कण त्वरक: Difference between revisions

From Vigyanwiki
(Edited completely.)
No edit summary
Line 1: Line 1:
{{Short description|Research apparatus for particle physics}}
{{Short description|Research apparatus for particle physics}}
[[Image:Fermilab.jpg|thumb|upright=1.5| [[:hi:टेवाट्रोन|टेवाट्रॉन (बैकग्राउंड सर्कल)]], [[:hi:फर्मीलैब|फर्मी नेशनल एक्सेलेरेटर लेबोरेटरी]] (फर्मिलैब), बटाविया, इलिनोइस, यूएसए में एक [[:hi:सिंक्रोट्रॉन|सिंक्रोट्रॉन]] [[:hi:कोलाइडर (त्वरक)|कोलाइडर]] प्रकार का कण त्वरक। 2011 में शट डाउन, 2007 तक यह दुनिया का सबसे शक्तिशाली कण त्वरक था, प्रोटॉन को 1 से अधिक की ऊर्जा में गति प्रदान करता था [[:hi:इलेक्ट्रॉन वोल्ट|TeV]] (टेरा इलेक्ट्रॉन वोल्ट)। प्रोटॉन और एंटीप्रोटोन के बीम, रिंग के एकल निर्वात कक्ष में विपरीत दिशाओं में घूमते हुए, दो चुंबकीय रूप से प्रेरित चौराहे बिंदुओं पर टकराए।। ]]
[[Image:Fermilab.jpg|thumb|upright=1.5| [[:hi:टेवाट्रोन|टेवाट्रॉन (पृष्ठभूमि सर्कल)]], [[:hi:फर्मीलैब|फर्मी राष्ट्रीय त्वरक प्रयोगशाला]] (फर्मिलैब), बटाविया, इलिनोइस, यूएसए में एक [[:hi:सिंक्रोट्रॉन|सिंक्रोट्रॉन]] [[:hi:कोलाइडर (त्वरक)|कोलाइडर]] प्रकार का कण त्वरक। 2011 में शट डाउन, 2007 तक यह दुनिया का सबसे शक्तिशाली कण त्वरक था, प्रोटॉन को 1 टीईवी (टेरा इलेक्ट्रॉन वोल्ट) से अधिक की ऊर्जा में गति प्रदान करता था। प्रोटॉन और एंटीप्रोटोन की किरण, रिंग के एकल निर्वात कक्ष में विपरीत दिशाओं में घूमते हुए, दो चुंबकीय रूप से प्रेरित प्रतिच्छेदन बिंदुओं पर टकराए।। ]]
[[File:Linear accelerator animation 16frames 1.6sec.gif|thumb|upright=2.2|एक    रैखिक त्वरक  के संचालन को दर्शाने वाला एनिमेशन, व्यापक रूप से भौतिकी अनुसंधान और कैंसर उपचार दोनों में उपयोग किया जाता है। ]]
[[File:Linear accelerator animation 16frames 1.6sec.gif|thumb|upright=2.2|एक    रैखिक त्वरक  के संचालन को दर्शाने वाला एनिमेशन, व्यापक रूप से भौतिकी अनुसंधान और कैंसर उपचार दोनों में उपयोग किया जाता है। ]]


Line 16: Line 16:


== उपयोग ==
== उपयोग ==
[[Image:Particle accelerator DSC09089.JPG|thumb| [[:hi:पेरिस|पेरिस]] में [[:hi:जुसीयू कैंपस|जुसीयू कैंपस]] के बेसमेंट में [[:hi:वान डी ग्राफ़ जेनरेटर|वैन डे ग्रैफ़ एक्सेलेरेटर]] से विभिन्न प्रयोगों तक जाने वाली [[:hi:किरणपुंज रेखा|बीमलाइन्स]] । ]]
[[Image:Particle accelerator DSC09089.JPG|thumb| [[:hi:पेरिस|पेरिस]] में [[:hi:जुसीयू कैंपस|जुसीयू कैंपस]] के बेसमेंट में [[:hi:वान डी ग्राफ़ जेनरेटर|वैन डे ग्रैफ़ एक्सेलेरेटर]] से विभिन्न प्रयोगों तक जाने वाली [[:hi:किरणपुंज रेखा|किरण रेखाएं]] । ]]
[[File:SLAC_National_Accelerator_Laboratory_Aerial_2.png|thumb|कैलिफोर्निया के मेनलो पार्क में [[:hi:स्टैनफोर्ड रैखिक त्वरक|स्टैनफोर्ड लीनियर एक्सेलेरेटर]] (एसएलएसी) की 2 मील (3.2 किमी) बीम ट्यूब को कवर करने वाली इमारत, जो दुनिया का दूसरा सबसे शक्तिशाली लाइनैक है। ]]
[[File:SLAC_National_Accelerator_Laboratory_Aerial_2.png|thumb|कैलिफोर्निया के मेनलो पार्क में [[:hi:स्टैनफोर्ड रैखिक त्वरक|स्टैनफोर्ड लीनियर एक्सेलेरेटर]] (एसएलएसी) की 2 मील (3.2 किमी) किरण नलिका  को आवरण करने वाली इमारत, जो दुनिया का दूसरा सबसे शक्तिशाली लिनैक है। ]]


