Máy gia tốc synchrotron là một hệ thống phức tạp, bắt đầu bằng chuỗi gia tốc sơ cấp để tạo ra chùm electron năng lượng cao. Trong nhiều trường hợp, các máy gia tốc thẳng (Linac) được sử dụng làm máy tiền gia tốc (injector) cho synchrotron. Điển hình như máy gia tốc thẳng lớn tại Trung tâm Máy gia tốc thẳng Standford (SLAC) với năng lượng electron lên tới 20 GeV, đóng vai trò quan trọng trong việc đo kích thước hạt nhân nguyên tử. Các máy gia tốc thẳng nhỏ hơn, với năng lượng trên dưới 10 MeV, cũng rất phổ biến trong các bệnh viện để tạo ra dòng tia X mạnh phục vụ điều trị ung thư.
Nguyên lý hoạt động cơ bản của synchrotron dựa trên việc tạo ra bức xạ điện từ. Bức xạ synchrotron (SR) là sóng điện từ cực cao được tạo ra khi các hạt mang điện (như electron), chuyển động với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, bị bẻ cong trong một quỹ đạo tròn hoặc cong dưới tác dụng của từ trường. Quá trình này tạo ra các chùm sáng có cường độ rất cao, tính chuẩn trực đặc biệt và khả năng điều chỉnh dải năng lượng rộng. Để tối ưu hóa chất lượng bức xạ, các cơ sở synchrotron hiện đại (Thế hệ III và IV) sử dụng các thiết bị chèn (Insertion Devices), trong đó Undulator là quan trọng nhất. Undulator làm cho electron chuyển động xoắn xung quanh trục quỹ đạo, tạo ra bức xạ có độ sáng và độ chuẩn trực cực kỳ cao.
Sự khác biệt cốt lõi giữa các nguồn synchrotron thế hệ mới và các nguồn tia X truyền thống nằm ở đặc tính vật lý của bức xạ được sản sinh. Độ sáng là thước đo quan trọng nhất, biểu thị số lượng photon trong một thể tích không gian và thời gian nhất định. SR thế hệ mới cung cấp ánh sáng sáng hơn các nguồn tia X thông thường khoảng một tỷ lần. Độ sáng cực cao này, cùng với độ chuẩn trực đặc biệt là điều kiện tiên quyết để phân tích các mẫu vật liệu ở cấp độ nguyên tử, phân tử hoặc vi rút, cũng như theo dõi các phản ứng hóa học hoặc điện hóa cực nhanh. Ví dụ, Diamond Light Source (Thế hệ III) tạo ra các tia sáng có độ sáng lớn hơn thiết bị Thế hệ II ở Daresbury tới 100 ngàn lần nhờ công nghệ undulator. Việc nâng cao độ sáng là yếu tố then chốt, giải thích lý do tại sao các cơ sở thế hệ III và IV tập trung vào việc giảm độ phát xạ (emittance). Mặc dù các dự án máy gia tốc cơ bản như Máy gia tốc tròn tương lai (FCC) nhấn mạnh năng lượng (GeV) và chu vi đường hầm (91 km), giá trị thực tiễn của SR trong nghiên cứu ứng dụng lại nằm ở khả năng tạo ra chùm tia đủ mạnh và đủ nét để thực hiện các phép đo động học (in-situ và in-operando) trên các vật liệu đang hoạt động, điều mà các nguồn tia X phòng thí nghiệm không thể làm được.
Bức xạ synchrotron có dải năng lượng rộng, có thể điều chỉnh được, từ bức xạ hồng ngoại xa (far-IR) đến vùng tia X cứng. Tại SPring-8, dải năng lượng khả dụng từ tia X mềm (300 eV) đến tia X cứng (300 keV), ngoài ra còn có tia gamma năng lượng cao (1.5–2.9 GeV). Khả năng điều chỉnh năng lượng này cho phép thực hiện các kỹ thuật quang phổ hấp thụ tia X (XAS) chính xác, khai thác ngưỡng hấp thụ năng lượng của từng nguyên tố, một công cụ không thể thiếu trong khoa học vật liệu và hóa học.
