कण त्वरक

Tevatron , Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), Batavia, इलिनोइस, USA में एक सिंक्रोट्रॉन कोलाइडर प्रकार के कण त्वरक। 2011 में शट डाउन, 2007 तक यह दुनिया का सबसे शक्तिशाली कण त्वरक था, प्रोटॉन को 1 TeV (तेरा इलेक्ट्रॉन वोल्ट) से अधिक की ऊर्जा में गति प्रदान करता था। दिखाई देने वाले दो वलयों में दो वृत्ताकार निर्वात कक्षों में परिसंचारी प्रोटॉनों की किरणें उनके प्रतिच्छेदन बिंदु पर टकराती हैं।

एक रैखिक त्वरक के संचालन को दर्शाने वाला एनिमेशन, व्यापक रूप से भौतिकी अनुसंधान और कैंसर उपचार दोनों में उपयोग किया जाता है।

एक कण त्वरक एक ऐसी मशीन है जो विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र s का उपयोग आवेशित कण s को बहुत उच्च गति और ऊर्जा में प्रेरित करने के लिए करती है, और उन्हें अच्छी तरह से परिभाषित बीम में समाहित करती है।^[1]

कण भौतिकी  में मौलिक अनुसंधान के लिए बड़े त्वरक का उपयोग किया जाता है। वर्तमान में सबसे बड़ा त्वरक  लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर  (एलएचसी) जिनेवा, स्विट्जरलैंड के पास संचालित है, जो    सर्न  द्वारा संचालित है। यह एक  कोलाइडर  त्वरक है, जो प्रोटॉन के दो बीमों को 6.5  TeV  की ऊर्जा तक तेज कर सकता है और 13 TeV के केंद्र-द्रव्यमान ऊर्जा का निर्माण करते हुए उन्हें आमने-सामने टकरा सकता है। अन्य शक्तिशाली त्वरक हैं,    आरएचआईसी  न्यूयॉर्क में  ब्रुकहेवन नेशनल लेबोरेटरी  और पूर्व में,  टेवेट्रॉन   फर्मिलैब , बटाविया, इलिनोइस में।  संघनित पदार्थ भौतिकी  के अध्ययन के लिए त्वरक का उपयोग  सिंक्रोट्रॉन प्रकाश स्रोत  एस के रूप में भी किया जाता है। छोटे कण त्वरक का उपयोग विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों में किया जाता है, जिसमें    ऑन्कोलॉजिकल  उद्देश्यों के लिए  कण चिकित्सा , चिकित्सा निदान के लिए  रेडियो आइसोटोप  उत्पादन, अर्धचालक के निर्माण के लिए    आयन इम्प्लांटर  और  [[ त्वरक द्रव्यमान शामिल हैं।  रेडियोकार्बन  जैसे दुर्लभ समस्थानिकों के मापन के लिए स्पेक्ट्रोमेट्री |  त्वरक मास स्पेक्ट्रोमीटर ]]। वर्तमान में दुनिया भर में 30,000 से अधिक त्वरक प्रचालन में हैं^[2]

त्वरक के दो बुनियादी वर्ग हैं: इलेक्ट्रोस्टैटिक और इलेक्ट्रोडायनामिक (या विद्युत चुम्बकीय) त्वरक^[3] इलेक्ट्रोस्टैटिक कण त्वरक एस कणों को तेज करने के लिए स्थिर विद्युत क्षेत्र एस का उपयोग करता है। सबसे आम प्रकार कॉक्रॉफ्ट-वाल्टन जनरेटर और वैन डे ग्रैफ जनरेटर हैं। इस वर्ग का एक छोटा-सा उदाहरण एक साधारण पुराने टेलीविजन सेट में कैथोड रे ट्यूब है। इन उपकरणों में कणों के लिए प्राप्त करने योग्य गतिज ऊर्जा त्वरित वोल्टेज द्वारा निर्धारित की जाती है, जो विद्युत टूटने द्वारा सीमित है। दूसरी ओर, इलेक्ट्रोडायनामिक या विद्युत चुम्बकीय त्वरक, बदलते विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों का उपयोग करते हैं (या तो चुंबकीय i)इंडक्शन या रेडियो फ्रीक्वेंसी फील्ड्स को दोलन करना) कणों को तेज करने के लिए। चूंकि इन प्रकारों में कण एक ही त्वरित क्षेत्र से कई बार गुजर सकते हैं, इसलिए उत्पादन ऊर्जा त्वरित क्षेत्र की ताकत से सीमित नहीं है। यह वर्ग, जिसे पहली बार 1920 के दशक में विकसित किया गया था, अधिकांश आधुनिक बड़े पैमाने के त्वरक का आधार है।

रॉल्फ विडेरो ,  गुस्ताव इसिंग ,  लियो स्ज़ीलार्ड ,  मैक्स स्टीनबेक , और  अर्नेस्ट लॉरेंस  को इस क्षेत्र का अग्रणी माना जाता है, जिन्होंने पहले परिचालन  रैखिक कण त्वरक  की कल्पना और निर्माण किया था।^[4]  बीटाट्रॉन  और  साइक्लोट्रॉन ।

चूंकि प्रारंभिक त्वरक के कण बीम का लक्ष्य आमतौर पर पदार्थ के एक टुकड़े के परमाणु थे, जिसका लक्ष्य परमाणु संरचना की जांच के लिए उनके नाभिक के साथ टकराव पैदा करना था, त्वरक को आमतौर पर 20 वीं शताब्दी में परमाणु स्मैशर्स के रूप में जाना जाता था। सदी^[5] यह शब्द इस तथ्य के बावजूद बना रहता है कि कई आधुनिक त्वरक एक कण और एक परमाणु नाभिक के बजाय दो उप-परमाणु कणों के बीच टकराव पैदा करते हैं।^[6]^[7]^[8]

उपयोग

बीमलाइन एस वैन डे ग्रैफ एक्सीलरेटर से पेरिस में जुसीयू कैंपस के तहखाने में विभिन्न प्रयोगों के लिए अग्रणी है।

कैलिफोर्निया के मेनलो पार्क में स्टैनफोर्ड लीनियर एक्सेलेरेटर (एसएलएसी) की 2 मील (3.2 किमी) बीम ट्यूब को कवर करने वाला भवन, जो दुनिया का दूसरा सबसे शक्तिशाली लाइनैक है।

उच्च-ऊर्जा कणों के बीम विज्ञान में मौलिक और अनुप्रयुक्त अनुसंधान के लिए उपयोगी होते हैं, और कई तकनीकी और औद्योगिक क्षेत्रों में भी मौलिक अनुसंधान से संबंधित नहीं होते हैं^[9] यह अनुमान लगाया गया है कि दुनिया भर में लगभग 30,000 त्वरक हैं। इनमें से केवल 1% 1 जीवी से अधिक ऊर्जा वाली अनुसंधान मशीनें हैं, जबकि लगभग 44% रेडियोथेरेपी के लिए हैं, 41% आयन इम्प्लांटेशन के लिए, 9% औद्योगिक प्रसंस्करण और अनुसंधान के लिए, और 4% बायोमेडिकल और अन्य कम ऊर्जा के लिए हैं। -ऊर्जा अनुसंधान^[10]

कण भौतिकी

पदार्थ, स्थान और समय की गतिशीलता और संरचना में सबसे बुनियादी पूछताछ के लिए, भौतिक विज्ञानी उच्चतम संभव ऊर्जाओं पर सबसे सरल प्रकार की बातचीत की तलाश करते हैं। इनमें आमतौर पर कई GeV की कण ऊर्जा होती है, और सबसे सरल प्रकार के कणों की परस्पर क्रिया होती है: लेप्टन s (जैसे इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन s) और क्वार्क s मामले के लिए, या फोटॉन s और [[ ग्लूऑन फील्ड क्वांटा के लिए ]] एस। चूँकि पृथक क्वार्क रंग कारावास के कारण प्रयोगात्मक रूप से अनुपलब्ध हैं, सबसे सरल उपलब्ध प्रयोगों में पहले, एक दूसरे के साथ लेप्टान, और दूसरा, न्यूक्लियॉन एस के साथ लेप्टान की बातचीत शामिल है, जो क्वार्क और ग्लून्स से बने होते हैं। एक दूसरे के साथ क्वार्कों के टकराव का अध्ययन करने के लिए, वैज्ञानिक न्यूक्लिऑन के टकराव का सहारा लेते हैं, जिसे उच्च ऊर्जा पर उपयोगी रूप से अनिवार्य रूप से 2-बॉडी इंटरैक्शन क्वार्क और ग्लून्स के रूप में माना जा सकता है, जिनसे वे बने हैं। यह प्राथमिक कण भौतिक विज्ञानी आमतौर पर उच्चतम संभव ऊर्जा पर इलेक्ट्रॉनों, पॉज़िट्रॉन, प्रोटॉन और एंटीप्रोटोन एस के बीम बनाने वाली मशीनों का उपयोग करते हैं, जो एक दूसरे के साथ या सबसे सरल नाभिक (जैसे, हाइड्रोजन या ड्यूटेरियम ) के साथ बातचीत करते हैं। सैकड़ों GeV या अधिक।

प्राथमिक कण भौतिकी के लिए उपयोग किया जाने वाला सबसे बड़ा और उच्चतम ऊर्जा कण त्वरक सर्न पर लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (एलएचसी) है, जो 2009 से काम कर रहा है।^[11]

परमाणु भौतिकी और समस्थानिक उत्पादन

परमाणु भौतिक विज्ञानी  s और  ब्रह्मांड विज्ञानी  s नंगे    परमाणु नाभिक  के बीम का उपयोग कर सकते हैं, जो कि इलेक्ट्रॉनों से अलग हो जाते हैं, स्वयं नाभिक की संरचना, अंतःक्रियाओं और गुणों की जांच करने के लिए, और  संघनित पदार्थ  का अत्यधिक उच्च स्तर पर उपयोग कर सकते हैं। तापमान और घनत्व, जैसे कि  बिग बैंग  के पहले क्षणों में हुआ होगा। इन जांचों में अक्सर भारी नाभिकों का टकराव शामिल होता है –  लोहा  या  [[ सोना जैसे परमाणुओं का] – प्रति  न्यूक्लियॉन  में कई GeV की ऊर्जा पर। इस तरह का सबसे बड़ा कण त्वरक  ब्रुकहेवन नेशनल लेबोरेटरी  में  रिलेटिविस्टिक हेवी आयन कोलाइडर  (आरएचआईसी) है।

कण त्वरक प्रोटॉन बीम का उत्पादन भी कर सकते हैं, जो विखंडन रिएक्टर एस में बने न्यूट्रॉन-समृद्ध लोगों के विपरीत प्रोटॉन-समृद्ध चिकित्सा या अनुसंधान आइसोटोप एस का उत्पादन कर सकते हैं; हालांकि, हाल के काम से पता चला है कि कैसे ⁹⁹ Mo बनाया जाता है, जो आमतौर पर रिएक्टरों में हाइड्रोजन के आइसोटोप को तेज करके बनाया जाता है।^[12] हालांकि इस विधि में अभी भी ट्रिटियम का उत्पादन करने के लिए एक रिएक्टर की आवश्यकता होती है। इस प्रकार की मशीन का एक उदाहरण लॉस एलामोस में LANSCE है।

