सिंक्रोट्रॉन

सिंक्रोट्रॉन एक विशेष प्रकार का चक्रीय कण उत्प्रेरक है, जो साइक्लोट्रॉन से निकला है, जिसमें त्वरित कण बीम एक निश्चित बंद-लूप पथ के आसपास संचरण करता है। चुंबकीय क्षेत्र जो कण बीम को अपने बंद पथ में मोड़ता है, त्वरित प्रक्रिया के दौरान समय के साथ बढ़ता है, जिसे कणों की बढ़ती गतिज ऊर्जा के लिए 'तुल्यकालित' किया जाता है। सिंक्रोट्रॉन बड़े पैमाने की सुविधाओं के निर्माण को सक्षम करने वाली पहली उत्प्रेरक अवधारणाओं में से एक है, क्योंकि बंकन, बीम फ़ोकसिंग और त्वरण को विभिन्न घटकों में अलग किया जा सकता है। सबसे शक्तिशाली आधुनिक कण उत्प्रेरक सिंक्रोट्रॉन डिज़ाइन के संस्करणों का उपयोग करते हैं। सबसे बड़ा सिंक्रोट्रॉन-प्रकार त्वरक, दुनिया में सबसे बड़ा कण त्वरक भी, जिनेवा, स्विट्जरलैंड के पास 27-किलोमीटर-परिधि (17 मील) लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (एलएचसी) है, जिसे 2008 में यूरोपियन ऑर्गनाइजेशन फॉर न्यूक्लियर रिसर्च (सी ईआरएन) द्वारा बनाया गया था। यह प्रोटॉन के बीम को 6.5 टेरा इलेक्ट्रॉनवोल्ट (TeV या 1012 eV) की ऊर्जा में त्वरित कर सकता है।

सिंक्रोट्रॉन सिद्धांत का आविष्कार व्लादिमीर वेक्स्लर ने 1944 में किया था। एडविन मैकमिलन ने 1945 में पहले इलेक्ट्रॉन सिंक्रोट्रॉन का निर्माण किया, और स्वतंत्र रूप वेक्स्लर के प्रकाशन को याद कर इस विचार पर पहुंचे, (जो केवल एक सोवियत संघ पत्रिका में उपलब्ध था, हालांकि अंग्रेजी में)। पहला प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन मार्क ओलिपंट द्वारा 1952 में डिजाइन किया गया था ।

प्रकार
कई विशेष प्रकार की सिंक्रोट्रॉन मशीनों का आज उपयोग किया जाता है:
 * भंडारण वलय एक विशेष प्रकार का सिंक्रोट्रॉन है जिसमें कणों की गतिज ऊर्जा स्थिर रखी जाती है।
 * एक सिंक्रोट्रॉन प्रकाश स्रोत विभिन्न इलेक्ट्रॉन उत्प्रेरक प्रकारों का एक संयोजन है, जिसमें एक भंडारण की वलय सम्मिलित है जिसमें वांछित विद्युत चुम्बकीय विकिरण उत्पन्न होता है। इस विकिरण का उपयोग तब विभिन्न बीमलाइनों पर स्थित प्रायोगिक केंद्रों में किया जाता है। भंडारण वलय के अतिरिक्त, एक सिंक्रोट्रॉन प्रकाश स्रोत में सामान्यतः एक रैखिक उत्प्रेरक (लिनेक) और एक अन्य सिंक्रोट्रॉन होता है जिसे कभी-कभी इस संदर्भ में अनुवर्धक कहा जाता है। लिनेक और अनुवर्धक का उपयोग इलेक्ट्रॉनों को क्रमिक रूप से उनकी अंतिम ऊर्जा में तेजी लाने के लिए किया जाता है, इससे पहले कि वे चुंबकीय रूप से भंडारण वलय में किक करें। सिंक्रोट्रॉन प्रकाश स्रोतों को उनकी संपूर्णता में कभी-कभी सिंक्रोट्रॉन कहा जाता है, हालांकि यह तकनीकी रूप से गलत है।
 * एक चक्रीय कोलाइडर भी विभिन्न उत्प्रेरक प्रकारों का एक संयोजन है, जिसमें दो प्रतिच्छेदी भंडारण वलय और संबंधित पूर्व-उत्प्रेरक सम्मिलित हैं। सबसे शक्तिशाली आधुनिक कण उत्प्रेरक सिंक्रोट्रॉन डिज़ाइन के संस्करणों का उपयोग करते हैं।

