TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ

MÁY GIA TỐC THẲNG
Luận văn tốt nghiệp
Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ

Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

Ths.GVC. Hoàng Xuân Dinh Nguyễn Trương Quốc Thái
Mã số SV: 1100254
Lớp: Sư phạm Vật Lý
Khóa: 36

Cần Thơ, năm 2013


LỜI CẢM ƠN

Lần đầu tiên tiếp cận với công tác nghiên
cứu khoa học thuộc lĩnh vực chuyên
ngành khá mới mẻ: Máy gia tốc thẳng,
tôi đã vấp phải khá nhiều khó khăn.
Nhưng được sự tận tình hướng dẫn và
giúp đỡ của thầy Hoàng Xuân Dinh,
cùng với sự ủng hộ và động viên nhiệt
tình của các bạn lớp Sư phạm Vật lý
khóa 36 nên tôi đã khắc phục được

những khó khăn và hoàn tất luận văn.
Tôi xin chuyển lời cảm ơn đến thầy
Hoàng Xuân Dinh và tập thể lớp Sư
phạm Vật lý khóa 36 đã tạo mọi điều
kiện để tôi hoàn thành tốt luận văn của
mình. Trong quá trình thực hiện luận văn
của mình mặc dù đã cố gắng nhưng
không tránh khỏi sai sót. Mong sự đóng
góp ý kiến của quý Thầy Cô, cùng các
bạn để luận văn được hoàn thiện hơn.


MỤC LỤC

Phần MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1
Phần NỘI DUNG ...................................................................................................... 2
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA TỐC ....................................................... 2
1.1 Lịch sử hình thành ........................................................................................... 2
1.2 Phân loại máy gia tốc ....................................................................................... 2
1.2.1 Phân loại máy gia tốc theo loại hạt ............................................................ 2
1.2.2 Phân loại theo quỹ đạo chuyển động của hạt ............................................. 3
1.2.3 Phân loại theo tính chất của trường gia tốc ................................................ 3
1.2.4 Phân loại theo năng lượng của hạt được gia tốc ........................................ 3
1.3 Một số máy gia tốc hiện nay ............................................................................ 4
Chương 2: CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA MÁY GIA TỐC .............................................. 10
2.1 Chuyển động của hạt trong điện trường và từ trường .................................... 10
2.1.1 Chuyển động của hạt tích điện trong điện từ trường đồng nhất .............. 10
2.1.1.1 Chuyển động của hạt tích điện trong điện trường đồng nhất............. 10
2.1.1.2 Chuyển động của hạt tích điện trong từ trường đồng nhất ................ 13
2.2 Thuyết tương đối hẹp của Einstein ................................................................ 16

2.2.1 Sự chậm lại của thời gian ......................................................................... 17
2.2.2 Sự co lại của độ dài .................................................................................. 17
2.2.3 Khối lượng ............................................................................................... 18
2.2.4 Hệ thức liên hệ giữa khối lượng và năng lượng ...................................... 18
2.2.4.1 Thiết lập hệ thức ................................................................................ 18
2.2.4.2 Ý Nghĩa .............................................................................................. 19
Chương 3: MỘT SỐ LOẠI MÁY GIA TỐC THẲNG .......................................... 21
3.1 Máy gia tốc thẳng........................................................................................... 21
3.1.1 Cấu tạo ..................................................................................................... 21
3.1.2 Nguyên lý................................................................................................. 22
3.1.3 Một vài máy gia tốc thẳng lớn trên thế giới ............................................. 25
3.1.3.1 Máy gia tốc thẳng Linac Coherent Light Source (LCLS) ................. 25
3.1.3.2 Máy va chạm tuyến tính quốc tế ILC ................................................ 26
3.2 Máy gia tốc Walton-Cockroft ........................................................................ 27
3.2.1 Cấu tạo ..................................................................................................... 28
3.2.2 Nguyên lý................................................................................................. 28
3.3 Máy gia tốc Van De Graaff............................................................................ 30
3.3.1 Cấu tạo ..................................................................................................... 30
3.3.2 Nguyên lý................................................................................................. 30
3.3.3 Sơ lược các loại máy gia tốc Van De Graaff ........................................... 30
Chương 4: ỨNG DỤNG CỦA MÁY GIA TỐC THẲNG TRONG Y HỌC ......... 34
4.1 Phương pháp xạ trị ung thư bằng máy gia tốc thẳng ..................................... 34
4.1.1 Xạ trị ........................................................................................................ 34
4.1.2 Cách tính liều trong xạ trị ngoài .............................................................. 34
4.1.3 Máy gia tốc thẳng .................................................................................... 35
4.1.3.1 Đầu điều trị của máy gia tốc thẳng .................................................... 36
4.1.3.2 Cấu hình máy gia tốc hiện đại ........................................................... 38


4.1.3.3 Những nguyên tắc khi điều trị ........................................................... 39

4.2 Xạ trị bằng bức xạ gamma ............................................................................. 40
4.2.1 Ưu điểm nổi bật của phẫu thuật bằng gamma knife ................................ 41
4.2.2 Ứng dụng của gamma knife trong điều trị bệnh u não ............................ 42
Phần KẾT LUẬN .................................................................................................... 44
TÀI LIỆU THAM KHẢO


Phần MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Từ trước đến nay, khát vọng khám phá và chinh phục tự nhiên của con người luôn
không có điểm dừng. Và cũng bắt nguồn từ khát vọng đó, những máy móc thiết bị ngày
càng tối tân, hiện đại lần lượt ra đời, giúp con người đào sâu, nâng cao tầm hiểu biết của
mình về thế giới tự nhiên. Hiện nay với sự tiến bộ không ngừng của khoa học kỹ thuật
nhiều thiết bị công nghệ cao đã được phát minh, trong đó không thể không nhắc đến máy
gia tốc, đặc biệt hơn là máy gia tốc thẳng là một thiết bị hoàn thiện giúp con người có thể
chạm tay vào những cấu trúc nhỏ bé nhất của vật chất.
Ra đời vào nửa đầu thế kỷ XX cho đến nay máy gia tốc thẳng đã liên tục đóng vai
trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực của đời sống, đặc biệt là nghiên cứu hạt nhân và hạt
cơ bản. Và trong những năm gần đây máy gia tốc thẳng đã tạo nên bước đột phá lớn
trong y học bởi tác dụng xạ trị ung thư và phẫu thuật bằng dao gamma của mình với
những ưu điểm vượt bậc hơn so với những phương pháp truyền thống.
Ở nước ta, tuy đã có nhưng rất ít người biết đến máy gia tốc thẳng và những ứng
dụng của nó. Bản thân là một sinh viên vật lý, nhưng những kiến thức của tôi về máy gia
tốc còn hạn chế. Do đó tôi chọn đề tài “ Máy gia tốc thẳng” để đào sâu tìm hiểu về một
trong những loại máy gia tốc mà có nhiều đóng góp quan trọng trong cuộc sống hy vọng
có thể nâng cao hiểu biết của mình về lịch sử, cấu tạo, nguyên lý hoạt động cũng như là
ứng dụng trong y học của máy gia tốc thẳng. Qua đó nhận thức được tầm quan trọng của
máy gia tốc thẳng trong nền khoa học kỹ thuật của nước ta.