सिंक्रोट्रॉन विकिरण

इलेक्ट्रॉन  एस एक चुंबकीय क्षेत्र के माध्यम से फैलता है  सिंक्रोट्रॉन विकिरण  के माध्यम से  फोटॉन  बीम बहुत उज्ज्वल और सुसंगत उत्सर्जित करता है। परमाणु संरचना, रसायन विज्ञान, संघनित पदार्थ भौतिकी, जीव विज्ञान और प्रौद्योगिकी के अध्ययन में इसके कई उपयोग हैं। दुनिया भर में बड़ी संख्या में  सिंक्रोट्रॉन प्रकाश स्रोत  एस मौजूद हैं। यू.एस. में उदाहरण हैं    एसएसआरएल   एसएलएसी नेशनल एक्सेलेरेटर लेबोरेटरी ,    एपीएस  अर्गोन नेशनल लेबोरेटरी में,    एएलएस   लॉरेंस बर्कले नेशनल लेबोरेटरी , और  [[  ब्रुकहेवन नेशनल लेबोरेटरी  पर नेशनल सिंक्रोट्रॉन लाइट सोर्स II |  एनएसएलएस ]]। यूरोप में, लुंड, स्वीडन में    MAX IV , बर्लिन, जर्मनी में  BESSY , ऑक्सफ़ोर्डशायर, यूके में    डायमंड ,    ESRF   ग्रेनोबल  में हैं। , फ्रांस, बाद वाले का उपयोग एम्बर में फंसे कीड़ों की विस्तृत 3-आयामी छवियों को निकालने के लिए किया गया है^[13]

फ्री-इलेक्ट्रॉन लेजर  एस (एफईएल)  सिंक्रोट्रॉन विकिरण  पर आधारित प्रकाश स्रोतों का एक विशेष वर्ग है जो उच्च अस्थायी    सुसंगतता  के साथ छोटी दालें प्रदान करता है। एक विशेष रूप से डिजाइन किया गया एफईएल सबसे    शानदार  स्रोत  एक्स-रे  एस अवलोकनीय ब्रह्मांड में^[14] सबसे प्रमुख उदाहरण अमेरिका में    एलसीएलएस  और जर्मनी में  यूरोपीय एक्सएफईएल  हैं।    सॉफ्ट एक्स-रे  लेजर की ओर अधिक ध्यान आकर्षित किया जा रहा है, जो पल्स शॉर्टिंग के साथ    एटोसेकंड साइंस  के लिए नए तरीके खोलता है।^[15] एक्स-रे के अलावा, एफईएल का उपयोग    टेराहर्ट्ज प्रकाश  उत्सर्जित करने के लिए किया जाता है, उदा। Nijmegen, नीदरलैंड्स में FELIX, ड्रेसडेन, जर्मनी में TELBE और नोवोसिबिर्स्क, रूस में NovoFEL।

इस प्रकार प्रकाश स्रोतों को चलाने के लिए मध्यम ( GeV ) ऊर्जा, उच्च तीव्रता और उच्च बीम गुणवत्ता वाले इलेक्ट्रॉन त्वरक की बहुत मांग है।

कम ऊर्जा वाली मशीनें और कण चिकित्सा

कण त्वरक के दैनिक उदाहरण टेलीविजन सेट में पाए जाने वाले कैथोड रे ट्यूब एस और एक्स-रे जनरेटर हैं। ये कम-ऊर्जा त्वरक इलेक्ट्रोड एस की एक जोड़ी का उपयोग डीसी वोल्टेज के बीच कुछ हजार वोल्ट के साथ करते हैं। एक्स-रे जनरेटर में, लक्ष्य ही इलेक्ट्रोड में से एक है। आयन इम्प्लांटर नामक एक कम-ऊर्जा कण त्वरक का उपयोग एकीकृत सर्किट एस के निर्माण में किया जाता है।

कम ऊर्जा पर, कैंसर के उपचार के लिए त्वरित नाभिक के पुंजों का उपयोग दवा में कण चिकित्सा के रूप में भी किया जाता है।

परमाणु प्रतिक्रियाओं के कारण पर्याप्त गति के लिए कणों को तेज करने में सक्षम डीसी त्वरक कॉक्रॉफ्ट-वाल्टन जनरेटर एस या वोल्टेज गुणक एस हैं, जो एसी को उच्च वोल्टेज डीसी में परिवर्तित करते हैं, या वैन डी ग्रैफ जनरेटर एस जो स्थैतिक बिजली का उपयोग करते हैं। बेल्ट द्वारा।

चिकित्सा उपकरणों का विकिरण नसबंदी

इलेक्ट्रॉन बीम प्रसंस्करण  आमतौर पर नसबंदी के लिए उपयोग किया जाता है।  इलेक्ट्रॉन बीम  एक ऑन-ऑफ तकनीक है जो  रेडियोआइसोटोप  एस जैसे  कोबाल्ट-60  (⁶⁰Co) या  सीज़ियम- द्वारा उत्सर्जित गामा या एक्स-रे की तुलना में बहुत अधिक खुराक दर प्रदान करती है। 137  (¹³⁷Cs)। उच्च खुराक दर के कारण, कम जोखिम समय की आवश्यकता होती है और बहुलक क्षरण कम हो जाता है। चूँकि  इलेक्ट्रॉन  एस में आवेश होता है, इसलिए इलेक्ट्रॉन बीम गामा और एक्स-रे दोनों की तुलना में कम भेदन कर रहे हैं^[16]

इलेक्ट्रोस्टैटिक कण त्वरक

[[फ़ाइल: कॉकक्रॉफ्टWalton generator.jpg|thumb|150px| कॉकक्रॉफ्ट-वाल्टन जनरेटर  ( फिलिप्स , 1937),  विज्ञान संग्रहालय (लंदन)  में रहता है। ]]

1960 के दशक का एकल चरण 2 MeV रैखिक वैन डे ग्रैफ़ त्वरक, यहां रखरखाव के लिए

. खोला गया

ऐतिहासिक रूप से, पहले त्वरक ने आवेशित कणों को गति देने के लिए एकल स्थिर उच्च वोल्टेज की सरल तकनीक का उपयोग किया। आवेशित कण को एक खाली ट्यूब के माध्यम से त्वरित किया गया था, जिसके दोनों ओर एक इलेक्ट्रोड था, जिसके पार स्थिर क्षमता थी। चूंकि कण केवल एक बार संभावित अंतर से गुजरा, इसलिए आउटपुट ऊर्जा मशीन के त्वरित वोल्टेज तक सीमित थी। हालांकि यह विधि आज भी बेहद लोकप्रिय है, इलेक्ट्रोस्टैटिक त्वरक किसी भी अन्य प्रकार से बहुत अधिक संख्या में हैं, वे वायु इन्सुलेटेड मशीनों के लिए लगभग 1 एमवी की व्यावहारिक वोल्टेज सीमा या त्वरक के समय 30 एमवी की व्यावहारिक वोल्टेज सीमा के कारण कम ऊर्जा अध्ययन के लिए अधिक उपयुक्त हैं। उच्च ढांकता हुआ ताकत , जैसे सल्फर हेक्साफ्लोराइड के साथ दबाव वाली गैस के टैंक में संचालित होता है। एक 'टेंडेम एक्सेलेरेटर' में, टर्मिनल के अंदर कणों के चार्ज को उलट कर, कणों को तेज करने के लिए क्षमता का दो बार उपयोग किया जाता है। यह आयन एस (ऋणात्मक रूप से चार्ज आयन एस) का उपयोग करके परमाणु नाभिक के त्वरण के साथ संभव है, और फिर उच्च वोल्टेज टर्मिनल के अंदर आयनों से इलेक्ट्रॉनों को अलग करने के लिए एक पतली पन्नी के माध्यम से बीम को पारित करना, उन्हें परिवर्तित करना धनायन (धनात्मक आवेशित आयन), जो टर्मिनल से बाहर निकलते ही फिर से तेज हो जाते हैं।

इलेक्ट्रोस्टैटिक एक्सेलेरेटर के दो मुख्य प्रकार हैं कॉक्रॉफ्ट-वाल्टन एक्सेलेरेटर , जो उच्च वोल्टेज का उत्पादन करने के लिए डायोड-कैपेसिटर वोल्टेज गुणक का उपयोग करता है, और वैन डी ग्रैफ एक्सेलेरेटर , जो चार्ज ले जाने के लिए एक चलती कपड़े बेल्ट का उपयोग करता है उच्च वोल्टेज इलेक्ट्रोड। यद्यपि इलेक्ट्रोस्टैटिक त्वरक एक सीधी रेखा के साथ कणों को गति देते हैं, रैखिक त्वरक शब्द का उपयोग अक्सर त्वरक के लिए किया जाता है जो स्थैतिक विद्युत क्षेत्रों के बजाय दोलन करते हैं।

विद्युत गतिकी (विद्युत चुम्बकीय) कण त्वरक

विद्युत निर्वहन द्वारा लगाए गए उच्च वोल्टेज छत के कारण, कणों को उच्च ऊर्जा में तेजी लाने के लिए, स्थिर क्षेत्रों के बजाय गतिशील क्षेत्रों को शामिल करने वाली तकनीकों का उपयोग किया जाता है। इलेक्ट्रोडायनामिक त्वरण दो तंत्रों में से किसी एक से उत्पन्न हो सकता है: गैर-गुंजयमान चुंबकीय प्रेरण , या गुंजयमान सर्किट या गुहा आरएफ क्षेत्रों को दोलन करके उत्साहित^[17] इलेक्ट्रोडायनामिक त्वरक रैखिक हो सकते हैं, जिसमें कण एक सीधी रेखा में गति करते हैं, या गोलाकार, मोटे तौर पर गोलाकार कक्षा में कणों को मोड़ने के लिए चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करते हैं।

चुंबकीय प्रेरण त्वरक

चुंबकीय प्रेरण त्वरक बढ़ते चुंबकीय क्षेत्र से प्रेरण द्वारा कणों को तेज करते हैं, जैसे कि कण एक ट्रांसफॉर्मर में द्वितीयक घुमावदार थे। बढ़ता चुंबकीय क्षेत्र एक परिसंचारी विद्युत क्षेत्र बनाता है जिसे कणों को तेज करने के लिए कॉन्फ़िगर किया जा सकता है। प्रेरण त्वरक या तो रैखिक या गोलाकार हो सकते हैं।

रैखिक प्रेरण त्वरक

रैखिक प्रेरण त्वरक फेराइट-लोडेड, गैर-अनुनाद प्रेरण गुहाओं का उपयोग करते हैं। प्रत्येक गुहा को बाहरी बेलनाकार ट्यूब से जुड़े दो बड़े वॉशर-आकार के डिस्क के रूप में माना जा सकता है। डिस्क के बीच एक फेराइट टॉरॉयड होता है। दो डिस्क के बीच लगाया गया एक वोल्टेज पल्स एक बढ़ते चुंबकीय क्षेत्र का कारण बनता है जो आवेशित कण बीम में जोड़े को शक्ति देता है^[18]

रेखीय प्रेरण त्वरक का आविष्कार क्रिस्टोफिलोस ने 1960 के दशक में किया था^[19] रैखिक प्रेरण त्वरक एक छोटी पल्स में बहुत उच्च बीम धाराओं (>1000 ए) को तेज करने में सक्षम हैं। उनका उपयोग फ्लैश रेडियोग्राफी के लिए एक्स-रे उत्पन्न करने के लिए किया गया है (उदाहरण के लिए DARHT LANL पर), और चुंबकीय कारावास फ्यूजन के लिए कण इंजेक्टर के रूप में और के लिए ड्राइवर के रूप में माना जाता है। इलेक्ट्रॉन लेजर एस।