उच्च-ऊर्जा कणों की किरणें विज्ञान में मौलिक और अनुप्रयुक्त अनुसंधान के लिए उपयोगी होती हैं, और कई तकनीकी और औद्योगिक क्षेत्रों में भी जो मौलिक अनुसंधान से संबंधित नहीं होते हैं। <ref>{{Cite book|last=Möller|first=Sören|url=http://link.springer.com/10.1007/978-3-030-62308-1|title=Accelerator Technology: Applications in Science, Medicine, and Industry|date=2020|publisher=Springer International Publishing|isbn=978-3-030-62307-4|series=Particle Acceleration and Detection|location=Cham|language=en|doi=10.1007/978-3-030-62308-1}}</ref> यह अनुमान लगाया गया है कि दुनिया भर में लगभग 30,000 त्वरक हैं। इनमें से केवल 1% ही 1[[:hi:इलेक्ट्रॉन वोल्ट|जीएवी]] से अधिक ऊर्जा वाली अनुसंधान मशीनें हैं, जबकि लगभग 44% रेडियोथेरेपी के लिए, 41% आयन प्रत्यारोपण के लिए, 9% औद्योगिक प्रसंस्करण और अनुसंधान के लिए, और 4% जैव चिकित्सा और अन्य कम ऊर्जा अनुसंधान के लिए हैं।<ref>{{Cite journal|last=Feder|first=T.|year=2010|title=Accelerator school travels university circuit|url=http://controls.als.lbl.gov/als_physics/Fernando/FSannibaleWebSite/Teaching/USPAS/USPASHighLights/PhysiscsTodayUSPAS_Feb2010.pdf|journal=[[Physics Today]]|volume=63|issue=2|pages=20–22|bibcode=2010PhT....63b..20F|doi=10.1063/1.3326981}}</ref>
उच्च-ऊर्जा कणों की किरणें विज्ञान में मौलिक और अनुप्रयुक्त अनुसंधान के लिए उपयोगी होती हैं, और कई तकनीकी और औद्योगिक क्षेत्रों में भी जो मौलिक अनुसंधान से संबंधित नहीं होते हैं। <ref>{{Cite book|last=Möller|first=Sören|url=http://link.springer.com/10.1007/978-3-030-62308-1|title=Accelerator Technology: Applications in Science, Medicine, and Industry|date=2020|publisher=Springer International Publishing|isbn=978-3-030-62307-4|series=Particle Acceleration and Detection|location=Cham|language=en|doi=10.1007/978-3-030-62308-1}}</ref> यह अनुमान लगाया गया है कि दुनिया भर में लगभग 30,000 त्वरक हैं। इनमें से केवल 1% ही 1[[:hi:इलेक्ट्रॉन वोल्ट|जीएवी]] से अधिक ऊर्जा वाली अनुसंधान मशीनें हैं, जबकि लगभग 44% रेडियोथेरेपी के लिए, 41% आयन प्रत्यारोपण के लिए, 9% औद्योगिक प्रसंस्करण और अनुसंधान के लिए, और 4% जैव चिकित्सा और अन्य कम ऊर्जा अनुसंधान के लिए हैं।<ref>{{Cite journal|last=Feder|first=T.|year=2010|title=Accelerator school travels university circuit|url=http://controls.als.lbl.gov/als_physics/Fernando/FSannibaleWebSite/Teaching/USPAS/USPASHighLights/PhysiscsTodayUSPAS_Feb2010.pdf|journal=[[Physics Today]]|volume=63|issue=2|pages=20–22|bibcode=2010PhT....63b..20F|doi=10.1063/1.3326981}}</ref>
Line 49: Line 49:


