Máy gia tốc hạt sản sinh và gia tốc các chùm hạt tích điện như electron, proton và ion, có kích thước nguyên tử và hạ nguyên tử. Chúng không chỉ được sử dụng trong nghiên cứu cơ bản để nâng cao hiểu biết về vật chất mà còn được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực kinh tế xã hội liên quan đến sức khỏe, môi trường, chất lượng thực phẩm, năng lượng và công nghệ hàng không vũ trụ, v.v.
Máy gia tốc hạt có thể có dạng tuyến tính (thẳng) hoặc hình tròn và có nhiều kích cỡ khác nhau. Chúng có thể dài tới hàng chục km hoặc nằm gọn trong phòng nhỏ. Tất cả các máy gia tốc đều có bốn bộ phận chính: (1) Nguồn tạo ra các hạt mang điện; (2) Một thiết bị tổng hợp để bổ sung năng lượng cho các hạt và gia tốc chúng bằng cách tác dụng một điện trường tĩnh hoặc dao động; (3) Chuỗi các ống kim loại 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 chúng; (4) Hệ thống nam châm điện để điều khiển và tập trung các chùm tia hoặc thay đổi quỹ đạo của chúng trước khi bắn phá vào mẫu mục tiêu.
Cấu tạo cơ bản của máy gia tốc hạt
Các chùm tia (hạt) 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 phẩm phóng xạ nhằm chẩn đoán và điều trị ung thư. Máy gia tốc lớn được sử dụng để tiêu diệt tế bào ung thư, nghiên cứu cấu trúc của protein và virút, đồng thời tối ưu hóa vắc-xin và thuốc mới. Một số máy gia tốc loại lớn nhất được sử dụng để làm các hạt hạ hạt nhân va chạm với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng nhằm nghiên cứu nguồn gốc vũ trụ. Các máy gia tốc này còn được sử dụng để tạo ra neutron cho các mục đích đa dạng của các lò phản ứng nghiên cứu hạt nhân.
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. Các hóa chất trong mẫu không khí được thu bằng các bộ lọc đặc biệt và được nghiên cứu bằng kỹ thuật phân tích. Kết quả sẽ cho thấy nồng độ và thành phần của các chất ô nhiễm khác nhau và cung cấp dấu hiệu về chất lượng không khí. Máy gia tốc hạt sử dụng trong công nghiệp có thể tương tác với các nguyên tử của vật liệu mục tiêu để làm cho vật liệu đó bền hơn.
Các loại máy gia tốc hạt
Máy cấy ion: Máy cấy ion được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp làm vật liệu có khả năng chống hư hại cao hơn do mài mòn. 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, bền hơn và cải thiện tuổi thọ. Máy cấy ion cũng có thể cải thiện độ tin cậy của vật liệu được sử dụng cho cấy ghép y tế, làm 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 thiết bị công nghiệp quan trọng. Chúng giúp làm cho vật liệu bền hơn ở nhiệt độ khắc nghiệt hoặc có khả năng chống lại hóa chất. 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 thể có chiều dài khác nhau, từ vài mét đến vài km. Đa số LINAC được sử dụng trong nghiên cứu khoa học và 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. Có khoảng 1000 máy linac y tế đang hoạt động trên toàn thế giới.
Cyclotron: Hơn 1.200 cyclotron trên khắp thế giới tạo ra chùm proton hoặc deuteron cho mục đích y tế. Các máy này sản xuất đồng vị phóng xạ được sử dụng trong chẩn đoán và sau đó điều trị bệnh ung thư. Nhiều máy cyclotron được đặt tại các bệnh viện để sản xuất dược phẩm phóng xạ có chứa đồng vị phóng xạ có thời gian tồn tại ngắn cho bệnh nhân.
Synchronotron: Hơn 70 synchrotron đang hoạt động hiện nay trên thế giới là những máy lớn nhất 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. Các nhà khoa học sử dụng synchrotron để nghiên cứu hóa học, y sinh, di sản thiên nhiên và văn hóa, môi trường, v.v.
Máy gia tốc tĩnh điện: Máy gia tốc tĩnh điện, đặc biệt là máy gia tốc song song, ít tốn kém hơn và các nhà khoa học sử dụng chúng để nghiên cứu các đặc tính vật liệu, đánh giá môi trường, hỗ trợ nghiên cứu y sinh, nghiên cứu các di sản văn hóa. Với sự gia tăng công suất gần đây, các chuyên gia kỳ vọng 300 máy hiện tại sẽ tăng số lượng trong những năm tới.
Từ khóa: máy gia tốc; proton; neutron; electron; LINAC;
– CMD&DND –
