Sven Kullander
Tại sao lại là các máy gia tốc ?
Máy gia tốc hạt là dụng cụ tạo ra các chùm ion hay electron năng lượng tính sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, là một kính hiển vi cực kì chính xác. Như đã biết, các vật có kích thước dưới kích thước của một tế bào sống được nghiên cứu bằng kính hiển vi quang học và các vật có kích thước dưới kích thước nguyên tử được nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử. Các chi tiết vật thể có thể nhìn thấy (phân giải) được cho bởi bước sóng của ánh sáng rọi vào. Để thâm nhập phần bên trong của nguyên tử và hạt nhân, người ta cần phải sử dụng các bức xạ có bước sóng nhỏ hơn nhiều so với kích thước nguyên tử. Các nucleon (proton và neutron) bên trong hạt nhân nguyên tử có kích thước chừng 10-15 m và cách nhau những khoảng cách vào cùng bậc độ lớn đó. Các electron quay xung quanh hạt nhân nguyên tử cũng như các quark bên trong nucleon có kích thước, nếu có, nhỏ hơn 10-18 m; chúng có vẻ giống như chất điểm.
Việc khảo sát các hạt như electron và proton do các máy gia tốc hạt mang lại là cần thiết cho nghiên cứu thành phần nguyên tử. Bước sóng de Broglie của một hạt khảo sát chứ không phải bước sóng “vĩ mô” xác định kích thước vật tối thiểu có thể phân giải được. Bước sóng de Broglie tỉ lệ nghịch với động lượng của hạt. Ví dụ, nếu một electron cần thiết có bước sóng de Broglie so sánh được với kích thước nucleon, thì nó phải có động năng 1200 MeV (đối với năng lượng electron trên 10 MeV, động năng tỉ lệ với động lượng) Năng lượng này cao hơn vài nghìn lần năng lượng tiêu biểu của electron sử dụng trong kính hiển vi điện tử. Đơn vị MeV, triệu electron-volt, biểu thị động năng mà một hạt có điện tích đơn vị thu được sau khi đi qua một độ thế giọt một triệu volt.
Ngoài việc cần thiết cho kính hiển vi hạ nguyên tử cực kì chính xác, các hạt phát ra từ máy gia tốc hạt va chạm với các hạt bia có thể dẫn tới sự hình thành của những hạt mới, chúng thu lấy khối lượng của chúng từ năng lượng va chạm theo công thức E = mc2. Như vậy, bằng sự chuyển hóa sang khối lượng của động năng dư thừa trong một va chạm mà các hạt, phản hạt và những hạt kì lạ có thể được tạo ra.
Các máy gia tốc hạt không chỉ độc nhất là công cụ dùng cho khảo sát thế giới hạ nguyên tử, mà còn được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác như phân tích và biến tính vật liệu và quang phổ học, nhất là trong khoa học môi trường. Khoảng phân nửa số lượng 15.000 máy gia tốc hạt trên thế giới được sử dụng làm nguồn sản suất ion dùng cho biến tính bề mặt và dùng cho khử trùng và trùng hợp. Sự ion hóa phát sinh khi các hạt tích điện bị dừng lại trong vật chất thường được khai thác ví dụ trong phẫu thuật bằng bức xạ và liệu pháp điều trị ung thư. Tại các bệnh viện, khoảng 5000 máy gia tốc electron được sử dụng cho mục đích này. Các máy gia tốc còn tạo ra các nguyên tố phóng xạ dùng làm chất đánh dấu trong y khoa, sinh học và khoa học vật liệu. Có tầm quan trọng đang tăng lên trong khoa học vật liệu là các máy gia tốc ion và electron tạo ra số lượng phong phú neutron và photon trong một ngưỡng năng lượng rộng. Các chùm photon hoàn toàn xác định chẳng hạn đang được tăng cường sử dụng cho kĩ thuật in khắc để chế tạo các chi tiết rất nhỏ cần thiết trong điện tử học.
Chi tiết hơn về các máy gia tốc hạt có thể tìm được trong một cuốn sách xuất bản gần đây, Giới thiệu các máy gia tốc hạt, của Edmund Wilson và do Nhà xuấn bản Đại học Oxford ấn hành năm 2001.
Lịch sử
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. (Xem phần bên dưới trong phần nói về máy gia tốc thẳng) 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.
Nhà phát minh ra cyclotron, Ernest Orlando Lawrence (bên trái), và học trò của ông, Edwin Mattison McMillan, một trong hai nhà phát minh ra nguyên lí cân bằng pha, chỉ ra điểm gia tốc tại chỗ đi vào một cấu trúc điện cực che chắn hình nửa vòng tròn, Cyclotron đầu tiên được xây dựng từ năm 1929 đến 1931.
Máy gia tốc thế giọt
Ống chân không electron, phát minh ra vào cuối thế kỉ 19, được sử dụng trong khám phá ra electron và tia X. Các electron được gia tốc trong chân không giữa hai điện cực, cathode và anode. Không khí ở áp suất khí quyển sẽ làm giảm tốc các hạt do va chạm của electron với các phân tử không khí. Ống chân không là tiền thân cho các máy gia tốc hiệu điện thế cao sau này. Như đã nói tới ở trên, máy gia tốc hạt hiệu điện thế cao đầu tiên có thế giọt vào bậc 100 kilovolt và được sáng chế và mang tên là Máy gia tốc Cockcroft Walton, đặt theo tên John Douglas Cockcroft và Ernest Thomas Sinton Walton. Vào năm 1951, họ đã giành được giải thưởng Nobel vật lí cho nghiên cứu tiên phong của họ về sự biến đổi của hạt nhân nguyên tử do các hạt nguyên tử được gia tốc nhân tạo gây ra.
Máy gia tốc thế giọt phổ biến nhất trong sử dụng ngày nay được đặt theo tên người phát minh ra nó, nhà khoa học người Mĩ Robert Jemison Van de Graff. Điện cực điện thế cao nối với điện cực điện thế thấp (trái đất) bằng một dây cuaroa cách điện chuyển động. Điện tích được đưa vào dây cuaroa tại đầu thế thấp và truyền đến cực kia bằng một màn chắn dẫn điện trượt trên dây cuaroa. Thế trên điện cực đó tăng lên cho đến khi dòng điện rò từ điện cực ra xung quanh bằng với dòng điện do dây cuaroa cung cấp. Thông thường, điện cực và ống được đặt bên trong một thùng chứa khí SF6 ở áp suất cao để làm tăng sự cách điện giữa điện cực điện thế cao và trái đất. Hiệu điện thế được chia thành từng nấc và áp vào các điện cực đặt kế tiếp nhau bên trong một ống chân không, nơi electron hoặc ion được gia tốc. Electron thu được từ sợi dây nóng lên và ion từ sự phóng điện khí xảy ra tại cathode.
Một vài microampe thuộc electron hay ion có thể gia tốc trong máy gia tốc van de Graff. Trong loại hiện đại cùng cho ion, các điện cực tại ngõ vào và ngõ ra của ống chân không ở điện thế đất, còn điện cực điện thế cao đặt ở giữa ống. Trong một thể tích nhỏ tại ngõ vào của ống, chất khí bị ion, thường do sự phóng điện, và từ thể tích này, các ion tích điện âm được trích ra. Các ion này được gia tốc bên trong ống về phía điện cực điện thế cao, nơi hai hay nhiều electron bị lấy khỏi từng ion khi nó đi qua một lá kim loại rất mỏng hay một vùng chứa đầy chất khí. Điện tích của ion vì thế bị biến đổi từ âm sang dương, và ion bị đẩy khỏi điện cực và bị gia tốc về phía ngõ ra của ống nối đất. So với máy gia tốc van de Graff thuộc loại bình thường, với một “khe” gia tốc, các hạt năng lượng cao hơn có thể thu được vì thế giọt khai thác ở hai khe. Vì thế máy gia tốc thuộc loại này được gọi tên là “máy gia tốc tuần tự”.
Ngày nay, đa số máy gia tốc van de Graff là những dụng cụ thương mại và chúng có trên thị trường với hiệu điện thế cực biến thiên từ 1 đến 25 triệu volt (MV). Thông thường thì chúng có hiệu điện thế dưới 10 MV. Để so sánh, các xung ngắn dùng trong nghiên cứu sét đạt tới 10 MV và điện thế trong các đám mây ngay trước khi chúng phóng điện dưới dạng sét là vào khoảng 200 MV. Máy gia tốc van de Graff thường được sử dụng trong phân tích và biến tính vật liệu, và phép phân tích phổ khối máy gia tốc, nhất là trong khoa học môi trường.
Hình vẽ cho thấy nguyên lí của máy gia tốc tuần tự van de Graff. Các ion tích điện âm phát ra từ nguồn ion ở điện thế đất được gia tốc về phía một điện cực ở điện thế dương cao tại chính giữa, tại đó chất khí hoặc một lá kim loại mỏng tước mất hai hay nhiều electron khỏi các ion, khi đó chúng trở nên tích điện dương và bị đẩy về phía điện cực nối đất (V = 0). Điện tích được truyền trên một dây cuaroa từ đất tới điện cực và là hệ quả của sự biến đổi điện tích, điện thế tăng lên. Điện thế cao (V = 5 MV) được cách li với đất bằng chất khí áp suất cao, thường là SF6.
Một trong các máy gia tốc tuần tự lớn nhất được sử dụng trong nhiều năm tại Daresbury ở Anh. Ống gia tốc của nó, đặt thẳng đứng, dài 42 m và điện chính giữa được giữ ở điện thế lên tới 20 triệu volt.
Cyclotron
Nguyên lí gia tốc tuần tự được nghĩ ra trong thập niên 1920 là một nền tảng quan trọng trong cuộc truy tìm các năng lượng ngày càng cao. Theo nguyên lí này, sự gia tốc thu được bằng phương tiện là hiệu điện thế biến thiên theo thời gian thay cho hiệu điện thế tĩnh sử dụng trong các máy gia tốc ví dụ như máy gia tốc van de Graff.