== इलेक्ट्रोस्टैटिक कण त्वरक ==
== इलेक्ट्रोस्टैटिक कण त्वरक ==
[[Image:2mv accelerator-MJC01.jpg|thumb|250px|left|upright=2|1960 के दशक का एकल चरण 2 MeV रैखिक वैन डे ग्रैफ़ त्वरक, यहां रखरखाव के लिए ]] 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 बहुत लोकप्रिय है, इलेक्ट्रोस्टैटिक त्वरक किसी भी अन्य प्रकार से बहुत अधिक संख्या में हैं, वे वायु विद्युत-रोधित 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। [[:hi:सल्फर हेक्साफ्लोराइड|सल्फर हेक्साफ्लोराइड]] जैसे उच्च [[:hi:परावैद्युत सामर्थ्य|अचालक सामर्थ्य]] दबाव वाले गैस के टैंक में संचालित होता है। एक ''अग्रानुक्रम त्वरक'' में कणों के आवेश को उलट कर, जब वे टर्मिनल के अंदर होते हैं, कणों को गति देने के लिए क्षमता का दो बार उपयोग किया जाता है। यह [[:hi:आयन|आयनों]] (नकारात्मक रूप से आवेशित किए गए [[:hi:आयन|आयनों]] ) का उपयोग करके [[:hi:परमाणु नाभिक|परमाणु नाभिक]] के त्वरण के साथ संभव है,और फिर उच्च वोल्टेज टर्मिनल के अंदर आयनों से इलेक्ट्रॉनों को अलग करने के लिए किरण को एक पतली पन्नी के माध्यम से पारित करना, उन्हें धनायनों (सकारात्मक रूप से आवेशित किए गए आयनों) में परिवर्तित करना, जो जैसे ही वे टर्मिनल छोड़ते हैं, फिर से तेज हो जाते हैं।
[[Image:2mv accelerator-MJC01.jpg|thumb|250px|left|upright=2|1960 के दशक का एकल चरण 2 एमईवी रैखिक वैन डे ग्रैफ़ त्वरक, यहां रखरखाव के लिए ]] 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 बहुत लोकप्रिय है, इलेक्ट्रोस्टैटिक त्वरक किसी भी अन्य प्रकार से बहुत अधिक संख्या में हैं, वे वायु विद्युत-रोधित 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। [[:hi:सल्फर हेक्साफ्लोराइड|सल्फर हेक्साफ्लोराइड]] जैसे उच्च [[:hi:परावैद्युत सामर्थ्य|अचालक सामर्थ्य]] दबाव वाले गैस के टैंक में संचालित होता है। एक ''अग्रानुक्रम त्वरक'' में कणों के आवेश को उलट कर, जब वे टर्मिनल के अंदर होते हैं, कणों को गति देने के लिए क्षमता का दो बार उपयोग किया जाता है। यह [[:hi:आयन|आयनों]] (नकारात्मक रूप से आवेशित किए गए [[:hi:आयन|आयनों]] ) का उपयोग करके [[:hi:परमाणु नाभिक|परमाणु नाभिक]] के त्वरण के साथ संभव है,और फिर उच्च वोल्टेज टर्मिनल के अंदर आयनों से इलेक्ट्रॉनों को अलग करने के लिए किरण को एक पतली पन्नी के माध्यम से पारित करना, उन्हें धनायनों (सकारात्मक रूप से आवेशित किए गए आयनों) में परिवर्तित करना, जो जैसे ही वे टर्मिनल छोड़ते हैं, फिर से तेज हो जाते हैं।


इलेक्ट्रोस्टैटिक त्वरक के दो मुख्य प्रकार हैं [[:hi:कॉकरॉफ्ट-वाल्टन जनित्र|कॉक्रॉफ्ट-वाल्टन त्वरक]], जो उच्च वोल्टेज का उत्पादन करने के लिए डायोड-संधारित्र वोल्टेज गुणक का उपयोग करता है, और [[:hi:वान डी ग्राफ़ जेनरेटर|वैन डी ग्रैफ त्वरक]], जो उच्च वोल्टेज इलेक्ट्रोड को आवेशित करने के लिए गतिशील तन्तु बेल्ट का उपयोग करता है। यद्यपि इलेक्ट्रोस्टैटिक त्वरक एक सीधी रेखा के साथ कणों को गति देते हैं, रैखिक त्वरक शब्द का उपयोग प्रायः त्वरक के लिए किया जाता है जो स्थैतिक विद्युत क्षेत्रों के स्थान पर दोलन करते हैं।
इलेक्ट्रोस्टैटिक त्वरक के दो मुख्य प्रकार हैं [[:hi:कॉकरॉफ्ट-वाल्टन जनित्र|कॉक्रॉफ्ट-वाल्टन त्वरक]], जो उच्च वोल्टेज का उत्पादन करने के लिए डायोड-संधारित्र वोल्टेज गुणक का उपयोग करता है, और [[:hi:वान डी ग्राफ़ जेनरेटर|वैन डी ग्रैफ त्वरक]], जो उच्च वोल्टेज इलेक्ट्रोड को आवेशित करने के लिए गतिशील तन्तु बेल्ट का उपयोग करता है। यद्यपि इलेक्ट्रोस्टैटिक त्वरक एक सीधी रेखा के साथ कणों को गति देते हैं, रैखिक त्वरक शब्द का उपयोग प्रायः त्वरक के लिए किया जाता है जो स्थैतिक विद्युत क्षेत्रों के स्थान पर दोलन करते हैं।
Line 70: Line 70:


==== रैखिक त्वरक ====
==== रैखिक त्वरक ====
[[File:Desy tesla cavity01.jpg|thumb|आधुनिक [[:hi:अतिचालक रेडियो आवृत्ति|सुपरकंडक्टिंग रेडियो फ्रीक्वेंसी]], मल्टीसेल रैखिक त्वरक घटक। ]]एक [[:hi:रैखिक कण त्वरक|रैखिक कण त्वरक]] (लिनैक) में, एक छोर पर लाभ के लक्ष्य के साथ कणों को एक सीधी रेखा में त्वरित किया जाता है। वृत्ताकार त्वरक में अंतःक्षेपित करने से पहले उनका उपयोग अक्सर कणों को एक प्रारंभिक कम-ऊर्जा पदाघात प्रदान करने के लिए किया जाता है। विश्व की सबसे लंबी लिनैक[[:hi:स्टैनफोर्ड रैखिक त्वरक केंद्र|स्टैनफोर्ड रैखिक त्वरक]], एसएलएसी है, जो 3 किमी (1.9 मील) लंबा है। एसएलएसी मूल रूप से एक [[:hi:इलेक्ट्रॉन|इलेक्ट्रॉन]]-[[:hi:पोजीट्रॉन|पॉज़िट्रॉन]] कोलाइडर था लेकिन अब एक एक्स-रे [[:hi:मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर|मुक्त-इलेक्ट्रॉन लेजर है]]।
[[File:Desy tesla cavity01.jpg|thumb|आधुनिक [[:hi:अतिचालक रेडियो आवृत्ति|अतिचालक रेडियो आवृत्ति]], मल्टीसेल रैखिक त्वरक घटक। ]]एक [[:hi:रैखिक कण त्वरक|रैखिक कण त्वरक]] (लिनैक) में, एक छोर पर लाभ के लक्ष्य के साथ कणों को एक सीधी रेखा में त्वरित किया जाता है। वृत्ताकार त्वरक में अंतःक्षेपित करने से पहले उनका उपयोग अक्सर कणों को एक प्रारंभिक कम-ऊर्जा पदाघात प्रदान करने के लिए किया जाता है। विश्व की सबसे लंबी लिनैक[[:hi:स्टैनफोर्ड रैखिक त्वरक केंद्र|स्टैनफोर्ड रैखिक त्वरक]], एसएलएसी है, जो 3 किमी (1.9 मील) लंबा है। एसएलएसी मूल रूप से एक [[:hi:इलेक्ट्रॉन|इलेक्ट्रॉन]]-[[:hi:पोजीट्रॉन|पॉज़िट्रॉन]] कोलाइडर था लेकिन अब एक एक्स-रे [[:hi:मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर|मुक्त-इलेक्ट्रॉन लेजर है]]।


रैखिक उच्च-ऊर्जा त्वरक प्लेटों (या बहाव नलिका) की एक रैखिक सरणी का उपयोग करते हैं, जिसमें एक वैकल्पिक उच्च-ऊर्जा क्षेत्र लागू होता है।जैसे-जैसे कण एक प्लेट के पास पहुंचता 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, [[:hi:विद्युत ध्रुवता|ध्रुवता]] को बदल दिया 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।
रैखिक उच्च-ऊर्जा त्वरक प्लेटों (या बहाव नलिका) की एक रैखिक सरणी का उपयोग करते हैं, जिसमें एक वैकल्पिक उच्च-ऊर्जा क्षेत्र लागू होता है।जैसे-जैसे कण एक प्लेट के पास पहुंचता 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, [[:hi:विद्युत ध्रुवता|ध्रुवता]] को बदल दिया 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।
Line 86: Line 86:


==== साइक्लोट्रॉन ====
==== साइक्लोट्रॉन ====
[[File:Berkeley 60-inch cyclotron.jpg|thumb|अगस्त 1939 में [[:hi:कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय|यूनिवर्सिटी ऑफ कैलिफोर्निया]] [[:hi:लॉरेंस विकिरण प्रयोगशाला|लॉरेंस रेडिएशन लेबोरेटरी]], बर्कले में, लॉरेंस का 60 इंच का साइक्लोट्रॉन, 60 इंच (5 फीट, 1.5 मीटर) व्यास के चुंबक ध्रुवों के साथ, उस समय दुनिया का सबसे शक्तिशाली त्वरक था। [[:hi:ग्लेन टी. सीबोर्ग|ग्लेन टी. सीबॉर्ग]] और [[:hi:एडविन मैकमिलन|एडविन मैकमिलन]] ''(दाएं)'' ने इसका इस्तेमाल [[:hi:प्लूटोनियम|प्लूटोनियम]], [[:hi:नेप्टूनियम|नेपच्यूनियम]] और कई अन्य ट्रांसयूरानिक तत्वों और आइसोटोप की खोज के लिए किया, जिसके लिए उन्हें रसायन विज्ञान में 1951 का [[:hi:नोबेल पुरस्कार|नोबेल पुरस्कार मिला]] । ]]
[[File:Berkeley 60-inch cyclotron.jpg|thumb|अगस्त 1939 में [[:hi:कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय|यूनिवर्सिटी ऑफ कैलिफोर्निया]] [[:hi:लॉरेंस विकिरण प्रयोगशाला|लॉरेंस रेडिएशन लेबोरेटरी]], बर्कले में, लॉरेंस का 60 इंच का साइक्लोट्रॉन, 60 इंच (5 फीट, 1.5 मीटर) व्यास के चुंबक ध्रुवों के साथ, उस समय दुनिया का सबसे शक्तिशाली त्वरक था। [[:hi:ग्लेन टी. सीबोर्ग|ग्लेन टी. सीबॉर्ग]] और [[:hi:एडविन मैकमिलन|एडविन मैकमिलन]] ''(दाएं)'' ने इसका इस्तेमाल [[:hi:प्लूटोनियम|प्लूटोनियम]], [[:hi:नेप्टूनियम|नेपच्यूनियम]] और कई अन्य ट्रांसयूरानिक तत्वों और समस्थानिक की खोज के लिए किया, जिसके लिए उन्हें रसायन विज्ञान में 1951 का [[:hi:नोबेल पुरस्कार|नोबेल पुरस्कार मिला]] । ]]
1929 [[:hi:कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले|में कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले]] में [[:hi:अर्नेस्ट लारेन्स|अर्नेस्ट लॉरेंस]] द्वारा आविष्कार किए गए सबसे पहले परिचालन परिपत्र त्वरक [[:hi:साइक्लोट्रॉन|साइक्लोट्रॉन]] थे। साइक्लोट्रॉन में कणों को तेज करने के लिए खोखले "डी" आकार की प्लेटों की एक जोड़ी होती है और एक बड़ा [[:hi:द्विध्रुवी चुम्बक|द्विध्रुवीय चुंबक]] एक गोलाकार कक्षा में अपना रास्ता मोड़ने के लिए होता है। यह एक समान और स्थिर चुंबकीय क्षेत्र बी में आवेशित कणों की एक विशेषता है कि वे एक स्थिर अवधि के साथ परिक्रमा करते हैं, एक आवृत्ति पर जिसे साइक्लोट्रॉन आवृत्ति कहा जाता है, जब तक कि उनकी गति प्रकाश की गति की तुलना में छोटी होती है। इसका मतलब यह है कि एक साइक्लोट्रॉन के त्वरित डी को एक रेडियो आवृत्ति (आरएफ) द्वारा स्थिर आवृत्ति पर संचालित किया जा सकता है, जो शक्ति स्रोत को तेज करता है, क्योंकि किरण 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।  
1929 [[:hi:कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले|में कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले]] में [[:hi:अर्नेस्ट लारेन्स|अर्नेस्ट लॉरेंस]] द्वारा आविष्कार किए गए सबसे पहले परिचालन परिपत्र त्वरक [[:hi:साइक्लोट्रॉन|साइक्लोट्रॉन]] थे। साइक्लोट्रॉन में कणों को तेज करने के लिए खोखले "डी" आकार की प्लेटों की एक जोड़ी होती है और एक बड़ा [[:hi:द्विध्रुवी चुम्बक|द्विध्रुवीय चुंबक]] एक गोलाकार कक्षा में अपना रास्ता मोड़ने के लिए होता है। यह एक समान और स्थिर चुंबकीय क्षेत्र बी में आवेशित कणों की एक विशेषता है कि वे एक स्थिर अवधि के साथ परिक्रमा करते हैं, एक आवृत्ति पर जिसे साइक्लोट्रॉन आवृत्ति कहा जाता है, जब तक कि उनकी गति प्रकाश की गति की तुलना में छोटी होती है। इसका मतलब यह है कि एक साइक्लोट्रॉन के त्वरित डी को एक रेडियो आवृत्ति (आरएफ) द्वारा स्थिर आवृत्ति पर संचालित किया जा सकता है, जो शक्ति स्रोत को तेज करता है, क्योंकि किरण 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।  


Line 99: Line 99:


==== सिंक्रोट्रॉन ====
==== सिंक्रोट्रॉन ====
[[File:Fermilab.jpg|thumb| [[:hi:टेवाट्रोन|फ़र्मिलाब]] में [[:hi:फर्मीलैब|टेवेट्रॉन]] 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। ]]
[[File:Fermilab.jpg|thumb| [[:hi:टेवाट्रोन|फ़र्मिलाब]] में [[:hi:फर्मीलैब|टेवेट्रॉन]] की हवाई तस्वीर, जो एक आकृति आठ से मिलती जुलती है। मुख्य त्वरक ऊपर की रिंग है नीचे वाला (लगभग आधा व्यास, दिखावे के बावजूद) प्रारंभिक त्वरण, किरण शीतलन और भंडारण, आदि के लिए है। ]]
अभी भी उच्च ऊर्जा तक पहुँचने के लिए, सापेक्षतावादी द्रव्यमान कणों के अन्य द्रव्यमान (प्रोटॉन, अरबों इलेक्ट्रॉन वोल्ट या [[:hi:इलेक्ट्रॉन वोल्ट|जीएवी]] के लिए) के समीप आने वाले या उससे अधिक होने के साथ, एक [[:hi:सिंक्रोट्रॉन|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 होता है। (अमेरिका में निर्मित सबसे बड़े साइक्लोट्रॉन में 184-इंच-व्यास (4.7 मीटर) चुंबक ध्रुव था, जबकि एलईपी और एलएचसी जैसे सिंक्रोट्रॉन का व्यास लगभग 10 किमी है। एलएचसी के दो किरणों का द्वारक एक सेंटीमीटर का क्रम होता है।) एलएचसी में 16 आरएफ गुहाएं, किरण परिचालन के लिए 1232 अतिचालक द्विध्रुवीय चुंबक और किरण केन्द्रित करने के लिए 24 चौगुनी होती हैं।<ref name="CERN-MAG2">["Pulling together: Superconducting electromagnets" CERN; https://home.cern/science/engineering/pulling-together-superconducting-electromagnets]</ref> इस आकार में भी, एलएचसी कणों को बिना बहाव के चलाने की अपनी क्षमता से सीमित होती है। यह सीमा 14 टीईवी पर होने का सिद्धांत है। <ref name="CERN-132">["Restarting the LHC: Why 13 Tev?" CERN; https://home.cern/science/engineering/restarting-lhc-why-13-tev]</ref>
अभी भी उच्च ऊर्जा तक पहुँचने के लिए, सापेक्षतावादी द्रव्यमान कणों के अन्य द्रव्यमान (प्रोटॉन, अरबों इलेक्ट्रॉन वोल्ट या [[:hi:इलेक्ट्रॉन वोल्ट|जीएवी]] के लिए) के समीप आने वाले या उससे अधिक होने के साथ, एक [[:hi:सिंक्रोट्रॉन|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 होता है। (अमेरिका में निर्मित सबसे बड़े साइक्लोट्रॉन में 184-इंच-व्यास (4.7 मीटर) चुंबक ध्रुव था, जबकि एलईपी और एलएचसी जैसे सिंक्रोट्रॉन का व्यास लगभग 10 किमी है। एलएचसी के दो किरणों का द्वारक एक सेंटीमीटर का क्रम होता है।) एलएचसी में 16 आरएफ गुहाएं, किरण परिचालन के लिए 1232 अतिचालक द्विध्रुवीय चुंबक और किरण केन्द्रित करने के लिए 24 चौगुनी होती हैं।<ref name="CERN-MAG2">["Pulling together: Superconducting electromagnets" CERN; https://home.cern/science/engineering/pulling-together-superconducting-electromagnets]</ref> इस आकार में भी, एलएचसी कणों को बिना बहाव के चलाने की अपनी क्षमता से सीमित होती है। यह सीमा 14 टीईवी पर होने का सिद्धांत है। <ref name="CERN-132">["Restarting the LHC: Why 13 Tev?" CERN; https://home.cern/science/engineering/restarting-lhc-why-13-tev]</ref>


Revision as of 03:55, 15 July 2022

File:Fermilab.jpg
टेवाट्रॉन (पृष्ठभूमि सर्कल), फर्मी राष्ट्रीय त्वरक प्रयोगशाला (फर्मिलैब), बटाविया, इलिनोइस, यूएसए में एक सिंक्रोट्रॉन कोलाइडर प्रकार का कण त्वरक। 2011 में शट डाउन, 2007 तक यह दुनिया का सबसे शक्तिशाली कण त्वरक था, प्रोटॉन को 1 टीईवी (टेरा इलेक्ट्रॉन वोल्ट) से अधिक की ऊर्जा में गति प्रदान करता था। प्रोटॉन और एंटीप्रोटोन की किरण, रिंग के एकल निर्वात कक्ष में विपरीत दिशाओं में घूमते हुए, दो चुंबकीय रूप से प्रेरित प्रतिच्छेदन बिंदुओं पर टकराए।।
File:Linear accelerator animation 16frames 1.6sec.gif
एक रैखिक त्वरक के संचालन को दर्शाने वाला एनिमेशन, व्यापक रूप से भौतिकी अनुसंधान और कैंसर उपचार दोनों में उपयोग किया जाता है।

कण त्वरक एक ऐसी मशीन है जो आवेशित कणों को बहुत तेज गति और ऊर्जा तक प्रेरित करने और उन्हें अच्छी तरह से परिभाषित किरण में समाविष्ट करने के लिए विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों का उपयोग करती है। [1]

