आयनीकरण कक्ष

आयनीकरण कक्ष गैस से भरे विकिरण डिटेक्टर का सबसे सरल प्रकार है, और एक्स-रे, गामा किरणों और बीटा कणों सहित कुछ प्रकार के आयनकारी विकिरण का पता लगाने और मापने के लिए व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। परंपरागत रूप से, शब्द आयनीकरण कक्ष विशेष रूप से उन डिटेक्टरों को संदर्भित करता है जो विद्युत क्षेत्र के अनुप्रयोग के माध्यम से गैस के भीतर 'प्रत्यक्ष आयनीकरण' द्वारा बनाए गए सभी शुल्क एकत्र करते हैं। यह केवल घटना विकिरण और गैस के बीच प्रत्येक बातचीत द्वारा बनाए गए असतत शुल्क का उपयोग करता है। गैसीय आयनीकरण डिटेक्टरों में आयनीकरण कक्ष और उपकरण सम्मिलित हैं जो गैस गुणन का उपयोग करते हैं, अर्थात् आनुपातिक काउंटर और गीगर काउंटर

आयन कक्षों में ऊर्जा की एक विस्तृत श्रृंखला में विकिरण के लिए एक समान प्रतिक्रिया होती है और गामा विकिरण के उच्च स्तर को मापने का पसंदीदा साधन है। वे व्यापक रूप से परमाणु ऊर्जा उद्योग, अनुसंधान प्रयोगशालाओं, रेडियोग्राफ़, रेडियोजीवविज्ञान और पर्यावरण निगरानी में उपयोग किए जाते हैं।

संचालन का सिद्धांत

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समानांतर प्लेट आयन कक्ष का योजनाबद्ध आरेख, आयन जोड़े का निर्माण और विद्युत क्षेत्र के कारण आयनों का बहाव दिखा रहा है। इलेक्ट्रॉन आमतौर पर अपने छोटे द्रव्यमान के कारण धनात्मक आयनों की तुलना में 1000 गुना तेजी से प्रवाहित होते हैं।

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एक वैचारिक तार सिलेंडर गैसीय विकिरण डिटेक्टर के लिए वोल्टेज के विरुद्ध आयन करंट का प्लॉट। आयन कक्ष सबसे कम वोल्टेज पठार का उपयोग करते हैं।

एक गैस आयनीकरण कक्ष घटना विकिरण के कारण गैस के भीतर निर्मित आयन की संख्या से आवेश को मापता है। इसमें दो इलेक्ट्रोड के साथ गैस से भरा कक्ष होता है; एनोड और कैथोड के रूप में जाना जाता है। इलेक्ट्रोड समानांतर प्लेटों (समानांतर प्लेट आयोनाइजेशन चेम्बर्स: पीपीआईसी) के रूप में हो सकते हैं, या एक समाक्षीय रूप से स्थित आंतरिक एनोड तार के साथ एक सिलेंडर व्यवस्था हो सकती है।

भरण गैस में एक विद्युत क्षेत्र बनाने के लिए इलेक्ट्रोड के बीच एक वोल्टेज क्षमता लागू की जाती है। जब इलेक्ट्रोड के बीच गैस परमाणु या अणु घटना आयनीकरण विकिरण द्वारा आयनित होते हैं, तो आयनीकरण | आयन-जोड़े बनते हैं और परिणामी सकारात्मक आयन और अलग-अलग इलेक्ट्रॉन विद्युत क्षेत्र के प्रभाव में विपरीत रासायनिक ध्रुवीयता के इलेक्ट्रोड में चले जाते हैं। यह एक आयनीकरण धारा उत्पन्न करता है जिसे एक विद्युतमापी सर्किट द्वारा मापा जाता है। इलेक्ट्रोमीटर बहुत कम आउटपुट करंट को मापने में सक्षम होना चाहिए जो चैम्बर डिजाइन, विकिरण खुराक और लागू वोल्टेज के आधार पर femtoamps से picoampere के क्षेत्र में है। प्रत्येक आयन जोड़ी ने एक इलेक्ट्रोड से या उसके लिए एक छोटे विद्युत आवेश को जमा किया या हटा दिया, जैसे कि संचित आवेश निर्मित आयन जोड़े की संख्या के अनुपात में है, और इसलिए विकिरण की खुराक। आवेश की यह निरंतर पीढ़ी एक आयनीकरण धारा उत्पन्न करती है, जो कक्ष में प्रवेश करने वाली कुल आयनकारी खुराक का एक उपाय है।