Máy gia tốc đầu tiên có tầm quan trọng thực tiễn dựa trên nguyên lí gia tốc tuần tự là cyclotron, do Ernest Orlando Lawrence phát minh ra. Trong cyclotron, các hạt tích điện quay tròn trong một từ trường mạnh và được gia tốc bằng điện trường tại 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 các hạt đi ra khỏi khu vực được che chắn và đi vào khe tiếp theo, pha của hiệu điện thế xoay chiều thay đổi 180 độ sao cho các hạt được gia tốc lần nữa. Quá trình cứ thế tiếp tục. Sau nhiều vòng gia tốc, kết quả là một quỹ đạo xoắn ốc mở ra phía ngoài, các hạt quay tròn ở gần ranh giới của từ trường mạnh. Ở đây, từ trường có hình dạng sao cho chùm hạt quay tròn có thể đi ra và hình thành vào chùm tia bên ngoài. Lawrence được trao giải Nobel vật lí năm 1939 cho việc phát minh và phát triển cyclotron và cho những kết quả thu được với nó, nhất là ghi nhận nghiên cứu của ông về các nguyên tố phóng xạ tự nhiên.
Ở châu Âu, ba nhà khoa học đoạt giải Nobel, Frédéric Joliot, Niels Henrik David Bohr và Karl Manne Georg Siegbahn đã có đóng góp lớn cho những cyclotron đầu tiên. Năm 1938, cyclotron châu Âu đầu tiên tại Collège de France ở Paris gia tốc một chùm deuteron lên tới 4 MeV và khi va chạm vào bia, một nguồn neutron mạnh được tạo ra. Khoảng cùng thời gian đó, cyclotron Copenhagen tại Viện Niels Bohr đã sẵn sàng và ở Stockholm, nghiên cứu khởi động việc xây dựng máy gia tốc Thụy Điển đầu tiên đã sẵn sàng khoảng năm 1940.
Một vấn đề nghiêm trọng với các cyclotron đầu tiên hạn chế năng lượng khoảng 10 MeV đối với sự gia tốc proton. Hạn chế này phụ thuộc vào việc làm chậm các proton đang quay trong từ trường đều do sự tăng khối lượng tương đối tính của chúng, hay năng lượng toàn phần tương đương. Khối lượng nghỉ của proton ứng với năng lượng 938 MeV và sẵn sàng sau khi gia tốc đến động năng 10 MeV, thì tần số quay của proton, đại lượng tỉ lệ nghịch với năng lượng toàn phần của nó (938 + 10), giảm đi một phần trăm. Khi tần số quay proton và tần số điện bằng nhau lúc bắt đầu chu trình gia tốc, thì không có sự lệch pha và proton được gia tốc với cùng hiệu điện thế gia tốc tại mỗi khe. Tuy nhiên, khi các proton thu năng lượng và giảm dần tần số quay của chúng, chúng sẽ đi tới mỗi khe càng lúc càng trễ hơn đối với cực đại của hiệu điện thế gia tốc có tần số cố định. Sau khi pha bị lệch nhiều quá thì không còn có sự thu năng lượng khi đi qua khe.
Nguyên lí của cyclotron. Sự ion hóa chất khí được giới hạn ở vùng giữa mang lại các ion được gia tốc bằng một hiệu điện thế có tần số cố định bằng tần số quay ion trong từ trường. Các đường sức từ hướng thẳng về phía cực nam châm bên dưới ngụ ý các điện tích dương quay tròn theo chiều kim đồng hồ. Các ion được gia tốc khi chúng chuyển động qua khe giữa các điện cực bên trong đó chúng chuyển động che chắn khỏi điện trường. Khi chùm ion đi tới rìa từ trường, nó được trích ra khỏi cyclotron và hình thành chùm ngoài.
Cyclotron không có ích cho việc gia tốc electron vì tần số quay của chúng trong từ trường giảm khá nhanh ngay cả khi năng lượng thấp cỡ vài MeV do khối lượng nghỉ nhỏ của electron. Khối lượng nghỉ của electron tương ứng với năng lượng nghỉ 0,511 MeV theo công thứcEinstein E = mc2.
Một biến thể của cyclotron là microtron, trong đó các electron được gia tốc tại một khe tại rìa của quỹ đạo. Tần số của hiệu điện thế gia tốc là bội của tần số quay của electron. Các quỹ đạo tròn mở rộng dần tiếp tuyến và tiếp xúc nhau với nhau tại điểm đặt khe gia tốc. Số gia năng lượng trên mỗi vòng quay được thiết kế sao cho thời gian tăng lên trong một vòng quay hoàn chỉnh của một electron do sự chậm dần tần số quay của nó tương ứng với một hay nhiều chu kì tần số điện tại khe gia tốc.
Ở Uppsala, Thụy Điển, một cyclotron gia tốc proton lên 185 MeV và các ion khác lên đến năng lượng tương đương. Chùm hạt được gia tốc bên trong bình chân không nhìn thấy nằm bên dưới cuộn dây (màu xám) của nam châm nặng 600 tấn (màu vàng). Chùm hạt được vận tải tới khu vực thí nghiệm trong ống hướng về phía góc dưới bên trái trong hình.
Synchrocylotron
Nhằm khắc phục hạn chế năng lượng của cyclotron, nguyên lí cân bằng pha đã được phát minh và chứng minh vào năm 1944/45. Các nhà phát minh là Vladimir Iosifovich Veksler tại Liên Viện nghiên cứu Hạt nhân Dubna, một trung tâm nghiên cứu quốc tế cách Moscow 100 km về phía bắc, và Edwin Mattison McMillan, một cựu sinh viên của Lawrence, tại Đại học California ở Berkeley. Họ đã chỉ ra, độc lập với nhau, rằng khi điều chỉnh tần số của hiệu điện thế đặt vào để làm giảm tần số quay proton, người 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 là synchrocyclotron hay FM cyclotron. Edwin Mattison McMillan nhận giải Nobel hóa học năm 1951 cùng với Glenn Theodore Seaborg cho việc khám phá ra nguyên tố neptunium.
Một người đoạt giải Nobel hóa học khác, Theodor Svedberg, đã đề xuất vào giữa những năm 1940 một máy gia tốc xây dựng ở Uppsala. Được khích lệ bởi công trình Berkeley, người ta quyết định xây dựng một synchrocyclotron. Năm 1950, các proton 185 MeV đã được tạo ra và Uppsala trong phút chốc đã có các hạt năng lượng cao nhất ở Tây Âu. Năm 1957, phương pháp trị bệnh ung thư đầu tiên được tiên phong thử nghiệm. Máy gia tốc khi đó đã được xây dựng lại và hoạt động, kể từ năm 1986, là thiết bị lai synchrocyclotron-cyclotron cung tập trung.
Việc khám phá ra nguyên lí cân bằng pha ngụ ý rằng, về nguyên tắc, không có giới hạn năng lượng nào cho sự gia tốc hạt. Nó đã đặt nền tảng cho hai loại máy gia tốc mới, máy gia tốc thẳng và synchrotron.
Synchrocyclotron lớn nhất vẫn đang sử dụng tọa lạc ở Gatchina, ngoại vi St Petersburg,và nó gia tốc proton lên tới động năng 1000 MeV. Các cực sắt đường kính 6 m 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 của một proton gia tốc qua hiệu điện thế một tỉ volt. Nó được dùng cho các thí nghiệm vật lí hạt nhân và các ứng dụng y khoa.
Cyclotron cung tập trung
Vào đầu những năm 1960, cyclotron cung tập trung xuất hiện. Các cung sắt được đưa vào khe cực sao cho thu được sự biến thiên góc phương vị của từ trường. Sự biến thiên góc phương vị này mang lại sự tập trung mạnh theo phương thẳng đứng lên chùm ion đang quay tròn khi đó không cần thiết có trường trung bình phương vị giảm theo bán kính tăng dần như phải có trong cyclotron truyền thống để duy trì sự tập trung theo phương thẳng đứng. Vì thế, từ trường trung bình là hàm của bán kính, có thể tăng sao cho tần số quay của ion vẫn giữ không đổi bất chấp sự tăng khối lượng của ion đang tăng tốc. Sự phân kì dọc phát sinh do sự tăng từ trường trung bình theo bán kính được bù lại bởi sự tập trung dọc do sự biến thiên góc phương vị của từ trường. Tần số của hiệu điện thế gia tốc, do đó, có thể giữ không đổi trong khi duy trì sự gia tốc đều đặn tại mỗi lần đi qua khe; năng lượng chỉ bị giới hạn bởi kích thước của nam châm. Cyclotron cung tập trung đôi khi còn được gọi là cyclotron sóng liên tục (CW), hay cyclotron đẳng thời, để phân biệt nó với cyclotron điều biến tần số (FM) hay synchrocyclotron. Nhiều cyclotron cung tập trung hiện đang hoạt động và chúng thay thế cho các synchrocyclotron đa số đã ngừng hoạt động. Không chỉ có proton mà, về nguyên tắc, bất kì ion nào cũng gia tốc được. Các nguồn ion, chúng tạo ra ion thuộc bất kì nguyên tố thực tế nào trong bảng tuần hoàn hóa học, hiện nay có bán trên thị trường.
Sức hấp dẫn đặc biệt cho việc gia tốc proton trong ngưỡng 200 đến 600 MeV là cyclotron cung độc lập, chúng gồm một số cung sắt, thay cho các cực sắt thông dụng với các cung gắn vào nó. Cyclotron cung độc lập có 4 cung nam châm, đặt tại Tổ hợp Cyclotron Đại học Indiana ở Bloomington, Indiana, Mĩ, và tại Trung tâm Máy gia tốc Quốc gia, ở Faure, Nam Phi. Các máy gia tốc có 6 cung hoạt động tại Trung tâm Nghiên cứu Vật lí Hạt nhân ở Osaka và tại Viện Paul Scherer ở Thụy Sĩ Villigen. Cũng phải nhắc tới ở đây là Tổ hợp Meson Đại học Ba bang ở Vancouver , có 8 cung và cung cấp ion H- 600 MeV.