2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Tìm hiểu về máy gia tốc thẳng và ứng dụng quan trọng của nó trong y học. Từ đó
nhận thức được tầm quan trọng của máy gia tốc thẳng trong nền khoa học kỹ thuật của
nước ta hiện nay.

3. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
Đề tài mang tính lý thuyết. Tập trung xây dựng cơ sở lý thuyết về cách phân loại, cơ
sở vật lý của máy gia tốc.Tìm hiểu cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của các loại máy gia tốc
có quỹ đạo thẳng và ứng dụng của máy gia tốc thẳng trong y học.

4. PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN
a. Phương pháp thực hiện đề tài
- Nghiên cứu lý thuyết cách phân loại, cơ sở vật lý, một số máy gia tốc hiện nay, cấu
tạo và nguyên tắc hoạt động của máy gia tốc có quỹ đạo thẳng.
- Phân tích ứng dụng trong y học của máy gia tốc thẳng.
b. Phương tiện thực hiện đề tài
- Các tài liệu tham khảo gồm có: các giáo trình điện từ học, các sách về máy gia tốc.
- Các công trình nghiên cứu khoa học về ứng dụng của máy gia tốc trong đời sống.
- Các trang web khoa học nói về máy gia tốc thẳng.

5. CÁC BƯỚC THỰC HIỆN
Bước 1: Nhận đề tài.
Bước 2: Tìm kiếm tài liệu, thông tin trên mạng có liên quan tới đề tài.
Bước 3: Đọc và phân tích các thông tin, từ đó viết đề cương.
Bước 4: Tiến hành viết đề tài theo đề cương và trao đổi với giáo viên hướng dẫn.
Bước 5: Viết bài luận, chỉnh sửa, hoàn thiện bài viết.
Bước 6: Viết báo cáo.
Bước 7: Bảo vệ luận văn.


Phần NỘI DUNG

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA TỐC
1.1 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH
Trong các máy gia tốc hạt đầu tiên, các hạt được gia tốc bằng một hiệu điện thế cao
đặt vào khe giữa cathode và anode (các điện cực). Những dụng cụ này gọi là ống tia
cathode và được nghĩ ra vào cuối thế kỉ 19. Sử dụng ống tia cathode, tia X đã được phát
hiện vào năm 1895 bởi Wilhelm Conrad Röntgen, người nhận giải Nobel vật lí đầu tiên
(năm 2001) cho khám phá này.
Vào năm 1896, Joseph John Thomson nghiên cứu bản chất của tia cathode tìm thấy
chúng tích điện và có một tỉ số điện tích trên khối lượng chính xác. Việc khám phá ra hạt
cơ bản đầu tiên này, hạt electron, đã đánh dấu sự bắt đầu của một thời kì mới, kỉ nguyên
điện tử vì thế được khai sinh từ năm 1896. Thomson được trao giải Nobel năm 1906 cho
công trình nghiên cứu liên quan tới khám phá này.
Máy gia tốc phổ biến nhất ngày nay là ống tia cathode dùng trong các bộ hiển thị
truyền hình và máy tính. Bên trong ống, một chùm electron, sau khi được gia tốc đến
năng lượng cực đại lên tới 30.000 electron-volt, quét qua màn hình, chúng phát ra ánh
sáng khi bị electron chạm vào. Trong phần tiếp theo, các dụng cụ một khe này cũng như
kính hiển vi điện từ không được đề cập tới.
Các loại máy gia tốc khác nhau hiện có đã được phát minh ra trong khoảng thời gian
gần bốn thập kỉ. Khoảng năm 1920, chiếc máy gia tốc hạt hiệu điện thế cao đầu tiên gồm
hai điện cực đặt bên trong một bình chân không có độ thế giọt vào bậc 100 kilovolt và
được nghĩ ra và mang tên John Douglas Cockcroft và Ernest Thomas Sinton Walton.
Cuối thập niên 1920, người ta đề xuất sử dụng hiệu điện thế biến thiên theo thời
gian đặt qua một loạt khe. Các đề xuất gia tốc các hạt theo kiểu lặp đi lặp lại đã thúc đẩy
Ernest Orlando Lawrence đi tới một quan niệm mới cho việc gia tốc các hạt. Trong
cyclotron do ông phát minh, các hạt được làm cho quay tròn trong một từ trường và đi
qua đi lại cùng một khe gia tốc nhiều lần. Thay cho hiệu điện thế một chiều, người ta
thiết đặt một hiệu điện thế cao vào khe sao cho các hạt được gia tốc trong một quỹ đạo
xoắn ốc theo kiểu lặp đi lặp lại.
Sau phát minh ra nguyên lí cân bằng pha vào giữa những năm 1940, hai loại máy
gia tốc mới đã hình thành: máy gia tốc thẳng và synchrotron. Trong máy gia tốc thẳng,

các khe được đặt dọc theo một đường thẳng. Trong synchrotron, từ trường tăng lên trong
quá trình gia tốc sao cho các hạt chuyển động trong các vòng về cơ bản là quỹ đạo không
đổi. Trong các máy gia tốc kiểu này, các hạt được gia tốc theo kiểu lặp đi lặp lại và năng
lượng bị hạn chế bởi kích thước của máy gia tốc và không bị hạn chế bởi hiệu điện thế tối
đa có thể đạt tới.

1.2 PHÂN LOẠI MÁY GIA TỐC
1.2.1 Phân loại máy gia tốc theo loại hạt
Không phải máy gia tốc nào cũng có thể gia tốc các hạt có khối lượng khác nhau.
Theo Einstein khối lượng của hạt phụ thuộc vào năng lượng. Khi năng lượng tăng sẽ dẫn
đến khối lượng tăng do đó thời gian hạt đi được một vòng trong máy gia tốc sẽ tăng lên
làm mất đồng bộ với điện trường gia tốc. Điều này thể hiện rõ nhất đối với các hạt nhẹ.
Do đó sẽ có loại máy chỉ gia tốc được hạt nặng hoặc hạt nhẹ.
- Máy gia tốc hạt nặng: ví dụ các hạt proton, detơri, anpha, và ion nặng được gia tốc
bằng các máy gia tốc Cyclotron, Walton-Cockroft, Van De Graaff, máy gia tốc thẳng,
Synchrotron, Phasotron và Synchrophasotron.


