MÁY GIA TỐC HẠT
(Particle Accelerators)
Nội dung chính môn học
 Nhập môn máy gia tốc hạt.
 Cơ sở vật lý của máy gia tốc hạt.
 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của một số máy gia tốc.
 Máy gia tốc trong nghiên cứu cơ bản và ứng dụng.
Nhập môn máy gia tốc hạt
 Sự cần thiết của máy gia tốc
 Lịch sử hình thành và phát triển máy gia tốc
 Phân loại máy gia tốc
 Các bộ phận chính của máy gia tốc
 Ứng dụng của máy gia tốc
 Một số máy gia tốc tại Việt Nam
I. Sự cần thiết của máy gia tốc hạt
 Cấu trúc và tính chất của vật chất được phát hiện dựa trên sự tương tác của các hạt
cơ bản cũng như các ion với vật chất. Để có được khả năng như vậy các hạt phải có
năng lượng nhất định và cường độ của chúng phải đủ lớn.
 Để nghiên cứu cấu trúc nguyên tử cần chùm hạt có năng lượng từ vài chục tới hàng
trăm keV.
 Trong trường hợp hạt nhân, năng lượng liên kết trung bình của các nucleon trong hạt
nhân khoảng 7- 8 MeV. Để tách một nucleon ra khỏi hạt nhân thì năng lượng của
chùm hạt bắn phá phải lớn hơn năng lượng liên kết. Trong thực tế muốn nghiên cứu
cấu trúc hạt nhân và phản ứng hạt nhân cần các hạt bắn phá có năng lượng từ hàng
chục tới hàng trăm MeV .
 Để nghiên cứu cấu trúc các nucleon, các hạt cơ bản cần tới năng lượng hàng trăm
ngàn MeV đến nhiều TeV.
 Các nhà khoa học hiện vẫn đang tìm kiếm những thông tin cơ bản nhất về những loại
tương tác đơn giản nhất, các hạt đơn giản nhất như meson, lepton, quark , vật chất
đen, thời điểm xảy ra vụ nổ lớn (big bang)…. cần đến năng lượng cao nhất mà con
người có thể tạo ra được.

 Đó chính là những lý do quan trọng thúc đẩy sự ra đời không những chỉ của các máy
gia tốc có năng lượng thấp hoặc trung bình mà còn của cả các máy gia tốc có năng
lượng cao và rất cao.
 Trong tự nhiên có một số loại hạt có năng lượng tương đối cao như các tia
vũ trụ nhưng thường cường độ của chúng rất yếu, cần rất nhiều thời gian
để có được thống kê đủ cho một thí nghiệm.
 Một số hạt phát ra từ các nguyên tố phóng xạ tự nhiên nhưng hầu hết
không đủ về năng lượng cũng như cường độ để có thể gây ra phản ứng
hạt nhân.
 Ngoài ra không có nguyên tố phóng xạ nào trong tự nhiên phát ra proton,
đêtơri cũng như các ion nặng.
 Máy gia tốc là thiết bị lớn tạo ra đầy đủ các chủng loại hạt như: các chùm
hạt tích điện bao gồm các ion, proton, electron, positron, các phân
tử cùng các dòng hạt thứ cấp như bức xạ hãm, nơtron, bức xạ đồng bộ
(synchrotron radiation), meson có năng lượng cao và cường độ lớn được
đáp ứng được các yêu cầu nghiên cứu cơ bản cũng như ứng dụng.
 Sự phát triển của máy gia tốc đã góp phần quan trọng vào sự phát triển
của nhiều ngành khoa học, kinh tế, trước hết là vật lý hạt nhân và vật lý
hạt.
II. Lịch sử hình thành và phát triển của máy gia tốc hạt
 1895: Rontgen sử dụng ống phóng tia catot (cathode ray tube), phát hiện ra tia X.
 1897: Thomson phát hiện ra electron cũng từ ống phóng tia catot.
 Ống phóng tia catot hay ống phóng tia X, về bản chất là một chiếc máy gia tốc đơn
giản đầu tiên tạo ra chùm electron và chùm tia X.
 1913: Frank và Hertz kích thích các vành electron bằng cách bắn phá electron.
 1906: Rutherford bắn phá tấm mica với các hạt anpha tự nhiên và tìm ra lý thuyết tán
xạ nguyên tử. Các hạt anpha tự nhiên với năng lượng vài MeV.
 1911: Rutherford đưa ra lý thuyết cấu trúc nguyên tử.
 1919: Rutherford tạo ra phản ứng hạt nhân với các hạt anpha tự nhiên:
14