Cyclotron là công cụ nghiên cứu quan trọng trong vật lí hạt nhân và thường được dùng cho việc sản suất các hạt nhân phóng xạ trong y khoa và công nghiệp. Cyclotron còn cung cấp các chùm tia cho phẫu thuật và liệu pháp bức xạ và ví dụ cyclotron Nam Phi, là thiết bị lớn dùng cho các ứng dụng y khoa. Các tổ hợp cyclotron lớn dành cho điều trị ung thư đang xuất hiện ở nhiều nơi, nhất là ở Nhật. Các cyclotron nhỏ cần thiết cho việc sản suất các hạt phóng xạ dùng cho những mục đích khác nhau, một trong số đó là dùng làm chất đánh dấu cho phép nội soi phát xạ positron (PET), một kĩ thuật lập bản đồ chức năng của cơ thể người.
Cyclotron cung độc lập ở Vancouver, cung cấp các ion hydrogen âm 600 MeV và nó là cyclotron lớn nhất. Hình chụp cho thấy khe bên trong nơi gia tốc ion.
Synchrotron
Hai loại máy gia tốc khác dựa trên nguyên lí gia tốc tuần tự, synchrotron và máy gia tốc thẳng, thật quan trọng trong nghiên cứu vật lí hạt cơ bản, nơi cần năng lượng các hạt cao nhất có thể có. Trong synchrotron, các hạt được gia tốc theo một quỹ đạo hình vòng và từ trường, bẻ cong các hạt, tăng theo thời gian sao cho quỹ đạo không đổi được duy trì trong quá trình gia tốc. Hai synchrotron proton lớn nhất, tại CERN, phòng thí nghiệm vật lí năng lượng cao của châu Âu ở gần Geneva, và tại Fermilab ở gần Chicago, hiện vẫn còn hoạt động kể từ giữa thập niên 1970. Chúng gia tốc proton tương ứng lên 450 và 1000 GeV (xem thêm phần bên dưới về các máy va chạm) và lắp đặt trong những tầng hầm tròn, dài 6,9 và 6,3 km (1 GeV = 1000 MeV). Các proton năng lượng cao như thế không thể tạo ra trong một cyclotron hay synchrotron. Một cực nam châm sắt với chu vi 6,9 km là một hiện thực xa vời. Sự thuận tiện của từ trường biến thiên theo thời gian là rõ ràng.
Khái niệm synchrotron hình như đã được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1943 bởi nhà vật lí người Australia Mark Oliphant. Muộn hơn một chút, Edwin M. McMillan ở Berkeley đề xuất, khi ông công bố nguyên lí cân bằng pha, một máy gia tốc với từ trường biến thiên. Bằng chứng thực nghiệm đầu tiên của khái niệm synchrotron xảy ra vào năm 1946 tại Phòng Nghiên cứu Malvern ở Anh.
Những synchrotron đầu tiên thuộc loại gọi là loại hội tụ yếu. Sự tụ dọc của các hạt quay tròn thu được bằng cách nghiêng từ trường, từ trong ra thành từ ngoài vào bán kính. Tại bất kì một thời điểm cho trước nào trong thời gian, từ trường thẳng đứng trung bình chịu trong một chu kì hạt là lớn hơn đối với bán kính cong nhỏ hơn. Synchrotron đầu tiên thuộc loại này là Cosmotron tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven, Long Island. Nó bắt đầu hoạt động vào năm 1952 và cung cấp proton có năng lượng lên tới 3 GeV. Năm 1960, các sychrotron thuộc loại hội tụ yếu đi vào hoạt động là synchrotron 1 GeV tại Đại học Birmingham, Bevatron 6 GeV tại Phòng thí nghiệm bức xạ Lawrence ở Berkeley, California, Mĩ, Synchrophasotron 10 GeV tại Dubna, Nga, và Saturne 3 GeV tại Saclay, Gif sur Yvette, Pháp. Từ trường tiêu biểu biến đổi từ 0,02 tesla ở năng lượng đưa vào, một vài MeV, lên tới khoảng 1,5 tesla ở năng lượng cuối cùng. Những synchrotron này thường gia tốc 1011 proton trong một xung thường ngắn hơn nhiều so với một giây. Các xung cách nhau vài ba giây. Vào đầu những năm 1960, synchrotron hội tụ yếu năng lượng cao nhất của thế giới, Zero Gradient Synchrotron (ZGS) 12,5 GeV, bắt đầu hoạt động tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne ở gần Chicago, Mĩ. Những synchrotron ban đầu là những dụng cụ hùng vĩ. Synchrotron Dubna, lớn nhất trong số chúng với bán kính 28 m và trọng lượng của nam châm sắt 36.000 tấn là cái duy nhất vẫn còn hoạt động trong số các máy gia tốc buổi đầu này. Nó hiếm khi được sử dụng và có thể xem là một đài kỉ niệm của thời kì phát triển này.
Năm 1952, Ernest D. Courant, Milton Stanley Livingston và Hartland S. Snyder, đề xuất một kế hoạch cho sự tập trung mạnh của chùm hạt quay tròn sao cho kích thước của nó có thể làm cho nhỏ hơn trong một synchrotron tập trung yếu. Trong kế hoạch này, nam châm bẻ cong có gradient từ trường xen kẽ; sau một nam châm có thành phần từ trường trục giảm khi bán kính tăng lên là một nam châm có thành phần trường đó tăng lên khi bán kính tăng lên, và cứ thế. Theo cách này, nam châm làm phân kì chùm tia theo phương thẳng đứng được theo sau là một nam châm làm hội tụ chùm tia theo phương đứng. Như vậy, giống như trong quang học, nơi một thấu kính phân kì và một thấu kính hội tụ kết hợp với nhau để mang lại sự hội tụ, một sự hội tụ toàn phần mạnh thu được trong một synchrotron gradient xen kẽ. Nhờ sự tập trung mạnh, khẩu độ nam châm có thể làm cho nhỏ hơn và do đó cần ít sắt hơn so với trong một synchrotron tập trung yếu có năng lượng tương đương.
Synchrotron gradient xen kẽ đầu tiên gia tốc các electron lên 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 khi đưa vào ở năng lượng này, từ trường của nam châm vòng là 0,002 tesla. Sự gia tốc lên 1,5 GeV được thực hiện trong 0,01 giây và trong thời gian này, từ trường nam châm tăng lên 1,35 tesla. Năm 1958, synchrotron electron tập trung mạnh đầu tiên của châu Âu (500 MeV) bắt đầu hoạt động ở Bonn. Nó được phát triển và xây dựng dưới sự chỉ đạo của Wolfgang Paul, người đoạt giải Nobel vật lí năm 1989 cho sự phát triển của ông về kĩ thuật bẫy ion. Các synhrotron electron khác thuộc loại gradient xen kẽ vào đầu những năm 1960 tọa lạc ở Hamburg (6 GeV), Harvar-MIT, Cambridge (6 GeV) và tại Đại học Tokyo (1,3 GeV).
Không bao lâu sau phát minh ra nguyên lí tập trung gradient xen kẽ, việc xây dựng hai synchrotron rất lớn gần như giống hệt nhau, cho đến nay vẫn còn hoạt động, khởi động tại phòng thí nghiệm CERN châu Âu ở Geneva và Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven trên đảo Long Island, New York. Tại CERN, các proton được gia tốc lên 28 GeV và tại Brookhaven lên 33 GeV. Synchrotron proton CERN (PS) bắt đầu hoạt động năm 1959 và Brookhaven PS hoạt động năm 1960.
Vào thập niên 1960, Brookhaven PS là mạnh nhất trong số tất cả các máy gia tốc và một số con số thực hiện có lẽ thật hấp dẫn. Nó có một máy gia tốc thẳng làm bộ phận bơm và năng lượng đưa vào là 50 MeV. Các proton được gia tốc trong 12 trạm gia tốc đặt dọc theo chu vi của synchrotron. Trong thời gian gia tốc khoảng một giây, từ trường của nam châm bẻ cong chùm tia tăng từ 0,012 lên 1,3 tesla. Điều này cho thấy một sự thay đổi rất lớn của năng lượng dự trữ khi xét tới vòng dài 800 m chứa đầy các nam châm có tổng trọng lượng 4.000 tấn. Cường độ tiêu biểu là 1011 proton mỗi xung lặp lại mỗi giây thứ ba. Ngày nay, cường độ chùm hạt lớn hơn hai bậc độ lớn. Danh sách các synchrotron hiện đang sử dụng có thể tìm thấy, ví dụ, qua trang chủ của CERN.
Các hạt sinh ra trong sự va chạm giữa một chùm ion hay electron với bia có thể hình thành những chùm thứ cấp tìm thấy nhiều ứng dụng trong khoa học và công nghệ. Chúng ta có thể phân biệt các chùm hạt có thời gian sống ngắn như meson hay muon với các chùm hạt có thời gian sống lâu, như photon, neutrino, positron, neutron và phản proton. Một số trong những hạt có thời gian sống ngắn có thể truyền đi những khoảng cách xa vì, theo lí thuyết tương đối, thời gian bị chậm đi ở một vật chuyển động gần vận tốc ánh sáng. Ví dụ, trong hệ quy chiếu nghỉ riêng của chúng, meson pi có thời gian sống 2,6 x 10-8 s và trong thời gian này chúng truyền đi khoảng cách tối đa là 8 m nếu chúng chuyển động với tốc độ ánh sáng. Meson pi, có sẵn tại các synchrotron proton lớn nhất ngày nay, nó năng lượng vượt quá năng lượng nghỉ của chúng, 140 MeV, gấp 1.000 lần. Vì thế, thời gian sống của chúng tăng lên cùng hệ số đó và chúng có thể truyền đi, trung bình, 8 km trong thời gian sống của chúng. Thực tế này là bằng chứng đẹp của lí thuyết tương đối và làm cho có thể hình thành các chùm meson pi, meson K và muon năng lượng cao và đưa chúng đến khu vực thí nghiệm. Cùng với các chùm hạt bền thứ cấp như neutrino, photon, phản proton và neutron, các chùm thứ cấp đó hình thành nên cơ sở cho các chương trình nghiên cứu vật lí bia cố định mở rộng, nhất là tại các synchrotron lớn tại CERN, Brookhaven, Serpukhov (Nga) và Fermilab trong những năm 1960 và 1970.