संचालन का सिद्धांत
सिंक्रोट्रॉन साइक्लोट्रॉन से विकसित हुआ, पहला चक्रीय कण उत्प्रेरक है। जबकि एक पारम्परिक साइक्लोट्रॉन एक निरंतर मार्गदर्शक चुंबकीय क्षेत्र और एक निरंतर-आवृत्ति विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र (और पारम्परिकयांत्रिकी में काम कर रहा है) दोनों का उपयोग करता है, इसके आनुक्रमिक, आइसोक्रोनस साइक्लोट्रॉन, मार्गदर्शक चुंबकीय क्षेत्र के स्थानीय रूपांतरों द्वारा काम करता है, जो बढ़ते सापेक्ष द्रव्यमान के अनुकूल होता है। त्वरण के दौरान कणों की बढ़ते सापेक्ष द्रव्यमान के अनुकूल होता है।

एक सिंक्रोट्रॉन में, यह अनुकूलन धरातल के अतिरिक्त समय में चुंबकीय क्षेत्र की जटिलता में बदलाव के द्वारा किया जाता है। कणों के लिए जो प्रकाश की गति के करीब नहीं हैं, उनके गैर-निरंतर परिसंचरण समय का पालन करने के लिए लागू विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र की आवृत्ति भी बदल सकती है। इन मापदंडों को तदनुसार बढ़ाकर जैसे-जैसे कण ऊर्जा प्राप्त करते हैं, उनके संचलन पथ को स्थिर रखा जा सकता है क्योंकि वे त्वरित होते हैं। यह कणों के लिए निर्वात कक्ष को पिछले, सघन उत्प्रेरक डिजाइनों की तरह एक डिस्क के अतिरिक्त एक बड़े पतले स्थूलक होने की अनुमति देता है। इसके अतिरिक्त, निर्वात कक्ष की पतली प्रोफ़ाइल एक साइक्लोट्रॉन की तुलना में चुंबकीय क्षेत्रों के अधिक कुशल उपयोग की अनुमति देती है, जिससे बड़े सिंक्रोट्रॉन के लागत प्रभावी निर्माण को सक्षम किया जा सकता है।

जबकि कॉस्मोट्रॉन और अनैलो डी अक्सुमुलाज़िओने एडीए जैसे पहले सिंक्रोट्रॉन और भंडारण वलय ने सख्ती से टॉरॉयड आकार का प्रयोग किया, अर्नेस्ट कुरेंट एट अल द्वारा स्वतंत्र रूप से खोजा गया प्रबल फोकसिंग सिद्धांत प्रयोग किया। और निकोलस क्रिस्टोफिलोस कण पथ के साथ विशेष कार्यों वाले घटकों में उत्प्रेरक को पूर्ण रूप से अलग करने की अनुमति दी, पथ को एक गोल-कोने वाले बहुभुज में आकार दिया गया। प्रत्यक्ष त्वरण के लिए रेडियो सीआरएफ गुहिका, कणों के विक्षेपण (पथ को बंद करने के लिए) के लिए द्विध्रुव चुम्बक (बंकन वाले चुम्बक) और बीम फ़ोकसिंग के लिए क्वाड्रुपोल चुम्बक/सेक्स्टुपोल चुम्बक कुछ महत्वपूर्ण घटक प्रदान करते हैं।