कण भौतिकी में मौलिक अनुसंधान के लिए बड़े त्वरक का उपयोग किया जाता है। वर्तमान में संचालित सबसे बड़ा त्वरक जिनेवा, स्विटजरलैंड के निकट बड़े हैड्रॉन कोलाइडर (एलएचसी) है, जिसे सीईआरएन द्वारा संचालित किया जाता है। यह एक कोलाइडर त्वरक है, जो प्रोटॉन के दो किरणों को 6.5 टीईवी की ऊर्जा तक बढ़ा सकता है। और उन्हें 13 टीईवी की केंद्र-द्रव्यमान ऊर्जा बनाने के लिए आमने-सामने टकराने का कारण बनता है। अन्य शक्तिशाली त्वरक हैं, न्यूयॉर्क में ब्रुकहेवन राष्ट्रीय प्रयोगशाला में आरएचआईसी और पूर्व में फ़र्मिलाब, बटाविया, इलिनोइस में टेवाट्रॉन। संघनित पदार्थ भौतिकी के अध्ययन के लिए त्वरक का उपयोग सिंक्रोट्रॉन प्रकाश स्रोतों 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 रेडियोसमस्‍थानिक उत्पादन, अर्धचालक के निर्माण के लिए आयन प्रत्यारोपणकर्ता और रेडियोकार्बन जैसे दुर्लभ समस्‍थानिक के माप के लिए त्वरक द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमीटर शामिल हैं। वर्तमान में दुनिया भर में 30,000 से अधिक त्वरक संचालन में हैं। [2]

त्वरक के दो मूलभूत वर्ग हैं। इलेक्ट्रोस्टैटिक और विद्युत गतिकी (या विद्युत चुम्बकीय) त्वरक। [3] इलेक्ट्रोस्टैटिक कण त्वरक कणों को तेज करने के लिए स्थिर विद्युत क्षेत्रों का उपयोग करते हैं। सबसे सामान्य प्रकार कॉकक्रॉफ्ट-वाल्टन जनरेटर और वैन डी ग्रैफ जनरेटर हैं । इस वर्ग का एक छोटा-सा उदाहरण एक साधारण पुराने टेलीविजन सेट में कैथोड रे नलिका है। इन उपकरणों में कणों के लिए प्राप्त करने योग्य गतिज ऊर्जा त्वरित वोल्टेज द्वारा निर्धारित की जाती है, जो विद्युत व्यवधान से सीमित होती है। दूसरी ओर विद्युत गतिकी या विद्युत चुम्बकीय त्वरक कणों को तेज करने के लिए बदलते विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र (या तो चुंबकीय प्रेरण या दोलन रेडियो आवृत्ति क्षेत्र) का उपयोग करते हैं। चूंकि इन प्रकारों में कण एक ही त्वरित क्षेत्र से कई बार गुजर सकते हैं, इसलिए उत्पादन ऊर्जा त्वरित क्षेत्र के सामर्थ्य 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 स्ज़िलार्ड, मैक्स स्टीनबेक, और अर्नेस्ट लॉरेंस को इस क्षेत्र का अग्रणी माना जाता है, जिन्होंने पहले परिचालन रैखिक कण त्वरक, [4] बीटाट्रॉन और साइक्लोट्रॉन की कल्पना की और निर्माण किया।

चूंकि प्रारंभिक त्वरक के कण किरणों का लक्ष्य प्रायः 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 संदर्भित किया जाता था। [5] यह शब्द इस तथ्य के बावजूद बना रहता है कि कई आधुनिक त्वरक एक कण और एक परमाणु नाभिक के स्थान पर दो उप- परमाणु कणों के बीच टकराव पैदा करते हैं। [6] [7] [8]

उपयोग

File:Particle accelerator DSC09089.JPG
पेरिस में जुसीयू कैंपस के बेसमेंट में वैन डे ग्रैफ़ एक्सेलेरेटर से विभिन्न प्रयोगों तक जाने वाली किरण रेखाएं ।
File:SLAC National Accelerator Laboratory Aerial 2.png
कैलिफोर्निया के मेनलो पार्क में स्टैनफोर्ड लीनियर एक्सेलेरेटर (एसएलएसी) की 2 मील (3.2 किमी) किरण नलिका को आवरण करने वाली इमारत, जो दुनिया का दूसरा सबसे शक्तिशाली लिनैक है।

उच्च-ऊर्जा कणों की किरणें विज्ञान में मौलिक और अनुप्रयुक्त अनुसंधान के लिए उपयोगी होती हैं, और कई तकनीकी और औद्योगिक क्षेत्रों में भी जो 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% ही 1जीएवी से अधिक ऊर्जा वाली अनुसंधान मशीनें हैं, जबकि लगभग 44% रेडियोथेरेपी के लिए, 41% आयन प्रत्यारोपण के लिए, 9% औद्योगिक प्रसंस्करण और अनुसंधान के लिए, और 4% जैव चिकित्सा और अन्य कम ऊर्जा अनुसंधान के लिए हैं।[10]