Các nam châm được thiết kế đặc biệt dùng cho việc tập trung các chùm hạt. Một bộ phận hội tụ đơn giản là một nam châm tứ cực. Nó có bốn cực sắt và từ trường được kích bằng dòng điện trong các cuộn dây xung quanh. Có hai cực bắc nhìn đối diện nhau và mỗi trong số chúng lân cận với các cực nam. Từ trường bằng không tại trục chính giữa và nó tăng tuyến tính theo khoảng cách tăng dần tính từ trục giữa. Một nam châm tứ cực mang lại sự tập trung trong một mặt phẳng, ví dụ mặt phẳng x-z, và sự phân kì ở một mặt phẳng khác mặt phẳng y-z. Giả sử hướng z thẳng hàng với hướng chùm tia. Như trong quang học, nơi sự kết hợp của một thấu kính hội tụ và một thấu kính phân kì có thể mang lại sự hội tụ chung, một cặp hai nam châm tứ cực có thể được thiết kế để mang lại sự hội tụ chung ở cả mặt phẳng x-z và y-z.
Nguyên tắc synchrotron. Các hạt được gia tốc dọc theo một hành trình hình vòng. Các nam châm, cần thiết cho việc bẻ cong và hội tụ, đặt xung quanh quỹ đạo hạt. Từ trường được điều chỉnh trong quá trình gia tốc từ giá trị thấp lên cao, phù hợp với năng lượng tăng dần của hạt, sao cho quỹ đạo về cơ bản vẫn giữ không đổi. Các hạt được gia tốc bằng hiệu điện thế cao qua một hoặc vài khe dọc theo chu tuyến.
Bên trong đường hầm dài 6,9 km của siêu proton synchrotron CERN 450 GeV. Các nam châm màu xanh làm hội tụ, và các nam châm màu đỏ bẻ cong các hạt.
Ảnh chụp toàn cảnh phòng thí nghiệm CERN nằm giữa sân bay Geneva và dãy núi Jura. Các vòng tròn chỉ vị trí của các máy gia tốc SPS và LEP đặt trong các đường hầm dưới đất. Sau khi máy gia tốc LEP ngừng hoạt động hồi cuối năm 2000, nó đã bị tháo gỡ và Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) hiện đang được lắp đặt trong đường
hầm dài 27 km.
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 Wideröe 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 1.300 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 synhrotron.
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.
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 các hạt chuyển động bên trong vùng trường tự do của một điện cực cho trước, hướng của điện trường gia tốc được đảo sao cho các hạt luôn luôn được gia tốc trong các khe giữa các điện cực.
Electron
Electron được gia tốc trong các khe đơn đã hơn 100 năm. Các ống tia X và kính hiển vi điện tử là loại phổ biến của máy gia tốc khe đơn dùng cho nhiều ứng dụng đa dạng. Một máy gia tốc quen thuộc với tất cả chúng ta, đặt bên trong máy thu hình của chúng ta, trong đó các electron được gia tốc lên hiệu điện thế 30 kilovolt.
Các máy gia tốc thẳng electron nhỏ với năng lượng khoảng chục MeV rất thông dụng trong các bệnh viện dùng cho sản suất các luồng tia X mạnh cho điều trị ung thư.
Các electron năng lượng cao được gia tốc trong máy gia tốc thẳng và trong synchrotron. Nghiên cứu tiên phong được thực hiện vào đầu những năm 1960 ở Stanford về sự phát triển của máy gia tốc electron dưới sự lãnh đạo của Burton Richter. Vào lúc ấy, kích thước của hạt nhân nguyên tử đã đo được ở Stanford bằng cách làm tán xạ các electron có năng lượng lên tới 1 GeV từ một máy gia tốc thẳng dài 100 m. Với Richter là nhà khoa học chỉ đạo, việc xây dựng một máy gia tốc thẳng dài 3 km đã bắt đầu, và vào năm 1967 nó đã gia tốc, lần đầu tiên, các electron lên 20 GeV. Đồng thời, khái niệm máy va chạm (xem phần nói về máy va chạm) cũng được phát triển vào lúc ấy. Sự phát triển đưa đến việc xây dựng các máy va chạm electron-positron và Richter, sử dụng một máy va chạm như thế, đã chia sẻ giải Nobel vật lí năm 1976 với Samuel Chao Chung Ting cho nghiên cứu tiên phong của họ về việc khám phá ra một hạt cơ bản nặng thuộc một loại mới. Stanford hiện nay là một trung tâm quan trọng cho máy gia tốc electron và hiện tại, ngoài việc có một máy gia tốc thẳng dài 3 km lớn nhất, hai cỗ máy va chạm electron-positron là những công cụ đầy sức mạnh cho nghiên cứu vật lí hạt cơ bản.
Rất sớm, trong sự phát triển của synchrotron electron, sự hứng thú đã tập trung vào bức xạ synchrotron. Năm 1977, Phòng thí nghiệm Bức xạ Synchrotron Stanford (SSRL) khai trương. Ngày nay, nhiều synchrotron electron được xây dựng khắp nơi cho việc sản suất các chùm bức xạ synchrotron thứ cấp. Lớn nhất trong số này là SPring8 8 GeV ở Harima, quận Hyogo, miền tây Nhật Bản.
Có khoảng 10 máy gia tốc electron trong ngưỡng từ vài trăm MeV đến vài nghìn MeV chủ yếu dùng cho nghiên cứu trong vật lí ứng dụng vật lí hạt nhân, và ranh giới giữa vật lí hạt nhân và vật lí hạt. Mạnh nhất trong số này là synchrotron đường đua tại Tổ hợp Máy gia tốc quốc gia Thomas Jefferson ở Newport News, Virginia. Nó cung cấp chùm tia mạnh và liên tục của các electron 100 microampe, 6 GeV.
Thiết bị chùm electron liên tục (CEBAF) tại Phòng thí nghiệm Jefferson, Virginia, Mĩ, gia tốc các electron lên tới 6 GeV trong một microtron đường đua có chu vi 1,4 km. Sự gia tốc xảy ra trong 338 vỏ (hộp) liên tiếp đặt trong các vùng thẳng bên trong các cryomodule và chùm tia bị bẻ cong 180 độ trong năm cung khác nhau. Trong vòng quay đầu tiên, các electron chuyển động trong vòng cung phía trên, chúng lần lượt đi xuống và sau năm vòng gia tốc, chúng đi tới cung dưới cùng. Các thí nghiệm được đặt trong ba phòng khác nhau, A, B và C. Trong tương lai, một phòng mới D sẽ được thêm vào và năng lượng sẽ tăng lên 12 GeV.
Các ion nặng
Cyclotron cung tập trung rất có ích trong việc cung cấp các ion nặng năng lượng thấp. Các ion phải tích điện cao để đạt tới năng lượng khả dĩ lớn nhất trong một máy gia tốc cho trước. Năng lượng thu được bởi một hạt tích điện đi qua một khe có hiệu điện thế V là ZeV, trong đó Z là điện tích ion theo đơn vị điện tích electron, e. Các loại nguồn ion đa dạng đã được phát triển, ECR (Cộng hưởng Cyclotron Electron) và EBIS (Nguồn Ion Chùm Electron) và chúng cung cấp các chùm cường độ mạnh của các ion tích điện cao năng lượng thấp. Các nguồn này to lớn và đặt bên ngoài máy gia tốc.
Khi có một ion đi qua một môi trường mỏng, ví dụ một lá kim loại, các electron được trao đổi giữa ion và môi trường. Vận tốc càng lớn thì cơ hội càng lớn cho ion mất các electron nguyên tử. Đối với các ion có năng lượng rất cao, toàn bộ electron có thể bị tước ra và electron bị bóc trần hoàn toàn. Một ion uranium bị bóc trụi hoàn toàn có điện tích bằng 92 lần điện tích proton và khi đi qua hiệu điện thế gia tốc, năng lượng của nó tăng thêm nhiều gấp proton 92 lần. Vì không thể tạo ra các ion tích điện cao từ các nguồn ion nhiều hơn 10 đơn vị điện tích cơ bản, nên có thể sử dụng hai máy gia tốc electron “tầng” để làm tăng điện tích ion bằng phương pháp “bóc trụi”. Sau khi gia tốc đến vận tốc cao trong máy gia tốc thứ nhất, các ion được trích ra và cho đi qua một lá kim loại mỏng nơi các electron bị tước ra. Các ion điện tích cao sau đó được đưa vào máy gia tốc thứ hai, trong đó chúng sẽ được gia tốc đến năng lượng cuối cùng của chúng. Một thí dụ cho thiết bị tầng kiểu này là phức hợp máy gia tốc GANIL ở Caen, ở đó hai cyclotron cung tập trung được sử dụng cho nghiên cứu vật lí ion nặng. Các thiết bị khác là GSI ở Darmstadt, ở đó một máy gia tốc thẳng, Máy gia tốc thẳng Vạn vật (UNILAC), đóng vai trò làm máy bơm hạt cho Synchrotron Ion Nặng (SIS) và phức hợp PS CERN cung cấp các ion cho SPS.
Vì năng lượng tối đa trong một cyclotron bị hạn chế bởi cường độ của từ trường và sự mở rộng xuyên tâm của nó, nên người ta sử dụng các cuộn dây siêu dẫn thay những cuộn dây đồng bình thường quấn xung quanh các cực sắt để cung cấp từ trường mạnh hơn. Vì thế, có thể thu được năng lượng cao hơn và cyclotron được xây dựng gọn nhẹ hơn. Cá cyclotron siêu dẫn được phát triển đầu tiên bởi Henry Blosser và các đồng sự của ông ở East Lansing, Mĩ, ở đó hai cyclotron “cỡ nhỏ” bây giờ được ghép với nhau. Từ trường là 5 tesla và đường kính cực tương ứng là 1,5 và 2 m.Trong những cyclotron này, các ion nặng có thể gia tốc lên năng lượng 160 MeV trên mỗi nucleon. Ví dụ, các ion argon có thể được gia tốc lên động năng toàn phần 6.400 MeV. Một thiết bị ion nặng mạnh mẻ mới hiện đang được lên kế hoạch cho Viện Vật lí và Nghiên cứu Hóa học Riken ở Wako, Saitama, Tokyo.
