Máy gia tốc từ nghiên cứu cơ bản đến ứng dụng thực tế

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
8 Số 51 - Tháng 6/2017
Trong số khoảng 3 vạn máy gia tốc hiện 
đang vận hành trên thế giới, phần lớn là dành 
cho các ứng dụng trong công nghiệp (khoảng 2 
vạn hệ thống). Có hai loại ứng dụng công nghiệp 
chính là xử lý, chế tạo vật liệu và phân tích vật 
liệu. Máy gia tốc cũng được áp dụng cho bảo vệ 
môi trường, như làm sạch nước uống, xử lý nước 
thải, khử trùng bùn thải và loại bỏ các chất gây ô 
MÁY GIA TỐC
TỪ NGHIÊN CỨU CƠ BẢN ĐẾN ỨNG DỤNG THỰC TẾ
Các máy gia tốc là phát minh quan trọng của thế kỷ XX. Máy gia tốc ra đời từ những năm 
1930 để cung cấp các hạt năng lượng cao nhằm nghiên cứu cấu trúc hạt nhân nguyên tử. Kể từ đó 
đến nay, chúng đã được sử dụng để nghiên cứu nhiều khía cạnh của vật lý hạt. Mục tiêu của việc sử 
dụng máy gia tốc là tăng tốc và gia tăng năng lượng của chùm hạt bằng cách tạo ra các điện trường 
làm tăng tốc các hạt, và các từ trường định hướng và tập trung chùm hạt theo ý muốn. Trong hơn 8 
thập kỷ qua, máy gia tốc đã có nhiều đóng góp và làm thay đổi cuộc sống của con người. Với máy gia 
tốc, người ta đã tạo ra các chùm tia X, electron, proton, notron và các hạt khác với các năng lượng 
khác nhau. Thông thường, dải năng lượng được gọi là thấp khi hạt có năng lượng dưới 1 GeV, năng 
lượng trung bình khi hạt có năng lượng trên 1 GeV và dưới 100 GeV và năng lượng cao khi trên 100 
GeV (Theo định nghĩa, một eV bằng lượng năng lượng thu được hoặc bị mất khi 1 electron di chuyển 
qua điện trường với hiệu điện thế 1 V và 1 eV bằng khoảng 1.6022x10-19 J). Loại hạt sử dụng phụ 
thuộc vào mục tiêu của nghiên cứu, thí nghiệm.
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
9Số 51 - Tháng 6/2017
nhiễm khỏi khói thải. 
Khi các máy gia tốc tăng hiệu suất, các 
chùm hạt cường độ cao (proton, electron và ion) 
trở thành một trong những đòi hỏi quan trọng 
được yêu cầu bởi đa số người sử dụng máy gia tốc 
và cho hầu hết các ứng dụng. Nhiều lĩnh vực khác 
nhau đòi hỏi phải có các máy gia tốc tiên tiến, từ 
nghiên cứu cơ bản đến các ứng dụng trong khoa 
học, y học và công nghiệp. Các nhà khoa học đã 
và đang nỗ lực thực hiện việc theo đuổi nâng cao 
hiệu suất các máy gia tốc cường độ cao. 
Bài viết này đưa ra nguyên lý thiết kế của 
các máy gia tốc điển hình và những ứng dụng 
máy gia tốc từ nghiên cứu cơ bản đến ứng dụng 
thực tế, giúp bạn đọc có thêm thông tin về các 
máy gia tốc và ứng dụng của chúng.
Phân loại và nguyên lý hoạt động của máy gia 
tốc
Máy gia tốc thường dùng để chỉ máy gia 
tốc hạt, thiết bị tăng vận tốc hạt dưới mức nguyên 
tử như proton, electron và positron hoặc các ion 
nặng. Máy gia tốc hạt được phát minh ban đầu 
cho mục đích nghiên cứu cấu trúc cơ bản của 
vật chất, và sau này là các ứng dụng thực tiễn. 
Máy gia tốc hạt có thể được chia thành hai nhóm 
chính: máy gia tốc thẳng và gia tốc vòng. Trong 
máy gia tốc thẳng các hạt được gia tốc khi chúng 
di chuyển theo một đường thẳng, đôi khi trên 
khoảng cách rất lớn. Với hệ máy gia tốc vòng các 
hạt di chuyển và tăng tốc theo đường tròn hoặc 
xoắn ốc với đường kính khác nhau từ ít hơn một 
vài m đến nhiều km.