बेटट्रॉन

बेटाट्रॉन  एक गोलाकार चुंबकीय प्रेरण त्वरक है, जिसका आविष्कार    डोनाल्ड केर्स्ट  ने 1940 में  इलेक्ट्रॉन  एस को तेज करने के लिए किया था। अवधारणा अंततः नॉर्वेजियन-जर्मन वैज्ञानिक  रॉल्फ विडेरो  से उत्पन्न हुई है। ये मशीनें, सिंक्रोट्रॉन की तरह, चक्रीय रूप से बढ़ते बी क्षेत्र के साथ एक डोनट के आकार का रिंग चुंबक (नीचे देखें) का उपयोग करती हैं, लेकिन बढ़ते चुंबकीय क्षेत्र से प्रेरण द्वारा कणों को तेज करती हैं, जैसे कि वे एक ट्रांसफॉर्मर में माध्यमिक घुमावदार थे, के कारण कक्षा के माध्यम से चुंबकीय प्रवाह को बदलना^[20]^[21]

उचित त्वरित विद्युत क्षेत्र की आपूर्ति करते हुए निरंतर कक्षीय त्रिज्या प्राप्त करने के लिए आवश्यक है कि कक्षा को जोड़ने वाला चुंबकीय प्रवाह कक्षा में चुंबकीय क्षेत्र से कुछ हद तक स्वतंत्र हो, कणों को एक स्थिर त्रिज्या वक्र में झुकाता है। व्यवहार में ये मशीनें अपेक्षाकृत छोटी त्रिज्या की कक्षा में प्रकाश की गति से लगभग गति से चलने वाले इलेक्ट्रॉनों द्वारा झेली गई बड़ी विकिरण हानियों से सीमित रही हैं।

रैखिक प्रेरण त्वरक

रैखिक प्रेरण त्वरक फेराइट-लोडेड, गैर-अनुनाद प्रेरण गुहाओं का उपयोग करते हैं। प्रत्येक गुहा को बाहरी बेलनाकार ट्यूब से जुड़े दो बड़े वॉशर-आकार के डिस्क के रूप में माना जा सकता है। डिस्क के बीच एक फेराइट टॉरॉयड होता है। दो डिस्क के बीच लगाया गया एक वोल्टेज पल्स एक बढ़ते चुंबकीय क्षेत्र का कारण बनता है जो आवेशित कण बीम में जोड़े को शक्ति देता है^[22]

रेखीय प्रेरण त्वरक का आविष्कार क्रिस्टोफिलोस ने 1960 के दशक में किया था^[23] रैखिक प्रेरण त्वरक एक छोटी पल्स में बहुत उच्च बीम धाराओं (>1000 ए) को तेज करने में सक्षम हैं। उनका उपयोग फ्लैश रेडियोग्राफी के लिए एक्स-रे उत्पन्न करने के लिए किया गया है (उदाहरण के लिए DARHT LANL पर), और चुंबकीय कारावास फ्यूजन के लिए कण इंजेक्टर के रूप में और के लिए ड्राइवर के रूप में माना जाता है। इलेक्ट्रॉन लेजर एस।

बेटाथ्रोन

बेटाट्रॉन  एक गोलाकार चुंबकीय प्रेरण त्वरक है, जिसका आविष्कार    डोनाल्ड केर्स्ट  ने 1940 में  इलेक्ट्रॉन  एस को तेज करने के लिए किया था। अवधारणा अंततः नॉर्वेजियन-जर्मन वैज्ञानिक  रॉल्फ विडेरो  से उत्पन्न हुई है। ये मशीनें, सिंक्रोट्रॉन की तरह, चक्रीय रूप से बढ़ते बी क्षेत्र के साथ एक डोनट के आकार का रिंग चुंबक (नीचे देखें) का उपयोग करती हैं, लेकिन बढ़ते चुंबकीय क्षेत्र से प्रेरण द्वारा कणों को तेज करती हैं, जैसे कि वे एक ट्रांसफॉर्मर में माध्यमिक घुमावदार थे, के कारण कक्षा के माध्यम से चुंबकीय प्रवाह को बदलना^[24]^[25]

उचित त्वरित विद्युत क्षेत्र की आपूर्ति करते हुए निरंतर कक्षीय त्रिज्या प्राप्त करने के लिए आवश्यक है कि कक्षा को जोड़ने वाला चुंबकीय प्रवाह कक्षा में चुंबकीय क्षेत्र से कुछ हद तक स्वतंत्र हो, कणों को एक स्थिर त्रिज्या वक्र में झुकाता है। व्यवहार में ये मशीनें अपेक्षाकृत छोटी त्रिज्या की कक्षा में प्रकाश की गति से गतिमान इलेक्ट्रॉनों द्वारा झेली गई बड़ी विकिरण हानियों से सीमित रही हैं।

रैखिक त्वरक

आधुनिक सुपरकंडक्टिंग रेडियो फ्रीक्वेंसी , मल्टीसेल रैखिक त्वरक घटक।

रैखिक कण त्वरक  (लिनैक) में, कणों को एक छोर पर ब्याज के लक्ष्य के साथ एक सीधी रेखा में त्वरित किया जाता है। वृत्ताकार त्वरक में अंतःक्षेपित करने से पहले उनका उपयोग अक्सर कणों को एक प्रारंभिक कम-ऊर्जा किक प्रदान करने के लिए किया जाता है।    स्टैनफोर्ड लीनियर एक्सेलेरेटर , एसएलएसी दुनिया में सबसे लंबी लाइनैक है, जो है 3 km (1.9 mi) लंबा। SLAC एक  इलेक्ट्रॉन - पॉज़िट्रॉन  कोलाइडर है।

रैखिक उच्च-ऊर्जा त्वरक प्लेटों (या बहाव ट्यूब) की एक रैखिक सरणी का उपयोग करते हैं, जिसमें एक वैकल्पिक उच्च-ऊर्जा क्षेत्र लागू होता है। जैसे-जैसे कण एक प्लेट के पास पहुंचते हैं, वे प्लेट पर लगाए गए विपरीत ध्रुवता आवेश द्वारा उसकी ओर त्वरित हो जाते हैं। जैसे ही वे प्लेट में एक छेद से गुजरते हैं, ध्रुवीयता को स्विच किया जाता है ताकि प्लेट अब उन्हें पीछे हटा दे और वे अब इसके द्वारा अगली प्लेट की ओर त्वरित हो जाएं। आम तौर पर कणों के गुच्छों की एक धारा तेज हो जाती है, इसलिए प्रत्येक प्लेट के लिए इस प्रक्रिया को लगातार दोहराने के लिए प्रत्येक प्लेट पर सावधानीपूर्वक नियंत्रित एसी वोल्टेज लगाया जाता है।

जैसे-जैसे कण प्रकाश की गति के करीब पहुंचते हैं, विद्युत क्षेत्रों की स्विचिंग दर इतनी अधिक हो जाती है कि वे रेडियो फ्रीक्वेंसी पर काम करते हैं, और इसलिए माइक्रोवेव कैविटी का उपयोग साधारण प्लेटों के बजाय उच्च ऊर्जा मशीनों में किया जाता है।

रेडियोथेरेपी  और  रेडियोसर्जरी  के लिए  दवा  में रैखिक त्वरक का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। मेडिकल ग्रेड लिनेक्स  klystron  और एक जटिल झुकने वाली चुंबक व्यवस्था का उपयोग करके इलेक्ट्रॉनों को तेज करता है जो 6-30    MeV  ऊर्जा का बीम उत्पन्न करता है। इलेक्ट्रॉनों का सीधे उपयोग किया जा सकता है या  एक्स-रे  के बीम का उत्पादन करने के लिए उन्हें लक्ष्य से टकराया जा सकता है। उत्पादित विकिरण बीम की विश्वसनीयता, लचीलेपन और सटीकता ने उपचार उपकरण के रूप में  कोबाल्ट-60  चिकित्सा के पुराने उपयोग को काफी हद तक समाप्त कर दिया है।

परिपत्र या चक्रीय आरएफ त्वरक

वृत्ताकार त्वरक में, कण एक वृत्त में तब तक चलते हैं जब तक कि वे पर्याप्त ऊर्जा तक नहीं पहुंच जाते। कण ट्रैक को आमतौर पर इलेक्ट्रोमैग्नेट एस का उपयोग करके एक सर्कल में घुमाया जाता है। रैखिक त्वरक (linacs) पर परिपत्र त्वरक का लाभ यह है कि रिंग टोपोलॉजी निरंतर त्वरण की अनुमति देती है, क्योंकि कण अनिश्चित काल तक पारगमन कर सकता है। एक अन्य लाभ यह है कि एक गोलाकार त्वरक तुलनीय शक्ति के रैखिक त्वरक से छोटा होता है (यानी एक गोलाकार त्वरक की समकक्ष शक्ति रखने के लिए एक लिनाक को बहुत लंबा होना चाहिए)।

ऊर्जा और कण के त्वरित होने के आधार पर, परिपत्र त्वरक को नुकसान होता है क्योंकि कण सिंक्रोट्रॉन विकिरण उत्सर्जित करते हैं। जब किसी आवेशित कण को त्वरित किया जाता है, तो वह विद्युत चुम्बकीय विकिरण और द्वितीयक उत्सर्जन सेकंड उत्सर्जित करता है। जैसे एक वृत्त में यात्रा करने वाला कण हमेशा वृत्त के केंद्र की ओर गति करता है, यह लगातार वृत्त की स्पर्शरेखा की ओर विकिरण करता है। इस विकिरण को सिंक्रोट्रॉन लाइट कहा जाता है और यह त्वरक कण के द्रव्यमान पर अत्यधिक निर्भर करता है। इस कारण से, कई उच्च ऊर्जा इलेक्ट्रॉन त्वरक linacs हैं। कुछ त्वरक ( सिंक्रोट्रॉन एस) हालांकि विशेष रूप से सिंक्रोट्रॉन प्रकाश ( एक्स-रे एस) के उत्पादन के लिए बनाए गए हैं।

चूँकि विशेष सापेक्षता सिद्धांत की आवश्यकता है कि पदार्थ हमेशा वैक्यूम में प्रकाश की गति से धीमी गति से यात्रा करता है, उच्च ऊर्जा त्वरक में, जैसे-जैसे ऊर्जा बढ़ती है, कण गति एक सीमा के रूप में प्रकाश की गति तक पहुंचती है, लेकिन कभी प्राप्त नहीं होती है यह। इसलिए, कण भौतिक विज्ञानी आमतौर पर गति के संदर्भ में नहीं सोचते हैं, बल्कि एक कण की ऊर्जा या गति के संदर्भ में, आमतौर पर इलेक्ट्रॉन वोल्ट एस (ईवी) में मापा जाता है। परिपत्र त्वरक के लिए एक महत्वपूर्ण सिद्धांत, और सामान्य रूप से कण बीम एस, यह है कि कण प्रक्षेपवक्र का वक्रता कण आवेश और चुंबकीय क्षेत्र के समानुपाती है, लेकिन इसके विपरीत आनुपातिक है (आमतौर पर सापेक्षतावादी ) गति .

