Máy gia tốc và ứng dụng14:02:00 25/09/2023

Máy gia tốc hạt là những thiết bị sử dụng điện từ trường để tạo ra và tăng tốc các chùm hạt tích điện, với kích thước nguyên tử và hạ nguyên tử, như electron, proton và ion, Chúng không chỉ được sử dụng trong nghiên cứu cơ bản để nâng cao hiểu biết về vật chất mà còn trong rất nhiều ứng dụng kinh tế - xã hội liên quan đến sức khỏe, quan trắc môi trường, đảm bảo chất lượng thực phẩm, năng lượng và công nghệ hàng không vũ trụ, ...

Nguyên lý cơ bản của các máy gia tốc hạt

Máy gia tốc hạt có dạng tuyến tính (thẳng) hoặc tròn và có nhiều kích cỡ khác nhau. Chúng có thể dài hàng chục km hoặc nằm gọn trong một căn phòng nhỏ, nhưng tất cả các máy gia tốc đều có bốn bộ phận chính, bao gồm:

(1) Nguồn tạo ra các hạt mang điện.

(2) Một thiết bị tổng hợp để bổ sung năng lượng cho các hạt và tăng tốc chúng bằng cách tác dụng một điện trường tĩnh hoặc dao động;

(3) Một chuỗi các ống kim loại trong chân không cho phép các hạt di chuyển tự do trong đó mà không va chạm với các phân tử không khí hoặc bụi có thể làm tiêu tán chùm tia;

(4) Một hệ thống nam châm điện để điều khiển và tập trung chùm hạt hoặc thay đổi quỹ đạo của chúng trước khi bắn phá vào mẫu mục tiêu.

Ứng dụng của máy gia tốc

Chăm sóc sức khỏe

Chùm tia tạo ra từ máy gia tốc có thể được sử dụng để khử trùng thiết bị y tế và có thể tạo ra đồng vị phóng xạ cần thiết để tổng hợp dược chất phóng xạ nhằm chẩn đoán và điều trị ung thư. Những máy gia tốc lớn cũng được sử dụng để tiêu diệt tế bào ung thư, khám phá cấu trúc của protein và vi rút, đồng thời tối ưu hóa vắc xin và thuốc mới.

Nghiên cứu

Một số máy gia tốc lớn nhất được sử dụng để làm cho các hạt hạ nguyên tử va chạm với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng nhằm nâng cao hiểu biết về nguồn gốc vũ trụ. Một số máy này còn được sử dụng để tạo ra nơtron, thường được sử dụng cho các mục đích khác nhau của lò phản ứng hạt nhân nghiên cứu.

Môi trường

Thông thường, chùm proton có thể được sử dụng để phát hiện các nguyên tố hóa học vi lượng trong không khí, nước hoặc đất. Ví dụ, các hóa chất trong mẫu không khí được thu thập bằng các bộ lọc đặc biệt được nghiên cứu bằng kỹ thuật phân tích. Kết quả cho thấy nồng độ và thành phần của các chất ô nhiễm khác nhau và cung cấp dấu hiệu độc đáo về chất lượng không khí.

Công nghiệp

Các chùm tia có thể tương tác với các nguyên tử của vật liệu mục tiêu để làm cho vật liệu đó bền hơn.

Phân loại máy gia tốc hạt  

Máy cấy ion

Máy cấy ion được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để làm cho vật liệu tăng khả năng chống lại hư hại do mài mòn và do quá trình sử dụng. Khoảng 12.000 máy cấy ion trên khắp thế giới giúp chế tạo chất bán dẫn cho điện thoại di động và tấm pin mặt trời. Chúng cũng được sử dụng trong hoàn thiện kim loại, gốm và thủy tinh để làm cứng bề mặt, từ đó làm cho chúng bền hơn. Máy cấy ion cũng có thể cải thiện độ tin cậy của vật liệu được sử dụng cho cấy ghép y tế, do đó chúng an toàn hơn khi sử dụng trong cơ thể.

Máy gia tốc chùm tia điện tử

Với gần 10.000 máy đang hoạt động trên toàn cầu, máy gia tốc chùm tia điện tử là một thiết bị công nghiệp quan trọng. Chúng giúp cho vật liệu bền hơn ở nhiệt độ khắc nghiệt hoặc có khả năng chống lại hóa chất. Máy gia tốc chùm tia điện tử cũng được sử dụng rộng rãi để khử trùng các sản phẩm y tế và thực phẩm cũng như khử trùng nước thải. Chúng được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô và hàng không vũ trụ, chế tạo máy và sản xuất sản phẩm y tế.

Máy gia tốc tuyến tính (LINAC)

Có khoảng 1.000 máy gia tốc LINAC y tế đang hoạt động trên toàn thế giới. Máy LINAC có thể có chiều dài khác nhau, từ vài mét đến vài km. Nhiều trong số chúng được sử dụng trong nghiên cứu khoa học. Được biết đến rộng rãi nhất là các máy LINAC y tế được lắp đặt tại các bệnh viện, tạo ra các chùm tia X hướng tới các tế bào khối u để tiêu diệt chúng.

Máy gia tốc Cyclotron

Hiện có hơn 1.200 cyclotron trên thế giới. Chúng tạo ra chùm proton hoặc đơtơron dùng để sản xuất các đồng vị phóng xạ sử dụng trong chẩn đoán hình ảnh và sau đó điều trị bệnh ung thư. Nhiều cyclotron được đặt tại các bệnh viện để sản xuất dược chất phóng xạ có thời gian bán rã ngắn cần sử dụng cho bệnh nhân.

Máy gia tốc Synchronotron

Hơn 70 synchrotron là những người khổng lồ trong số các máy gia tốc hạt. Chúng được sử dụng cho nghiên cứu khoa học và được biết đến nhiều nhất trong việc giúp chúng ta hiểu các định luật cơ bản của vũ trụ cũng như để nghiên cứu hóa học, y sinh, di sản thiên nhiên và văn hóa, môi trường, ….

Máy gia tốc tĩnh điện

Máy gia tốc tĩnh điện, đặc biệt là máy gia tốc song song, có giá thành rẻ hơn và các nhà khoa học sử dụng chúng để nghiên cứu các đặc tính vật liệu, quan trắc môi trường, hỗ trợ nghiên cứu y sinh, nghiên cứu các di sản văn hóa, …. Với công suất sử dụng ngày càng lớn, các chuyên gia kỳ vọng trong những năm tới số lượng máy gia tốc loại này sẽ tăng lên nhiều hơn so với 300 máy đang có hiện tại.

Nguyễn Minh Hùng, Phòng Chính sách Năng lượng nguyên tử