- Máy gia tốc hạt nhẹ: Hạt được gia tốc là điện tử gia tốc bằng máy gia tốc thẳng,
Betatron, Microtron, Synchrotron, Phasotron và Synchrophasotron.
- Máy gia tốc cả hạt nặng lẫn nhẹ: Walton-Cockroft, Van De Graaff và máy gia tốc
thẳng.
1.2.2 Phân loại theo quỹ đạo chuyển động của hạt
Trên cơ sở tính chất quỹ đạo người ta phân ra các loại máy gia tốc như:
- Máy gia tốc quỹ đạo thẳng: bao gồm các máy gia tốc Walton-Cockroft, Van De
Graaff và máy gia tốc thẳng.
- Máy gia tốc quỹ đạo tròn: bao gồm Cyclotron, Phasatron ( trong các máy này hạt
chuyển động theo đường xoáy trôn ốc từ tâm ra ngoài với bán kính ngày càng tăng),
Synchorotron, Synchrophasotron (trong các máy này hạt chuyển động theo quỹ đạo tròn
bán kính không đổi) và microtron (trong máy này hạt chuyển động theo các đường tròn

có bán kính ngày càng tăng và luôn luôn tiếp xúc với nhau tại một điểm).
1.2.3 Phân loại theo tính chất trường gia tốc
Trong các máy gia tốc như ta sẽ thấy các hạt có thể được gia tốc nhờ vào điện
trường một chiều, điện trường biến thiên hoặc từ trường biến thiên. Vì vậy ta có phân loại
máy gia tốc như sau:
- Máy gia tốc tĩnh điện (điện trường một chiều):
Bao gồm các máy gia tốc Walton-Cockroft, Van De Graaff và Tandem Van De
Graaff.
- Máy gia tốc điện trường xoay chiều:
Bao gồm Cyclotron, Synchrotron, Phasotron, Synchrophasotron, Microtron và máy
gia tốc thẳng. Điều đáng chú ý là trong các máy gia tốc này hạt được gia tốc nhờ vào sự
cộng hưởng giữa điện trường gia tốc và sự chuyển động của hạt.
- Máy gia tốc từ trường biến thiên:
Đó là máy gia tốc điện tử Betatron. Trong máy gia tốc này điện tử được gia tốc
không phải nhờ điện trường biến thiên mà từ trường có từ thông biến thiên.
1.2.4 Phân loại theo năng lượng của hạt được gia tốc
Các máy gia tốc có thể gia tốc hạt đến những năng lượng giới hạn khác nhau. Trên
cơ sở năng lượng của hạt được gia tốc chúng ta có thể phân loại máy gia tốc như sau:
- Máy gia tốc không tương đối tính:
Bao gồm các máy gia tốc chỉ đưa năng lượng hạt lên đến những giá trị mà tại đó tốc
độ của nó nhỏ hơn nhiều so với tốc độ ánh sáng (hoặc khối lượng của hạt không lớn hơn
nhiều so với khối lượng dừng). Ví dụ: máy gia tốc Walton-Cockroft, Van De Graaff và
Cyclotron.
- Máy gia tốc tương đối tính:
Bao gồm các máy gia tốc trong đó tốc độ của hạt lên đến gần tốc độ ánh sáng. Ví
dụ: máy gia tốc thẳng, betatron, Synchrotron, Phasotron, Synchrophasotron, Microtron.
Trong nhiều trường hợp người ta còn gọi các máy này là siêu tương đối tính vì tốc độ của
hạt gần với tốc độ của ánh sáng.



1.3 MỘT SỐ MÁY GIA TỐC HIỆN NAY
Máy gia tốc cộng hưởng từ:
Máy gia tốc

Vị trí

Năm hoạt
động

Hình dạng

Hạt được gia
tốc

Động năng

Đại học
California tại 1931
Tròn
Hidro
1 MeV
Berkeley
Đại học
11-inch
California tại 1932
Tròn
Proton
1,2 MeV
cyclotron
Berkeley

Đại học
27-inch
California tại 1932
Tròn
Deuteron
4,8 MeV
cyclotron
Berkeley
Đại học
37-inch
California tại 1937
Tròn
Deuteron
8 MeV
cyclotron
Berkeley
Đại học
60-inch
California tại 1939
Tròn
Deuteron
19 MeV
cuclotron
Berkeley
Phòng thí
184-inch
nghiệm bức
1942
Tròn
Various

>100 MeV
cyclotron
xạ Berkeley
[1]
[1] Máy gia tốc đầu tiên xây dựng tại phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley
(Lawrence Berkeley National Laboratory), sau đó được biết như là phòng thí nghiệm bức
xạ Berkeley (Berkeley Radiation Laboratory).
9-inch
cyclotron

Synchrotrons:
Máy gia tốc

Calutrons

Cosmotron

Birmingham
synchrotron
Bevantron

Vị trí
Phòng thí
nghiệm quốc
gia Oak Ridge
Phòng thí
nghiệm quốc
gia
Brookhaven
Trường đại

học
Birmingham
Phòng thí
nghiệm bức xạ
Berkeley

Năm hoạt
động

Hình dạng

Hạt được
gia tốc

Động năng

1942

Móng ngựa

Uranium

1953

Vòng tròn

Proton

3,3 GeV


1939

Proton

1 GeV

1954

Đường thẳng Proton

6,2 GeV


Bevalac kết hợp
máy gia tốc
thẳng Super
HILAC và máy
Bevatron

Phòng thí
nghiệm bức xạ
Berkeley

Saturne

Saclay, Pháp

Sychrophasotron Dubna, Nga
Zero Gradient
Synchrotron


Proton
Synchrotron

Alternating
Gradient
Synchrotron

SLAC Linac

Fermilab
Booster

Fermilab Main
Injector

Farmilab Main
Ring

Super Proton

Phòng thí
nghiệm quốc
gia Argonne
Tổ chức
nghiên cứu
nguyên tử
Châu Âu
(CERN)
Phòng thí

nghiệm quốc
gia
Brookhaven
Trung tâm
máy gia tốc
thẳng Stanford
(SLAC)
Phòng thí
nghiệm máy
gia tốc quốc
gia Fermi
(Fermilab)
Phòng thí
nghiệm máy
gia tốc quốc
gia Fermi
(Fermilab)
Phòng thí
nghiệm máy
gia tốc quốc
gia Fermi
(Fermilab)
Tổ chức
nghiên cứu
nguyên tử
Châu Âu
(CERN)