Các máy gia tốc thẳng và synchrotron cho electron và ion là những công cụ nghiên cứu quan trọng đồng thời dùng cho vật lí ion nặng khi cần đến năng lượng cao. Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (LBL), mang tên nhà phát minh ra cyclotron, được trang bị một máy gia tốc thẳng hiện có và synchrotron vào đầu những năm 1970 dùng cho gia tốc các ion nặng lên khoảng 2.000 MeV trên mỗi nucleon. Synchrotron Berkeley ngày nay đã ngừng hoạt động nhưng sychrotron SIS dùng cho ion nặng ở Darmstadt cung cấp từ năm 1990 các ion có năng lượng lên tới 1.000 MeV trên mỗi nucleon và được dùng cho nghiên cứu vật lí thuần túy và vật lí ứng dụng.
Sử dụng các ion nặng đã gia tốc, một vài nguyên tố mới đã được phát hiện lần đầu tiên ở Berkeley và Dubna và sau đó ở Darmstadt. Nguyên tố nặng nhất từ trước đến nay phát hiện được, nguyên tố 110, lần đầu tiên tìm thấy ở Darmstadt, và khám phá đó đã được xác nhận bởi các nhóm ở Dubna và Berkeley. Nghiên cứu vẫn quyết liệt và nguyên tố 112 đã được khẳng định ở Darmstadt, nguyên tố 114 ở Dubna và các nguyên tố 116 và 118 ở Berkeley. Những khẳng định này cần được xác nhận trước khi khám phá có thể được thiết lập rõ ràng. Thông tin về máy gia tốc Darmstadt và nghiên cứu của nó có thể tìm trên trang chủ của GSI.
Tại CERN, các ion oxygen và sulphur được gia tốc ban đầu trong năm 1986/87 trong Siêu Proton Synchrotron (SPS), lên năng lượng 158 GeV/nucleon. Kể từ đó các ion chì với năng lượng 160 GeV/nucleon, tức là 13 TeV năng lượng toàn phần, được sử dụng để bắn phá hạt nhân bia thuộc các nguyên tố nặng. Đối tượng nghiên cứu hấp dẫn nhất là các hạt gọi là gluon, hạt mang lực mạnh giữ các quark lại với nhau bên trong proton và neutron. Một câu hỏi quan trọng là không biết một tập hợp lớn của các quark và gluon, cái gọi là plasma quark-gluon, có thể hình thành không khi một ion năng lượng cao như thế tương tác với một hạt nhân bia nặng. Tính chất của plasma quark-gluon sẽ mang lại cái nhìn thấu đáo hơn vào động lực học tương tác của các quark và vào sự phát triển ban đầu của Vũ trụ nhằm tìm hiểu thời kì quark của Big Bang.
Từ năm 1996, các ion từ thiết bị Darmstadt được dùng cho phương pháp chiếu xạ bệnh nhân. Một phương pháp chẩn đoán hấp dẫn đã được phát triển sử dụng ion carbon cho phép chiếu xạ. Để giết chết khối u và đồng thời giữ liều lượng với mô bình thường ở mức tối thiểu, cần phải giữ sự điều khiển chính xác đối với sự phân bố của tia chiếu xạ. Bằng cách sử dụng lượng nhỏ carbon-11 phóng xạ tạo ra trong lúc chiếu xạ, người ta thu được bản đồ phân bố liều lượng. Giống như Thuật nội soi phát xạ positron thông thường (PET), positron hủy với electron của mô và tạo ra hai photon, ghi được trong máy dò hạt, cung cấp thông tin về nguồn gốc của hạt nhân carbon-11.
Tác động lí thú của các ion nặng là những hiệu ứng kì lạ mà các nhà du hành vũ trụ cảm nhận thấy với đôi mắt nhắm lại của họ. Những lóe sáng này xuất hiện kiểu các đường thẳng hay các đốm hình sao. Những hiệu ứng tương tự có thể tái tạo lại vào đầu những năm 1970 khi các ion từ máy gia tốc Berkeley được hướng lên mắt, lên đầu hay từ một bên sang. Cornelius Tobias, một nhà nghiên cứu về liệu pháp bức xạ, là một trong những người đầu tiên cảm nhận thấy tác động của “ánh sáng” sau khi nhìn xuyên qua các ion nặng phát ra từ máy gia tốc Berkeley. Hiện tượng lóe sáng đã được nghiên cứu rộng rãi trên trạm không gian vũ trụ Mir của Nga từ năm 1995 đến 1999. Bức xạ hạt vũ trụ xung quanh đã được phát hiện và nhận ra bằng một dãy máy dò hạt Si nhạy vị trí và tín hiệu phát hiện được có liên quan tới cảm giác lóe sáng của nhà du hành vũ trụ qua một sự chịu đựng thích thú. Thông thường các lóe sáng cách nhau bảy phút và cảm giác rõ ràng liên quan tới các ion đi qua mắt. Đó vẫn là một câu hỏi mở, không biết ánh sáng được tạo ra trong hành trình của hạt ion hóa hay là các tế bào hình que và hình nón của mắt bị kích thích trực tiếp bởi các hạt thâm nhập vào.
Các máy va chạm
Trong cuộc đua liên tục đến các năng lượng cao, cần thiết trong việc tìm kiếm các hạt nặng chưa phát hiện và khảo sát những khoảng cách nhỏ hơn, các máy va chạm hạt đã tìm thấy là tốt hơn các loại máy gia tốc khác. Một máy va chạm gồm một hay hai vòng cất trữ trong đó các chùm hạt được gia tốc theo những hướng ngược nhau, theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ. Khi các hạt thu được năng lượng cần thiết, chúng được cất trữ và cho va chạm tại những điểm nhất định dọc theo chu tuyến của (các) vòng, tại đó người ta đặt các máy dò hạt để ghi nhận các hạt bị tán xạ và tạo ra trong va chạm. Ngay trong thập niên 1960, nghiên cứu tiên phong về cách thức cho va chạm hai chùm electron đang quay tròn trong hai synchrotron đã được thực hiện ở Novosibirsk tại Viện Budker, mang tên nhà phát minh ra kĩ thuật làm mát electron của chùm hạt (xem phần dưới nói về các vòng trữ lạnh).
Cỗ máy va chạm đầu tiên dùng cho thí nghiệm là các vòng trữ giao cắt (ISR), sử dụng tại CERN từ năm 1971 đến 1983. Các proton được đưa từ synchrotron proton vào hai vòng cắt nhau tại tám giao điểm, nơi các proton được làm cho va chạm. Năng lượng va chạm lên tới 62 GeV và có thể thu được dòng proton 30 ampe. Vì vận tốc proton gần với vận tốc ánh sáng, nên số lượng trữ của proton có thể dễ dàng tính được. Biết rằng chu vi của ISR là khoảng 1 km, dòng điện 30 ampe tìm thấy tương ứng với 600.000 tỉ proton trữ trong mỗi vòng.
Các phản proton, mang điện tích âm, có thể làm cho quay tròn trong cùng vòng với proton nhưng theo hướng ngược lại. Tại CERN, vào năm 1980, lần đầu tiên các phản proton đã được điều khiển và hình thành chùm quay tròn. Các phản proton sinh ra trong các va chạm proton-hạt nhân và liên tục tích góp và hình thành nên một chùm hẹp bằng một phương pháp làm mát gọi là làm mát stochastic và do người Hà Lan Simon van der Meer phát minh ra. Trước năm 1980, các phản proton đã được quan sát thấy trong các phần của chỉ một giây. Phản proton có thể trữ trong nhiều giờ, quay tròn bên trong một ống dưới chân không cao khác thường (10-12 torr) để ngăn cản chúng khỏi bị phá hủy quá nhanh khi chạm trán với vật chất thường, tức trong trường hợp này là với các phân tử không khí còn sót lại. Người ta mong rằng các phản proton cách li khỏi vật chất có thời gian sống bằng với proton, tức là chúng là những hạt bền. Giải Nobel vật lí năm 1984 trao chung cho Carlo Rubbia và van der Meer vì những đóng góp có tính quyết định của họ cho việc khám phá ra các hạt trường W và Z, các hạt truyền tin của tương tác yếu, chúng được tạo ra trong va chạm giữa proton và phản proton quay tròn theo hướng ngược nhau trong một và cùng một vòng synchrotron, SPS.
Tại Fermilab gần Chicago, synchrotron đầu tiên của thế giới dựa trên công nghệ nam châm siêu dẫn đã được xây dựng và hoạt động từ năm 1987. Trong các nam châm với những cuộn dây siêu dẫn, các proton và phản proton được gia tốc lên năng lượng 1.000 GeV, trữ lại và mang cho va chạm. Năng lượng đó cũng có thể biểu diễn là một tera electron-volt (1 TeV), từ đó mà cái tên Tevatron đã được đặt cho cỗ máy va chạm Fermilab. Khi máy va chạm Tevatron bắt đầu hoạt động vào năm 1987, các phản proton được tạo ra khi điều hành Vòng Chính ở 120 GeV. Các phản proton được thu thập trong một vòng Debuncher trước khi chúng được chuyển tới Accumulator nơi áp dụng kĩ thuật làm mát stochastic. Sau khi làm mát, các phản proton được đưa vào Vòng Chính và Tevatron để gia tốc lên 1 TeV. Với sự mở rộng gần đây của phức hợp Fermilab, vòng chính đã được thay thế bằng một synchrotron chu kì nhanh mới 120 GeV, tức Máy bơm hạt chính. Trong cùng tầng hầm đó, một vòng cất trữ 8 GeV, Recycler, đã được xây dựng bằng các nam châm vĩnh cửu. Recycler đóng vai trò một nhà kho các proton đã làm mát, nhờ đó cho phép tốc độ làm mát cao trong Accumulator hoạt động tốt nhất với dòng điện thấp, vẫn được duy trì. Recycler cũng nhận các phản proton còn lại và đã giảm tốc sau khi hoàn thành cất trữ trong Tevatron. Kĩ thuật làm mát stochastic, ban đầu được lắp đặt trong Recycler, sẽ được tăng cường bằng việc thêm kĩ thuật làm mát electron trong tương lai gần.