कण भौतिकी

पदार्थ, स्थान और समय की गतिशीलता और संरचना में सबसे आधारभूत जांच के लिए, भौतिकशास्री उच्चतम संभव ऊर्जाओं पर सबसे सरल प्रकार के पारस्परिक विचार-विर्मश का प्रयास करते हैं। ये प्रायः कई जीएवी की कण ऊर्जा, और सबसे सरल प्रकार के कणों की परस्पर क्रिया- लेप्टन (जैसे इलेक्ट्रॉनों और पॉज़िट्रॉन) और पदार्थ के लिए क्वार्क, या क्षेत्र क्वांटा के लिए फोटॉन और ग्लून्स को शामिल करते हैं। चूंकि पृथक क्वार्क रंग परिरोध के कारण प्रयोगात्मक रूप से अनुपलब्ध हैं, इसलिए सबसे सरल उपलब्ध प्रयोगों में पहले, लेप्टान की एक दूसरे के साथ, और दूसरी, लेप्टान की न्यूक्लियॉन के साथ परस्पर क्रिया शामिल है, जो क्वार्क और ग्लून्स से बने होते है। एक दूसरे के साथ क्वार्कों के टकराव का अध्ययन करने के लिए, वैज्ञानिक न्यूक्लिऑन्स के टकराव का प्रयोग करते हैं, जो उच्च ऊर्जा पर उपयोगी रूप से क्वार्क और ग्लून्स के 2-निकाय परस्पर क्रिया के रूप में उपयोगी माने जा सकते हैं, जिनसे वे बने हैं। यह प्राथमिक कण भौतिकशास्री इलेक्ट्रॉनों, पॉज़िट्रॉन, प्रोटॉन और एंटीप्रोटोन की किरण बनाने वाली मशीनों का उपयोग करते हैं, जो एक दूसरे के साथ या सबसे सरल नाभिक (जैसे, हाइड्रोजन या ड्यूटेरियम ) के साथ उच्चतम संभव ऊर्जा पर परस्पर क्रिया करते हैं, सामान्यतः सैकड़ों जीएवी या अधिक।

प्राथमिक कण भौतिकी के लिए उपयोग किया जाने वाला सबसे बड़ा और उच्चतम-ऊर्जा कण त्वरक सीईआरएन में बड़े हैड्रॉन कोलाइडर (एलएचसी) है, जो 2009 से संचालित है।[11]

परमाणु भौतिकी और समस्थानिक उत्पादन

परमाणु भौतिक विज्ञानी और ब्रह्मांड विज्ञानी अनाच्छादित परमाणु नाभिक की किरण का उपयोग कर सकते हैं, इलेक्ट्रॉनों से वंचित, स्वयं नाभिक की संरचना, अंतःक्रियाओं और गुणों की जांच करने के लिए, और अत्यधिक उच्च तापमान और घनत्व पर संघनित पदार्थ का उपयोग कर सकते हैं, जैसे कि बिग बैंग के पहले क्षणों में हो सकता है। इन जांचों में प्रायः भारी नाभिकों की टक्कर शामिल होती है – लोहे या सोने जैसे परमाणुओं के – कई जीएवी प्रति न्यूक्लियॉन की ऊर्जा पर। इस तरह का सबसे बड़ा कण त्वरक ब्रुकहेवन राष्ट्रीय प्रयोगशाला में रिलेटिविस्टिक भारी आयन कोलाइडर (आरएचआईसी) है।

कण त्वरक प्रोटॉन किरण भी उत्पन्न कर सकते हैं, जो विखंडन प्रतिघातक में बने न्यूट्रॉन-समृद्ध के विपरीत प्रोटॉन-समृद्ध चिकित्सा या अनुसंधान आइसोटोप का उत्पादन कर सकते हैं। हालाँकि, हाल के काम ने दिखाया है कि हाइड्रोजन के त्वरक समस्थानिकों को, प्रायः रिएक्टरों में बने 99 Mo को कैसे 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 लैंसे है।

सिंक्रोट्रॉन विकिरण

एक चुंबकीय क्षेत्र के माध्यम से फैलने वाले इलेक्ट्रॉन सिंक्रोट्रॉन विकिरण के माध्यम से बहुत उज्ज्वल और सुसंगत फोटॉन किरण का उत्सर्जन करते हैं 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 मौजूद हैं। अमेरिका में उदाहरण एसएलएसी राष्ट्रीय त्वरक प्रयोगशाला में एसएसआरएल,आर्गोन राष्ट्रीय प्रयोगशाला में एपीएस, लॉरेंस बर्कले राष्ट्रीय प्रयोगशाला में एएलएस और ब्रुकहेवन [:hi:एसएलएसी राष्ट्रीय त्वरक प्रयोगशाला]राष्ट्रीय प्रयोगशाला में