साइक्लोट्रॉन

लॉरेंस का 60 इंच का साइक्लोट्रॉन, 60 इंच (5 फीट, 1.5 मीटर) व्यास के चुंबक के खंभे के साथ, कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय लॉरेंस विकिरण प्रयोगशाला , बर्कले, अगस्त, 1939 में, उस समय दुनिया का सबसे शक्तिशाली त्वरक . ग्लेन टी. सीबॉर्ग और एडविन मैकमिलन (दाएं) ने प्लूटोनियम , नेप्च्यूनियम और कई अन्य ट्रांसयूरानिक तत्वों और आइसोटोप की खोज के लिए इसका इस्तेमाल किया, जिसके लिए उन्हें रसायन विज्ञान में 1951 नोबेल पुरस्कार मिला।

सबसे पहले परिचालन परिपत्र त्वरक साइक्लोट्रॉन एस थे, जिसका आविष्कार 1929 में अर्नेस्ट लॉरेंस ने कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले में किया था। साइक्लोट्रॉन में कणों को गति देने के लिए खोखले डी-आकार की प्लेटों की एक जोड़ी होती है और एक बड़ा द्विध्रुवीय चुंबक उनके पथ को एक गोलाकार कक्षा में मोड़ने के लिए होता है। यह एक समान और स्थिर चुंबकीय क्षेत्र B में आवेशित कणों का एक विशिष्ट गुण है कि वे साइक्लोट्रॉन आवृत्ति नामक आवृत्ति पर एक स्थिर अवधि के साथ परिक्रमा करते हैं, जब तक कि उनकी गति प्रकाश की गति की तुलना में छोटी होती है c । इसका मतलब यह है कि एक साइक्लोट्रॉन के त्वरित डी को एक रेडियो फ्रीक्वेंसी (आरएफ) द्वारा बिजली के स्रोत को तेज करने के द्वारा निरंतर आवृत्ति पर संचालित किया जा सकता है, क्योंकि बीम सर्पिल लगातार बाहर की ओर जाता है। कणों को चुंबक के केंद्र में अंतःक्षिप्त किया जाता है और बाहरी किनारे पर उनकी अधिकतम ऊर्जा पर निकाला जाता है।

  सापेक्षतावादी प्रभाव  के कारण साइक्लोट्रॉन एक ऊर्जा सीमा तक पहुंच जाते हैं जिससे कण प्रभावी रूप से अधिक विशाल हो जाते हैं, जिससे कि उनकी साइक्लोट्रॉन आवृत्ति त्वरित आरएफ के साथ सिंक से बाहर हो जाती है। इसलिए, साधारण साइक्लोट्रॉन केवल लगभग 15 मिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट (15 MeV, c के लगभग 10% की गति के अनुरूप) की ऊर्जा तक प्रोटॉन को गति दे सकते हैं, क्योंकि प्रोटॉनड्राइविंग विद्युत क्षेत्र के साथ चरण का टी। यदि और तेज किया जाता है, तो बीम एक बड़े त्रिज्या के लिए बाहर की ओर सर्पिल होता रहेगा लेकिन कण अब बड़े वृत्त को त्वरित आरएफ के साथ कदम में पूरा करने के लिए पर्याप्त गति प्राप्त नहीं करेंगे। सापेक्षतावादी प्रभावों को समायोजित करने के लिए चुंबकीय क्षेत्र को उच्च त्रिज्या तक बढ़ाने की आवश्यकता है जैसा कि  आइसोक्रोनस साइक्लोट्रॉन  एस में किया जाता है। एक समकालिक साइक्लोट्रॉन का एक उदाहरण स्विट्जरलैंड में    पीएसआई रिंग साइक्लोट्रॉन  है, जो 590 मेव की ऊर्जा पर प्रोटॉन प्रदान करता है जो प्रकाश की गति के लगभग 80% के अनुरूप है। इस तरह के साइक्लोट्रॉन का लाभ अधिकतम प्राप्त करने योग्य निकालने योग्य प्रोटॉन धारा है जो वर्तमान में 2.2 एमए है। ऊर्जा और करंट 1.3 मेगावाट बीम पावर के अनुरूप है जो वर्तमान में मौजूद किसी भी एक्सीलरेटर से सबसे अधिक है।

सिंक्रोसायक्लोट्रॉन और समकालिक साइक्लोट्रॉन

ऑर्से प्रोटॉन थेरेपी केंद्र

पर सिंक्रोसायक्लोट्रॉन में एक चुंबक

एक क्लासिक साइक्लोट्रॉन को उसकी ऊर्जा सीमा बढ़ाने के लिए संशोधित किया जा सकता है। ऐतिहासिक रूप से पहला दृष्टिकोण सिंक्रोसायक्लोट्रॉन था, जो गुच्छों में कणों को तेज करता है। यह निरंतर चुंबकीय क्षेत्र . का उपयोग करता है $B$ , लेकिन त्वरित क्षेत्र की आवृत्ति को कम कर देता है ताकि कणों को चरण में रखा जा सके क्योंकि वे अपने द्रव्यमान पर निर्भर साइक्लोट्रॉन अनुनाद आवृत्ति से मेल खाते हैं। यह दृष्टिकोण गुच्छों के कारण कम औसत बीम तीव्रता से ग्रस्त है, और फिर से उच्च ऊर्जा द्वारा मांग की गई बड़ी कक्षा पर बड़े त्रिज्या और निरंतर क्षेत्र के विशाल चुंबक की आवश्यकता से ग्रस्त है।

सापेक्षतावादी कणों में तेजी लाने की समस्या के लिए दूसरा दृष्टिकोण समकालिक साइक्लोट्रॉन है। ऐसी संरचना में, त्वरित क्षेत्र की आवृत्ति (और साइक्लोट्रॉन अनुनाद आवृत्ति) चुंबकीय ध्रुवों को आकार देकर सभी ऊर्जाओं के लिए स्थिर रखी जाती है ताकि त्रिज्या के साथ चुंबकीय क्षेत्र को बढ़ाया जा सके। इस प्रकार, सभी कण समकालिक समय अंतराल में त्वरित हो जाते हैं। उच्च ऊर्जा कण प्रत्येक कक्षा में एक शास्त्रीय साइक्लोट्रॉन की तुलना में कम दूरी की यात्रा करते हैं, इस प्रकार त्वरित क्षेत्र के साथ चरण में रहते हैं। समकालिक साइक्लोट्रॉन का लाभ यह है कि यह उच्च औसत तीव्रता के निरंतर बीम प्रदान कर सकता है, जो कुछ अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी है। मुख्य नुकसान बड़े चुंबक के आकार और लागत की आवश्यकता होती है, और संरचना के बाहरी किनारे पर आवश्यक उच्च चुंबकीय क्षेत्र मूल्यों को प्राप्त करने में कठिनाई होती है।

समकालिक साइक्लोट्रॉन विकसित होने के बाद से सिंक्रोसायक्लोट्रॉन का निर्माण नहीं किया गया है।

सिंक्रोट्रॉन

फर्मीलैब पर टेवाट्रॉन की हवाई तस्वीर, जो एक आकृति आठ से मिलती जुलती है। मुख्य त्वरक ऊपर की अंगूठी है; नीचे वाला (लगभग आधा व्यास, दिखावे के बावजूद) प्रारंभिक त्वरण, बीम शीतलन और भंडारण, आदि के लिए है।

अभी भी उच्च ऊर्जा तक पहुंचने के लिए, सापेक्षतावादी द्रव्यमान कणों के बाकी द्रव्यमान (प्रोटॉन, अरबों इलेक्ट्रॉन वोल्ट या GeV के लिए) के करीब पहुंचने या उससे अधिक होने के लिए, सिंक्रोट्रॉन का उपयोग करना आवश्यक है। यह एक त्वरक है जिसमें कणों को निरंतर त्रिज्या के वलय में त्वरित किया जाता है। साइक्लोट्रॉन पर एक तात्कालिक लाभ यह है कि चुंबकीय क्षेत्र केवल कण कक्षाओं के वास्तविक क्षेत्र में मौजूद होना चाहिए, जो कि वलय की तुलना में बहुत संकरा है। (अमेरिका में निर्मित सबसे बड़े साइक्लोट्रॉन में a . था 184-inch-diameter (4.7 m) चुंबक ध्रुव, जबकि एलईपी और एलएचसी जैसे सिंक्रोट्रॉन का व्यास लगभग 10 किमी है। एलएचसी के दो बीमों का एपर्चर एक सेंटीमीटर के क्रम का है।) एलएचसी में 16 आरएफ गुहाएं, बीम स्टीयरिंग के लिए 1232 सुपरकंडक्टिंग द्विध्रुवीय चुंबक और बीम फोकस करने के लिए 24 चौगुनी शामिल हैं।^[26] इस आकार में भी, एलएचसी कणों को बिना बहाव के चलाने की अपनी क्षमता से सीमित है। यह सीमा 14TeV . पर घटित होने का सिद्धांत है^[27]

हालांकि, चूंकि त्वरण के दौरान कण गति बढ़ जाती है, इसलिए कक्षा की निरंतर वक्रता बनाए रखने के लिए चुंबकीय क्षेत्र बी को अनुपात में बदलना आवश्यक है। नतीजतन, सिंक्रोट्रॉन लगातार कणों को तेज नहीं कर सकते हैं, जैसा कि साइक्लोट्रॉन कर सकते हैं, लेकिन चक्रीय रूप से काम करना चाहिए, गुच्छों में कणों की आपूर्ति करना चाहिए, जो एक लक्ष्य तक पहुंचाए जाते हैं या बीम स्पिल में बाहरी बीम आमतौर पर हर कुछ सेकंड में होता है।

चूंकि उच्च ऊर्जा वाले सिंक्रोट्रॉन अपना अधिकांश काम उन कणों पर करते हैं जो पहले से ही प्रकाश सी की गति से यात्रा कर रहे हैं, रिंग की एक कक्षा को पूरा करने का समय लगभग स्थिर है, जैसा कि की आवृत्ति है। आरएफ कैविटी रेज़ोनेटर त्वरण को चलाने के लिए उपयोग किया जाता है।

आधुनिक सिंक्रोट्रॉन में, बीम एपर्चर छोटा होता है और चुंबकीय क्षेत्र कण कक्षा के पूरे क्षेत्र को कवर नहीं करता है जैसा कि यह एक साइक्लोट्रॉन के लिए करता है, इसलिए कई आवश्यक कार्यों को अलग किया जा सकता है। एक विशाल चुंबक के बजाय, एक में सैकड़ों झुकने वाले चुम्बकों की एक पंक्ति होती है, जो वैक्यूम कनेक्टिंग पाइपों को संलग्न (या संलग्न) करती है। 1950 के दशक की शुरुआत में की मजबूत फोकसिंग अवधारणा की खोज के साथ सिंक्रोट्रॉन के डिजाइन में क्रांतिकारी बदलाव आया था।^[28]^[29]^[30] बीम के फोकस को विशेष क्वाड्रुपोल मैग्नेट द्वारा स्वतंत्र रूप से नियंत्रित किया जाता है, जबकि त्वरण स्वयं अलग-अलग आरएफ वर्गों में पूरा किया जाता है, बल्कि छोटे रैखिक त्वरक के समान होता है।^[31] इसके अलावा, कोई आवश्यकता नहीं है कि चक्रीय मशीनें गोलाकार हों, बल्कि बीम पाइप में मैग्नेट के बीच सीधे खंड हो सकते हैं जहां बीम टकरा सकते हैं, ठंडा हो सकते हैं, आदि। यह एक अलग विषय के रूप में विकसित हुआ है, जिसे बीम भौतिकी या बीम ऑप्टिक्स कहा जाता है।^[32]

अधिक जटिल आधुनिक सिंक्रोट्रॉन जैसे टेवाट्रॉन, एलईपी , और एलएचसी कण गुच्छों को स्टोरा में वितरित कर सकते हैंएक स्थिर चुंबकीय क्षेत्र के साथ जीई रिंग एस मैग्नेट, जहां वे प्रयोग या आगे त्वरण के लिए लंबी अवधि के लिए कक्षा में जारी रख सकते हैं। टेवेट्रॉन और एलएचसी जैसी उच्चतम-ऊर्जा मशीनें वास्तव में त्वरक परिसर हैं, श्रृंखला में विशेष तत्वों के एक कैस्केड के साथ, प्रारंभिक बीम निर्माण के लिए रैखिक त्वरक सहित, मध्यवर्ती ऊर्जा तक पहुंचने के लिए एक या अधिक कम ऊर्जा सिंक्रोट्रॉन, भंडारण के छल्ले जहां बीम हो सकते हैं संचित या ठंडा (आवश्यक चुंबक एपर्चर को कम करना और सख्त ध्यान केंद्रित करने की अनुमति देना; बीम कूलिंग देखें), और अंतिम त्वरण और प्रयोग के लिए एक अंतिम बड़ी रिंग।