Fermilab là phòng thí nghiệm đầu tiên sử dụng công nghệ siêu dẫn ở quy mô lớn. Cái vòng ở trên nền gồm các nam châm với những cuộn dây siêu dẫn và đặt dưới synchrotron proton đi ra đã bị tháo dỡ vào năm 1997. Các cuộn dây siêu dẫn cung cấp từ trường lên tới 5 tesla. Trong vòng bên dưới này, proton và phản proton, tương ứng quay theo chiều kim và ngược chiều kim đồng hồ, được gia tốc tới 1 TeV tương đương với một triệu MeV (1 TeV = 1 tera electron-volt). Máy gia tốc này, Tevatron, là cái đầu tiên thuộc thế hệ synchrotron mới sử dụng công nghệ siêu dẫn, chúng sẽ cho phép gia tốc các hạt lên tới năng lượng nhiều TeV.
Máy bơm hạt chính mới (dưới lòng đất) chu vi 3,2 km của Fermilab, bơm các hạt vào Tevatron lớn hơn, synchrotron proton 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 proton-phản proton.
Trong một va chạm trực diện giữa proton và phản proton trong Tevatron, hàng trăm hạt mới thường được tạo ra. Theo công thức Einstein E = mc2, khối lượng tối đa có thể chuyển hóa từ động năng tương ứng với khối lượng của khoảng 2000 proton, nếu như toàn bộ động năng của proton và phản proton trong một va chạm được chuyển hóa thành khối lượng. Nếu thay thế bằng một phản proton có cùng năng lượng va chạm với một proton đứng yên ở bia, thì khối lượng tối đa tương ứng với khối lượng của khoảng 40 proton có thể tạo ra. Có ít năng lượng hơn nhiều cho sự sản sinh khối lượng trong trường hợp thứ hai này vì, trong va chạm với bia đứng yên, động lượng (chuyển động) của phản proton đang chuyển động phải được bảo toàn. Vì lí do tương tự, sự va chạm trực diện giữa hai xe hơi đang chuyển động sẽ dữ dội hơn nhiều nếu một trong chúng đứng yên.
Một máy va chạm dùng cho ion nặng có khối lượng lên tới vàng đã được bắt đầu trong năm 2000 ở Brookhaven. Hai vòng trong Máy Va chạm Ion Nặng Tương đối tính (RHIC) này sử dụng các nam châm siêu dẫn để bẻ cong các ion. Nó có khả năng cho va chạm bất kì nguyên tố nào thuộc hệ thống tuần hoàn lên tới năng lượng 100 GeV/nucleon. Vào tháng 6 năm 2000, những va chạm đầu tiên với ion vàng 56 GeV/nucleon đã được ghi nhận.
Tại CERN, trong một đường hầm dài 27 km, hai vòng nam châm siêu dẫn được xây dựng dùng cho gia tốc proton và ion. Cỗ máy va chạm này, Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC), sẽ cho phép người ta nghiên cứu các va chạm proton-proton và va chạm ion-ion ở năng lượng cao nhất từ trước tới nay trong phòng thí nghiệm. Các proton trong mỗi vòng sẽ gia tốc lên 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 làm mát là helium siêu lỏng. Việc làm mát hơn 31.000 tấn vật liệu trải dài 27 km đánh dấu một cột mốc quan trọng trong sự phát triển của công nghệ siêu dẫn. Người ta trông đợi LHC đi vào hoạt động trong năm 2006.
Toàn cảnh RHIC, Máy Va chạm Ion Nặng Tương đối tính tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven (BNL). Trong hình cũng chỉ ra các máy gia tốc khác, nhất là AGS, Synchrotron Gradient Tuần tự.
Giống như proton và phản proton, electron và positron có thể làm cho quay tròn theo hướng ngược nhau và va chạm trong cùng một vòng synchrotron. Các máy va chạm electron-positron với năng lượng va chạm từ 1 đến 10 GeV là những công cụ phổ biến dùng cho sản suất meson, phân hủy của hạt này có thể nghiên cứu dưới những điều kiện rõ ràng. Các máy va chạm thuộc loại này có ở Rome, Ithaca, Novosibirsk, Bắc Kinh, Stanford và Stukuba. Máy va chạm Bắc Kinh bắt đầu hoạt động năm 1989 chủ yếu dùng cho nghiên cứu quark duyên và lepton tau. Năng lượng va chạm biến thiên từ 2 đến 5,6 GeV. Các máy va chạm ở Stanford và Tsukuba, gọi là xưởng B, đi vào hoạt động cách đây hai năm [1999, bài này viết năm 2001]. Chúng tạo ra số lượng lớn meson B và phản meson B có sản phẩm phân hủy được nghiên cứu để mang lại sự hiểu biết tốt hơn về cái gọi là sự vi phạm đối xứng CP, tức là sự không đối xứng trong phân hủy của các hạt vật chất và phản vật chất. Xưởng B Stanford 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 chúng được mang vào va chạm.
Ảnh chụp máy va chạm KEKB tại Tsukuba ở Nhật Bản. Electron được gia tốc lên 8,5 và positron lên 3,5 GeV và sau đó chúng được mang vào cho va chạm để tạo ra meson B và phản meson B.
Máy va chạm electron-positron lớn nhất từng được xây dựng, LEP, máy va chạm Electron Positron Lớn, có chu vi 27 km và được trang bị vào năm 1989 tại CERN. Trong những pha đầu tiên, va chạm giữa positron và electron ở năng lượng va chạm 91,2 GeV, tương ứng với khối lượng nghỉ của boson Z, đã được nghiên cứu. Sau khi lắp đặt các hộp gia tốc tần số vô tuyến siêu dẫn rất mạnh, năng lượng va chạm tiếp tục tăng thêm và cuối cùng đạt tới cực đại 209 GeV. LEP ngừng hoạt động vào cuối năm 2000 cùng lúc với việc lắp đặt LHC bắt đầu trong đường hầm LEP.
Một biến thể hấp dẫn của máy va chạm là Máy gia tốc Thẳng Stanford (SLC). Các chùm positron và electron được gia tốc đồng thời lên khoảng 45 GeV trong một máy gia tốc thẳng dài 3 km. Tại cuối máy gia tốc thẳng, chúng bị bẻ cong ra khỏi hướng thẳng, tương ứng sang trái và sang phải, và rồi bẻ cong trở lại và làm cho va chạm dọc theo đường thẳng. Các chùm hạt vừa gặp nhau một lần trong khi ở trong máy va chạm thường, chúng gặp nhau nhiều lần tại điểm va chạm. Để có tốc độ tương tác hiệu quả, hai chùm hạt, va chạm ở một lần đi qua, phải có kích thước ngang cực kì nhỏ. Tiết diện của hai chùm hạt có đường kính chỉ 1 micromet. SLC nay đã ngừng hoạt động, nhưng sự phát triển tại Stanford là niềm hứng thú to lớn cho các máy va chạm electron-positron năng lượng cao trong tương lai mà, để tránh bức xạ synchrotron quá mức, chúng phải được xây dựng làm hai máy gia tốc thẳng hướng ngược chiều nhau gia tốc electron và positron về phía một điểm va chạm.
Máy gia tốc thẳng Stanford (SLC). Electron được gia tốc trong máy gia tốc thẳng dài 3 km cùng với positron. Sau khi đạt tới năng lượng cuối cùng của chúng, electron và positron được tách ra bằng từ trường và truyền dọc theo hai cánh cung lớn, tại hai đầu chúng sẽ gặp trực diện nhau ở một điểm va chạm. Positron được tạo ra bởi một phần của electron được gia tốc khi bị làm dừng lại ở bia phát ra số lượng lớn positron, electron và photon. Positron được thu gom và làm cho quay trở lại ngược dòng tới đầu máy gia tốc, ở đó chúng hình thành nên một chùm dày đặc trong vòng thu gom. Sau đó chúng được gia tốc cùng với chùm electron.
Các phép đo tinh vi kích thước của electron bằng máy va chạm electron-positron cho thấy điện tích của electron bị giam giữ đến kích thước ít nhất nhỏ hơn 1000 lần kích thước của proton. Rõ ràng là trong việc khảo sát cấu trúc bên trong của proton, người ta thích dùng electron hơn so với proton, vì proton tự nó có cấu trúc. Nghiên cứu cấu trúc của proton là đối tượng nghiên cứu chủ yếu tại cỗ máy va chạm electron-positron duy nhất, máy va chạm HERA tại DESY ở Hamburg. Ở HERA, các electron 27 GeV với các proton 920 GeV chuyển động theo hướng ngược lại. Vòng proton siêu dẫn đặt ở 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 trong ngưỡng TeV sẽ cần gradient gia tốc rất cao trên mỗi mét để không dài quá mức. Sự phát triển các hộp tần số vô tuyến siêu dẫn tại DESY ở Hamburg khiến cho có thể đạt tới gradient gia tốc 30 MV/m. Cái gọi là phương pháp gia tốc hai chùm hạt, phát triển ở dự án CLIC tại CERN, làm cho việc sử dụng hiệu điện thế gia tốc tần số rất cao, 30 GHz, dẫn tới các hộp gia tốc có kích thước cm. Thay vì kích các hộp gia tốc bằng klystron, chúng được kích bằng chùm electron điều khiển năng lượng thấp, dòng cao. Chùm điều khiển này chạy song song với chùm gia tốc và năng lượng được chuyển hóa từ chùm điều khiển sang các hộp thu gom ghép qua các bộ dẫn sóng ngắn với các hộp gia tốc. Với cơ cấu này, gradient gia tốc 100 MV/m đã được chứng minh. Những phát triển này rất quan trọng đối với một máy va chạm electron-positron 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 MeV/m và nếu mục tiêu này có thể đạt được, thì hai máy gia tốc thẳng mỗi máy dài 10 km sẽ cho năng lượng va chạm 3.000 GeV.