Trong các máy gia tốc thẳng, các hạt điện 
tích được tăng tốc nhờ điện trường mạnh. Chẳng 
hạn trong máy gia tốc có chiều dài 4 km tại phòng 
thí nghiệm Stanford, các electron được gia tốc 
đến năng lượng cỡ 50 GeV.
Trong các máy gia tốc vòng, hạt điện tích 
chuyển động theo các quỹ đạo tròn dưới một từ 
trường đều có hướng vuông góc với vận tốc hạt. 
Đồng thời nằm trong một hộp hình tròn gồm hai 
nửa hộp rỗng hình chữ D nối vào một hiệu điện 
thế xoay chiều. Tất cả đều nằm trong chân không. 
Khi đó, điện trường xoay chiều giữa hai hình D có 
tác dụng tăng tốc cho hạt trong quá trình chuyển 
động: Vận tốc hạt ngày càng tăng lên cùng với 
bán kính quỹ đạo. Khi động năng của hạt tăng 
lên đến giá trị đủ lớn thì người ta cho chùm hạt 
bắn vào một tấm “bia” để tạo ra các phản ứng hạt 
nhân. Sự va chạm của chùm hạt trong các máy 
gia tốc có thể thực hiện với bia cố định, hoặc giữa 
hai chùm hạt.
Vào những năm 1929-1933, nhà vật lý 
người Mỹ, Robert J. Van de Graaff (1901-1967) 
đã phát minh thiết bị mang tên ông - máy phát 
Van de Graaff (Van de Graaff generator). Đây là 
một loại máy phát điện tĩnh điện cao áp (cỡ 7 
triệu volt) hoạt động như một loại máy gia tốc 
hạt, là cơ sở cho nhiều máy gia tốc sau này.
Máy gia tốc thẳng (còn được gọi là 
LINAC), máy gia tốc vòng (Cyclotron và 
Synchrotron) là một số thiết bị phức tạp và tốn 
kém nhất từng được chế tạo. Nói chung, mục 
đích của chúng là tăng tốc các hạt tích điện, thông 
thường là các electron, proton và các đồng vị, 
cũng như các hạt dưới mức nguyên tử, với tốc độ 
cực lớn. Các hạt này được sử dụng để điều trị các 
khối u hoặc ung thư bên trong bệnh nhân. Các hạt 
bắn vào các mẫu vật liệu (hoặc các chùm đi ngược 
hướng với tốc độ tương tự cho các phản ứng năng 
lượng cao hơn) cho phép xác định thành phần của 
vật liệu dựa trên các phản ứng và tán xạ của các 
hạt sau va chạm. Nhiều đồng vị được tạo ra sử 
dụng cho mục đích y tế hoặc công nghiệp, khoa 
học vật liệu và sinh học. Các máy gia tốc cũng 
được sử dụng để tăng tốc độ của hạt để chúng có 
thể được tiêm vào các máy gia tốc khác và đạt 
đến vận tốc và động năng cao hơn.
Nguồn các hạt trong máy gia tốc được lấy 
từ đâu? Máy va chạm Hadron lớn LHC (Large 
Hadron Collider) tại Trung tâm Nghiên cứu hạt 
nhân châu Âu (CERN) thực hiện tăng tốc và va 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
10 Số 51 - Tháng 6/2017
đập các proton, cũng như các ion chì nặng. Người 
ta có thể nghĩ rằng LHC cần một lượng lớn các 
hạt, nhưng các chùm proton trong vòng tròn chu 
vi 27 km được cung cấp chỉ bởi một chai khí 
hydro duy nhất, được thay thế hai lần mỗi năm.
Hình 1. Robert J. Van de Graaff và máy 
phát mang tên ông
Máy gia tốc thẳng (LINAC)
LINAC gia tốc các hạt theo đường thẳng. 
Các hạt, thường là electron, proton, và ion, đi 
trong buồng chân không hình ống. Các điện cực 
bên trong ống được đặt cách nhau để tần số vô 
tuyến (RF) có thể được tính thời gian để kích 
hoạt chúng như các hạt nằm trong khe hẹp giữa 
các điện cực, và do đó tăng tốc chúng khi chúng 
di chuyển từ khe này sang khe khác. Đối với hệ 
LINAC công suất lớn, mỗi điện cực đều có nguồn 
RF riêng.