समय-निर्भर मार्गदर्शक चुंबकीय क्षेत्रों और प्रबल फोकसिंग सिद्धांत के संयोजन ने आधुनिक बड़े पैमाने पर उत्प्रेरक सुविधाओं जैसे कोलाइडर और सिंक्रोट्रॉन प्रकाश स्रोतों के डिजाइन और संचालन को सक्षम किया। विक्षेपित होने पर हल्के कण (जैसे इलेक्ट्रॉन) अपनी ऊर्जा का एक बड़ा अंश खो देते हैं। ऐसी सुविधाओं में बंद पथ के साथ सीधे खंड न केवल रेडियो गुहिकाओं के लिए आवश्यक हैं, बल्कि कण डिटेक्टर (कोलाइडर्स में) और फोटॉन उत्पादन उपकरण जैसे कि विगलर ​​(सिंक्रोट्रॉन) और अनडुलेटर्स (तीसरी पीढ़ी के सिंक्रोट्रॉन प्रकाश स्रोतों में) के लिए भी आवश्यक हैं।

एक चक्रीय उत्प्रेरक प्रदान कर सकने वाली अधिकतम ऊर्जा सामान्यतः चुंबकीय क्षेत्र की अधिकतम शक्ति और कण पथ के न्यूनतम त्रिज्या (अधिकतम वक्रता) द्वारा सीमित होती है। इस प्रकार ऊर्जा सीमा को बढ़ाने का एक तरीका अतिचालक चुम्बकों का उपयोग करना है, ये चुंबकीय संतृप्ति द्वारा सीमित नहीं हैं। इलेक्ट्रॉन/पॉज़िट्रॉन उत्प्रेरक भी सिंक्रोट्रॉन विकिरण के उत्सर्जन द्वारा सीमित हो सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप कण बीम की गतिज ऊर्जा का आंशिक नुकसान हो सकता है। बीम ऊर्जा को सीमित करना तब होता है जब एक चक्र में बीम पथ को बनाए रखने के लिए आवश्यक पार्श्व त्वरण में खोई ऊर्जा प्रत्येक चक्र में जोड़ी गई ऊर्जा के बराबर होती है। सबसे शक्तिशाली आधुनिक कण उत्प्रेरक सिंक्रोट्रॉन डिज़ाइन के संस्करणों का उपयोग करते हैं।

अधिक शक्तिशाली उत्प्रेरक बड़े त्रिज्या पथों का उपयोग करके और अधिक असंख्य और अधिक शक्तिशाली सूक्ष्म तरंग गुहाओं का उपयोग करके बनाए जाते हैं। विक्षेपित होने पर हल्के कण (जैसे इलेक्ट्रॉन) अपनी ऊर्जा का एक बड़ा अंश खो देते हैं। व्यावहारिक रूप से बोलते हुए, इलेक्ट्रॉन/पॉजिट्रॉन उत्प्रेरक की ऊर्जा इस विकिरण हानि से सीमित होती है, जबकि यह प्रोटॉन या आयन उत्प्रेरक की गतिशीलता में महत्वपूर्ण भूमिका नहीं निभाती है। ऐसे उत्प्रेरक की ऊर्जा चुम्बक की शक्ति और लागत से सख्ती से सीमित होती है।

अंतः क्षेपण प्रक्रिया
साइक्लोट्रॉन के विपरीत, सिंक्रोट्रॉन शून्य गतिज ऊर्जा वाले कणों को त्वरित करने में असमर्थ होते हैं; इसका एक स्पष्ट कारण यह है कि इसके बंद कण पथ को कणों का उत्सर्जन करने वाले उपकरण द्वारा काटा जाएगा। विक्षेपित होने पर हल्के कण (जैसे इलेक्ट्रॉन) अपनी ऊर्जा का एक बड़ा अंश खो देते हैं। इस प्रकार, पूर्व-त्वरित कण बीम को सिंक्रोट्रॉन में इंजेक्ट करने के लिए योजनाएं विकसित की गईं। पूर्व-त्वरण को अन्य उत्प्रेरक संरचनाओं की एक श्रृंखला जैसे लाइनेक, एक माइक्रोट्रॉन या अन्य सिंक्रोट्रॉन द्वारा अनुभव किया जा सकता है; बदले में इन सभी को एक कण स्रोत द्वारा फीड करने की आवश्यकता होती है, जिसमें एक साधारण उच्च वोल्टेज बिजली की आपूर्ति होती है, सामान्यतः एक कॉकक्रॉफ्ट-वाल्टन जनित्र से युक्त एक कण स्रोत द्वारा फीड करने की आवश्यकता होती है।