DESY

. पर एक इलेक्ट्रॉन सिंक्रोट्रॉन का खंड

इलेक्ट्रॉन सिंक्रोट्रॉन

एसएलएसी  के रैखिक कण त्वरक का निर्माण किया गया था, उस समय सर्कुलर इलेक्ट्रॉन त्वरक कण भौतिकी के पक्ष में कुछ हद तक गिर गए थे, क्योंकि उनके सिंक्रोट्रॉन नुकसान को आर्थिक रूप से निषिद्ध माना जाता था और क्योंकि उनकी बीम तीव्रता अनपल्स्ड रैखिक मशीनों की तुलना में कम थी। त्वरक आधारित विज्ञान और शिक्षा के लिए    कॉर्नेल इलेक्ट्रॉन सिंक्रोट्रॉन , 1970 के दशक के अंत में कम लागत पर निर्मित, मौलिक कण भौतिकी के लिए निर्मित उच्च-ऊर्जा परिपत्र इलेक्ट्रॉन त्वरक की श्रृंखला में पहला था, अंतिम  एलईपी था। , सर्न में बनाया गया था, जिसका उपयोग 1989 से 2000 तक किया गया था।

पिछले दो दशकों में सिंक्रोट्रॉन प्रकाश स्रोत एस के हिस्से के रूप में बड़ी संख्या में इलेक्ट्रॉन सिंक्रोट्रॉन बनाए गए हैं जो पराबैंगनी प्रकाश और एक्स किरणों का उत्सर्जन करते हैं; नीचे देखें।

भंडारण के छल्ले

कुछ अनुप्रयोगों के लिए, उच्च ऊर्जा कणों के बीम को कुछ समय के लिए (आधुनिक उच्च वैक्यूम तकनीक के साथ, कई घंटों तक) बिना किसी त्वरण के स्टोर करना उपयोगी होता है। यह कोलाइडिंग बीम एक्सेलेरेटर के लिए विशेष रूप से सच है, जिसमें विपरीत दिशाओं में चलने वाले दो बीम एक दूसरे से टकराने के लिए बने होते हैं, प्रभावी टक्कर ऊर्जा में एक बड़ा लाभ होता है। चूंकि दो बीमों के प्रतिच्छेदन बिंदु के माध्यम से प्रत्येक पास पर अपेक्षाकृत कम टकराव होते हैं, यह पहले बीम को वांछित ऊर्जा में तेजी लाने के लिए प्रथागत है, और फिर उन्हें भंडारण के छल्ले में संग्रहीत किया जाता है, जो अनिवार्य रूप से मैग्नेट के सिंक्रोट्रॉन रिंग होते हैं, जिनमें कोई महत्वपूर्ण आरएफ नहीं होता है। त्वरण के लिए शक्ति।

सिंक्रोट्रॉन विकिरण स्रोत

कुछ परिपत्र त्वरक जानबूझकर विकिरण उत्पन्न करने के लिए बनाए गए हैं ( सिंक्रोट्रॉन लाइट कहा जाता है) एक्स-रे को सिंक्रोट्रॉन विकिरण भी कहा जाता है, उदाहरण के लिए डायमंड लाइट सोर्स जिसे इंग्लैंड में रदरफोर्ड एपलटन प्रयोगशाला में बनाया गया है या इलिनॉइस , यूएसए में आर्गन नेशनल लेबोरेटरी में उन्नत फोटॉन स्रोत । उच्च-ऊर्जा एक्स-रे एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी प्रोटीन एस या एक्स-रे अवशोषण ठीक संरचना (एक्सएएफएस) के लिए उपयोगी हैं, उदाहरण के लिए।

हल्के कणों द्वारा सिंक्रोट्रॉन विकिरण अधिक शक्तिशाली रूप से उत्सर्जित होता है, इसलिए ये त्वरक हमेशा इलेक्ट्रॉन त्वरक होते हैं। एसएलएसी के स्पीयर में शोध और विकसित के रूप में सिंक्रोट्रॉन विकिरण बेहतर इमेजिंग की अनुमति देता है।

फिक्स्ड-फील्ड अल्टरनेटिंग ग्रैडिएंट एक्सेलेरेटर

  फिक्स्ड-फील्ड अल्टरनेटिंग ग्रेडिएंट एक्सेलेरेटर (एफएफए)  एस, जिसमें एक चुंबकीय क्षेत्र जो समय में तय होता है, लेकिन  मजबूत फोकसिंग  प्राप्त करने के लिए रेडियल भिन्नता के साथ, बीम को त्वरित करने की अनुमति देता है एक उच्च पुनरावृत्ति दर लेकिन साइक्लोट्रॉन मामले की तुलना में बहुत छोटे रेडियल प्रसार में। समकालिक एफएफए, समकालिक साइक्लोट्रॉन की तरह, निरंतर बीम संचालन को प्राप्त करते हैं, लेकिन कक्षाओं के पूरे त्रिज्या को कवर करने वाले एक विशाल द्विध्रुवीय झुकने वाले चुंबक की आवश्यकता के बिना। एफएफए में कुछ नए विकास शामिल हैं in^[33]

इतिहास

अर्नेस्ट लॉरेंस का पहला साइक्लोट्रॉन केवल 4 इंच (100 मिमी) व्यास का था। बाद में, 1939 में, उन्होंने 60-इंच व्यास वाले पोल फेस वाली एक मशीन का निर्माण किया, और 1942 में कण भौतिकी | 184-इंच ]] व्यास में त्वरक की [[ सूची के साथ एक की योजना बनाई, जिसे विश्व युद्ध के लिए ले लिया गया था। II - यूरेनियम आइसोटोप पृथक्करण से संबंधित कार्य; युद्ध के बाद यह कई वर्षों तक अनुसंधान और चिकित्सा के लिए सेवा में रहा।

पहला बड़ा प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन ब्रुकहेवन नेशनल लेबोरेटरी में कॉस्मोट्रॉन था, जिसने प्रोटॉन को लगभग 3 GeV (1953-1968) तक बढ़ा दिया। बर्कले में बेवाट्रॉन , 1954 में पूरा हुआ, विशेष रूप से एंटीप्रोटॉन बनाने के लिए पर्याप्त ऊर्जा के लिए प्रोटॉन को तेज करने के लिए डिज़ाइन किया गया था, और प्रकृति के कण-एंटीपार्टिकल समरूपता को सत्यापित किया गया था, फिर केवल सिद्धांतित किया गया था। ब्रुकहेवन में अल्टरनेटिंग ग्रैडिएंट सिंक्रोट्रॉन (एजीएस) (1960-) बारी-बारी से ढाल वाला पहला बड़ा सिंक्रोट्रॉन था, मजबूत फोकसिंग मैग्नेट, जिसने बीम के आवश्यक एपर्चर को बहुत कम कर दिया, और तदनुसार झुकने वाले मैग्नेट के आकार और लागत को कम कर दिया। . सर्न (1959-) में निर्मित प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन , पहला प्रमुख यूरोपीय कण त्वरक था और आम तौर पर एजीएस के समान था।

स्टैनफोर्ड लीनियर एक्सेलेरेटर , एसएलएसी, 1966 में चालू हो गया, एक 3 किमी लंबी वेवगाइड में इलेक्ट्रॉनों को 30 जीईवी तक तेज कर दिया, एक सुरंग में दफन किया और सैकड़ों बड़े  क्लिस्ट्रॉन  एस द्वारा संचालित किया गया। यह अभी भी अस्तित्व में सबसे बड़ा रैखिक त्वरक है, और इसे भंडारण के छल्ले और एक इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर सुविधा के साथ उन्नत किया गया है। यह एक एक्स-रे और यूवी सिंक्रोट्रॉन फोटॉन स्रोत भी है।

  Fermilab   Tevatron  में एक बीम पथ के साथ एक अंगूठी है 4 miles (6.4 km). इसे कई उन्नयन प्राप्त हुए हैं, और 30 सितंबर, 2011 को बजट कटौती के कारण बंद होने तक प्रोटॉन-एंटीप्रोटॉन कोलाइडर के रूप में कार्य किया है। अब तक का सबसे बड़ा परिपत्र त्वरक    एलईपी   सिंक्रोट्रॉन  बनाया गया था। सर्न में 26.6 किलोमीटर की परिधि के साथ, जो एक इलेक्ट्रॉन /  पॉज़िट्रॉन  कोलाइडर था। 2000 में ध्वस्त होने से पहले इसने 209 GeV की ऊर्जा हासिल की ताकि सुरंग का इस्तेमाल  लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर  (LHC) के लिए किया जा सके। LHC एक प्रोटॉन कोलाइडर है, और वर्तमान में दुनिया का सबसे बड़ा और उच्चतम-ऊर्जा त्वरक है, जो प्रति बीम 6.5 TeV ऊर्जा (कुल 13 TeV) प्राप्त करता है।

टेक्सास  में निरस्त  सुपरकंडक्टिंग सुपर कोलाइडर  (एसएससी) की परिधि 87 किमी होती। निर्माण 1991 में शुरू किया गया था, लेकिन 1993 में छोड़ दिया गया था। सतह पर इस तरह की संरचना के निर्माण के व्यवधान और लागत को कम करने और तीव्र माध्यमिक विकिरणों के खिलाफ परिरक्षण प्रदान करने के लिए कुछ मीटर चौड़ी सुरंगों में बहुत बड़े गोलाकार त्वरक बनाए जाते हैं, जो उच्च ऊर्जाओं में अत्यंत भेदक होते हैं।

स्पेलेशन न्यूट्रॉन स्रोत  जैसे वर्तमान त्वरक, सुपरकंडक्टिंग  क्रायोमॉड्यूल  एस को शामिल करते हैं।  रिलेटिविस्टिक हेवी आयन कोलाइडर , और  लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर  भी कणों को तेज करने के लिए    सुपरकंडक्टिंग  मैग्नेट और    आरएफ कैविटी रेज़ोनेटर  का उपयोग करते हैं।

साइक्लोट्रॉन

लॉरेंस का 60 इंच का साइक्लोट्रॉन, 60 इंच (5 फीट, 1.5 मीटर) व्यास के चुंबक ध्रुवों के साथ, कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय लॉरेंस विकिरण प्रयोगशाला , बर्कले, अगस्त, 1939 में, उस समय दुनिया का सबसे शक्तिशाली त्वरक . ग्लेन टी. सीबॉर्ग और एडविन मैकमिलन (दाएं) ने प्लूटोनियम , नेप्च्यूनियम और कई अन्य ट्रांसयूरानिक तत्वों और आइसोटोप की खोज के लिए इसका इस्तेमाल किया, जिसके लिए उन्हें रसायन विज्ञान में 1951 का नोबेल पुरस्कार मिला।

सबसे पहले परिचालन परिपत्र त्वरक साइक्लोट्रॉन एस थे, जिसका आविष्कार 1929 में अर्नेस्ट लॉरेंस ने कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले में किया था। साइक्लोट्रॉन में कणों को गति देने के लिए खोखले डी-आकार की प्लेटों की एक जोड़ी होती है और एक बड़ा द्विध्रुवीय चुंबक उनके पथ को एक गोलाकार कक्षा में मोड़ने के लिए होता है। यह एक समान और स्थिर चुंबकीय क्षेत्र B में आवेशित कणों का एक विशिष्ट गुण है कि वे साइक्लोट्रॉन आवृत्ति नामक आवृत्ति पर एक स्थिर अवधि के साथ परिक्रमा करते हैं, जब तक कि उनकी गति प्रकाश की गति की तुलना में छोटी होती है c । इसका मतलब यह है कि एक साइक्लोट्रॉन के त्वरित डी को एक रेडियो फ्रीक्वेंसी (आरएफ) द्वारा निरंतर आवृत्ति पर संचालित किया जा सकता है, जो शक्ति स्रोत को तेज करता है, क्योंकि बीम सर्पिल लगातार बाहर की ओर जाता है। कणों को चुंबक के केंद्र में अंतःक्षिप्त किया जाता है और बाहरी किनारे पर उनकी अधिकतम ऊर्जा पर निकाला जाता है।