1970


Các hạt
nhân đủ
Đường thẳng
vững
chắc
3 GeV

1949

10 GeV

12,5 GeV

1959

Tròn

1960

Proton

28 GeV

Proton

33 GeV

1966

Đường thẳng


Electron/
Positron

50 GeV

1970

Tròn

Protons

8 GeV

1995

Tròn

Protons
và
antiproto
ns

150 GeV

19701995

Tròn

Protons

và ions

400 GeV

1980

Tròn

Protons
và ions

480 GeV


Bates Linear
Accelerator

Middleton,
Massachusetts

19672005

CEBAF

Cơ sở gia tốc
quốc gia
Thomas
Jefferson,
Newport
News,Virginia


1984

ELSA

Bonn, Đức

1987

Synchrotron

Electrons

3,5 GeV

ISIS neutron
source

Phòng thí
nghiệm
Rutherford
Appleton
(RAL),
Didcot, Oxon

1984

H-Linac

Protons


800 MeV

MAMI

Mainz, Đức

Tròn

Electrons
phân cực

Tevatron

Spallation
Neutron Source

Phòng thí
nghiệm máy
gia tốc quốc
gia Fermi
(Fermilab)
Phòng thí
nghiệm quốc
gia Oak Ridge

1 GeV

Electrons
phân cực


1978

2006

Electrons
phân cực

Thẳng

Thẳng
(335m) và
tròn (248m)

Protons

980 GeV

Protons

800 MeV-1
GeV

Năng lượng
Electron

Năng lượng
Positron

Sự va chạm của Electron và positron:

Máy gia tốc

Vị trí

Năm vận
hành

Hình dạng
và chu vi

AdA

Frascati,Ý ;
Orsay, Pháp

1961-1964

Tròn 3m

250 MeV

250 MeV

PrincetonStanford

Stanford,
California

1962-1967


2 vòng tròn
12m

300 MeV

300 MeV

VEP-1

Novosibirsk,
Nga

1964-1968

2 vòng tròn
2,7m

130 MeV

130 MeV

VEPP-2,
VEPP2-2M

Novosibirsk,
Nga

1965-1999

Tròn

17,88m

700 MeV

700 MeV


SPEAR

SLC

LEP

DORIS

PETRA

CESR

CESR-c

PEP-II

KEKB

Trung tâm
máy gia tốc
thẳng Stanford
(SLAC)
Trung tâm

máy gia tốc
thẳng Stanford
(SLAC)
Trung tâm
máy gia tốc
thẳng Stanford
(SLAC)
Trung tâm
nghiên cứu
quốc gia ở
Đức (DESY)
Trung tâm
nghiên cứu
quốc gia ở
Đức (DESY)
Đại học
Cornell, New
York, Mỹ
Đại học
Cornell, New
York, Mỹ
Trung tâm
máy gia tốc
thẳng Stanford
(SLAC)
Tổ chuc717
nghiên cứu
năng lượng
cao (KEK)


1972

3 GeV

3 GeV

45 GeV

45 GeV

1989-2000

Tròn 27km

104 GeV

104 GeV

1974-1993

Tròn 300m

5 GeV

5 GeV

1978-1986

Tròn 2km


20 GeV

20 GeV

1979-2002

Tròn 768m

6 GeV

6 GeV

2002-2008

Tròn 768m

6 GeV

6 GeV

1998-2008

Tròn 2,2km

9 GeV

3,1 GeV

1999-2008


Tròn 3km

8 GeV

3,5 GeV

VEPP-2000

Novosibirsk,
Nga

2006

Tròn 24m

1 GeV

1 GeV

VEPP-4M

Novosibirsk,
Nga

1994

Tròn 366m

4 GeV


4 GeV

BECP

Trung Quốc

1989-2004

Tròn 240m

2,2 GeV

2,2 GeV

DAФNE

Frascati, Ý

1999

Tròn 98m

0,7 Gev

0,7 GeV


BECP II

Trung Quốc


2008

Tròn 240m

3,7 GeV

3,7 GeV

Sự va chạm Hadron :
Máy gia tốc

Vị trí

Tổ chức
nghiên cứu
Intersecting
nguyên tử
Storage Rings
Châu Âu
(CERN)
Tổ chức
nghiên cứu
Super Proton
nguyên tử
Synchroton
Châu Âu
(CERN)
Phòng thí
nghiệm máy

Tevatron Run
gia tốc quốc
I
gia Fermi
(Fermilab)
Phòng thí
nghiệm máy
Tevatron Run
gia tốc quốc
II
gia Fermi
(Fermilab)
Phòng thí
PHIC proton + nghiệm quốc
proton mode
gia
Brookhaven
Tổ chức
nghiên cứu
Large Hadron
nguyên tử
Collider
Châu Âu
(CERN)

Năm vận
hành

Hình dạng
và kích

thước

Hạt va chạm

Năng
lượng của
tia

31,5 GeV

1971-1984

Vòng tròn
(948m)

Proton/proton

1981-1984

Vòng tròn
(6,9km)

Proton/Antipro
ton

1992-1995

Vòng tròn
(6,3km)


Proton/Antipro
900 GeV
ton

2001

Vòng tròn
(6,3km)

Proton/Antopr
oton

980 GeV

2000

Vòng tròn
(3,8km)

Polarized
proton/proton

100-250
GeV

2008

Vòng tròn
(27km)


Proton/Proton

7 TeV

Va chạm electron-proton :
Máy gia tốc

HERA

Vị trí

Năm
hoạt
động

Trung tâm
nghiên cứu
1992
quốc gia ở
Đức (DESY)

Hình dạng
và kích
thước
Vòng tròn
(6336m)

Năng lượng
electron


27,5 GeV

Năng lượng
proton

920 GeV


Va chạm ion :
Máy gia tốc
Relativistic
Heavy Ion
Collider
Large Hadron
Collider, ion
mode

Vị trí
Phòng thí
nghiệm quốc
gia
Brookhaven
Tổ chức
nghiên cứu
nguyên tử
Châu Âu
(CERN)

Năm
hoạt

động

Hình dạng,
kích thước

Ion được
dùng

Năng lượng
ion

2000

3,8km

Au-Au ;
Cu-Cu ;

0,1 TeV

2008

Vòng tròn
(27km)

Pb-Pb

2,76 TeV



Chương 2: CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA MÁY GIA TỐC
2.1 CHUYỂN ĐỘNG CỦA HẠT TÍCH ĐIỆN TRONG ĐIỆN TRƯỜNG
VÀ TỪ TRƯỜNG
Nguyên lý chung của máy gia tốc dựa trên sự tương tác của hạt tích điện với điện từ
trường. Để làm sáng tỏ hơn chúng ta sẽ xem xét sự chuyển động của các hạt tích điện
trong điện từ trường. Cũng cần phải nhấn mạnh rằng loại chuyển động này là đối tượng
của một ngành mới của Vật lý học hiện đại, quang học điện tử và ion trong đó nó được
xem xét một cách tỉ mỷ nhằm mục đích ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như kỹ thuật đo
đạc, gia tốc hạt và tách đồng vị.
Nghiên cứu tương tác giữa điện trường và từ trường với các hạt tích điện cho phép
chúng ta điều khiển được chúng tức là thay đổi được lực và hướng chuyển động của
chúng.
2.1.1 Chuyển động của hạt tích điện trong điện từ trường đồng nhất
Khi một hạt tích điện chuyển động trong điện từ trường sẽ có hai lực tác động đồng
thời lên nó. Lực thứ nhất là lực điện trường eE, còn lực thứ hai là lực Lawrence e/c [vH].
Phương trình mô tả chuyển động của hạt được biểu diễn như sau:




 e  
dv
Fm
 eE  [vxH]
dt
c

(2.1)