अंतःक्षेपण ऊर्जा द्वारा निर्धारित उपयुक्त प्रारंभिक मान से प्रारंभ करके, द्विध्रुव चुम्बकों की क्षेत्र शक्ति में वृद्धि की जाती है। यदि त्वरण प्रक्रिया के अंत में उच्च ऊर्जा कण उत्सर्जित होते हैं, उदा। एक लक्ष्य या किसी अन्य उत्प्रेरक के लिए, एक नया अंतः क्षेपण चक्र प्रारम्भ करते हुए, क्षेत्र की जटिलता फिर से अंतः क्षेपण स्तर तक कम हो जाती है। प्रयुक्त चुंबक नियंत्रण की विधि के आधार पर, एक चक्र के लिए समय अंतराल अलग-अलग प्रतिष्ठानों के बीच काफी सीमा तक भिन्न हो सकता है।

बड़े पैमाने पर सुविधाओं में
प्रारम्भिक बड़े सिंक्रोट्रॉन में से एक, जो अब सेवानिवृत्त हो चुका है, जिसका निर्माण 1950 में लॉरेंस बर्कले प्रयोगशाला में किया गया था। इस प्रोटॉन उत्प्रेरक का नाम इसकी शक्ति से आता है, 6.3 GeV की सीमा में (तब बिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट के लिए BeV कहा जाता है; नाम SI उपसर्ग गीगा- को अपनाने से पहले का है)। इस मशीन के साथ पहली बार प्राकृतिक दुनिया में अनदेखी कई ट्रांस्यूरेनियम तत्व बनाए गए थे। यह साइट पहले बड़े बबल कक्षों में से एक का स्थान भी है, जिसका उपयोग यहां उत्पन्न परमाणु टक्करों के परिणामों की जांच करने के लिए किया गया था।

एक अन्य प्रारम्भिक बड़े सिंक्रोट्रॉन, ब्रुकहैवन राष्ट्रीय प्रयोगशाला में निर्मित कॉस्मोट्रॉन है जो 1953 में 3.3 GeV तक पहुंच गया।

दुनिया भर के कुछ सिंक्रोट्रॉन में से 16 संयुक्त राज्य अमेरिका में स्थित हैं। उनमें से कई राष्ट्रीय प्रयोगशालाओं से संबंधित हैं साथ ही कुछ विश्वविद्यालयों में स्थित हैं। सबसे शक्तिशाली आधुनिक कण उत्प्रेरक सिंक्रोट्रॉन डिज़ाइन के संस्करणों का उपयोग करते हैं।

कोलाइडर के भाग के रूप में
अगस्त 2008 तक, संयुक्त राज्य अमेरिका में फर्मी राष्ट्रीय उत्प्रेरक प्रयोगशाला में, दुनिया में सबसे अधिक ऊर्जा कोलाइडर टीवीट्रॉन था। विक्षेपित होने पर हल्के कण (जैसे इलेक्ट्रॉन) अपनी ऊर्जा का एक बड़ा अंश खो देते हैं। इसने प्रोटॉन और एंटीप्रोटोन को गतिज ऊर्जा के 1 TeV से कुछ कम तक त्वरित किया और उन्हें आपस में टकराया। द लार्ज हैड्रोन कोलाइडर (एलएचसी), जिसे यूरोपियन लेबोरेटरी फॉर हाई एनर्जी फिजिक्स (सी ईआरएन) में बनाया गया है, में इस ऊर्जा का लगभग सात गुना है (इसलिए प्रोटॉन-प्रोटॉन टकराव लगभग 14 TeV पर होते हैं)। यह 27 किमी सुरंग में स्थित है, जहां पूर्व में लार्ज इलेक्ट्रॉन पॉज़िट्रॉन (एलईपी) कोलाइडर स्थित था, इसलिए यह अब तक के सबसे बड़े वैज्ञानिक उपकरण के रूप में दावा बनाए रखेगा। एलएचसी 1.15 PeV की ऊर्जा तक भारी आयनों (जैसे सीसा) को गति देगा।