विद्युत क्षेत्र पर्याप्त रूप से मजबूत है ताकि उपकरण सभी आयन जोड़े को हटाकर लगातार काम कर सके, जिससे आयन जोड़े के प्लाज्मा पुनर्संयोजन को रोका जा सके जो आयन धारा को कम कर देगा। ऑपरेशन के इस मोड को वर्तमान मोड के रूप में संदर्भित किया जाता है, जिसका अर्थ है कि आउटपुट सिग्नल एक निरंतर चालू है, न कि पल्स आउटपुट जैसा कि गीजर-मुलर ट्यूब या आनुपातिक काउंटर के मामले में है।क्योंकि उत्पादित आयन जोड़े की संख्या घटना विकिरण की ऊर्जा के समानुपाती होती है, यह निरंतर मापी गई धारा आयनीकरण कक्ष में खुराक दर (प्रति यूनिट समय में जमा ऊर्जा) के समानुपाती होती है। साथ में आयन-जोड़ी संग्रह ग्राफ का जिक्र करते हुए, यह देखा जा सकता है कि आयन कक्ष ऑपरेटिंग क्षेत्र में एक एकत्रित आयन जोड़ी का प्रभार लागू वोल्टेज की एक सीमा पर प्रभावी रूप से स्थिर होता है, क्योंकि इसकी अपेक्षाकृत कम विद्युत क्षेत्र की ताकत आयन कक्ष के कारण होती है। गुणन प्रभाव नहीं होता है। यह गीजर-मुलर ट्यूब या आनुपातिक काउंटर के विपरीत है जिससे द्वितीयक इलेक्ट्रॉन, और अंततः कई हिमस्खलन, मूल आयन-वर्तमान चार्ज को बहुत बढ़ाते हैं।

चैंबर प्रकार और निर्माण

निम्नलिखित कक्ष प्रकार सामान्यतः उपयोग किए जाते हैं।

फ्री-एयर चैंबर

यह वायुमंडल के लिए स्वतंत्र रूप से खुला एक कक्ष है, जहां भरण गैस परिवेशी वायु है। घरेलू स्मोक डिटेक्टर इसका एक अच्छा उदाहरण है, जहां कक्ष के माध्यम से हवा का प्राकृतिक प्रवाह आवश्यक है जिससे आयन धारा में परिवर्तन से धुएं के कणों का पता लगाया जा सके। अन्य उदाहरण ऐसे अनुप्रयोग हैं जहां कक्ष के बाहर आयन बनाए जाते हैं लेकिन हवा या गैस के एक मजबूर प्रवाह द्वारा ले जाया जाता है।

