm trực tiếp với cơ thể bệnh nhân. Ưu điểm của tia X năng lượng cao do máy gia tốc tạo ra là nguồn phóng xạ nhỏ hơn nguồn phóng xạ Cobalt 60 và do đó cho hình ảnh sắc nét hơn. Có ít hiệu ứng trên da và ít đau đớn hơn cho bệnh nhân. Khả năng xuyên sâu lớn của tia X năng lượng cao cho phép điều trị các khối u ở sâu trong cơ thể. Hình 6. Nguyên lý sử dụng máy gia tốc trong y tế THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 13Số 51 - Tháng 6/2017 Các proton có năng lượng lên đến 250 MeV cũng được sử dụng. Các bức xạ tạo ra chùm hạt sắc nét có thể điều trị các khu vực rất nhỏ của cơ thể. Thay đổi điện áp gia tốc cho phép điều chỉnh độ xuyên sâu khác nhau - ví dụ proton 200 MeV có khoảng xuyên sâu 27 cm trong mô, trong khi chùm năng lượng 140 MeV chỉ đạt đến độ sâu 15 cm. Hình 7. Máy gia tốc Cyclotron 30 MeV tại Bệnh viện Trung ương quân đội 108 Máy gia tốc trong công nghiệp Mặc dù ít được biết đến hơn các ứng dụng khác, có rất nhiều ứng dụng công nghiệp sử dụng máy gia tốc. Máy gia tốc ion, proton, electron năng lượng thấp được sử dụng để cấy ion trong công nghiệp bán dẫn, cắt và hàn bằng electron, các máy chiếu xạ sử dụng chum electron và tia X, chụp ảnh và kiểm tra không phá mẫu, phân tích chùm ion, khử trùng thực phẩm, khử trùng y tế v.v Kết luận Theo GS. Trần Đức Thiệp (Máy gia tốc, NXB KHKT, Hà Nội 2002) tại Việt Nam các máy gia tốc đầu tiên là các máy phát notron NA- 3-C do Hungary chế tạo và máy gia tốc điện tử Microtron MT-17 do Liên Xô chế tạo đã được lắp đặt vào các năm 1974 và 1982 tại Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt nam. Cho đến nay, các nhà vật lý cũng như cộng đồng khoa học Việt Nam đã có nhiều nghiên cứu cơ bản cũng như ứng dụng trên các máy gia tốc. Số các dự án máy gia tốc cũng gia tăng mạnh mẽ trên thế giới (hình 8). Hình 8. Sự phát triển các dự án máy gia tốc trên thế giới (Theo thống kê của mạng https:// gust.com/accelerators) Các nhà vật lý sử dụng các máy gia tốc hạt để trả lời các câu hỏi về vật lý cơ bản - vũ trụ của chúng ta được tạo ra như thế nào, tại sao các vật thể có khối lượng v.v... Khi phát minh ra máy gia tốc, chúng mới chỉ là các công cụ nghiên cứu thuần túy. Ngày nay, các máy gia tốc đã được sử dụng bên ngoài các phòng thí nghiệm nghiên cứu. Các máy gia tốc đã và đang đi ra khỏi các phòng thí nghiệm và đã được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp, y tế và đời sống xã hội trong nhiều thập kỷ, và nhiều ứng dụng mới sẽ tiếp tục được phát triển. Lê Đại Diễn Trung tâm Đào tạo hạt nhân