गंभीरता से प्रस्तावित इस प्रकार का सबसे बड़ा उपकरण अतिचालकता सुपर कोलाइडर (एसएससी) था, जिसे संयुक्त राज्य में बनाया जाना था। यह डिजाइन, दूसरों की तरह, अतिचालकता चुम्बक का प्रयोग करता है जो कोर संतृप्ति की सीमाओं के बिना अधिक गहन चुंबकीय क्षेत्र बनाने की अनुमति देता है। जब निर्माण प्रारम्भ किया गया था, परियोजना को 1994 में अत्यधिक लागत वृद्धि का हवाला देते हुए रद्द कर दिया गया था - यह किसी भी बुनियादी इंजीनियरिंग खामियों के अतिरिक्त भोले-भाले लागत अनुमान और आर्थिक प्रबंधन के मुद्दों के कारण था। विक्षेपित होने पर हल्के कण (जैसे इलेक्ट्रॉन) अपनी ऊर्जा का एक बड़ा अंश खो देते हैं। यह भी तर्क दिया जा सकता है कि शीत युद्ध के अंत के परिणामस्वरूप वैज्ञानिक वित्त पोषण प्राथमिकताओं में बदलाव आया जिसने अंततः इसे रद्द करने में योगदान दिया। हालाँकि, इसके प्लेसमेंट के लिए बनाई गई सुरंग अभी भी बनी हुई है, और खाली है।

जबकि अभी भी अधिक शक्तिशाली प्रोटॉन और भारी कण चक्रीय उत्प्रेरक की संभावना है, ऐसा प्रतीत होता है कि इलेक्ट्रॉन बीम ऊर्जा में अगले कदम को सिंक्रोट्रॉन विकिरण के कारण होने वाले नुकसान से बचना चाहिए। इसके लिए रैखिक कण उत्प्रेरक पर वापसी की आवश्यकता होगी, लेकिन वर्तमान में उपयोग में आने वाले उपकरणों की तुलना में काफी लंबे समय तक उपकरणों के साथ वर्तमान में अंतर्राष्ट्रीय रैखिक कोलाइडर (ILC) को डिजाइन और बनाने का एक बड़ा प्रयास है, जिसमें दो विरोधी रैखिक उत्प्रेरक सम्मिलित होंगे, एक इलेक्ट्रॉनों के लिए और एक पॉज़िट्रॉन के लिए ये 0.5 TeV की द्रव्यमान ऊर्जा के कुल केंद्र पर टकराएंगे।

सिंक्रोट्रॉन प्रकाश स्रोत के भाग के रूप में
सिंक्रोट्रॉन विकिरण में अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला भी है (सिंक्रोट्रॉन प्रकाश देखें) और कई दूसरी और तीसरी पीढ़ी के सिंक्रोट्रॉन विशेष रूप से इसका उपयोग करने के लिए बनाए गए हैं। उन तीसरी पीढ़ी के सिंक्रोट्रॉन प्रकाश स्रोतों में से सबसे बड़ा ग्रेनोबल, फ्रांस में यूरोपीय सिंक्रोट्रॉन विकिरण सुविधा (ईएसआरएफ), शिकागो, संयुक्त राज्य अमेरिका के पास उन्नत फोटॉन स्रोत (उन्नत फोटॉन स्रोत) और जापान में स्प्रिंग-8 हैं, जो 6 तक इलेक्ट्रॉनों को गति देते हैं क्रमशः 7 और 8 जीईवी।