  सापेक्षतावादी प्रभाव  के कारण साइक्लोट्रॉन एक ऊर्जा सीमा तक पहुंच जाते हैं जिससे कण प्रभावी रूप से अधिक विशाल हो जाते हैं, जिससे कि उनकी साइक्लोट्रॉन आवृत्ति त्वरित आरएफ के साथ सिंक से बाहर हो जाती है। इसलिए, साधारण साइक्लोट्रॉन केवल लगभग 15 मिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट (15 MeV, c के लगभग 10% की गति के अनुरूप) की ऊर्जा के लिए प्रोटॉन को गति दे सकते हैं, क्योंकि प्रोटॉन ड्राइविंग विद्युत क्षेत्र के साथ चरण से बाहर हो जाते हैं। यदि और तेज किया जाता है, तो बीम एक बड़े त्रिज्या के लिए बाहर की ओर सर्पिल होता रहेगा लेकिन कण अब बड़े वृत्त को त्वरित आरएफ के साथ कदम में पूरा करने के लिए पर्याप्त गति प्राप्त नहीं करेंगे। सापेक्षतावादी प्रभावों को समायोजित करने के लिए चुंबकीय क्षेत्र को उच्च त्रिज्या तक बढ़ाने की आवश्यकता है जैसा कि  आइसोक्रोनस साइक्लोट्रॉन  एस में किया जाता है। एक समकालिक साइक्लोट्रॉन का एक उदाहरण स्विट्जरलैंड में    पीएसआई रिंग साइक्लोट्रॉन  है, जो 590 मेव की ऊर्जा पर प्रोटॉन प्रदान करता है जो प्रकाश की गति के लगभग 80% के अनुरूप है। इस तरह के साइक्लोट्रॉन का लाभ अधिकतम प्राप्त करने योग्य निकालने योग्य प्रोटॉन धारा है जो वर्तमान में 2.2 एमए है। ऊर्जा और करंट 1.3 मेगावाट बीम पावर के अनुरूप है जो वर्तमान में मौजूद किसी भी एक्सीलरेटर से सबसे अधिक है।

सिंक्रोसायक्लोट्रॉन और समकालिक साइक्लोट्रॉन

ऑर्से प्रोटॉन थेरेपी केंद्र

पर सिंक्रोसायक्लोट्रॉन में एक चुंबक

एक क्लासिक साइक्लोट्रॉन को उसकी ऊर्जा सीमा बढ़ाने के लिए संशोधित किया जा सकता है। ऐतिहासिक रूप से पहला दृष्टिकोण सिंक्रोसायक्लोट्रॉन था, जो गुच्छों में कणों को तेज करता है। यह निरंतर चुंबकीय क्षेत्र . का उपयोग करता है $B$ , लेकिन त्वरित क्षेत्र की आवृत्ति को कम कर देता है ताकि कणों को चरण में रखा जा सके क्योंकि वे अपने द्रव्यमान पर निर्भर साइक्लोट्रॉन अनुनाद आवृत्ति से मेल खाते हैं। यह दृष्टिकोण गुच्छों के कारण कम औसत बीम तीव्रता से ग्रस्त है, और फिर से उच्च ऊर्जा द्वारा मांग की गई बड़ी कक्षा पर बड़े त्रिज्या और निरंतर क्षेत्र के विशाल चुंबक की आवश्यकता से ग्रस्त है।

सापेक्षतावादी कणों में तेजी लाने की समस्या के लिए दूसरा दृष्टिकोण समकालिक साइक्लोट्रॉन है। ऐसी संरचना में, त्वरित क्षेत्र की आवृत्ति (और साइक्लोट्रॉन अनुनाद आवृत्ति) चुंबकीय ध्रुवों को आकार देकर सभी ऊर्जाओं के लिए स्थिर रखी जाती है ताकि त्रिज्या के साथ चुंबकीय क्षेत्र को बढ़ाया जा सके। इस प्रकार, सभी कण समकालिक समय अंतराल में त्वरित हो जाते हैं। उच्च ऊर्जा कण प्रत्येक कक्षा में एक शास्त्रीय साइक्लोट्रॉन की तुलना में कम दूरी की यात्रा करते हैं, इस प्रकार त्वरित क्षेत्र के साथ चरण में रहते हैं। समकालिक साइक्लोट्रॉन का लाभ यह है कि यह उच्च औसत तीव्रता के निरंतर बीम प्रदान कर सकता है, जो कुछ अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी है। मुख्य नुकसान बड़े चुंबक के आकार और लागत की आवश्यकता होती है, और संरचना के बाहरी किनारे पर आवश्यक उच्च चुंबकीय क्षेत्र मूल्यों को प्राप्त करने में कठिनाई होती है।

समकालिक साइक्लोट्रॉन विकसित होने के बाद से सिंक्रोसायक्लोट्रॉन का निर्माण नहीं किया गया है।

सिंक्रोट्रॉन

फर्मीलैब पर टेवाट्रॉन की हवाई तस्वीर, जो एक आकृति आठ से मिलती जुलती है। मुख्य त्वरक ऊपर की अंगूठी है; नीचे वाला (लगभग आधा व्यास, दिखावे के बावजूद) प्रारंभिक त्वरण, बीम शीतलन और भंडारण, आदि के लिए है।

अभी भी उच्च ऊर्जा तक पहुंचने के लिए, सापेक्षतावादी द्रव्यमान कणों के बाकी द्रव्यमान (प्रोटॉन, अरबों इलेक्ट्रॉन वोल्ट या GeV के लिए) के करीब पहुंचने या उससे अधिक होने के लिए, सिंक्रोट्रॉन का उपयोग करना आवश्यक है। यह एक त्वरक है जिसमें कणों को निरंतर त्रिज्या के वलय में त्वरित किया जाता है। साइक्लोट्रॉन पर एक तात्कालिक लाभ यह है कि चुंबकीय क्षेत्र केवल कण कक्षाओं के वास्तविक क्षेत्र में मौजूद होना चाहिए, जो कि वलय की तुलना में बहुत संकरा है। (अमेरिका में निर्मित सबसे बड़े साइक्लोट्रॉन में a . था 184-inch-diameter (4.7 m) चुंबक ध्रुव, जबकि एलईपी और एलएचसी जैसे सिंक्रोट्रॉन का व्यास लगभग 10 किमी है। एलएचसी के दो बीमों का एपर्चर एक सेंटीमीटर के क्रम का है।) एलएचसी में 16 आरएफ गुहाएं, बीम स्टीयरिंग के लिए 1232 सुपरकंडक्टिंग द्विध्रुवीय चुंबक और बीम फोकस करने के लिए 24 चौगुनी शामिल हैं।^[26] इस आकार में भी, एलएचसी कणों को बिना बहाव के चलाने की अपनी क्षमता से सीमित है। यह सीमा 14TeV . पर घटित होने का सिद्धांत है^[27]

हालांकि, चूंकि त्वरण के दौरान कण गति बढ़ जाती है, इसलिए कक्षा की निरंतर वक्रता बनाए रखने के लिए चुंबकीय क्षेत्र बी को अनुपात में बदलना आवश्यक है। नतीजतन, सिंक्रोट्रॉन लगातार कणों को तेज नहीं कर सकते हैं, जैसा कि साइक्लोट्रॉन कर सकते हैं, लेकिन चक्रीय रूप से काम करना चाहिए, गुच्छों में कणों की आपूर्ति करना चाहिए, जो एक लक्ष्य तक पहुंचाए जाते हैं या बीम स्पिल में बाहरी बीम आमतौर पर हर कुछ सेकंड में होता है।

चूंकि उच्च ऊर्जा वाले सिंक्रोट्रॉन अपना अधिकांश काम उन कणों पर करते हैं जो पहले से ही प्रकाश सी की गति से यात्रा कर रहे हैं, रिंग की एक कक्षा को पूरा करने का समय लगभग स्थिर है, जैसा कि की आवृत्ति है। आरएफ कैविटी रेज़ोनेटर त्वरण को चलाने के लिए उपयोग किया जाता है।

आधुनिक सिंक्रोट्रॉन में, बीम एपर्चर छोटा होता है और चुंबकीय क्षेत्र कण कक्षा के पूरे क्षेत्र को कवर नहीं करता है जैसा कि यह एक साइक्लोट्रॉन के लिए करता है, इसलिए कई आवश्यक कार्यों को अलग किया जा सकता है। एक विशाल चुंबक के बजाय, एक में सैकड़ों झुकने वाले चुम्बकों की एक पंक्ति होती है, जो वैक्यूम कनेक्टिंग पाइपों को संलग्न (या संलग्न) करती है। 1950 के दशक की शुरुआत में की मजबूत फोकसिंग अवधारणा की खोज के साथ सिंक्रोट्रॉन के डिजाइन में क्रांतिकारी बदलाव आया था।^[34]^[35]^[36] बीम के फोकस को विशेष क्वाड्रुपोल मैग्नेट द्वारा स्वतंत्र रूप से नियंत्रित किया जाता है, जबकि त्वरण स्वयं अलग-अलग आरएफ वर्गों में पूरा किया जाता है, बल्कि छोटे रैखिक त्वरक के समान होता है।^[37] इसके अलावा, कोई आवश्यकता नहीं है कि चक्रीय मशीनें गोलाकार हों, बल्कि बीम पाइप में मैग्नेट के बीच सीधे खंड हो सकते हैं जहां बीम टकरा सकते हैं, ठंडा हो सकते हैं, आदि। यह एक अलग विषय के रूप में विकसित हुआ है, जिसे बीम भौतिकी या बीम ऑप्टिक्स कहा जाता है।^[38]

अधिक जटिल आधुनिक सिंक्रोट्रॉन जैसे कि टेवेट्रॉन, एलईपी , और एलएचसी कण बंच को स्टोरेज रिंग एस मैग्नेट में एक निरंतर चुंबकीय क्षेत्र के साथ वितरित कर सकते हैं, जहां वे प्रयोग या आगे त्वरण के लिए लंबी अवधि के लिए कक्षा में जारी रख सकते हैं। टेवेट्रॉन और एलएचसी जैसी उच्चतम-ऊर्जा मशीनें वास्तव में त्वरक परिसर हैं, श्रृंखला में विशेष तत्वों के एक कैस्केड के साथ, प्रारंभिक बीम निर्माण के लिए रैखिक त्वरक, मध्यवर्ती ऊर्जा तक पहुंचने के लिए एक या एक से अधिक कम ऊर्जा सिंक्रोट्रॉन, भंडारण के छल्ले जहां बीम हो सकते हैं संचित या ठंडा (आवश्यक चुंबक एपर्चर को कम करना और सख्त ध्यान केंद्रित करने की अनुमति देना; बीम कूलिंग देखें), और अंतिम त्वरण और प्रयोग के लिए एक अंतिम बड़ी रिंग।

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. पर एक इलेक्ट्रॉन सिंक्रोट्रॉन का खंड