Trong đó: F – lực chung tác dụng lên hạt;


E – vectơ điện trường;
c – tốc độ ánh sáng;

v – vectơ tốc độ hạt;

H – vectơ từ trường;
Từ phương trình (2.1) chúng ta thấy rằng lực mà điện trường tác dụng lên hạt có
hướng trùng với hướng của điện trường. Còn lực tác dụng của từ trường có hướng vuông
góc với vectơ vận tốc của hạt và vectơ từ trường. Lực này bằng 0 khi hạt không chuyển
động hoặc khi vectơ vận tốc của nó song song với vectơ từ trường.
Phương trình (2.1) là phương trình vectơ có thể phân tách ra thành ba phương trình
vô hướng mô tả chuyển động của hạt theo các hướng tương ứng.
Chúng ta sẽ xem xét các trường hợp riêng của chuyển động.
2.1.1.1 Chuyển động của hạt tích điện trong điện trường đồng nhất
1. Trong điện trường dọc đồng nhất
Trên hình 2.1biểu diễn chuyển động của hạt tích điện trong điện trường dọc. Từ
phương trình (2.1)
Khi không có mặt của từ trường H=0, Ey=Ex=0, Ex=E ta có phương trình:
F=eE
(2.2)
+ Ex
Phương trình chuyển động của hạt tích điện là:
m

d2x
 eE
dt 2

(2.3)


Phương trình (2.3) cũng có thể viết dưới dạng:
m

dv
 eE
dt

Nhân hai vế của phương trình (2.4) với v ta có:
dv
mv
 eEv
dt

(2.4)

e-

-

Hình 2.1: Chuyển động của
(2.5) hạt tích điện trong điện
trường dọc đồng nhất


Nhưng:
dv 1 dv2
v

dt 2 dt


(2.6)

d  mv2 

  eEv
dt  2 

(2.7)

Vì vậy ta nhận được:

Lực của điện trường có thể biểu diễn qua gradient của điện thế 
d
E

dx

(2.8)

Thay (2.8) vào (2.7) chúng ta sẽ nhận được :
d  mv2 
d

  e
dt  2 
dt

hoặc :


d  mv2

 e   0
dt  2


(2.9)

mv 2
 e  const
2

(2.10)

Điều này có nghĩa là :

Biểu thức (2.10) thực chất là định luật bảo toàn năng lượng bởi vì mv2/2 là động
năng, còn e là thế năng của hạt.
Nếu đi từ một điểm này sang điểm khác của trường trong đó hiệu điện thế là 1-2
=U thì cũng như là nó được gia tốc giữa hai cực mà hiệu điện thế là U, sự thay đổi động
năng của hạt là :
mv 22 mv 12

2
2

(2.11)

Nếu như tốc độ ban đầu của hạt là v1=0 thì
mv 2

 eU
2

(2.12)

Như vậy có thể nói một hạt tích điện chuyển động trong một điện trường giữa hai
điểm có hiệu điện thế U thì nó được gia tốc bởi một năng lượng là eU.
2. Trong điện trường ngang đồng nhất
Chúng ta hãy xem xét chuyển động của hạt tích điện trong một điện trường ngang
đồng nhất tạo ra từ một tụ điện phẳng (xem hình 2.2)
y

d

l

x

z

y0
a

Hình 2.2: Chuyển động của hạt tích điện trong điện trường ngang đồng nhất
Chúng ta hãy lấy hệ tọa độ như hình vẽ. Hãy giả thuyết rằng phóng một chùm hạt
tích điện với tốc độ ban đầu như nhau v0 theo trục hoành Ox chúng sẽ bị lệch đi và có thể
được quan sát trên một màn ảnh phù hợp đặt trên khoảng cách l giữa màn và tụ điện bài


toán đặt ra là hãy tìm độ lệch yE mà chùm hạt nhận được trên màn dưới tác dụng của điện

trường ta biết rằng nếu khe hở giữa hai tấm của tụ điện phẳng nhỏ hơn rất nhiều so với độ
dài l thì các hiệu ứng biên có thể bỏ qua và có thể xem điện trường giữa các tấm của tụ là
đồng nhất và ta có Ex=Ez=0, Ey=E. Trong trường hợp này phương trình chuyển động của
một hạt là :
d2x
m 2 0
dt
d2y
m 2 0
dt
d 2z
m 2 0
dt

(2.13)

Bởi vì quỹ đạo của hạt là một đường cong phẳng nằm trong mặt phẳng xOy vì vậy
phương trình thứ ba không cần thiết cho chúng ta. Từ phương trình thứ nhất của hệ (2.13)
ta có :
dx
 c1; x  c1t  c0
dt

(2.14)

Theo điều kiện ở trên tại thời điểm ban đầu hạt nằm ở gốc tọa độ và chuyển động
với tốc độ v0 ta nhận được
x=v0t
(2.15)
Phương trình thứ hai của hệ (2.13) sau khi nhân cả hai vế của nó với dx có thể viết

phương trình dưới dạng :
d  dy 
e
 dx  Edx
dt  dt 
m

(2.16)

 dy  dx e
d 
 Edx
 dt  dt m

(2.17)

hoặc:

bởi vì:
dx
 v0
dt

do đó:
e
 dy 
d  
Edx
 dt  mv 0


(2.18)

Lấy tích phân, ta có:
x

dy
e

xdx
dt mv0 0

(2.19)

Vì điện trường là đồng nhất nên ta có:
dy
eE
 vy 
x
dt
mv 0

(2.20)

Để tìm quỹ đạo của hạt trong tụ điện ta hãy tích phân một lần nữa biểu thức (2.20)
sau khi đã sơ bộ nhân hai vế với dx :
dy

dx
eE


xdx
dt mv 0

(2.21)

hoặc:
dy 

eE
dx
mv 02

(2.22)


x

y

eE
xdx
mv02 0

(2.23)

Từ đây ta nhận được phương trình quỹ đạo của hạt là:
y

eE 2
x

2mv 02

(2.24)

