Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của
một số máy gia tốc hạt
(Phần 1)
I. Máy gia tốc tĩnh điện
II. Máy gia tốc thẳng (Linac)
I. Máy gia tốc tĩnh điện
− Năm 1932 Cockcroft và Walton cho ra đời máy gia tốc nối tầng (cascade
accelerator) đầu tiên với điện áp 800 kV và đã thành công trong việc tách
nguyên tử lithium chỉ với 400 keV proton.
− Phương pháp gia tốc: sử dụng trường tĩnh điện (điện áp cao một chiều) dựa
trên mạch nhân áp.
− Mạch nhân áp là một sơ đồ nối tiếp các tụ điện và các chỉnh lưu có thể từng
bước nâng điện áp tới giá trị rất lớn.
− Mỗi điện cực chỉ có thể đặt một điện áp giới hạn, cho nên cần dùng nhiều đôi
điện cực để nhân điện áp.
− Gặp khó khăn khi tăng điện áp lên cao do hiện tượng phóng điện qua không
khí và dọc theo các bề mặt vật liệu.
− Cần chân không cao, vì khi chuyển động trong không khí các hạt tích điện liên
tục va chạm với các phân tử của các chất khí và bị mất năng lượng.
− Các ion được đưa vào điện trường gia tốc và được gia tốc qua các điện cực,
nhận được năng lượng gia tốc bằng hiệu điện thế giữa điện cực thứ nhất và
cuối cùng.
I.1. Máy gia tốc Cockcroft - Walton
− Điện áp phân bố trên nhiều điện cực còn có tác dụng điều khiển việc
hội tụ chùm hạt.
− Lợi thế lớn nhất của mạch nhân áp là điện áp của mỗi tầng chỉ gấp đôi
điện áp vào, do đó có thể dễ dàng trong việc cách điện và giá thành
các vật liệu cũng thấp.
− Ưu điểm của mạch nhân áp so với biến thế là không cần lõi thép
nặng, và một khối lượng lớn chất cách điện.
− Mạch nhân áp cho điện áp 1 chiều ổn định rất hữu dụng đối với các

Hình 2: Sơ đồ nguyên lý mạch nhân áp trong máy gia tốc Cockcroft - Walton
Hình 3: Một số bộ nhân điện áp Cockcroft - Walton
I.2. Máy gia tốc Van de Graff
- Năm 1929 R. Van de Graaff, người Mỹ đưa ra mô hình máy gia tốc tĩnh
điện đầu tiên.
- Điện tích qua một thanh đầu nhọn được truyền lên băng tải làm bằng
vật liệu cách điện chuyển động liên tục.
− Thanh đầu nhọn được nối với nguồn điện áp vài chục kV.
− Băng tải truyền điện tích cho quả cầu lớn thông qua một mũi nhọn
phóng điện khác. Một điện áp cao được tạo thành trên quả cầu.
− Nguồn ion được đặt bên trong máy gia tốc và được gia tốc từ nguồn tới
bia bằng điện áp giữa nguồn cao áp và đất qua một ống chân không.
− Nguyên nhân hạn chế việc tích điện:
+ Quả cầu không hoàn toàn được cách điện, hiện tượng rò rỉ do qua
phần cách điện gắn quả cầu.
+ Phóng điện (breakdown) qua không khí do độ ẩm.
+ Độ thô ráp của quả cầu.
+ Kích thước quả cầu cũng hạn chế việc nâng cao điện áp.
− Độ rò rỉ càng lớn khi điện áp càng cao.
− Do đó phải tích điện liên tục cho quả cầu.
− Cần chọn quả cầu có độ dẫn điện, độ nhẵn cao, kích thước lớn.
− Sử dụng khí trơ để hạn chế việc rò rỉ và đánh thủng cao áp, máy được
đặt trong vỏ bọc đặc biệt chứa khí trơ có áp suất cao. Điện áp có thể
đạt tới 20 MV.
− Một số loại máy dùng 2 quả cầu tích điện dương và âm.
− Kích thước của máy gia tốc tĩnh điện có thể giảm nếu tăng tính chất
cách điện với môi trường xung quanh.
− Máy gia tốc Van de Graaff cho điện áp ổn định, nhưng dòng thấp hơn
so với loại máy gia tốc nối tầng.
Hình 4: Sơ đồ nguyên lý máy gia tốc Van de Graaff