इलेक्ट्रॉन सिंक्रोट्रॉन

एसएलएसी  के रैखिक कण त्वरक का निर्माण किया गया था, उस समय सर्कुलर इलेक्ट्रॉन त्वरक कण भौतिकी के पक्ष में कुछ हद तक गिर गए थे, क्योंकि उनके सिंक्रोट्रॉन नुकसान को आर्थिक रूप से निषिद्ध माना जाता था और क्योंकि उनकी बीम तीव्रता अनपल्स्ड रैखिक मशीनों की तुलना में कम थी। त्वरक आधारित विज्ञान और शिक्षा के लिए    कॉर्नेल इलेक्ट्रॉन सिंक्रोट्रॉन , 1970 के दशक के अंत में कम लागत पर निर्मित, मौलिक कण भौतिकी के लिए निर्मित उच्च-ऊर्जा परिपत्र इलेक्ट्रॉन त्वरक की श्रृंखला में पहला था, अंतिम  एलईपी था। , सर्न में बनाया गया था, जिसका उपयोग 1989 से 2000 तक किया गया था।

पिछले दो दशकों में सिंक्रोट्रॉन प्रकाश स्रोत एस के हिस्से के रूप में बड़ी संख्या में इलेक्ट्रॉन सिंक्रोट्रॉन बनाए गए हैं जो पराबैंगनी प्रकाश और एक्स किरणों का उत्सर्जन करते हैं; नीचे देखें।

इलेक्ट्रॉन सिंक्रोट्रॉन

एसएलएसी  के रैखिक कण त्वरक का निर्माण किया गया था, उस समय सर्कुलर इलेक्ट्रॉन त्वरक कण भौतिकी के पक्ष में कुछ हद तक गिर गए थे, क्योंकि उनके सिंक्रोट्रॉन नुकसान को आर्थिक रूप से निषिद्ध माना जाता था और क्योंकि उनकी बीम तीव्रता अनपल्स्ड रैखिक मशीनों की तुलना में कम थी। त्वरक आधारित विज्ञान और शिक्षा के लिए    कॉर्नेल इलेक्ट्रॉन सिंक्रोट्रॉन , 1970 के दशक के अंत में कम लागत पर निर्मित, मौलिक कण भौतिकी के लिए निर्मित उच्च-ऊर्जा परिपत्र इलेक्ट्रॉन त्वरक की श्रृंखला में पहला था, अंतिम  एलईपी था। , सर्न में बनाया गया था, जिसका उपयोग 1989 से 2000 तक किया गया था।

पिछले दो दशकों में सिंक्रोट्रॉन प्रकाश स्रोत एस के हिस्से के रूप में बड़ी संख्या में इलेक्ट्रॉन सिंक्रोट्रॉन बनाए गए हैं जो पराबैंगनी प्रकाश और एक्स किरणों का उत्सर्जन करते हैं; नीचे देखें।

भंडारण के छल्ले

कुछ अनुप्रयोगों के लिए, उच्च ऊर्जा कणों के बीम को कुछ समय के लिए (आधुनिक उच्च वैक्यूम तकनीक के साथ, कई घंटों तक) बिना किसी त्वरण के स्टोर करना उपयोगी होता है। यह कोलाइडिंग बीम एक्सेलेरेटर के लिए विशेष रूप से सच है, जिसमें विपरीत दिशाओं में चलने वाले दो बीम एक दूसरे से टकराने के लिए बने होते हैं, प्रभावी टक्कर ऊर्जा में एक बड़ा लाभ होता है। चूंकि दो बीमों के प्रतिच्छेदन बिंदु के माध्यम से प्रत्येक पास पर अपेक्षाकृत कम टकराव होते हैं, यह पहले बीम को वांछित ऊर्जा में तेजी लाने के लिए प्रथागत है, और फिर उन्हें भंडारण के छल्ले में संग्रहीत किया जाता है, जो अनिवार्य रूप से मैग्नेट के सिंक्रोट्रॉन रिंग होते हैं, जिनमें कोई महत्वपूर्ण आरएफ नहीं होता है। त्वरण के लिए शक्ति।

सिंक्रोट्रॉन विकिरण स्रोत

कुछ परिपत्र त्वरक जानबूझकर विकिरण उत्पन्न करने के लिए बनाए गए हैं ( सिंक्रोट्रॉन लाइट कहा जाता है) एक्स-रे को सिंक्रोट्रॉन विकिरण भी कहा जाता है, उदाहरण के लिए डायमंड लाइट सोर्स जिसे इंग्लैंड में रदरफोर्ड एपलटन प्रयोगशाला में बनाया गया है या इलिनॉइस , यूएसए में आर्गन नेशनल लेबोरेटरी में उन्नत फोटॉन स्रोत । उच्च-ऊर्जा एक्स-रे एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी प्रोटीन एस या एक्स-रे अवशोषण ठीक संरचना (एक्सएएफएस) के लिए उपयोगी हैं, उदाहरण के लिए।

हल्के कणों द्वारा सिंक्रोट्रॉन विकिरण अधिक शक्तिशाली रूप से उत्सर्जित होता है, इसलिए ये त्वरक हमेशा इलेक्ट्रॉन त्वरक होते हैं। एसएलएसी के स्पीयर में शोध और विकसित के रूप में सिंक्रोट्रॉन विकिरण बेहतर इमेजिंग की अनुमति देता है।

फिक्स्ड-फील्ड अल्टरनेटिंग ग्रैडिएंट एक्सेलेरेटर

  फिक्स्ड-फील्ड अल्टरनेटिंग ग्रेडिएंट एक्सेलेरेटर (एफएफए)  एस, जिसमें एक चुंबकीय क्षेत्र जो समय में तय होता है, लेकिन  मजबूत फोकसिंग  प्राप्त करने के लिए रेडियल भिन्नता के साथ, बीम को त्वरित करने की अनुमति देता है एक उच्च पुनरावृत्ति दर लेकिन साइक्लोट्रॉन मामले की तुलना में बहुत छोटे रेडियल प्रसार में। समकालिक एफएफए, समकालिक साइक्लोट्रॉन की तरह, निरंतर बीम संचालन को प्राप्त करते हैं, लेकिन कक्षाओं के पूरे त्रिज्या को कवर करने वाले एक विशाल द्विध्रुवीय झुकने वाले चुंबक की आवश्यकता के बिना। एफएफए में कुछ नए विकास शामिल हैं^[39]

इतिहास

अर्नेस्ट लॉरेंस का पहला साइक्लोट्रॉन केवल 4 इंच (100 मिमी) व्यास का था। बाद में, 1939 में, उन्होंने 60-इंच व्यास वाले पोल फेस वाली एक मशीन का निर्माण किया, और 1942 में कण भौतिकी | 184-इंच ]] व्यास में त्वरक की [[ सूची के साथ एक की योजना बनाई, जिसे विश्व युद्ध के लिए ले लिया गया था। II - यूरेनियम आइसोटोप पृथक्करण से संबंधित कार्य; युद्ध के बाद यह कई वर्षों तक अनुसंधान और चिकित्सा के लिए सेवा में रहा।

पहला बड़ा प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन ब्रुकहेवन नेशनल लेबोरेटरी में कॉस्मोट्रॉन था, जिसने प्रोटॉन को लगभग 3 GeV (1953-1968) तक बढ़ा दिया। बर्कले में बेवाट्रॉन , 1954 में पूरा हुआ, विशेष रूप से एंटीप्रोटॉन बनाने के लिए पर्याप्त ऊर्जा के लिए प्रोटॉन को तेज करने के लिए डिज़ाइन किया गया था, और प्रकृति के कण-एंटीपार्टिकल समरूपता को सत्यापित किया गया था, फिर केवल सिद्धांतित किया गया था। ब्रुकहेवन में अल्टरनेटिंग ग्रैडिएंट सिंक्रोट्रॉन (एजीएस) (1960-) बारी-बारी से ढाल वाला पहला बड़ा सिंक्रोट्रॉन था, मजबूत फोकसिंग मैग्नेट, जिसने बीम के आवश्यक एपर्चर को बहुत कम कर दिया, और तदनुसार झुकने वाले मैग्नेट के आकार और लागत को कम कर दिया। . सर्न (1959-) में निर्मित प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन , पहला प्रमुख यूरोपीय कण त्वरक था और आम तौर पर एजीएस के समान था।

स्टैनफोर्ड लीनियर एक्सेलेरेटर , एसएलएसी, 1966 में चालू हो गया, एक 3 किमी लंबी वेवगाइड में इलेक्ट्रॉनों को 30 जीईवी तक तेज कर दिया, एक सुरंग में दफन किया और सैकड़ों बड़े  क्लिस्ट्रॉन  एस द्वारा संचालित किया गया। यह अभी भी अस्तित्व में सबसे बड़ा रैखिक त्वरक है, और इसे भंडारण के छल्ले और एक इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर सुविधा के साथ उन्नत किया गया है। यह एक एक्स-रे और यूवी सिंक्रोट्रॉन फोटॉन स्रोत भी है।

  Fermilab   Tevatron  में एक बीम पथ के साथ एक अंगूठी है 4 miles (6.4 km). इसे कई उन्नयन प्राप्त हुए हैं, और 30 सितंबर, 2011 को बजट कटौती के कारण बंद होने तक प्रोटॉन-एंटीप्रोटॉन कोलाइडर के रूप में कार्य किया है। अब तक का सबसे बड़ा परिपत्र त्वरक    एलईपी   सिंक्रोट्रॉन  बनाया गया था। सर्न में 26.6 किलोमीटर की परिधि के साथ, जो एक इलेक्ट्रॉन /  पॉज़िट्रॉन  कोलाइडर था। 2000 में ध्वस्त होने से पहले इसने 209 GeV की ऊर्जा हासिल की ताकि सुरंग का इस्तेमाल  लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर  (LHC) के लिए किया जा सके। LHC एक प्रोटॉन कोलाइडर है, और वर्तमान में दुनिया का सबसे बड़ा और उच्चतम-ऊर्जा त्वरक है, जो प्रति बीम 6.5 TeV ऊर्जा (कुल 13 TeV) प्राप्त करता है।

टेक्सास  में निरस्त  सुपरकंडक्टिंग सुपर कोलाइडर  (एसएससी) की परिधि 87 किमी होती। निर्माण 1991 में शुरू किया गया था, लेकिन 1993 में छोड़ दिया गया था। सतह पर इस तरह की संरचना के निर्माण के व्यवधान और लागत को कम करने और तीव्र माध्यमिक विकिरणों के खिलाफ परिरक्षण प्रदान करने के लिए कुछ मीटर चौड़ी सुरंगों में बहुत बड़े गोलाकार त्वरक बनाए जाते हैं, जो उच्च ऊर्जाओं में अत्यंत भेदक होते हैं।

स्पेलेशन न्यूट्रॉन स्रोत  जैसे वर्तमान त्वरक, सुपरकंडक्टिंग  क्रायोमॉड्यूल  एस को शामिल करते हैं।  रिलेटिविस्टिक हेवी आयन कोलाइडर , और  लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर  भी कणों को तेज करने के लिए    सुपरकंडक्टिंग  मैग्नेट और    आरएफ कैविटी रेज़ोनेटर  का उपयोग करते हैं।

लक्ष्य

एक कण त्वरक का उत्पादन आम तौर पर विद्युत चुंबक के विचलन के माध्यम से प्रयोगों की कई पंक्तियों की ओर निर्देशित किया जा सकता है, एक निश्चित समय में। यह चीजों को इधर-उधर करने या संपूर्ण त्वरक बीम को बंद किए बिना कई प्रयोगों को संचालित करना संभव बनाता है। सिंक्रोट्रॉन विकिरण स्रोतों को छोड़कर, एक त्वरक का उद्देश्य पदार्थ के साथ बातचीत के लिए उच्च-ऊर्जा कण उत्पन्न करना है।