So sánh đặc tính bức xạ Synchrotron và nguồn truyền thống
| Đặc tính | Bức xạ Synchrotron Thế hệ III/IV | Nguồn thí nghiệm |
| Độ sáng (Brilliance) | Cực kỳ cao (Sáng hơn 10e9 lần) | Rất thấp |
| Dải Năng lượng | Rộng, có thể điều chỉnh linh hoạt (Tunability) | Cố định hoặc hạn chế |
| Tính chuẩn trực | Cao (Chùm tia hội tụ, gần như song song) | Thấp |
| Phân cực | Có thể điều chỉnh tuyến tính | Thường không phân cực |
| Ứng dụng chính | Nghiên cứu In operando, Tinh thể học protein, Vi chế tạo | Chụp X-quang, Nhiễu xạ bột cơ bản |
Việc xây dựng và vận hành các cơ sở synchrotron quy mô lớn đòi hỏi sự đầu tư khổng lồ và công nghệ tiên tiến, dẫn đến sự xuất hiện của một số trung tâm nghiên cứu hàng đầu thế giới. SPring-8, viết tắt của Super Photon ring – 8 GeV, là cơ sở bức xạ synchrotron Thế hệ III quy mô lớn, khai trương năm 1997. Với chu vi 1436 mét và năng lượng chùm electron 8 GeV, SPring-8 cung cấp bức xạ synchrotron mạnh nhất hiện có, đặc biệt là trong vùng tia X cứng. Cơ sở này vận hành 62 đường chùm tia và là nền tảng cho nghiên cứu về công nghệ nano, công nghệ sinh học và ứng dụng công nghiệp. Sirius, nguồn Synchrotron mới của Brazil, đại diện cho Thế hệ IV, là một trong những cơ sở đầu tiên trên thế giới được thiết kế để đạt độ sáng cao nhất trong phân khúc năng lượng tương đương. Sirius, thuộc Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng và Vật liệu Brazil (CNPEM) tại São Paulo, được kỳ vọng đưa Brazil lên vị trí dẫn đầu trong công nghệ nguồn sáng đồng bộ. Cấu trúc của Sirius bao gồm ba bộ máy gia tốc hạt chính, bao gồm Bộ tăng cường và Vòng lưu trữ, hoạt động như một “kính hiển vi tuyệt vời” để tiết lộ cấu trúc vật chất. Nano Terrace, một cơ sở bức xạ synchrotron cường độ cao tại Đại học Tohoku, chuyên sử dụng tia X mềm có độ sáng cực cao, sáng hơn ánh sáng mặt trời khoảng một tỷ lần. Cơ sở này được thiết kế đặc biệt để hiển thị trạng thái điện tử và hóa học của vật liệu, cung cấp thông tin chi tiết mà trước đây không thể quan sát được. Việc các cơ sở chuyên môn hóa như Nano Terrace tập trung vào tia X mềm và phân tích bề mặt, trong khi SPring-8 tập trung vào tia X cứng, phản ánh sự trưởng thành của lĩnh vực này, nơi các nhà nghiên cứu phải lựa chọn cơ sở phù hợp nhất với yêu cầu bước sóng và độ sáng cụ thể của họ.