Các vòng trữ làm mát
Việc làm mát một chùm hạt đang quay tròn có nghĩa là làm giảm động lượng phân tán và kích thước ngang của chùm hạt. Thường thì các chùm hạt không được làm mát có kích thước trong ngưỡng mm-cm và động lượng phân tán trong ngưỡng chút ít phần trăm. Về mặt lí tưởng, một chùm hạt phải là đơn sắc, tức là tất cả các hạt có một và cùng một vận tốc và kích thước ngang giống như đường kẻ bút chì.
Cơ chế tự làm mát xảy ra khi năng lượng hạt đủ cao. Bức xạ điện từ, photon, phát ra bởi các hạt quay tròn do sự gia tốc hướng tâm liên tục của chúng, và sự phát xạ này, năng lượng “mạ thép” phát ra từ các hạt đang quay tròn, kết hợp với sự gia tốc, giữ cho năng lượng trung bình của chúng không đổi, có tác dụng làm mát lên chúng; các hạt đang quay tròn có thể xem là những ănten nhỏ. Năng lượng phát ra trên mỗi vòng quay hạt, tỉ lệ thuận với lũy thừa bốn của năng lượng hạt, tỉ lệ nghịch với lũy thừa bốn của khối lượng và tỉ lệ nghịch với bán kính cong. Năng lượng phát ra này, gọi là bức xạ synchrotron, trở nên đáng kể trong các synchrotron electron vài trăm MeV trong khi nó không đáng kể đối với các synchrotron proton hiện có.
Việc làm mát electron được phát minh ra ở Novosibirsk vào cuối những năm 1970. Một chùm electron chất lượng rất cao khi đó được đưa vào phần thẳng của một synchrotron proton nhỏ và làm cho chuyển động cùng với các proton trên vài mét. Sự phân tán vận tốc của electron là cực kì nhỏ, thường là 1/100.000 vận tốc electron trung bình. Vận tốc trung bình của các electron được điều chỉnh cho bằng với vận tốc trung bình của proton và dòng điện chùm electron lớn hơn nhiều so với dòng điện chùm proton. Biết trước những điều kiện này, sự phân tán vận tốc của proton sẽ dần dần tiến tới sự phân tán vận tốc của electron, tức là sự làm mát sẽ xảy ra. Trong những lần kiểm nghiệm đầu tiên này, các proton được làm mát sao cho sự phân tán vận tốc của chúng trở nên bằng với sự phân tán vận tốc của các electron, một sự cải thiện lên khoảng 1000 lần.
Việc làm mát electron hữu ích đối với việc cải thiện chất lượng của các chùm proton, phản proton và ion. Tuy nhiên, vì khó mà gia tốc một chùm electron cường độ mạnh lên hơn vài trăm kilovolt, trong một khe đơn, nên việc làm mát electron không có ích đối với việc làm mát các hạt có năng lượng trong ngưỡng GeV. Sau phép chứng minh kĩ thuật làm mát electron Novosibirsk, nghiên cứu bắt đầu tại CERN về kĩ thuật làm mát, và một phương pháp mới, làm mát stochastic được phát minh bởi Simon van der Meer và được chứng minh bằng thực nghiệm lần đầu tiên ở ISR. Trong kĩ thuật làm mát stochastic, một điện cực tại một điểm của chu tuyến cảm nhận vị trí trung bình của các hạt đang quay tròn đối với quỹ đạo trung tâm. Một tín hiệu tỉ lệ với sự dịch chuyển của hạt so với quỹ đạo trung tâm, được phát ra và tín hiệu này được gửi tới một điểm khác trên chu tuyến, nơi một hiệu điện thế xung hiệu chỉnh được áp vào điện cực, buộc các hạt tiến tới quỹ đạo trung tâm. Rõ ràng cơ cấu sẽ làm việc nếu chỉ có một hạt quay tròn. Tuy nhiên, người ta thấy rằng sự hiệu chỉnh thăng giáng vị trí trung bình của rất nhiều hạt là đủ để tạo ra hiệu ứng làm mát, vì thế mới có tên là làm mát stochastic.
Không bao lâu sau chứng minh thành công của việc làm mát proton và phản proton, hai vòng làm mát được xây dựng tại CERN, Accumulator phản proton (AA) và Vòng Phản proton Năng lượng Thấp (LEAR). AA nhận phản proton tạo ra trong va chạm proton-bia và chất lượng của chúng được cải thiện dần bằng việc làm mát stochastic. Sau nhiều giờ tích góp và làm mát, các phản proton đã đủ nhiều (hàng trăm tỉ) và khi đó chúng được đưa vào máy va chạm SPS, nơi chúng được sử dụng cho các thí nghiệm từ năm 1981 đến 1990, nhất là trong việc sản sinh các boson vector trung chuyển, W và Z (xem phần nói về máy va chạm).
LEAR hoạt động từ năm 1980 đến 1996 và nó gia tốc và trữ phản proton trong ngưỡng năng lượng 50 đến 1.300 MeV. Cả hai kĩ thuật làm mát electron và làm mát stochastic đều được sử dụng tại LEAR, nó chủ yếu dùng cho nghiên cứu phổ của meson. Một trong những khám phá ngoạn mục vào thời gian cuối của quá trình hoạt động năm 1995 của LEAR là phát hiện ra phản hydrogen, nguyên tố đầu tiên thuộc bảng tuần hoàn của phản vật chất. Nó được tạo ra trong các tương tác giữa chùm phản proton đang quay tròn và tia chất khí xenon. Positron từ các cặp positron-electron tạo ra trong tương tác phản proton-xenon có thể bị bắt vào trạng thái cơ bản bởi phản proton.
Sau khi phát minh thành công kĩ thuật làm mát, các nhà khoa học ở Bloomington, Indiana, đề xuất xây dựng một vòng trữ làm mát cho proton với các bia mỏng đặt bên trong chùm proton chất lượng cao đang quay tròn làm mát với electron. Vòng trữ Indiana trong đó các proton lên tới năng lượng 400 MeV có thể trữ đã hoạt động từ giữa những năm 1980. Các vòng trữ làm mát cung cấp proton và ion lên tới năng lượng vài GeV cho nghiên cứu vật lí hạt nhân và vật lí hạt hiện nay đang hoạt động ở Jülich, Darmstadt và Uppsala. Các vòng trữ làm mát ion năng lượng thấp cho các thí nghiệm vật lí nguyên tử đặt ở Aarhus, Heidelberg và Stockholm. Trong các vòng năng lượng thấp này, việc làm mát được mang lại bởi làm mát electron và làm mát bằng laser, một phương pháp dành cho việc làm mát các ion năng lượng thấp. Các vòng trữ làm mát đã mở ra những biên giới mới của các thí nghiệm chính xác cao nhờ phương pháp làm mát. Sự phân tán động lượng tương đối giảm xuống 10-5 và kích thước ngang nhỏ hơn 1 mm có thể đạt được.
Toàn cảnh synchrotron làm mát COSY ở Jülich trong giai đoạn lắp đặt vào năm 1992. Các nam châm lưỡng cực màu cam dùng cho bẻ cong và các nam châm tứ cực màu vàng dùng cho tập trung là những thành phần cơ bản của vòng. Trong vòng này, việc làm mát stochastic cũng như làm mát electron được sử dụng để cải thiện chất lượng của chùm hạt quay tròn.
Xưởng meson
Trong thập niên 1960, ba máy gia tốc đã được xây dựng để cung cấp các dòng hạt meson p tích điện, cường độ mạnh có năng lượng trung bình, vài trăm MeV. Chúng được gọi là xưởng meson do dòng hạt cao, khoảng 1.000 triệu meson pi mỗi giây. Meson được tạo ra bởi một chùm proton cường độ mạnh được làm dừng lại trong bia. Các proton sơ cấp được gia tốc trong cyclotron tại Villigen, Thụy Sĩ, và Vancouver, Canada, và trong một máy gia tốc thẳng tại Los Alamos, Mĩ. Vì cường độ của các proton rất cao, nên cần điều chỉnh chùm proton cẩn thận trong lúc gia tốc và truyền tới bia, ở đó meson sinh ra trong những phản ứng giữa proton và chất liệu bia. Máy gia tốc ở Villigen có thể gia tốc một dòng proton 1,5 mili ampe lê 590 MeV. Nếu điều khiển một chùm cường độ mạnh như thế với công suất 900 kilowatt chạm phải thành của ống chân không, nó có thể nhanh chóng bị tan chảy.
Các nguồn neutron
Khi một proton năng lượng cao thâm nhập vào bia thuộc một chất liệu nặng như chì, volfram hay uranium, hàng loạt neutron bị bắn văng ra. Ví dụ, một proton 800 MeV dừng tại bia uranium làm phát sinh trung bình khoảng 30 neutron. (Một hạt nhân uranium chứa 92 proton và 146 neutron và mỗi neutron trong uranium bị bật ra trung bình có năng lượng 8 MeV) Ban đầu, các neutron khá nhanh có động năng vài MeV, nhưng vận tốc của chúng giảm, giống như các neutron phát ra từ lò nghiên cứu hạt nhân, khi truyền qua chất điều tiết. Động năng của neutron giảm trong những va chạm liên tiếp của chúng với các nguyên tử của chất điều biến cho đến khi neutron có cùng năng lượng với những nguyên tử này. Người ta nói chúng có động năng nhiệt khoảng 1 eV. Các nguồn neutron điều khiển bằng máy gia tốc, thường gọi là các nguồn phá vỡ, thường là dạng xung và chúng có, so với các nguồn neutron lò phản ứng nghiên cứu, khả năng cung cấp các dòng neutron về cơ bản cao hơn. Trong lò phản ứng nghiên cứu, dòng neutron bị hạn chế bởi mật độ của lõi lò.