Hình 2. Nguyên lý máy gia tốc thẳng
LINAC có thể gia tốc các ion nặng đến 
vận tốc khó đạt được bởi máy gia tốc vòng 
(Cyclotron và Synchrotron) vì chúng bị giới hạn 
bởi cường độ của từ trường cần thiết để giữ các 
ion trên đường cong. LINAC cũng tốt hơn cho 
việc gia tốc các electron tới vận tốc tương đối 
vì các electron mất năng lượng (và vận tốc) qua 
bức xạ khi đi dọc theo vòng cung. Tuy nhiên, hệ 
thống cần diện tích đất rộng nên tốn kém khi xây 
dựng.
Máy gia tốc Cyclotrons
Không giống như LINAC, các Cyclotron 
gia tốc các hạt dọc theo đường dẫn xoắn ốc hướng 
ra ngoài và hạt được giữ trong đường dẫn đó bởi 
một trường điện từ tĩnh vuông góc với đường 
xoắn ốc. Các hạt tích điện được tiêm vào khoang 
chân không giữa hai điện cực kim loại rỗng dạng 
chữ D (gọi là “dees”) từ trung tâm của Cyclotron. 
Một điện áp xoay chiều tần số vô tuyến (RF 
voltage) vài ngàn volt được áp luân phiên cho 
hai điện cực D. Thời gian của điện áp RF được 
chuyển giữa các D, gia tốc các hạt và tăng đường 
kính của đường tròn sau mỗi vòng quay, biến nó 
thành xoắn ốc.
Hình 3. Nguyên lý máy gia tốc Cyclotron
Khi các hạt đi đến ranh giới “dees”, 
chúng sẽ để các hạt đi qua một khoảng cách nhỏ 
và hướng tới bia. Hạt đập vào bia có thể tạo ra 
phản ứng hạt nhân, và các hạt từ phản ứng đó 
có thể được hướng vào các thiết bị khác nhau để 
phân tích.
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
11Số 51 - Tháng 6/2017
Máy gia tốc hạt đầu tiên dạng Cyclotron 
đặt tại Đại học California, Berkeley vào những 
năm 1930 theo thiết kế của Ernest Lawrence. 
Trong vài thập kỷ sau khi máy Cyclotron đầu tiên 
được chế tạo từ năm 1934, Cyclotron là nguồn 
cung cấp chùm hạt năng lượng cao hữu hiệu cho 
các nghiên cứu vật lý hạt nhân. Các chùm hạt mà 
các Cyclotron cung cấp phù hợp cho việc sản 
xuất đồng vị sử dụng trong y học hạt nhân. Có 
trên 1.200 Cyclotron trên thế giới được sử dụng 
để tạo các đồng vị phóng xạ trong y tế. Chùm 
hạt từ Cyclotron cũng được sử dụng để chiếu vào 
cơ thể bệnh nhân nhằm tiêu diệt các khối u với 
mức độ tổn thương tối thiểu cho phần khác của 
cơ thể người. Các chùm hạt cũng còn được sử 
dụng trong chụp ảnh PET/CT.
Máy gia tốc Synchrotrons
Synchrotron, cũng như Cyclotron, là 
các máy gia tốc theo chu kỳ và phát các hạt vào 
vòng tròn khép kín, hạt tăng tốc độ sau mỗi vòng 
quay. Nhưng khác với Cyclotron, vòng lặp của 
Synchrotron không phải là một xoắn ốc. Tùy 
từng mục đích sử dụng khác nhau, Synchrotron 
phải thực hiện việc tập trung, uốn cong và gia tốc 
các hạt vào một chùm bên trong ống chân không - 
có thể được thực hiện bằng các cụm thiết bị khác 
nhau và vào các thời điểm khác nhau, đường đi 
có thể là hình tròn, hình bầu dục hoặc đa giác với 
các góc tròn.
Hình 4. Nguyên lý máy Synchrotron
Việc gia tốc chùm hạt được xử lý bằng 
các khoang chứa sóng vô tuyến (RF) bố trí quanh 
vòng tròn chuyển động của hạt. Một máy phát 
điện RF cung cấp một trường điện từ cho khoang 
đúc có hình dạng đặc biệt, chuyển đổi thành các 
sóng điện từ cộng hưởng và tích tụ bên trong 
khoang. Khi các hạt tích điện đi vào khoang, lực 
và hướng của trường điện từ thu được sẽ gia tốc 
chúng dọc theo vòng lặp. 