Ni +  
17
O + p ; E
th
: 1.55 MeV
Rutherford mong muốn có một nguồn bức xạ năng lượng lớn nhiều MeV để có thể
tiếp tục nghiên cứu cấu trúc bên trong hạt nhân. Đây chính là ý tưởng khuyến khích
các nhà khoa học tìm ra các thiết bị có thể tạo ra các chùm hạt có năng lượng lớn
hơn. Rutherford được coi là người đầu tiên thức đẩy sự ra đời của máy gia tốc hạt.
Dựa trên tính chất của trường gia tốc, có thể chia ra 3 hành trình chính trong
lịch sử hình thành và phát triển của máy gia tốc hạt.
 1920: Ý tưởng đầu tiên về máy gia tốc điện áp cao được đề xuất bởi J.Cockcroft
và E. Walton, người Anh, dựa trên nguyên lý mạch nhân điện áp.
 1929: R. Van de Graaff, người Mỹ đưa ra mô hình máy gia tốc tĩnh điện.
 1931: Chiếc máy gia tốc Van de Graaff đầu tiên với điện áp 1 chiều đạt tới 1.5 MV
được đăng ký bản quyền.
 1932: J.Cockcroft và E. Walton cho ra đời máy gia tốc nối tầng (cascade
accelerator) đầu tiên với điện áp 800 kV. Cockcroft & Walton đã thành công trong
việc tách nguyên tử lithium chỉ với 400 keV proton.
- Hai phản ứng hạt nhân nhân tạo đầu tiên với chùm proton được gia tốc :
7
Li+p  2;
7
Li+p 
7
Be+n
- Cockcroft và Walton nhận giải Nobel năm 1951.
 Máy gia tốc Tandem là một sự hoàn thiện của máy gia tốc Van de Graaff, bao gồm
1 hoặc nhiều máy gia tốc Van de Graaff. Tan dem có điện áp cao nhất hiện nay là
25.5 MV đặt tại Oak Ridge National Laboratory (ORNL), USA.

 Máy gia tốc Van de Graaff và Tandem cho dòng với năng lượng ổn định và độ
phân tán năng lượng thấp nhưng chúng không thể cung cấp dòng cao như các
máy gia tốc Cockroft & Walton.
 Các máy gia tốc tĩnh điện bị hạn chế trong việc tăng điện áp do hiện tượng phóng
điện, do đó không thể tạo ra các hạt có năng lượng cao hơn vài chục MeV.
Hành trình thứ nhất
Cơ chế gia tốc điện áp 1 chiều (DC voltage acceleration)
Ernest Rutherford (1871-1937)
Rutherford backscattering
(1908 Nobel Prize)
Robert Jemison Van de Graaff (1901-1967)
Máy gia tốc Van de Graaff
Máy gia tốc Tandem Van de Graaff
Hành trình thứ hai
Cơ chế gia tốc cộng hưởng (Resonance Acceleration)
Máy gia tốc điện áp một chiều là những thiết bị đầu tiên được khai thác trong các
nghiên cứu vật lý hạt nhân, nhưng do giới hạn về điện áp nên khó đáp ứng được các
yêu cầu của vật lý năng lượng cao. Cần có thiết bị gia tốc với năng lượng lớn hơn.
 1924: G. Ising, người Thụy Điển đề xuất ý tưởng sử dụng trường biến đổi theo
thời gian (time varying field). Có thể thay thế điện cực đơn bằng việc đặt dọc theo
đường đi của hạt các điện cực hình trụ rỗng mang điện áp dạng xung. Đây là sự gia
tốc cộng hưởng, có thể đạt năng lượng lớn hơn điện áp cao nhất của hệ thống
 1928: R.Wideroe, người Nauy, nhận thấy rằng nếu thay đổi pha của điện áp xoay
chiều 180
0
trong khi hạt đi qua các khoảng trống (gaps) giữa các ống trụ rỗng sẽ
nhận thêm năng lượng tại các khe này. Từ ý tưởng này ông thiết kế máy gia tốc
thẳng (Linac) ba tầng đầu tiên theo nguyên lý của Ising sử dụng điện trường tần số
siêu cao (radio frequency, RF) tạo chùm ion kali năng lượng 50 keV.