वेंटेड चैंबर

ये कक्ष सामान्य रूप से बेलनाकार होते हैं और वायुमंडलीय दबाव पर काम करते हैं, लेकिन नमी के प्रवेश को रोकने के लिए एक जलशुष्कक युक्त फिल्टर को वेंट लाइन में स्थापित किया जाता है। यह कक्ष के इंटीरियर में नमी के निर्माण को रोकने के लिए है, जो अन्यथा वायुमंडलीय वायु दबाव को बदलने के पंप प्रभाव से प्रस्तुत किया जाएगा। इन कक्षों में एक बेलनाकार शरीर होता है जो कुछ मिलीमीटर मोटी एल्यूमीनियम या प्लास्टिक से बना होता है। सामग्री को हवा के समान एक परमाणु संख्या के लिए चुना जाता है जिससे कि दीवार को विकिरण बीम ऊर्जा की एक सीमा पर हवा के बराबर कहा जा सके। यह सुनिश्चित करने का प्रभाव है कि कक्ष में गैस कार्य कर रही है जैसे कि यह असीम रूप से बड़ी गैस मात्रा का एक हिस्सा था, और दीवार सामग्री के साथ गामा की बातचीत को कम करके सटीकता को बढ़ाता है। दीवार सामग्री की परमाणु संख्या जितनी अधिक होगी, बातचीत की संभावना उतनी ही अधिक होगी। दीवार की मोटाई एक मोटी दीवार के साथ हवा के प्रभाव को बनाए रखने और एक पतली दीवार का उपयोग करके बढ़ती संवेदनशीलता के बीच एक व्यापार-बंद है। इन कक्षों में अक्सर पर्याप्त पतली सामग्री से बनी एक अंत खिड़की होती है, जैसे कि माइलर, जिससे कि बीटा कण गैस की मात्रा में प्रवेश कर सकें। गामा विकिरण अंत खिड़की और बगल की दीवारों दोनों से प्रवेश करता है। हाथ से पकड़े जाने वाले उपकरणों के लिए दीवार की मोटाई फोटॉन दिशात्मकता को कम करने के लिए यथासंभव समान बनाई जाती है, चूंकि कोई भी बीटा विंडो प्रतिक्रिया स्पष्ट रूप से अत्यधिक दिशात्मक होती है। हवा के दबाव के साथ दक्षता में छोटे बदलावों के लिए वेंटेड कक्ष अतिसंवेदनशील होते हैं और सुधार कारक बहुत सटीक माप अनुप्रयोगों के लिए लागू किए जा सकते हैं।

मुहरबंद कम दबाव कक्ष

ये वेंटेड चैंबर के निर्माण के समान हैं, लेकिन वायुमंडलीय दबाव पर या उसके आसपास सील और संचालित होते हैं। इन कक्षों में एक वेंट और डिसेकेंट की आवश्यकता नहीं होने का भी लाभ होता है। पता लगाने की दक्षता में सुधार करने के लिए, वे एक महान गैस से भरे हुए हैं क्योंकि हवा में अत्यधिक विद्युतीय ऑक्सीजन आसानी से मुक्त इलेक्ट्रॉनों को पकड़ लेती है, जिससे नकारात्मक आयन बनते हैं। बीटा विंडो की ताकत वायुमंडलीय दबाव से भिन्न दबाव को सीमित करती है जिसे सहन किया जा सकता है, और सामान्य सामग्री स्टेनलेस स्टील या टाइटेनियम है जिसकी सामान्य मोटाई 25 माइक्रोमीटर है।

उच्च दबाव कक्ष

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एक बाड़े में दो उच्च दाब बेलनाकार आयन कक्ष।

उच्च दबाव वाली गैस के उपयोग से कक्ष की दक्षता को और बढ़ाया जा सकता है। सामान्यतः 8-10 वायुमंडल का दबाव उपयोग किया जा सकता है, और विभिन्न महान गैसों को नियोजित किया जाता है। उच्च दबाव के परिणामस्वरूप अधिक गैस घनत्व होता है और इस प्रकार घटना विकिरण द्वारा भरण गैस और आयन-जोड़ी निर्माण के साथ टकराव की अधिक संभावना होती है। इस उच्च दबाव का सामना करने के लिए आवश्यक दीवार की मोटाई में वृद्धि के कारण, केवल गामा विकिरण का पता लगाया जा सकता है। इन डिटेक्टरों का उपयोग सर्वेक्षण मीटर और पर्यावरण निगरानी के लिए किया जाता है।

चैंबर ज्यामिति

सामान्यतः विकिरण चिकित्सा मापन के लिए उपयोग किया जाने वाला एक बेलनाकार या थिम्बल कक्ष है। सक्रिय आयतन एक आंतरिक प्रवाहकीय सतह (कैथोड) और एक केंद्रीय एनोड के साथ एक थिम्बल आकार की गुहा के अंदर रखा जाता है। कैविटी में लगाया गया एक बायस वोल्टेज आयन एकत्र करता है और एक करंट उत्पन्न करता है जिसे एक इलेक्ट्रोमीटर से मापा जा सकता है।

