Cyclotron

Máy cyclotron là loại máy gia tốc giúp tăng vận tốc của hạt mang điện bằng cách kết hợp điện trường và từ trường. Đây là loại máy gia tốc rất hữu ích.

Lịch sử hình thành và phát triển

Máy cyclotron cũng như nhiều loại máy gia tốc khác ra đời vì một nhu cầu nghiên cứu của các nhà khoa học. Đó là: Để tìm hiểu cấu trúc của vật chất thì cần các hạt có vận tốc lớn. Muốn có chúng thì lại phải làm thế nào để truyền năng lượng bằng điện trường cho chúng. Máy cyclotron xuất hiện từ ý tưởng của Ernest Orlando Lawrence, nhà vật lý người Mỹ. Theo ông, máy cyclotron sẽ giúp các hạt mạng điện tăng tốc bởi cơ chế phối hợp của điện trường và từ trường. Phiên bản máy cyclotron ra đời vào năm 1931. Từ khi ra đời, máy đã chứng tỏ sự hữu ích của mình.

Cấu tạo

Máy cyclotron có hai hộp rỗng hình chữ D làm bằng đồng ghép với nhau thành một hình tròn được đặt trong chân không. Hai cạnh thẳng của các hộp ấy không đặt sát nhau hoàn toàn mà cách nhau một khoảng hẹp. Hai hộp được nối với hai cực của nguồn điện có chiều thay đổi một cách tuần hoàn theo thời gian. Vì vây, trong khoảng hẹp của chúng có điện trường luôn thay đổi một cách tuần hoàn. Hộp đặt trong từ trường đều của một nam châm điện, vectơ cảm ứng từ vuông góc với mặt hộp.

Cơ chế hoạt động

Giả sử lúc đầu ta có một hạt mang điện tích dương xuất phát từ một điểm rất gần với tâm máy cyclotron và đi vào một hộp. Người ta phải điều chỉnh nguồn điện để cho lúc đó cái hộp ấy tích điện âm, còn hộp còn lại tích điện dương. Lúc này lực Lorentz xuất hiện và làm cho hạt chuyển động theo nửa đường tròn trong hộp có điện tích dương. Khi hộp vừa đến cạnh thẳng của cái hộp đó thì nguồn đổi chiều, tức là hộp mang điện tích dương bây giờ thì mang điện tích âm và ngược lại. Vì vậy, khi đi vào khoảng hẹp giữa hai cạnh thẳng của chúng, điện trường sẽ tăng tốc cho hạt. Và tiếp theo, nó lại di chuyển sang hộp vừa mang điện tích dương và lực Lorentz lại làm nhiệm vụ như trên. Nhưng thay vì như cũ, bán kính của nửa đường tròn quỹ đạo lúc này lớn hơn trước. Cần biết một điều rằng, vận tốc của hạt càng lớn thì bán kính quỹ đạo càng lớn. Tuy vậy,thời gian chuyển động của hạt mang điện mà ta đang xét tới thì lại không phụ thuộc vào quỹ đạo. Thế nên, người ta điều chỉnh sao cho chu kỳ thay đổi cực của nguồn điện bằng 2 lần thời gian chuyển đông trên mỗi nửa đường tròn của hạt mang điện. Thế là quỹ đạo của hạt trong mỗi hộp có bán kính tăng dần, những khi hạt đi vào khoảng hẹp thì điện trường ở đó thay đổi chiều (như đã nói ở trên), làm cho hạt được tăng tốc. Vì hạt được tăng tốc nhiều lần nên dần dần nó thu được vận tốc lớn.

Tuy có hữu ích như vậy, nhưng máy cyclotron có một nhược điểm mà hầu như máy gia tốc nào cũng mắc phải, đó là khi vận tốc của hạt rất lớn, do hiệu ứng tương đối tính, hạt có khối lượng thay đổi. Khi đó chu kỳ quay sẽ không cùng pha với hiệu điện thế của nguồn điện. Vì vậy, máy cyclotron chỉ có thể tăng tốc cho hạt tới một giới hạn nhất định nào đó.

Những chiếc máy gia tốc có thể thay thế máy cyclotron

Đó chính là những chiếc máy gia tốc mà ở đó mà ở đó chu kỳ của hiệu điện thế cùng pha với chu kỳ quay của hạt. Với những chiếc mày này, các hạt mang điện sẽ có vận tốc lớn gấp nhiều lần so với những gì mà máy cyclotron có thể làm được, từ đó các nhà khoa học có thể nghiên cứu nhiều hơn về cấu trúc của vật chất.