 1929: E. Lawrence, người Mỹ từ ý tưởng của Wideroe và Ising, đã thiết kế thành
công máy gia tốc Cyclotron đầu tiên, gia tốc ion hydro (proton) tới năng lượng 80
keV. Trong cyclotron các hạt chuyển động theo quỹ đạo tròn xoáy trôn ốc trong từ
trường mạnh và được gia tốc bởi điện trường.
 1931: Máy gia tốc Cyclotron của Lawrence tạo ra proton 1.25 MeV và
tách được nguyên tử chỉ vài tuần sau Cockcroft & Walton.
Lawrence nhận giải Nobel vào năm 1939.
 1939: Chiếc máy gia tốc Cyclotron đầu tiên ở châu Âu được chế tạo
thành công tại Pháp, gia tốc chùm đêtơron đạt năng lượng 4 MeV .
Bằng cách bắn chùm D đã được gia tốc vào bia đã tạo được một
nguồn nơtron có thông lượng và năng lượng lớn.
 1944: V.I. Veksler, nhà khoa học Xô viết và E. McMilan ở Beckerney,
Mỹ đề xuất máy gia tốc Microtron, đây là loại máy gia tốc các hạt
tương đối tính như electron và positron. Hạt được gia tốc dưới tác
dụng của điện trường xoay chiều có tần số không đổi trong từ trường
đồng nhất không đổi theo thời gian. Hạt chuyển động theo quỹ đạo tròn
có một tiếp điểm chung.
Sự khác nhau giữa cơ chế gia tốc của Cockcroft & Walton và Ising
là ở trường gia tốc là tĩnh hay thay đổi theo thời gian.
Rolf Wideroe
Gustaf Ising
Ernest Lawrence
V.I. Veksler
Máy gia tốc Cyclotron
Máy gia tốc Cyclotron hội tụ hình quạt (sector focusing)
200 MeV proton
Máy gia tốc linac 100 MeV, PAL, Hàn quốc
Năng lượng E
e-
= 65 MeV;

Dòng I
e-
= 30  60 mA;
Tần số f =10  15 Hz;
Độ rộng xung  =1  4 s;
Bia Ta, W, Pb.
Máy gia tốc linac 2.5 GeV, PAL, Hàn quốc
Hành trình thứ 3
Cơ chế gia tốc cảm ứng từ ( Magnetic Induction Acceleration)
Do điện tử có khối lượng rất nhỏ, ngay ở năng lượng thấp đã đạt gần bằng tốc
độ ánh sáng lên rất khó có thể gia tốc bằng cyclotron.
 1923: R. Wideroe phác họa thiết kế máy gia tốc Betatron sử dụng cơ chế cảm
ứng từ. Hai năm sau ông bổ sung thêm điều kiện về ổn định xuyên tâm nhưng
không công bố.
 1927: Sau đó Wideroe chế tạo một mẫu Betatron nhưng không thành công,
ông chuyển sang nghiên cứu chế tạo máy gia tốc Linac.
 1940: D. Kerst, đại học Illinois, Mỹ tái phát minh ra Betatron và chế tạo thành
công chiếc máy đầu tiên làm việc tạo chùm electron năng lượng 2.2 MeV.
Trong betaron hạt chuyển động theo quỹ đạo tròn có có bán kính không đổi.
 1950: Kerst xây dựng máy Betatron lớn nhất thế giới gia tốc chùm electron tới
năng lượng 300 MeV.
Sự phát triển của Betatron đối với vật lý năng lượng cao kết thúc sớm (1950).
Tuy nhiên chúng vẫn tiếp tục được chế tạo với mục đích thương mại dành cho
các bệnh viện và các phòng thí nghiệm nhỏ.
 1964: N. Christofilos, nhà vật lý Mỹ gốc Hy lạp phát tiển máy gia tốc thẳng cảm
ứng (induction linac), loại máy gia tốc này ít được phổ biến, thường sử dụng
để gia tốc các chùm hạt năng lượng trung bình nhưng với cường độ rất lớn.
- Đến những năm 1940 có 3 cơ chế gia tốc chính được biết đến: Gia tốc tĩnh điện
(DC), gia tốc cộng hưởng và cơ chế betatron ( cảm ứng từ ).