Giữa máy gia tốc Cyclotron và 
Synchrotron có sự khác biệt:
Thứ nhất, Cyclotron sử dụng từ trường và 
điện trường tần số không đổi, nhưng Synchrotron 
sử dụng các điện trường và từ trường biến đổi.
Thứ hai, Synchrotron có thiết kế ống dạng 
hình trụ vòng xuyến, trong khi Cyclotron được 
làm bằng buồng hình trụ hoặc hình cầu.
Thứ ba, các Synchrotron được sử dụng 
trong hầu hết các dự án quy mô lớn như máy 
gia tốc Hadron cỡ lớn (LHC) tại CERN, còn 
Cyclotron chủ yếu được sử dụng trong các dự án 
quy mô nhỏ.
Các máy gia tốc và nghiên cứu cơ bản
Vật lý hạt
Nghiên cứu về vật lí hạt đòi hỏi sử dụng 
các máy gia tốc có năng lượng cao và / hoặc 
cường độ cao với các chùm electron (positron), 
muon, neutrino, proton (phản proton). Hệ thống 
mới nhất của loại này là LHC (Large Hadron 
Collider), được đưa vào hoạt động tại CERN năm 
2010. LHC được thiết kế để gia tốc và va chạm 
hai chùm proton với năng lượng đến 7 TeV.
Vật lý hạt nhân và các ngành khoa học
Nghiên cứu về các trạng thái vật chất yêu 
cầu các máy gia tốc / năng lượng cao / trung bình 
với cường độ cao hoặc các va chạm với electron 
/ positron, proton / phản proton và các chùm ion 
từ nhẹ đến nặng.
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
12 Số 51 - Tháng 6/2017
Nhiều nghiên cứu về vật lý chất rắn và 
môi trường đông đặc, sinh học, địa chất, khoa học 
về con người đòi hỏi phải sử dụng các máy gia 
tốc điện tử năng lượng thấp và trung bình. Trong 
số nhiều dự án đang hoạt động thì SOLEIL tại 
Pháp và DIAMOND tại Anh, là hai trong số các 
cơ sở bức xạ Synchrotron được xây dựng gần đây 
nhất.
Hình 5. Máy gia tốc tĩnh điện Tandem, 
Pelletron 5SDH-2 tại khoa Vật lý, ĐH KHTN, 
Đại học Quốc gia Hà Nội
Máy gia tốc trong lĩnh vực năng lượng
Việc chuyển đổi chất thải phóng xạ đòi 
hỏi phải sử dụng các máy gia tốc proton năng 
lượng trung bình và cường độ cao. Nguyên lý là 
tạo ra nơtron từ bia do chùm proton đập vào. Các 
tương tác của neutron với các đồng vị sống lâu 
được chiết xuất từ các lò phản ứng hạt nhân, biến 
đổi chúng thành những đồng vị dễ quản lý hơn. 
Khái niệm về hệ thống điều khiển máy gia tốc 
(ADS) đã được phát triển trong dự án MYRRHA.
Máy gia tốc hạt đang được áp dụng trong 
nhiều hoạt động kinh tế - xã hội. Ban đầu được 
phát triển cho nghiên cứu cơ bản, ngày nay chúng 
được sử dụng cho nhiều ứng dụng, từ chăm sóc 
sức khoẻ đến sản xuất chip silicon để giảm ô 
nhiễm.
Máy gia tốc trong y học
Các máy gia tốc có kích thước khác nhau, 
chủ yếu là Cyclotron năng lượng thấp, đã được 
sử dụng để sản xuất đồng vị phóng xạ. Người ta 
cũng đang nghiên cứu khả năng sản xuất đồng vị 
phóng xạ dựa trên bức xạ nơtron gây va chạm và 
chùm electron.
Phần lớn máy gia tốc y tế được sử dụng 
để điều trị ung thư và sản xuất một số đồng vị 
phóng xạ. Phần lớn trong số này là các máy gia 
tốc tuyến tính sử dụng chùm electron. Tuy nhiên, 
các máy gia tốc ion hoặc proton năng lượng thấp 
cũng được sử dụng để điều trị các khối u, khi rất 
khó điều trị bằng các phương pháp thông thường. 