Thông số kỹ thuật của các cơ sở Synchrotron lớn
| Cơ sở | Vị trí | Thế hệ | Năng lượng (GeV) | Chu vi (m) | Ứng dụng chính (Bước sóng) |
| SPring-8 | Hyogo, Nhật Bản | III | 8 | 1436 | Tia X cứng (300 eV – 300 keV) |
| Sirius | São Paulo, Brazil | IV | (Không xác định chính thức trong tài liệu) | (Không xác định chính thức trong tài liệu) | Đa ngành, Độ sáng cực cao |
| Nano Terrace | Sendai, Nhật Bản | (Mới) | (Không xác định chính thức trong tài liệu) | (Không xác định chính thức trong tài liệu) | Tia X mềm, Phân tích trạng thái điện tử |
Các đặc tính độc quyền của bức xạ synchrotron thế hệ mới đã thúc đẩy những tiến bộ công nghệ và lý thuyết trong kỹ thuật tán xạ và quang phổ, đặc biệt là trong các lĩnh vực yêu cầu phân tích động học và cấu trúc ở độ phân giải cực cao. Sự phát triển của vật liệu lưu trữ năng lượng, đặc biệt là pin, phụ thuộc vào khả năng hiểu rõ quy trình điện hóa trong quá trình hoạt động. Tuy nhiên, các kỹ thuật xác định đặc tính điện hóa thông thường ở quy mô phòng thí nghiệm thường cung cấp thông tin hạn chế. Bức xạ Synchrotron, với cường độ cực cao và khả năng tiếp cận đa bước sóng, là công cụ không thể thiếu để nghiên cứu các vấn đề cơ bản của vật liệu lưu trữ năng lượng. Các phép đo dựa trên SR có thể được thực hiện trong điều kiện hoạt động của pin (in operando), cho phép các nhà khoa học lập bản đồ quan hệ cơ học giữa cấu trúc cục bộ và nguyên tử của các thành phần, từ đó theo dõi các phản ứng điện hóa liên quan. Mục tiêu chính là cải thiện độ bền lâu dài của pin, vốn liên quan chặt chẽ đến khả năng của vật liệu cực âm và cực dương trong việc chứa và giải phóng các ion mà không gây hư hại cấu trúc.
Synchrotron hoạt động như một kính hiển vi cực kỳ mạnh, cho phép tiết lộ cấu trúc phân tử, nguyên tử và điện tử của nhiều loại vật liệu, bao gồm protein, vi rút, đá, thực vật, và hợp kim kim loại. Trong hóa học, SR cho phép theo dõi các phản ứng hóa học nhanh chóng. Khả năng phân tích trạng thái điện tử và hóa học của vật liệu ở cấp độ vi mô, như được thực hiện tại cơ sở Nano Terrace, cũng được áp dụng để phân tích các hóa chất độc hại trong nước và đánh giá rủi ro sức khỏe liên quan. Việc các công ty (ví dụ: Pacific Group) đầu tư mua quyền sử dụng cơ sở này (50 triệu yên cho 10 năm) để giải quyết các vấn đề R&D chuyên biệt của họ cho thấy Synchrotron không chỉ là công cụ nghiên cứu cơ bản mà còn là công cụ đột phá để kiểm soát chất lượng sản xuất và an toàn môi trường.
Synchrotron đang được tích hợp vào các quy trình sản xuất công nghệ cao, đặc biệt là trong lĩnh vực bán dẫn và vi chế tạo, nơi đòi hỏi độ chính xác và độ phân giải nano. Lithography Tia X Sâu (DXRL) cho phép chiếu xạ mẫu vật bằng tia X năng lượng cao (2–20 keV). Kỹ thuật này nổi bật nhờ độ xuyên sâu cao, độ phân giải tối thiểu 200 nm và khả năng tạo ra các cấu trúc với tỷ lệ khung hình (aspect ratio) cao và thành bên thẳng đứng. DXRL là thành phần chính của quy trình LIGA (lithography, electrodeposition, moulding) được sử dụng để sản xuất các thiết bị vi mô bằng nhựa hoặc vật liệu khác.