- Thực tế không có ý tưởng mới cho đến những năm giữa thập kỷ 60. Để gia tốc tốc
hạt tới năng lượng rất cao cần có một cơ chế hội tụ trong các mặt phẳng (năng lượng)
ngang và dọc.
- Cyclotron bị giới hạn bởi hiệu ứng tương đối tính, các hạt sẽ chuyển động chậm dần
và mất đồng bộ với điện trường tần số siêu cao (RF). Cần cơ chế ổn định pha.
 1945: E. McMilan và V. Veksler tìm ra cơ chế đồng bộ bằng cách thay đổi tần số và
phát minh ra Synchrocyclotron còn được gọi là Phasotron.
 1947: M. Oliphant và J. Gooden và G. Hyde đề suất máy gia tốc Synchrotron 1 GeV
đầu tiên tại Bermingham, Anh.
Trong synchrotron, ban đầu hạt được gia tốc bằng một từ thông biến thiên, sau đó
bằng điện trường xoay chiều. Các hạt được gia tốc dọc theo một quỹ đạo hình nhẫn,
từ trường gia tốc uốn cong quỹ đạo hạt tăng theo thời gian sao cho quỹ đạo không đổi
trong suốt quá trình gia tốc.
 Các máy gia tốc synchrotron thế hệ đầu tiên thuộc loại hội tụ yếu (weak focusing).
Đôi khi còn được gọi là Synchrophasotron.
 1952: Tại phòng thí nghiệm Brookhaven,USA, đã chế tạo thành công máy gia tốc
Cosmotron 3 GeV. Chiếc máy lớn nhất thuộc loại này tại Dubna (Nga) (bán kính 28 m,
nam châm sắt từ nặng 36000 tấn, năng lượng electron 1.2 GeV).
Máy gia tốc năng lượng cao
 1952: E. Courrant, M. Livingston và H. Snyder ở Brookhaven đề xuất nguyên lý
hội tụ mạnh (strong focusing) đối với chùm hạt quỹ đạo tròn nhằm giảm kích
thước máy gia tốc so với loại hội tụ yếu.
 1954: Máy gia tốc synchrotron đầu tiên, 1.5 GeV, theo nguyên lý hội tụ mạnh
được chế tạo tại đại học Cornell, USA.
 1959: Proton synchrotron 28 GeV đựơc đưa vào hoạt động tại CERN (Trung tâm
nghiên cứu hạt nhân châu Âu).
 1960: Phòng thí nghiệm Brookhaven xây dựng máy synchrotron, gia tốc chùm
proton tới năng lượng 33 GeV.
 1960’s: Máy gia tốc Cyclotron hội tụ hình quạt (sector focusing) được giới thiệu
bởi J.R. Richardson, là loại cyclotron đẳng thời (isochronous cyclotron), có thể

gia tốc proton lên tới năng lượng 600 MeV.
 Storage ring collider: là tổ hợp gia tốc hai chùm hạt và phản hạt theo hai
hướng đối diện nhau, sau đó cho va chạm trực diện. Sử dụng chủ yếu trong
nghiên cứu vật lý hạt.
 Collider vòng đơn (single ring) là thiết bị đầu tiên sử dụng các hạt và phản hạt
được khai thác tại dự án AdA (Pháp - 1961).
 Tại Fermilab (USA) đang sử dụng thiết bị Collider vòng đơn năng lượng 2 x 900
GeV proton – antiproton.
 CERN là nơi khai thác đầu tiên loại Collider vòng đôi (double ring).
 Storage ring phần lớn là thiết bị lưu giữ chùm hạt electron đã được gia tốc trong
một thời gian dài với năng lượng không thay đổi thường nhằm mục đích tạo ra
bức xạ synchrotron hay chùm electron phân cực năng lượng cao.
Storage ring collider
Synchrotron, Gatchia, Nga
Synchrotron, Oxfordshire, Anh
Synchrotron, ESRF, Pháp
Pohang Acelerator Lab., Korea
Pohang Accelerator Laboratory, KOREA
Một số trung tâm gia tốc lớn hiện nay
 SLC (Stanford Linear Collider) ở Stanford, USA là máy gia tốc Linac lớn nhất
hiện nay, với chiều dài 3.2 km, gia tốc các electron và positron tới năng lượng
50 GeV.
 NLC (Next Linear Collider) ở Stanford là dự án quốc tế lớn nhất về máy gia tốc
Linac đang được xây dựng với chiều dài 30 km có thể gia tốc electron và
positron năng lượng tới 1 TeV.
 Tổ hợp gia tốc HERA (Hadron Electron Ring Accelerator) ở Hamburg, Đức ,
chu vi 6.3 km, gia tốc chùm electron 30 GeV và proton 820 GeV.
 J-PARK tại KEK, Nhật bản là tổ hợp gia tốc lớn nhất ở châu Á, với máy gia tốc
Synchrotron chu vi 1.6 km, có thể gia tốc chùm protron tới năng lượng 50 GeV.
 Máy gia tốc Tevatron tại Fermilab,USA với chu vi 6.28 km, gia tốc proton tới 2 x

980 GeV.
 LHC (Large Hardon Collider) ở CERN là dự án gia tốc lớn nhất thế giới đã
được hoàn thành vào năm 2008 là chu vi 27 km, có thể gia tốc proton và
antiproton tới năng lượng 2 x 7 TeV, và chùm ion Pb năng lượng tới 2 x 574
TeV.
 Dự án SSC (Superconducting Super Collider) tại Texas, USA, nhằm xây dựng
một tổ hợp gia tốc đường kính 87.1 km, năng lượng tới 20 TeV. Rất tiếc đã bị
hủy bỏ năm 1993.