समानांतर-प्लेट कक्ष (पीपीआईसी) एक छोटी सी डिस्क के आकार के होते हैं, जिसमें गोलाकार एकत्रित इलेक्ट्रोड एक छोटे से अंतर से अलग होते हैं, सामान्यतः 2 मिमी या उससे कम। ऊपरी डिस्क बेहद पतली है, जो बेलनाकार कक्ष के साथ संभव होने की तुलना में अधिक सटीक निकट-सतह खुराक माप की अनुमति देती है। मॉनिटर कक्ष सामान्यतः पीपीआईसी होते हैं जिनका उपयोग विकिरण बीम की तीव्रता जैसे लगातार मापने के लिए किया जाता है। उदाहरण के लिए, रेडियोथेरेपी के लिए उपयोग किए जाने वाले रैखिक त्वरक के शीर्ष के भीतर। मल्टी-कैविटी आयनीकरण कक्ष कई अलग-अलग क्षेत्रों में विकिरण बीम की तीव्रता को माप सकते हैं, बीम समरूपता और सपाटता की जानकारी प्रदान करते हैं।

अनुसंधान और अंशांकन कक्ष

File:Ionisation chamber made by Pierre Curie, c 1895-1900. (9660571297).jpg

पियरे क्यूरी द्वारा बनाया गया आयनीकरण कक्ष, c 1895-1900

आयन कक्ष के प्रारंभिक संस्करणों का उपयोग मैरी क्यूरी और पियरे क्यूरी द्वारा रेडियोधर्मी सामग्री को अलग करने में उनके मूल कार्य में किया गया था। तब से आयन कक्ष अनुसंधान और अंशांकन उद्देश्यों के लिए प्रयोगशाला में व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला उपकरण रहा है।

ऐतिहासिक कक्ष

कंडेनसर कक्ष

संघनित्र कक्ष में तने के भीतर एक द्वितीयक गुहा होता है जो संधारित्र के रूप में कार्य करता है। जब यह संधारित्र पूरी तरह से चार्ज हो जाता है, तो थिम्बल के भीतर कोई भी आयनीकरण इस आवेश का प्रतिकार करता है, और आवेश में परिवर्तन को मापा जा सकता है। वे केवल 2 मेव या उससे कम ऊर्जा वाले बीम के लिए व्यावहारिक हैं, और उच्च स्टेम रिसाव उन्हें सटीक डोसिमेट्री के लिए अनुपयुक्त बनाता है।

एक्सट्रपलेशन चैंबर

एक समानांतर प्लेट कक्ष के डिजाइन के समान, एक एक्सट्रपलेशन कक्ष की ऊपरी प्लेट को माइक्रोमीटर स्क्रू का उपयोग करके कम किया जा सकता है। मापन को अलग-अलग प्लेट स्पेसिंग के साथ लिया जा सकता है और शून्य की प्लेट स्पेसिंग के लिए एक्सट्रपलेशन किया जा सकता है, यानी चैम्बर के बिना खुराक।

साधन प्रकार

हाथ में पकड़ा हुआ

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उपयोग में हाथ से आयोजित अभिन्न आयन कक्ष सर्वेक्षण मीटर

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इंटीग्रल हैंड हेल्ड इंस्ट्रूमेंट पर स्लाइडिंग बीटा शील्ड का दृश्य

बीटा और गामा विकिरण को मापने के लिए सर्वेक्षण मीटर में आयन कक्षों का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। वे विशेष रूप से उच्च खुराक दर माप के लिए पसंद किए जाते हैं और गामा विकिरण के लिए वे 50-100 keV से ऊपर की ऊर्जा के लिए अच्छी सटीकता देते हैं।

दो बुनियादी विन्यास हैं; एक ही मामले में कक्ष और इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ अभिन्न इकाई, और दो-टुकड़ा उपकरण जिसमें एक लचीली केबल द्वारा इलेक्ट्रॉनिक्स मॉड्यूल से जुड़ी एक अलग आयन कक्ष जांच होती है।

इंटीग्रल इंस्ट्रूमेंट का चैम्बर आम तौर पर केस के सामने नीचे की ओर होता है, और बीटा/गामा इंस्ट्रूमेंट्स के लिए केसिंग के नीचे एक विंडो होती है। इसमें आमतौर पर एक स्लाइडिंग शील्ड होता है जो गामा और बीटा विकिरण के बीच भेदभाव को सक्षम बनाता है। ऑपरेटर बीटा को बाहर करने के लिए शील्ड को बंद कर देता है, और इस प्रकार प्रत्येक विकिरण प्रकार की दर की गणना कर सकता है।