Lĩnh vực này đã được phát triển ở cả châu Á, 
châu Âu và Mỹ.
Các máy gia tốc trong y tế, chẳng hạn như 
LINAC được sử dụng dưới hai hình thức:
+ Gia tốc electron tới năng lượng cao, nơi 
chúng va chạm với một mục tiêu kim loại nặng 
để tạo ra tia X năng lượng cao 
+ Sử dụng proton làm các hạt tăng tốc và 
sử dụng các hạt nhân để va chạm trực tiếp với cơ 
thể bệnh nhân.
Ưu điểm của tia X năng lượng cao do 
máy gia tốc tạo ra là nguồn phóng xạ nhỏ hơn 
nguồn phóng xạ Cobalt 60 và do đó cho hình ảnh 
sắc nét hơn. Có ít hiệu ứng trên da và ít đau đớn 
hơn cho bệnh nhân. Khả năng xuyên sâu lớn của 
tia X năng lượng cao cho phép điều trị các khối u 
ở sâu trong cơ thể.
Hình 6. Nguyên lý sử dụng máy gia tốc 
trong y tế
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
13Số 51 - Tháng 6/2017
Các proton có năng lượng lên đến 250 
MeV cũng được sử dụng. Các bức xạ tạo ra chùm 
hạt sắc nét có thể điều trị các khu vực rất nhỏ của 
cơ thể. Thay đổi điện áp gia tốc cho phép điều 
chỉnh độ xuyên sâu khác nhau - ví dụ proton 200 
MeV có khoảng xuyên sâu 27 cm trong mô, trong 
khi chùm năng lượng 140 MeV chỉ đạt đến độ sâu 
15 cm.
Hình 7. Máy gia tốc Cyclotron 30 MeV 
tại Bệnh viện Trung ương quân đội 108
Máy gia tốc trong công nghiệp
Mặc dù ít được biết đến hơn các ứng dụng 
khác, có rất nhiều ứng dụng công nghiệp sử dụng 
máy gia tốc. Máy gia tốc ion, proton, electron 
năng lượng thấp được sử dụng để cấy ion trong 
công nghiệp bán dẫn, cắt và hàn bằng electron, 
các máy chiếu xạ sử dụng chum electron và tia 
X, chụp ảnh và kiểm tra không phá mẫu, phân 
tích chùm ion, khử trùng thực phẩm, khử trùng 
y tế v.v
Kết luận
Theo GS. Trần Đức Thiệp (Máy gia tốc, 
NXB KHKT, Hà Nội 2002) tại Việt Nam các 
máy gia tốc đầu tiên là các máy phát notron NA-
3-C do Hungary chế tạo và máy gia tốc điện tử 
Microtron MT-17 do Liên Xô chế tạo đã được lắp 
đặt vào các năm 1974 và 1982 tại Viện Vật lý, 
Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt nam. 
Cho đến nay, các nhà vật lý cũng như cộng đồng 
khoa học Việt Nam đã có nhiều nghiên cứu cơ 
bản cũng như ứng dụng trên các máy gia tốc. Số 
các dự án máy gia tốc cũng gia tăng mạnh mẽ trên 
thế giới (hình 8).
Hình 8. Sự phát triển các dự án máy gia 
tốc trên thế giới (Theo thống kê của mạng https://
gust.com/accelerators)
Các nhà vật lý sử dụng các máy gia tốc 
hạt để trả lời các câu hỏi về vật lý cơ bản - vũ 
trụ của chúng ta được tạo ra như thế nào, tại sao 
các vật thể có khối lượng v.v... Khi phát minh ra 
máy gia tốc, chúng mới chỉ là các công cụ nghiên 
cứu thuần túy. Ngày nay, các máy gia tốc đã được 
sử dụng bên ngoài các phòng thí nghiệm nghiên 
cứu. Các máy gia tốc đã và đang đi ra khỏi các 
phòng thí nghiệm và đã được ứng dụng trong 
nhiều ngành công nghiệp, y tế và đời sống xã hội 
trong nhiều thập kỷ, và nhiều ứng dụng mới sẽ 
tiếp tục được phát triển.
Lê Đại Diễn
Trung tâm Đào tạo hạt nhân