Biểu thức (2.24) chỉ ra rằng quỹ đạo của hạt tích điện trong điện trường ngang đồng
nhất là một hình parabol. Từ hình 2.2 ta thấy rằng độ lệch cần tìm trên màn bằng tổng hai
đoạn thẳng y0 và a :
y E  y 0  a  y 0  l.tgα
(2.25)
Từ (2.24) ta có :
y0 

eE 2
d
2mv 02

(2.26)

eE
 dy 
tgα   

2
 dx  y y0 mv0

Cuối cùng ta có :
yE 




eEd
1 d
2
mv 02

(2.27)



(2.28)

Từ kết quả này ta thấy độ lệch càng lớn khi đại lượng e/m (được gọi là điện tích đặc
trưng) càng lớn.
2.1.1.2 Chuyển động của hạt tích điện trong từ trường đồng nhất
Ta xét hai trường hợp đơn giản nhất thường được sử dụng trong các thí nghiệm.
1. Trong từ trường đồng nhất, tiết diện hình tròn
Giả sử hạt chuyển động vuông góc với các đường sức ( xem hình 2.3).
Các đường sức trong hình vẽ vuông góc với mặt giấy. Theo định luật Lawrence
phương trình chuyển động của hạt tại Hx=Hz=0, Hy=H
là :
dv x
e

vzH
dt
mc
dv y
0
dt
dv z

e

vxH
dt
mc

z

zN

(2.29)
x
y

d
l-d
Nếu chúng ta không quan tâm đến quỹ đạo của
hạt và chỉ tìm độ lệch trên một màn đặt ở quãng l từ Hình 2.3: Chuyển động của hạt
điểm cuối của từ trường, chúng ta có thể giải phương tích điện trong từ trường ngang
trình thứ ba. Trong trường hợp từ trường yếu (độ lệch đồng nhất tiết diện tròn
của hạt nhỏ) với một phép gần đúng ta có thể cho rằng
thành phần vx của tốc độ là không đổi trong toàn bộ thời gian và bằng v0 tốc độ ban đầu.
Tất nhiên phép gần đúng tương tự sẽ không có hiệu lực ở những độ lệch quá lớn.
Từ phương trình thứ ba trong hệ (2.29) ta có:
d 2z
e

v0H
2
dt

mc

Nhân hai vế của (2.30) với dx ta nhận được :
d  dz 
e
v 0 Hdx
 dx 
dt  dt 
mc

(2.30)


hoặc :
e
 dz  dx
d 

v 0 Hdx
 dt  dt mc

(2.31)

Từ đây ta có :
x

dz
e

Hdx

dt mc 0

(2.32)

Một lần nữa nhân với dx ta có :
dz
e
dx 
dx Hdx
dt
mc 
x
e
dz 
dx  Hdx
mcv0 0

(2.33)
(2.34)

bởi vì :
dx
 v0
dt

Tích phân lần thứ hai chúng ta nhận được :
x'

x


e
z
dx Hdx
mcv0 0 0

(2.35)

Nếu chúng ta đặt x’=L (khoảng cách từ đầu hệ tọa độ đến màn) chúng ta sẽ có độ
lệch trên màn là :
L

x

e
zm 
dx Hdx
mcv0 0 0

(2.36)

Ở đây có thể phân tích theo từng phần bằng cách đặt :
x

U   Hdx
0

Và

dv=dx
L


e 
e
zm 
L Hdx   xHdx  
 H(L  x)dx
mcv0  0
0
 mcv0 0
L

L

(2.37)

Để thực hiện việc tích phân biểu thức (2.37) cần chú ý rằng :
a. Từ trường không kéo dài đến màn mà được giới hạn trong một đường tròn có
đường kính d.
b. Theo giả thuyết thì độ lệch rất nhỏ.
Khi phân chia tích phân cuối cùng ra hai tích phân từ 0 đến d và từ d đến L chúng ta
nhận được :
zm 

L
d

e
H  H(L  x)dx   H(L  x)dx
mcv0  0
0



(2.38)

và bởi vì H không đổi trong vùng từ 0 đến d và H=0 trong vùng từ d đến L nên :
d

e
zm 
H  (L  d)dx
mcv0  0


(2.39)

Nếu ta đặt l=L-d. Cuối cùng ta sẽ có :
zm 

eHd  d 
1  
mcv 0  2 

(2.40)


Công thức (2.40) có dạng giống như công thức (2.28) về độ lệch của hạt trong điện
trường ngang đồng nhất chỉ khác ở chỗ mẫu số thay bằng mv 02 là mv 0 c còn ở tử số thay
bằng E là H. Sự hiện có của c trong (2.40) phụ thuộc vào việc lựa chọn đơn vị. Nếu sử
dụng hệ đơn vị điện từ công thức (2.40) sẻ có dạng :
zm 


eHd  d 
1  
mv 0  2 

(2.41)

Như vậy ta thấy độ lệch của hạt do từ trường tạo ra cũng phụ thuộc vào điện tích
riêng e/m.
2. Trong từ trường ngang đồng nhất
Ta hãy xem xét trường hợp riêng khác khi không có điện trường nhưng có từ
trường. Giả sử hạt có tốc độ ban đầu là v0 rơi vào một từ trường có cường độ là H. Chúng
ta xem từ trường này là đồng nhất và ngang vì có hướng vuông góc với tốc độ v 0 (xem
hình 2.4) chúng ta có thể làm sáng tỏ những đặc trưng cơ bản của chuyển động trong từ
trường này mà không cần phải giải đầy đủ phương trình chuyển động.
v

B

Hình 2.4 : Chuyển động của hạt tích điện trong từ trường ngang đồng nhất
Trước hết chúng ta chú ý rằng lực Lawrence tác dụng lên hạt luôn luôn vuông góc
với tốc độ chuyển động của hạt và các đường sức của từ trường. Điều đó có nghĩa là công
của lực Lawrence luôn luôn bằng 0. Vì vậy giá trị tuyệt đối của tốc độ hạt, cũng có nghĩa
là năng lượng của hạt không thay đổi khi chuyển động. Bởi vì tốc độ v0 của hạt không
thay đổi nên độ lớn của lực Lawrence F=(e/c)vH không thay đổi. Lực này như đã nói là
vuông góc với hướng chuyển động và là lực hướng tâm (theo cơ học).
Nhưng chuyển động dưới tác dụng của một lực hướng tâm không đổi có quỹ đạo là
một đường tròn được xác định bằng điều kiện:
mv 2 e
 vH

r
c

(2.42)

Từ (2.42) ta có bán kính quỹ đạo tròn là :
r

mv
e
H
c

(2.43)

Giả sử rằng hạt đạt được tốc độ v nhờ đi qua 2 điểm của một điện trường có hiệu
điện thế là U như công thức (2.12) thì tốc độ của nó là :
 e 
v  2 U 
 m 

1

2

(2.44)


Và vì vậy ta có bán kính là :
 2 

r 

 e/m 

1

2

1

U 2
H

(2.45)