chip vi mạch dưới sự bắn phá của chùm ion để mô phỏng hiệu ứng bức xạ
trên không gian cũng như trên mặt đất nhằm cải thiện độ tin cậy của máy
tính cũng như các thiết bị điện tử.
Hình 5: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo và hoạt
động của máy gia tốc Tandem Van de Graff.
Hình6: Sơ đồ hệ thiết bị Tandem Van de Graaff
(3 ,9) hai máy gia tốc Van de Graaff; (2, 7) nguồn ion; (4,10) nam châm tách dòng;
(11,12,16) phòng đặt bia; (5) bộ phận nối hai máy gia tốc; (15) phòng điều khiển; (8)
cửa che chắn; phòng thiết bị cơ khí (1); (6) thùng lưu trữ khí cách điện; (14) khu
phòng thí nghiệm và văn phòng.
Hình 7: Máy gia tốc Tandem Pelletron- ĐH KHTN Hà Nội
II. Máy gia tốc thẳng (Linac)
 Nguyên lý chung:
− Năm 1924 Ising đề xuất ý tưởng sử dụng điện từ trường biến đổi theo
thời gian để gia tốc hạt. Có thể thay thế điện cực đơn bằng việc đặt dọc
theo đường đi của hạt các điện cực hình trụ rỗng mang điện áp dạng
xung. Đây là sự gia tốc cộng hưởng, có thể đạt năng lượng lớn hơn điện
áp cao nhất của hệ thống.
− Wideroe nhận thấy rằng nếu thay đổi pha của điện áp xoay chiều 180
0
trong khi hạt đi qua các khe (gaps) tiếp giáp giữa các ống trụ rỗng sẽ
nhận thêm năng lượng tại các khe này.
− Từ ý tưởng này năm 1928, ông thiết kế máy gia tốc thẳng ba tầng đầu
tiên theo nguyên lý của Ising sử dụng điện trường tần số siêu cao (radio
frequency, RF) tạo chùm ion kali năng lượng 50 keV.
− Nguyên lý chung của máy gia tốc linac là các hạt được đưa vào các ống
gia tốc có chứa các điện cực và được gia tốc bởi điện trường xoay chiều
có tần số cao đặt tại các trạm giữa các điện cực. Hạt chuyển động theo
một đường thẳng.
− Các hạt chuyển động qua ống sẽ được gia tốc trong các khoảng trống

3
2
2
1
1

v
l
v
l
v
l
t
eU
mv

2
2
- Ta có :
- Suy ra:

23
;
22
;
2
321
m
eU
v

2



− Nguyên lý gia tốc kiểu Alvarez được áp dụng chủ yếu với proton và các
ion nặng.
− Đối với electron do tốc độ rất lớn (gần tốc độ ánh sáng khi năng lượng
còn thấp), do đó cần phải tăng kích thước ống rất dài, điều này khó thực
hiện.
− Do chiều dài ống tỷ lệ với  lên có thể thu ngắn các ống bằng việc sử
dụng có một nguồn điện áp gia tốc siêu cao tần.
− Vấn đề gặp phải khi sử dụng sóng cao tần là sự mất năng lượng do phát
xạ cao tần. Để khắc phục hiện tượng này có thể đặt các ống gia tốc trong
1 cái hốc sao cho năng lượng điện từ được tích trữ dưới dạng từ trường.
Trong cùng thời điểm tần số cộng hưởng của hốc có thể trùng hợp với
tần số trường gia tốc.
− Pha của các tín hiệu ở mỗi trạm được điều chỉnh sao cho các electron có
thể liên tục nhận được năng lượng từ sóng chuyển động và nó đạt tới vị
trí đỉnh của sóng ở điểm cuối của những ống dẫn sóng, như vậy các
electron liên tục được gia tốc.
− Việc hội tụ dòng electron được thực hiện bởi từ trường được tạo ra từ
các nam châm điện bên ngoài ống dẫn sóng. Các electron chuyển động
theo một đường thẳng.
− Năng lượng điện trường truyền chỉ
theo một hướng. Vận tốc pha lớn
hơn c.
− Điện tử được phát ra từ một dây đốt
(electron gun) được đưa vào ống gia
tốc. Các điện tử chịu tác dụng của
sóng siêu cao tần trong đó thành




kxtEE
trong đó : E
0
: biên độ sóng
: tần số, k: số sóng; x: quãng đường truyền sóng; : pha của sóng phản xạ.
- Giá trị biên độ cực đại 2E
0
đạt được tại những điểm tương ứng với
kx-/2 = n.


)2/sin()2/cos(2)sin()sin(
0021

 tkxEkxtkxtEEEE
- Tại điểm giao thoa ta có :
Nguyên lý gia tốc kiểu sóng đứng (standing wave)
− Như vậy tại một số điểm sóng tổng hợp có biên độ gấp đôi, điện trường
gia tốc sẽ tăng gấp đôi.
− Để tạo ra sóng đứng người ta dùng các hốc đặt nối tiếp giữa các ống
dẫn sóng để tạo độ lệch pha 180
0
giữa các hốc.
− Chùm hạt gia tốc thường được tái hội tụ trước khi đi ra ngoài bắn vào
các bia hãm.
− Kiểu gia tốc sóng chạy thường sử dụng đối với các hạt nhẹ gần với vận
tốc ánh sáng. Kiểu gia tốc sóng đứng gia tốc các hạt tốc độ chậm hơn.