हाथ से चलने वाले कुछ यंत्र ऐसे ही श्रव्य क्लिक उत्पन्न करते हैं जो जी-एम काउंटर द्वारा उत्पन्न होने वाले ऑपरेटरों की सहायता के लिए होते हैं, जो विकिरण सर्वेक्षण और संदूषण जांच में ऑडियो फीडबैक का उपयोग करते हैं। जैसा कि आयन कक्ष वर्तमान मोड में काम करता है, न कि पल्स मोड में, यह विकिरण दर से संश्लेषित होता है।

स्थापित

औद्योगिक प्रक्रिया मापन और निरंतर उच्च विकिरण स्तर वाले इंटरलॉक के लिए, आयन कक्ष पसंदीदा डिटेक्टर है। इन अनुप्रयोगों में केवल कक्ष माप क्षेत्र में स्थित है, और इलेक्ट्रॉनिक्स दूर से विकिरण से बचाने के लिए स्थित हैं और एक केबल द्वारा जुड़े हुए हैं। कर्मियों की सुरक्षा के लिए परिवेशी गामा को मापने के लिए स्थापित उपकरणों का उपयोग किया जा सकता है और आम तौर पर पूर्व निर्धारित दर से ऊपर एक अलार्म बजता है, हालांकि गीजर-मुलर ट्यूब उपकरण आमतौर पर पसंद किया जाता है जहां उच्च स्तर की सटीकता की आवश्यकता नहीं होती है।

उपयोग में सामान्य सावधानियाँ

नमी मुख्य समस्या है जो आयन कक्षों की सटीकता को प्रभावित करती है। चैम्बर की आंतरिक मात्रा को पूरी तरह से सूखा रखा जाना चाहिए, और इसके साथ मदद करने के लिए वेंटेड प्रकार एक जलशुष्कक का उपयोग करता है।उत्पन्न होने वाली बहुत कम धाराओं के कारण, सटीकता को बनाए रखने के लिए किसी भी आवारा लीकेज करंट को न्यूनतम रखा जाना चाहिए। केबल डाइलेक्ट्रिक्स और कनेक्टर्स की सतह पर अदृश्य हाइग्रोस्कोपिक नमी एक लीकेज करंट पैदा करने के लिए पर्याप्त हो सकती है जो किसी भी विकिरण-प्रेरित आयन करंट को स्वाहा कर देगी। इसके लिए चेंबर की साफ-सफाई, इसके सिरे और केबल की सफाई और बाद में ओवन में सुखाने की जरूरत होती है। गार्ड रिंग आमतौर पर ट्यूब कनेक्शन इंसुलेटर की सतह के माध्यम से या साथ में रिसाव को कम करने के लिए उच्च वोल्टेज ट्यूबों पर एक डिज़ाइन सुविधा के रूप में उपयोग किया जाता है, जिसके लिए 10 के क्रम में प्रतिरोध की आवश्यकता हो सकती है।¹³ ओह। दूरस्थ इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए, आयन कक्ष को एक अलग बाड़े में रखा जाता है जो यांत्रिक सुरक्षा प्रदान करता है और इसमें नमी को हटाने के लिए एक जलशुष्कक होता है जो समाप्ति प्रतिरोध को प्रभावित कर सकता है।

प्रतिष्ठानों में जहां कक्ष मापने वाले इलेक्ट्रॉनिक्स से लंबी दूरी पर है, केबल पर अभिनय करने वाले बाहरी विद्युत चुम्बकीय विकिरण से रीडिंग प्रभावित हो सकती है। इसे दूर करने के लिए एक स्थानीय कनवर्टर मॉड्यूल का उपयोग अक्सर बहुत कम आयन कक्ष धाराओं को पल्स ट्रेन या घटना विकिरण से संबंधित डेटा सिग्नल में अनुवाद करने के लिए किया जाता है। ये विद्युत चुम्बकीय प्रभावों के प्रति प्रतिरक्षित हैं।