Chuyển động tròn của hạt tích điện trong từ trường đồng nhất có đặc điểm rất quan
trọng là thời gian chúng chuyển động trong một vòng tròn không phụ thuộc vào năng
lượng của hạt.
T

2 πr
v

(2.46)

Thay giá trị của r từ (2.43) ta có :
T

2 πme 1
e H


(2.47)

Tần số góc quay vòng của hạt :
ω

2π
e

H
T mc

(2.48)

Như vậy đối với mỗi loại hạt chu kỳ và tần số chỉ phụ thuộc vào độ lớn của cường
độ từ trường. Đặc điểm quan trọng này có vai trò rất to lớn mà chúng ta sẽ quan tâm đến
sau này khi đề cập cụ thể đến máy gia tốc.
Trên đây chúng ta giả thuyết rằng hướng của tốc độ ban đầu vuông góc với hướng
của từ trường. Hoàn toàn không khăn để luận giải về đặc trưng của chuyển động nếu tốc
độ ban đầu của hạt tạo thành một góc  bất kỳ với từ trường.
Trong trường hợp này để thuận tiện ta phân tích tốc độ v0 thành hai thành phần.
Thành phần thứ nhất vt=v0 cos (song song với từ trường), còn thành phần thứ hai
vn=v0sin (vuông góc với từ trường). Lực Lawrence tác dụng lên hạt là do thành phần v n
và hạt chuyển động theo đường tròn nằm trong mặt phẳng vuông góc với từ trường.
Thành phần vt không tạo ra sự xuất hiện lực bổ sung bởi vì lực Lawrence trong chuyển
động song song với từ trường bằng 0. Vì vậy theo hướng của từ trường hạt sẽ chuyển
động theo quán tính, chuyển động đều với tốc độ vt=v0cos. Kết quả của việc tổng hợp
hai chuyển động là hạt sẽ chuyển động theo một hình xoắn:
f  v t T  Tv 0 cosα


Thay biểu thức của T ta có :
f

2ππ0cosα 1
e
H
me

Tóm lại thông qua sự tương tác giữa điện từ trường và hạt tích điện chúng ta đồng
thời có thể vừa gia tốc hạt vừa có thể điều khiển hướng chuyển động của hạt. Đó chính là
nguyên lý chung và là cơ sở của nguyên lý hoạt động của các loại máy gia tốc.

2.2 THUYẾT TƯƠNG ĐỐI HẸP CỦA EINSTEIN
Nguyên lý tương đối trong cơ học Newton nói rằng các hiện tượng cơ học đều xảy
ra như nhau trong một hệ qui chiếu quán tính nhưng không nói rõ các hiện tương khác
như là nhiệt, điện, từ có xảy ra như nhau trong một hệ qui chiếu quán tính. Ở phần điện từ
trường ta thấy tương tác từ xảy ra chủ yếu là do dòng điện tức là do chuyển động của các
hạt mang điện. Như vậy có thể trong các hệ qui chiếu quán tính khác nhau các hiện tượng
điện từ sẽ xảy ra khác nhau. Nhiều thí nghiệm được thực hiện với các hệ qui chiếu quán
tính khác nhau với mục đích tìm ra một hệ qui chiếu quán tính mà ở đó tốc độ ánh sáng


khác hẳn với tốc độ ánh sáng trong các hệ qui chiếu quán tính khác. Nhưng những thí
nghiệm đó không đạt được kết quả.
Năm 1905 Einstein phát biểu nguyên lý tương đối về sự bình đẳng của các hệ qui
chiếu quán tính cụ thể bằng hai tiên đề sau :
Tiên đề 1 : Mọi hiện tượng Vật lý (Cơ, nhiệt, điện, từ,…) đều xảy ra như nhau trong
các hệ qui chiếu quán tính. Điều này cho thấy các phương trình mô tả các hiện tượng tự
nhiên đều có cùng dạng như nhau trong các hệ qui chiếu quán tính.
Tiên đề 2 : Tốc độ ánh sáng trong chân không là một đại lượng không đổi trong tất

cả các hệ qui chiếu quán tính.
2.2.1 Sự chậm lại của thời gian
Theo giả thuyết Einstein người ta có thể kết luận rằng: các đồng hồ đồng bộ trong
cùng một hệ qui chiếu quán tính thì sẽ không đồng bộ khi đặt nó trong hai hệ qui chiếu
quán tính khác nhau (một hệ qui chiếu đang đứng yên còn một hệ qui chiếu khác đang
chuyển động tương đối so với hệ đứng yên).
Xét một hiện tượng xảy ra tại A trong hệ qui chiếu O’. Đối với hệ này A đứng yên,
x’ là tọa độ, t1’ là thời điểm hiện tượng bắt đầu xảy ra, t2’ là thời điểm biến cố chấm dứt.
Trong hệ O’, thời gian hiện tượng xảy ra : ∆t’=t2’- t1’. Gọi v là vận tốc của A đối với
hệ qui chiếu O cũng là vận tốc của hệ quy chiếu O’ đối với O. Ta tìm khoảng thời gian
xảy ra hiện tượng đối với người quan sát trong hệ O.
Gọi t1, t2 là thời gian bắt đầu và kết thúc hiện tượng đối với hệ O, theo phép biến đổi
Lorenxơ :

t1 

v '
v
x
t '2  2 x '
2
c
c
; t2 
2
v
v2
1 2
1 2
c

c

t1' 

Khoảng thời gian ∆t xảy ra biến cố trong hệ quy chiếu O là :

Δt  t 2  t1 

t '2  t1'
1

v2
c2



Δt '
1

v2
c2

v2
Δt  Δt 1  2
c
'
Δt  Δt
'

Khoảng thời gian xảy ra của một biến cố trong hệ quy chiếu O’ chuyển động bao

giờ cũng nhỏ hơn thời gian xảy ra của cùng biến cố đó trong hệ qui chiếu đứng yên.
Thời gian có tính tương đổi, nó phụ thuộc vào chuyển động.
2.2.2 Sự co lại của độ dài
Xét một thanh nằm yên trong hệ O’ xuôi theo phương chuyển động của nó, thanh sẽ
chuyển động với vận tốc v đối với hệ O. Ta có, trong hệ O thì kích thước thanh: l=x 2-x1,
trong hệ O’ thì kích thước thanh: l0=x2’- x1’


x 2  x '2 1 

v2
 v.t
c2

v2
x1  x 1  2  v.t
c
'
1

x 2  x1  (x '2  x1' ) 1 
l  l0 1 

v2
c2

v2
c2

Độ dài của thanh đo được trong hệ mà thanh chuyển động ngắn hơn độ dài của nó

đo được trong hệ mà nó đứng yên.
Khi vật chuyển động kích thước nó co lại theo phương chuyển động.
2.2.3 Khối lượng
Người ta chứng minh được khối lượng của một vật khi chuyển động với vận tốc v
được xác định bằng biểu thức:
m  m0