Trong ngành công nghiệp chip, việc chuyển sang các quy trình chế tạo nhỏ hơn đòi hỏi bước sóng ánh sáng thấp hơn và nguồn sáng sạch hơn. Synchrotron cung cấp nguồn bức xạ cực tím (EUV) sạch và mạnh, vượt trội so với các kỹ thuật plasma EUV truyền thống. Kỹ thuật EUV Interference Lithography (EUV-IL) sử dụng chùm tia synchrotron chiếu qua mặt nạ và mạng nhiễu xạ để tạo ra các mẫu tuần hoàn trên đế wafer với độ phân giải chữ số đơn (single digit resolution). Điều này mang lại lợi thế rõ ràng so với kỹ thuật plasma truyền thống, cho phép tăng thời gian hoạt động của máy và tạo ra chip nhanh hơn. Khả năng phân tích không phá hủy của SR ở cấp độ vi mô cho phép các nhà sản xuất tối ưu hóa vật liệu và quy trình sản xuất ngay từ giai đoạn R&D, khẳng định vai trò của SR như một công cụ thiết yếu để đảm bảo chất lượng và đổi mới sản xuất.
Trong lĩnh vực khoa học đời sống, bức xạ synchrotron là công cụ không thể thay thế cho tinh thể học protein (Protein X-ray Crystallography – PX). SR có khả năng xác định cấu trúc 3D của các phân tử sinh học phức tạp như protein, DNA, và virus với độ chi tiết ở cấp độ nguyên tử. Việc hiểu rõ cấu trúc của protein mục tiêu là cơ sở khoa học để thiết kế các loại thuốc mới, hiệu quả hơn, thông qua việc phân tích cách các phân tử thuốc gắn kết vào các vị trí hoạt động của protein. Ứng dụng này là một trong những động lực chính thúc đẩy những tiến bộ trong phát triển thuốc hiện đại.
Mặc dù chụp X-quang và chụp cắt lớp (CT) là các công cụ lâm sàng tiêu chuẩn, chúng có những hạn chế nhất định. X-quang cung cấp hình ảnh 2D, chủ yếu dùng để phát hiện các bất thường về xương hoặc mô đặc (ví dụ: gãy xương, viêm phổi, khối u lớn). CT cung cấp hình ảnh 3D nhưng chủ yếu dựa vào tương phản mật độ, kém hiệu quả đối với các mô mềm có mật độ tương đương (như mạch máu và nội tạng).
Bức xạ synchrotron cho phép thực hiện kỹ thuật Micro-CT với độ phân giải cao, cho phép tiết lộ chi tiết cấu trúc vi mô trong không gian ba chiều (3D). Một tiến bộ đột phá là việc áp dụng kỹ thuật Tương phản Pha (Phase Contrast Imaging – PCI). Thay vì chỉ dựa vào sự hấp thụ tia X của vật liệu (giống như X-quang và CT thông thường), PCI khai thác sự thay đổi pha của sóng tia X khi chúng đi qua mẫu vật.15 Kỹ thuật này cung cấp độ tương phản vượt trội, đặc biệt quan trọng đối với các mô sinh học mềm và cấu trúc vi mô, cho phép đạt được hình ảnh độ phân giải sub-micron. Trong y học chẩn đoán, độ phân giải sub-micron này là một lợi thế quan trọng, giúp nhận diện các thay đổi cấu trúc vi mô, chẳng hạn như sự phát triển mạch máu bất thường hoặc biến đổi cấu trúc tế bào, trước khi khối u phát triển đến kích thước lớn. Điều này mở ra hướng tiếp cận mới cho mô bệnh học không phá hủy (non-destructive histology) và chẩn đoán sớm bệnh lý.
Mặc dù các máy synchrotron quy mô lớn chủ yếu được sử dụng để nghiên cứu, công nghệ gia tốc hạt đã được ứng dụng trực tiếp trong điều trị. Như đã đề cập, máy gia tốc thẳng với năng lượng khoảng 10 MeV được sử dụng rộng rãi trong các bệnh viện để tạo ra các dòng tia X mạnh mẽ cho việc điều trị ung thư. Hơn nữa, các dự án nghiên cứu lớn, chẳng hạn như FCC, thường nhấn mạnh các ứng dụng tiềm năng trong chụp ảnh y khoa và điều trị ung thư như một phần của lợi ích công cộng từ việc đầu tư vào cơ sở hạ tầng khoa học.
Từ khóa: synchrotron;
– CMD –