Hiện nay, nguồn neutron dạng xung mạnh nhất đặt tại Phòng thí nghiệm Rutherford Appleton ở gần Oxford, Anh, ở đó một máy gia tốc thẳng 70 MeV là máy bơm hạt cho một synchrotron cung cấp các proton 800 MeV với cường độ 200 microampe. Chùm hạt có dạng xung và tần số lặp lại là 50 Hz. Bia sử dụng là tantalum và có 17 neutron sinh ra trên mỗi proton tới. Ở Villigen, Thụy Sĩ, cyclotron cung độc lập 590 MeV cung cấp dòng neutron liên tục. Dòng điện chùm hạt hiện nay cao kỉ lục, 1,5 miliampe, và số neutron tạo ra từ bia hợp kim kẽm là 15/proton tới. Các nguồn neutron dạng xung khác đang hoạt động tại Argonne, Illinois, tại Los Alamos, New Mexico và tại Tsukuba, Nhật Bản. Năng lượng tương ứng là 450, 800 và 500 MeV và bia sử dụng là uranium, volfram và tantalum.
Các nguồn neutron điều khiển bằng máy gia tốc hóa ra là những phần bổ sung đáng giá cho các nguồn neutron do lò phản ứng tạo ra trong khoa học vật liệu, sinh học và y khoa. Trong hóa học, sự kết hợp của nhiễu xạ neutron, chúng cung cấp thông tin về vị trí của hạt nhân nguyên tử trong tinh thể phân tử, với nhiễu xạ tia X, phương pháp nhạy với vị trí electron, cho những thông tin có giá trị về cấu trúc phân tử.
Năm 1990, các nhà khoa học Los Alamos đề xuất xây dựng một máy gia tốc thẳng có dòng điện liên tục 250 mili ampe của các proton 1.600 MeV. Những con số này ngụ ý công suất chùm hạt là 400 megawatt, cao hơn hai bậc độ lớn so với cái được tạo ra bởi bất kì máy gia tốc nào hiện có. Theo đề xuất đó, sự tương tác của chùm hạt đầy sức mạnh này với một bia chì/bismuth sẽ mang lại dòng neutron rất mạnh có thể dùng để chuyển hóa các chất thải phóng xạ có thời gian sống lâu phát sinh từ vũ khí và các lò phản ứng, và để tạo ra năng lượng có thể duy trì từ một lõi dưới tới hạn của uranium-238 hay thorium-232.
Nghiên cứu tiếp tục ở Mĩ, châu Âu, Nga và Nhật Bản đã đưa đến những thiết kế thực tế hơn trong lĩnh vực này thường được gọi là Công nghệ Biến tố Điều khiển bằng Máy gia tốc (ADDT). Hiện nay, các con số thiết kế cho bộ phận máy gia tốc của nguyên mẫu thiết bị là 1.000 MeV và 10 miliampe. Một máy gia tốc với hiệu suất như thế sẽ chỉ mạnh hơn vài lần so với xưởng meson hiện có ở Los Alamos và Villigen và có thể sánh ngang với vài nguồn neutron phá vỡ mới đề xuất ở Mĩ, Nhật Bản và châu Âu. Như vậy, nguyên lí mới này cho việc phân hủy chất thải hạt nhân và cho việc sản sinh năng lượng hạt nhân có thể kiểm tra theo những kế hoạch hiện nay trong vòng 20 năm. Ở châu Âu, một trong những người thúc đẩy chính đứng đằng sau sự phát triển của công nghệ biến tố điều khiển bằng máy gia tốc là Carlo Rubbia.
Bức xạ synchrotron
Các electron quay tròn trong từ trường liên tục mất năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ (photon) phát ra tiếp tuyến từ quỹ đạo. Bức xạ này gọi tên là bức xạ synchrotron. Nó được John Blewett tiên đoán vào năm 1945 khi ông tính được rằng một chùm electron quay tròn sẽ mất năng lượng bởi sự phát ra bức xạ và giảm dần bán kính cong. Bức xạ synchrotron sau đó được quan sát thấy tại Phòng thí nghiệm nghiên cứu của công ti General Electric vào năm 1947 từ một synchrotron electron 700 MeV.
Bức xạ điện từ, ví dụ, phát ra từ một ănten được gây ra, theo hệ phương trình Maxwell, bởi các electron chuyển động với vận tốc không đều. Trong synchrotron, quỹ đạo electron liên tục bị lệch và do sự thay đổi liên tục về hướng như thế này mà bức xạ điện từ (photon) được phát ra liên tục theo đường thẳng tiếp tuyến với quỹ đạo. Bức xạ synchrotron cũng quan trọng trong thiên văn học. Nhiều thiên hà phát ra bức xạ synchrotron là kết quả của các electron quay tròn trong từ trường (của thiên hà). Bức xạ phát ra từ những thiên hà vô tuyến như thế được nghiên cứu bằng các kính thiên văn cỡ lớn.
Sự mất mát năng lượng lớn tăng theo lũy thừa bốn của năng lượng electron là nguyên nhân chính lí giải vì sao khó và không thể sử dụng synchrotron cho việc gia tốc electron lên các năng lượng cao như proton. Năng lượng cao nhất từ trước đến nay, 104.000 MeV, thu được ở LEP đối với các electron đã được gia tốc trong tầng hầm dưới lòng đất dài 27 km tại CERN. Bức xạ synchrotron dư thừa khoảng 13 megawatt là nguyên nhân tại sao một synchrotron electron lớn hơn LEP không được đề xuất.
Bức xạ synchrotron, cái do đó giới hạn năng lượng có thể đạt tới trong các máy gia tốc electron tròn, hóa ra là một lựa chọn rất hấp dẫn cho các nguồn tia X và tia tử ngoại thông thường dùng cho nghiên cứu yêu cầu dòng photon cao. Bức xạ synchrotron phát ra tiếp tuyến với quỹ đạo, có dạng xung, bị phân cực và xuất hiện với cường độ cao trên một vùng phổ bước sóng rộng. Một bước sóng như yêu cầu được chọn bằng sự nhiễu xạ trong tinh thể thích hợp hay cách tử, gọi là bộ lọc đơn sắc. Từ này phát sinh do sự tương tự với cách thức một màu của ánh sáng có thể được chọn ra từ ánh sáng trắng bằng phương tiện lăng kính.
Những thí nghiệm đầu tiên sử dụng bức xạ synchrotron đã được khởi xướng hơn 30 năm trước tại các synchrotron chủ yếu sử dụng cho nghiên cứu về các hạt cơ bản. Bây giờ, nhiều synchrotron được sử dụng rộng rãi làm những nguồn photon mạnh trong các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới, ví dụ tại Stanford, Brookhaven (Long Island), Argonne (Illinois), Berkeley (California), Daresbury (Anh), Orsay (Paris), Grenoble, Berlin, Hamburg, Lund, Tsukuba (phía bắc Tokyo) và SPring8 ở Harima, quận Hyogo, miền tây Nhật, Bản đã nhắc tới một số trong những tổ hợp lớn này. Thông tin thêm về các thiết bị bức xạ synchrotron có thể tìm trên bảng niêm yết của Thiết bị Bức xạ Synchrotron châu Âu ở Grenoble.
Các electron trữ cho mục đích bức xạ synchrotron thường có năng lượng trong ngưỡng từ 500 tới 8.000 MeV và cung cấp bức xạ với bước sóng từ ánh sáng hồng ngoại tới tia X cứng. Trong số những ứng dụng mới sẽ phải đề cập tới các phép đo tọa độ nguyên tử tại bề mặt chất rắn, nhiễu xạ từ các chấm và viền lượng tử và tinh thể học protein cho thiết kế thuốc thông minh từ cấu trúc nguyên tử đo được của protein. Bức xạ synchrotron có bước sóng ngắn cũng làm tăng thêm hứng thú về vi điện tử học hiện đại, nơi các chi tiết nhỏ nhất có thể phân giải được ngày nay bị hạn chế bởi bước sóng của bức xạ dùng để in khắc. Các bước sóng ngắn hơn bước sóng của ánh sáng khả kiến là cần thiết để tạo ra các ranh giới sắc nhọn trên các bản mạch in sẵn với công nghệ hạ micron.
Laser Electron Tự do, FEL, là một đề tài nghiên cứu quan trọng của nhiều phòng thí nghiệm máy gia tốc electron. FEL gồm một chùm electron năng lượng cao đi qua một từ trường ngang tuần hoàn có hướng xen kẽ. Các trường này làm cho electron uốn cong và thực hiện một chuyển động dạng sóng. Tại mỗi lần uốn cong, các xung bức xạ synchrotron rất ngắn được phát ra bởi các electron khi chúng thực hiện một số lượng lớn lần uốn. Bức xạ synchrotron phát ra tại mỗi lần uốn cộng kết hợp và theo cách này, một xung bức xạ sóng ngắn gần như đơn sắc liên tiếp được tạo ra. Bước sóng của bức xạ phụ thuộc vào năng lượng của chùm electron và vào từ trường tuần hoàn gây ra chuyển động sóng. Bằng cách tăng năng lượng của chùm electron, nt có thể làm cho bước sóng của bức xạ ngắn hơn. So với một laser thông thường, FEL có thể điều chỉnh liên tục đến bất kì bước sóng nào, và có thể thu được các bức xạ có bước sóng ngắn. Hiện nay, có những dự án phát triển về FEL tia X tại DESY ở Hamburg, KEK ở Tsukuba và tại SLAC ở Stanford. Mục tiêu là có thể tạo ra bức xạ đơn sắc xuống tới bước sóng một phần mười nanomet (nm).
Một số hạt khảo sát khác nhau và khả năng của chúng phân giải các đối tượng có kích thước nhỏ. Giá trị tiêu biểu cho động năng và bước sóng tương ứng cho theo đơn vị electronvolt (eV) và picomet (pm). Về nguyên tắc, các đối tượng có thể được phân giải nếu như chúng lớn hơn một bước sóng của ánh sáng chiếu vào.
Theo NobelPrize.Org