1
1

v2
c2

m0: khối lượng của một vật lúc đứng yên.




dv
Theo định luật II Newton, ta có: F  m. nhưng m thay đổi theo v nên ta phải viết
dt

biểu thức của lực tác động như sau:






 d(m.v) d  m 0 .v 

F
 .
2 
dt
dt
 1  v 
c2 


Đây là phương trình cơ bản của chuyển động chất điểm trong thuyết tương đối.
2.2.4 Hệ thức liên hệ giữa khối lượng và năng lượng
2.2.4.1 Thiết lập hệ thức
Theo định luật bảo toàn năng lượng ta có: “Độ tăng năng lượng của vật bằng công
của ngoại lực tác dụng lên vật”.
dW=dA
 
dA  F.d s


Giả sử F và ds cùng phương, chiều nên ta có: dA=F.ds






d  m0 v 
dA  
ds
2 

dt
v
 1 

c2 



 1  2v  dv 

    2 .v. 
 m0
dv
2  c  dt
dA  
.  m0 
.ds
3
2
2 2
v dt


 v 
1  2 
 1  c2



 c 





2
 m0
 dv
m0 v
dA  

. ds
3 
2 2  dt
v2

 v 
 1  c 2 c 2 1  2  

 c  
dv
ds  v.dv
dt




2
2
2
m 0 .v.dv 

v2
  m 0 .v.dv  c  v  v 
dA 
1


2
2
2
v 2  c 2 .1  v  
v2  c  v 
1 2 
1 2
 c2  
c 
c


Ta có:
m .v.dv
dA  0
3
2 2
 v 
1  2 
 c 

Lấy vi phân hai vế của biểu thức: m  m 0 .

dm 


1
v2
1 2
c

ta có:

m 0 .v.dv
3

 v2  2
c 2 1  2 
 c 
 dA  c 2 .dm  dW
W  m.c2  C

Khi m=0; W=0  C=0
Ta có: W=mc2. Đó là hệ thức Einstein nói lên mối liên hệ giữa khối lượng và năng
lượng.
2.2.4.2 Ý nghĩa
- Khi một vật có khối lượng m thì nó có năng lượng tương ứng là W và ngược lại.
- Khi năng lượng thay đổi một lượng ∆W thì khối lượng cũng thay đổi một lượng và
ta có: ∆W=∆m.c2 nêu lên sự khác nhau giữa cơ học cổ điển khi một hạt chuyển động tự


do với vận tốc v sẽ có năng lượng

1
m.v2 . Khi hạt đứng yên thì năng lượng bằng 0. Theo

2

thuyết tương đối Einstein vật có khối lượng m chuyển động với vận tốc v thì có năng
lượng:
W  mc2 

m0c 2
1

v2
c2

- Khi vật đứng yên v=0 vật vẫn có năng lượng nghỉ W0=m0.c2.


- Khi v<

v2 
1
 m0c 2  m0 v 2
2
2c 
2


Chương 3: MỘT SỐ LOẠI MÁY GIA TỐC THẲNG
3.1. MÁY GIA TỐC THẲNG
Năm 1924, người Thụy Điển G. Ising đề xuất rằng năng lượng tối đa có thể tạo ra
bằng cách thay thế khe đơn giữ hiệu điện thế một chiều bằng việc đặt dọc theo một

đường thẳng vài điện cực hình trụ nối tiếp nhau giữ hiệu điện thế dạng xung. Người Na
Uy Rolf Wideroe nhận ra rằng, nếu pha của hiệu điện thế luân phiên biến đổi 180 độ
trong hành trình của hạt giữa các khe, thì hạt có thể thu năng lượng trong từng khe. Dựa
trên ý tưởng này, ông đã xây dựng một máy gia tốc ba giai đoạn cho các ion Natri. Ý
tưởng về máy gia tốc thẳng đã ra đời. Các hạt được gia tốc trong những khe nhỏ và giữa
các khe chúng chuyển động bên trong các điện cực hình trụ được che chắn. Một phiên
bản cải tiến của máy gia tốc thẳng đã được hình thành vài năm sau đó bởi Luis Walter
Alvarez, người đã làm phát hiệu điện thế xoay chiều theo cách khác; các sóng đứng tần
số vô tuyến bên trong các hộp hình trụ. Những cái gọi là cấu trúc Alvarez này vẫn được
sử dụng cho gia tốc ion. Alvarez được trao giải Nobel vật lí năm 1968 vì những đóng góp
có tính quyết định của ông cho nền vật lí hạt cơ bản.
Những đề xuất ban đầu này không thực tiễn đối với việc gia tốc hạt, và mãi cho đến
sau Thế chiến thứ hai thì sự phát triển của máy gia tốc electron mới thật sự bắt đầu. Từ sự
phát triển của các hệ radar, các sóng dẫn đã xuất hiện có thể dùng cho máy gia tốc thẳng
sóng truyền. Trong máy gia tốc này, các sóng điện từ truyền về phía trong máy gia tốc
với tốc độ ánh sáng và các electron, cũng chuyển động rất gần tốc độ ánh sáng, được gia
tốc đều đặn từng bước với sóng đó tương tự như lướt trên một con sóng đại dương.
Đối với các mục đích khoa học, hiện nay có khoảng 1300 máy gia tốc thẳng cho
electron và positron và khoảng 50 máy cho ion, kể cả proton. Chúng bao quát một
ngưỡng năng lượng rộng từ vài MeV đến 52 GeV đối với máy gia tốc thẳng electron lớn
nhất đặt tại Trung tâm Máy gia tốc thẳng Stanford (SLAC). Ở Los Alamos, một máy gia
tốc thẳng proton gia tốc proton lên 800 MeV trên khoảng cách 800 m. Máy gia tốc này là
trái tim của Tổ hợp Vật lí Meson Los Alamos (LAMPF) và nó là máy gia tốc thẳng
proton lớn nhất thế giới. Nhiều máy gia tốc thẳng được sử dụng làm máy bơm hạt cho
synchrotron.
Ngoài các máy gia tốc khoa học, còn có hàng nghìn máy gia tốc thẳng nhỏ dùng tại
các bệnh viện cho phép điều trị ung thư.
3.1.1. Cấu tạo
Giả thuyết rằng giữa các cực A và B được tạo ra một điện trường xoay chiều.
Ta đặt vào giữa các cực này một loạt ống hình trụ được ký hiệu là C1,C2,C3,C4 và

C5. Giữa các ống này cũng như giữa chúng và các điện cực A, B được tạo ra điện trường
xoay chiều như giữa A và B. Để được như vậy các ống C1, C3 và C5 được nối với điện
cực B, còn các ống C2 và C4 nối với điện cực A.