अनुप्रयोग

परमाणु उद्योग

परमाणु उद्योग में आयनीकरण कक्षों का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है क्योंकि वे एक आउटपुट प्रदान करते हैं जो विकिरण खुराक के समानुपाती होता है। वे उन स्थितियों में व्यापक उपयोग पाते हैं जहां एक निरंतर उच्च खुराक दर को मापा जा रहा है क्योंकि उनके पास मानक गीजर-मुलर ट्यूबों की तुलना में अधिक परिचालन जीवनकाल है, जो गैस टूटने से पीड़ित हैं और सामान्यतः लगभग 10 के जीवन तक सीमित हैं¹¹ ईवेंट गिनें।इसके अतिरिक्त, गीजर-मुलर ट्यूब लगभग 10 से ऊपर काम नहीं कर सकता^{डेड-टाइम प्रभावों के कारण 4} प्रति सेकंड गिना जाता है, जबकि आयन कक्ष पर ऐसी कोई सीमा नहीं है।

धुआँ डिटेक्टर

आयनीकरण कक्ष ने स्मोक डिटेक्टरों में व्यापक और लाभकारी उपयोग पाया है। एक आयनीकरण प्रकार के स्मोक डिटेक्टर में, परिवेशी वायु को आयनीकरण कक्ष में स्वतंत्र रूप से प्रवेश करने की अनुमति दी जाती है। चैम्बर में थोड़ी मात्रा में एमरिकियम -241 होता है, जो अल्फा कणों का उत्सर्जक होता है जो एक निरंतर आयन धारा उत्पन्न करता है। यदि धुआं डिटेक्टर में प्रवेश करता है, तो यह इस धारा को बाधित करता है क्योंकि आयन धुएं के कणों से टकराते हैं और निष्प्रभावी हो जाते हैं। करंट में यह गिरावट अलार्म को ट्रिगर करती है। संसूचक में एक संदर्भ कक्ष भी होता है जिसे सीलबंद किया जाता है लेकिन उसी तरह से आयनित किया जाता है। दो कक्षों में आयन धाराओं की तुलना हवा के दबाव, तापमान या स्रोत की उम्र बढ़ने के कारण होने वाले परिवर्तनों के लिए मुआवजे की अनुमति देती है।

चिकित्सा विकिरण माप

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एक परमाणु दवा खुराक अंशशोधक या रेडियोन्यूक्लाइड अंशशोधक का आरेख जो एक अच्छी तरह के आयनीकरण कक्ष का उपयोग करता है। सप्तऋषि एक प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य स्रोत स्थिति देने के लिए प्रयोग किया जाता है। इस उदाहरण में रेडियोधर्मी पदार्थ तरल है।

चिकित्सा भौतिकी और रेडियोथेरेपी में, आयनीकरण कक्षों का उपयोग यह सुनिश्चित करने के लिए किया जाता है कि एक चिकित्सा इकाई से अवशोषित खुराक वितरित की जाए या रेडियोफार्मास्युटिकल वह है जिसका इरादा है। रेडियोथेरेपी के लिए उपयोग किए जाने वाले उपकरणों को रेफरेंस डोसिमीटर कहा जाता है, जबकि रेडियोफार्मास्यूटिकल्स के लिए उपयोग किए जाने वाले को रेडियोआइसोटोप खुराक अंशशोधक कहा जाता है - रेडियोन्यूक्लाइड रेडियोधर्मिता अंशशोधक के लिए एक अचूक नाम, जो रेडियोधर्मिता के मापन के लिए उपयोग किया जाता है लेकिन खुराक को अवशोषित नहीं करता है। एक कक्ष में एक राष्ट्रीय मानक प्रयोगशाला जैसे ऑस्ट्रेलिया में ARPANSA या ब्रिटेन में राष्ट्रीय भौतिक प्रयोगशाला, यूके द्वारा स्थापित एक अंशांकन कारक होगा, या उपयोगकर्ता की साइट पर राष्ट्रीय मानकों के लिए एक हस्तांतरण मानक कक्ष के विरुद्ध तुलना द्वारा निर्धारित कारक होगा। .