यह आमतौर पर एक निश्चित लक्ष्य होता है, जैसे टेलीविजन ट्यूब के मामले में स्क्रीन के पीछे फॉस्फोर कोटिंग; न्यूट्रॉन स्रोत के रूप में डिज़ाइन किए गए त्वरक में यूरेनियम का एक टुकड़ा; या एक्स-रे जनरेटर के लिए टंगस्टन लक्ष्य। एक लिनाक में, लक्ष्य को केवल त्वरक के अंत में फिट किया जाता है। साइक्लोट्रॉन में कण ट्रैक सर्कुलर मशीन के केंद्र से बाहर की ओर एक सर्पिल होता है, इसलिए त्वरित कण एक निश्चित बिंदु से एक रैखिक त्वरक के रूप में निकलते हैं।

सिंक्रोट्रॉन के लिए, स्थिति अधिक जटिल है। कणों को वांछित ऊर्जा में त्वरित किया जाता है। फिर, एक तेजी से अभिनय करने वाले द्विध्रुवीय चुंबक का उपयोग कणों को वृत्ताकार सिंक्रोट्रॉन ट्यूब से बाहर और लक्ष्य की ओर ले जाने के लिए किया जाता है।

कण भौतिकी  अनुसंधान के लिए आमतौर पर इस्तेमाल किया जाने वाला एक बदलाव  कोलाइडर  है, जिसे स्टोरेज रिंग कोलाइडर भी कहा जाता है। दो वृत्ताकार सिंक्रोट्रॉन निकट निकटता में निर्मित होते हैं – आमतौर पर एक दूसरे के ऊपर और एक ही चुम्बक का उपयोग करते हैं (जो तब दोनों बीम ट्यूबों को समायोजित करने के लिए अधिक जटिल डिजाइन के होते हैं)। कणों के गुच्छा दो त्वरक के चारों ओर विपरीत दिशाओं में यात्रा करते हैं और उनके बीच के चौराहे पर टकराते हैं। यह ऊर्जा को काफी बढ़ा सकता है; जबकि एक निश्चित-लक्ष्य प्रयोग में नए कणों को उत्पन्न करने के लिए उपलब्ध ऊर्जा बीम ऊर्जा के वर्गमूल के समानुपाती होती है, एक कोलाइडर में उपलब्ध ऊर्जा रैखिक होती है।

डिटेक्टर

उच्च ऊर्जा

File:Particle Accelerator Livingston Chart 2010.png

एक लिविंगस्टन चार्ट 2010 के माध्यम से टक्कर ऊर्जा में प्रगति को दर्शाता है। एलएचसी अब तक की सबसे बड़ी टक्कर ऊर्जा है, लेकिन लॉग-लीनियर प्रवृत्ति में पहले ब्रेक का भी प्रतिनिधित्व करता है।

वर्तमान में उच्चतम ऊर्जा त्वरक सभी गोलाकार कोलाइडर हैं, लेकिन हैड्रॉन त्वरक और इलेक्ट्रॉन त्वरक दोनों सीमा में चल रहे हैं। बढ़ी हुई बीम कठोरता के कारण उच्च ऊर्जा हैड्रॉन और आयन चक्रीय त्वरक को बड़े भौतिक आकार के त्वरक सुरंगों की आवश्यकता होगी।

चक्रीय इलेक्ट्रॉन त्वरक के लिए, व्यावहारिक मोड़ त्रिज्या पर एक सीमा सिंक्रोट्रॉन विकिरण हानियों द्वारा रखी जाती है और अगली पीढ़ी शायद वर्तमान लंबाई से 10 गुना रैखिक त्वरक होगी। ऐसी अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रॉन त्वरक का एक उदाहरण प्रस्तावित 40 किमी लंबा अंतर्राष्ट्रीय रैखिक कोलाइडर है।

ऐसा माना जाता है कि इलेक्ट्रॉन-बीम आफ्टरबर्नर के रूप में प्लाज्मा वेकफील्ड त्वरण और स्टैंडअलोन लेजर पल्सर दो से तीन दशकों के भीतर आरएफ त्वरक पर दक्षता में नाटकीय वृद्धि प्रदान करने में सक्षम हो सकते हैं। प्लाज्मा वेकफील्ड त्वरक में, बीम गुहा एक प्लाज्मा (वैक्यूम के बजाय) से भरा होता है। इलेक्ट्रॉनों या लेजर प्रकाश की एक छोटी नाड़ी या तो त्वरित कणों का गठन करती है या तुरंत पहले होती है। नाड़ी प्लाज्मा को बाधित करती है, जिससे प्लाज्मा में आवेशित कण एकीकृत हो जाते हैं और उन कणों के समूह के पीछे की ओर बढ़ जाते हैं जिन्हें त्वरित किया जा रहा है। यह प्रक्रिया ऊर्जा को कण गुच्छा में स्थानांतरित करती है, इसे और तेज करती है, और जब तक नाड़ी सुसंगत होती है तब तक जारी रहती है^[40]

लेजर पल्सर का उपयोग करके मिलीमीटर-पैमाने की दूरी पर 200 GeV/m जितनी तेज ऊर्जा ढाल हासिल की गई है^[41] और केवल रेडियो-आवृत्ति त्वरण के लिए लगभग 0.1 GeV/m की सीमा के विपरीत, इलेक्ट्रॉन-बीम प्रणालियों के साथ बहु-सेंटीमीटर-पैमाने पर 1 GeV/m के निकट ग्रेडिएंट का उत्पादन किया जा रहा है। एसएलएसी जैसे मौजूदा इलेक्ट्रॉन त्वरक बीम की तीव्रता की कीमत पर अपने कण बीम की ऊर्जा को बढ़ाने के लिए इलेक्ट्रॉन-बीम आफ्टरबर्नर का उपयोग कर सकते हैं। आम तौर पर इलेक्ट्रॉन सिस्टम कसकर समेकित, विश्वसनीय बीम प्रदान कर सकते हैं; लेजर सिस्टम अधिक शक्ति और कॉम्पैक्टनेस प्रदान कर सकते हैं। इस प्रकार, प्लाज्मा वेकफील्ड त्वरक का उपयोग किया जा सकता है - यदि तकनीकी मुद्दों को हल किया जा सकता है - दोनों सबसे बड़े त्वरक की अधिकतम ऊर्जा बढ़ाने और विश्वविद्यालय प्रयोगशालाओं और चिकित्सा केंद्रों में उच्च ऊर्जा लाने के लिए।

ढांकता हुआ लेजर त्वरक द्वारा 0.25 GeV / m से अधिक ग्रेडिएंट प्राप्त किए गए हैं^[42] जो ano . पेश कर सकता हैकॉम्पैक्ट उच्च-ऊर्जा त्वरक के निर्माण के लिए व्यवहार्य दृष्टिकोण^[43] फेमटोसेकंड अवधि के लेजर पल्स का उपयोग करते हुए, ढांकता हुआ लेजर त्वरक के लिए एक इलेक्ट्रॉन त्वरक ढाल 0.69 Gev/m दर्ज किया गया था।^[44] आगे के अनुकूलन के बाद 1 से 6 GeV/m के क्रम के उच्च ग्रेडिएंट्स का अनुमान है^[45]

ब्लैक होल उत्पादन और सार्वजनिक सुरक्षा चिंताओं

भविष्य में, उच्चतम ऊर्जा त्वरक पर ब्लैक होल उत्पादन की संभावना उत्पन्न हो सकती है यदि सुपरस्ट्रिंग सिद्धांत की कुछ भविष्यवाणियां सटीक हैं^[46]^[47] इस और अन्य संभावनाओं के कारण लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर | सार्वजनिक सुरक्षा चिंताओं ]] पर कण टकराव की [[ सुरक्षा हुई है, जिसे एलएचसी के संबंध में व्यापक रूप से रिपोर्ट किया गया है, जो 2008 में शुरू हुआ था। विभिन्न संभावित खतरनाक परिदृश्यों का मूल्यांकन किया गया है एलएचसी सुरक्षा आकलन समूह द्वारा उत्पादित नवीनतम जोखिम मूल्यांकन में कोई संभावित खतरा नहीं पेश करना^[48] यदि ब्लैक होल उत्पन्न होते हैं, तो सैद्धांतिक रूप से यह भविष्यवाणी की जाती है कि ऐसे छोटे ब्लैक होल बेकेनस्टीन-हॉकिंग विकिरण के माध्यम से बहुत जल्दी वाष्पित हो जाएंगे, लेकिन जो अभी तक प्रयोगात्मक रूप से अपुष्ट है। यदि कोलाइडर ब्लैक होल उत्पन्न कर सकते हैं, तो कॉस्मिक रे एस (और विशेष रूप से अल्ट्रा-हाई-एनर्जी कॉस्मिक रे एस, यूएचईसीआर) उन्हें युगों से पैदा कर रहे होंगे, लेकिन उन्होंने अभी तक किसी को नुकसान नहीं पहुंचाया है^[49] यह तर्क दिया गया है कि ऊर्जा और गति के संरक्षण के लिए, यूएचईसीआर और स्थानीय पदार्थ के बीच टकराव में बनाए गए किसी भी ब्लैक होल को पृथ्वी के संबंध में सापेक्ष गति से आगे बढ़ते हुए उत्पादित किया जाएगा, और अंतरिक्ष में बच जाना चाहिए, क्योंकि उनकी वृद्धि और विकास दर बहुत धीमा होना चाहिए, जबकि कोलाइडर (समान द्रव्यमान के घटकों के साथ) में उत्पन्न ब्लैक होल में पृथ्वी से बचने के वेग से कम वेग होने की कुछ संभावना होगी, 11.2 किमी प्रति सेकंड, और कब्जा करने और बाद में वृद्धि के लिए उत्तरदायी होगा। फिर भी ऐसे परिदृश्यों पर भी सफेद बौनों और न्यूट्रॉन सितारों के साथ यूएचईसीआर के टकराव से उनका तेजी से विनाश होगा, लेकिन इन निकायों को सामान्य खगोलीय पिंडों के रूप में देखा जाता है। इस प्रकार यदि स्थिर सूक्ष्म ब्लैक होल का उत्पादन किया जाना चाहिए, तो उन्हें सौर मंडल के प्राकृतिक जीवनकाल के भीतर किसी भी ध्यान देने योग्य मैक्रोस्कोपिक प्रभाव का कारण बनने के लिए बहुत धीमी गति से बढ़ना चाहिए।^[48]

एक्सेलरेटर ऑपरेटर

सुपरकंडक्टिविटी, क्रायोजेनिक्स, और उच्च शक्ति वाले रेडियोफ्रीक्वेंसी एम्पलीफायरों के साथ-साथ आयनकारी विकिरण की उपस्थिति जैसी उन्नत तकनीकों का उपयोग, त्वरक सुविधाओं के सुरक्षित संचालन के लिए चुनौतियां पेश करता है।^[50]^[51] एक एक्सेलरेटर ऑपरेटर एक कण त्वरक के संचालन को नियंत्रित करता है, पहलू अनुपात , वर्तमान तीव्रता और लक्ष्य पर स्थिति जैसे ऑपरेटिंग मापदंडों को समायोजित करता है। वे वैक्यूम , मैग्नेट , चुंबकीय और रेडियोफ्रीक्वेंसी बिजली आपूर्ति और नियंत्रण, और शीतलन प्रणाली जैसे समर्थन प्रणालियों की तैयारी सुनिश्चित करने के लिए त्वरक रखरखाव कर्मियों के साथ संवाद और सहायता करते हैं। इसके अतिरिक्त, त्वरक ऑपरेटर त्वरक से संबंधित घटनाओं का रिकॉर्ड रखता है।

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