सिंक्रोट्रॉन जो अत्याधुनिक अनुसंधान के लिए उपयोगी हैं, बड़ी मशीनें हैं, जिनके निर्माण में दसियों या करोड़ों डॉलर खर्च होते हैं, और प्रत्येक बीमलाइन (एक बड़े सिंक्रोट्रॉन में 20 से 50 हो सकते हैं) की लागत औसतन दो या तीन मिलियन डॉलर होती है। ये प्रतिष्ठान ज्यादातर विकसित देशों की सरकारों की विज्ञान निधि एजेंसियों द्वारा, या एक क्षेत्र में कई देशों के बीच सहयोग से बनाए जाते हैं, और पूरे देश, क्षेत्र या दुनिया भर के विश्वविद्यालयों और अनुसंधान संगठनों के वैज्ञानिकों के लिए उपलब्ध बुनियादी सुविधाओं के रूप में संचालित होते हैं। हालाँकि, अधिक सघन मॉडल विकसित किए गए हैं, जैसे कि सिंक्रोट्रॉन प्रकाश स्रोत और सघन सिंक्रोट्रॉन प्रकाश स्रोत के लिए उपयोगी हैं।

अनुप्रयोग

 * जीवन विज्ञान: प्रोटीन और बड़े-अणु क्रिस्टलोग्राफी
 * आधारित माइक्रोफैब्रिकेशन उत्तेजित करता है
 * दवा
 * एक्स-रे लिथोग्राफी


 * एक्स-रे माइक्रोटोमोग्राफी
 * उनकी संरचना निर्धारित करने के लिए स्पेक्ट्रोस्कोपी एक्स - रे क्रिस्टलोग्राफी
 * दवाओं के लिए जीवित कोशिकाओं की प्रतिक्रिया का अवलोकन करना
 * अकार्बनिक सामग्री क्रिस्टलोग्राफी और माइक्रोएनालिसिस
 * प्रतिदीप्ति अध्ययन
 * सेमीकंडक्टर सामग्री विश्लेषण और संरचनात्मक अध्ययन
 * भूविज्ञान सामग्री विश्लेषण
 * मेडिकल इमेजिंग
 * कुछ प्रकार के कैंसर के इलाज के लिए कण चिकित्सा
 * रेडियोमेट्री: डिटेक्टरों और रेडियोमेट्रिक मानकों का अंशांकन

यह भी देखें

 * सिंक्रोट्रॉन विकिरण सुविधाओं की सूची
 * सिंक्रोट्रॉन विकिरण
 * साइक्लोट्रॉन विकिरण
 * सिंक्रोट्रॉन एक्स-रे टोमोग्राफिक माइक्रोस्कोपी | कंप्यूटेड एक्स-रे टोमोग्राफी
 * ऊर्जा प्रवर्धक
 * अतिचालकता रेडियो फ्रीक्वेंसी
 * सुसंगत विवर्तन इमेजिंग

बाहरी संबंध

 * ईएसआरएफ (European Synchrotron Radiation Facility)
 * National Synchrotron Radiation Research Center (NSRRC) in Taiwan
 * Elettra Sincrotrone Trieste - Elettra and Fermi lightsources
 * Canadian Light Source
 * Australian Synchrotron
 * French synchrotron Soleil
 * Diamond UK Synchrotron
 * Lightsources.org
 * IAEA database of electron synchrotron and storage rings
 * सी ईआरएन Large Hadron Collider
 * Synchrotron Light Sources of the World
 * A Miniature Synchrotron: room-size synchrotron offers scientists a new way to perform high-quality x-ray experiments in their own labs, Technology Review, February 4, 2008
 * Brazilian Synchrotron Light Laboratory
 * Podcast interview with a scientist at the European Synchrotron Radiation Facility
 * Indian SRS
 * Spanish ALBA Light Source
 * The tabletop synchrotron MIRRORCLE
 * SOLARIS synchrotron in Poland