कण त्वरक

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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।।

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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।

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।

त्वरक के दो मूलभूत वर्ग हैं। इलेक्ट्रोस्टैटिक और विद्युत गतिकी (या विद्युत चुम्बकीय) त्वरक। 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, 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। 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।

उपयोग

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पेरिस में जुसीयू कैंपस के बेसमेंट में वैन डे ग्रैफ़ एक्सेलेरेटर से विभिन्न प्रयोगों तक जाने वाली किरण रेखाएं ।

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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। 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।

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।

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, 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 एनएसएलएस हैं। यूरोप में, लुंड, स्वीडन में मैक्स IV, बर्लिन, जर्मनी में बेसी, ऑक्सफ़ोर्डशायर, यूके में डायमंड, ग्रेनोबल, फ्रांस में ईएसआरएफ हैं, बाद वाले का उपयोग एम्बर में फंसे कीड़ों की विस्तृत 3-आयामी छवियों को निकालने के लिए किया गया है।

फ्री-इलेक्ट्रॉन लेजर (एफईएल) सिंक्रोट्रॉन विकिरण पर आधारित प्रकाश स्रोतों का एक विशेष वर्ग है जो उच्च अस्थायी सुसंगतता के साथ छोटे कंपनों को प्रदान करता है। एक विशेष रूप से डिज़ाइन किया गया एफईएल अवलोकनीय ब्रह्मांड में एक्स-रे का सबसे शानदार स्रोत है। सबसे प्रमुख उदाहरण अमेरिका में एलसीएलएस और जर्मनी में यूरोपीय एक्सएफईएल हैं। मंद एक्स-रे लेज़रों की ओर अधिक ध्यान आकर्षित किया जा रहा है, जो कंपन में कमी के साथ-साथ एटोसेकंड विज्ञान के लिए नए तरीकों को खोलता है। एक्स-रे के अलावा, टेराहर्ट्ज प्रकाश उत्सर्जित करने के लिए एफईएल का उपयोग किया जाता है, उदाहरण के लिए निजमेजेन, नीदरलैंड्स में फेलिक्स, ड्रेसडेन, जर्मनी में टेलबे और नोवोसिबिर्स्क, रूस में नोवोफेल।

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

कम ऊर्जा वाली मशीनें और कण चिकित्सा

कण त्वरक के दैनिक उदाहरण टेलीविजन सेट और एक्स-रे जनरेटर में पाए जाने वाले कैथोड रे नलिका हैं। ये कम-ऊर्जा त्वरक उनके बीच कुछ हज़ार वोल्ट के डीसी वोल्टेज के साथ एकल जोड़ी इलेक्ट्रोड का उपयोग करते हैं। एक्स-रे जनरेटर में, लक्ष्य स्वयं इलेक्ट्रोड में से एक होता है। कम ऊर्जा वाले कण त्वरक को आयन प्रत्यारोपणकर्ता कहा जाता है जिसका उपयोग एकीकृत सर्किट 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 का कारण बनने के लिए पर्याप्त गति के लिए कणों को तेज करने में सक्षम डीसी त्वरक प्रकार कॉकक्रॉफ्ट-वाल्टन जनरेटर या वोल्टेज गुणक हैं, जो एसी को उच्च वोल्टेज डीसी में परिवर्तित करते हैं, या वैन डी ग्रैफ जनरेटर जो बेल्ट द्वारा ले जाने वाली स्थैतिक बिजली का उपयोग करते हैं।

चिकित्सा उपकरणों का विकिरण विसंक्रमण

इलेक्ट्रॉन किरण प्रसंस्करण सामान्यतः विसंक्रमण के लिए उपयोग किया जाता है। इलेक्ट्रॉन किरण एक चालु-बंद तकनीक है जो कोबाल्ट -60 ( ⁶⁰ Co) या सीज़ियम -137 ( ¹³⁷ Cs) जैसे रेडियोआइसोटोप द्वारा उत्सर्जित गामा या एक्स-रे की तुलना में बहुत अधिक मात्रा दर प्रदान करता है। उच्च मात्रा दर के कारण, कम अनावृत्ति समय की आवश्यकता होती है और बहुलक क्षरण कम हो जाता है। चूंकि इलेक्ट्रॉनों में आवेश होता है, इसलिए इलेक्ट्रॉन किरण गामा और एक्स-रे दोनों की तुलना में कम मर्मज्ञ होती हैं।

इलेक्ट्रोस्टैटिक कण त्वरक

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A Cockcroft-Walton generator (Philips, 1937), residing in Science Museum (London).

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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। सल्फर हेक्साफ्लोराइड जैसे उच्च 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 आयनों (नकारात्मक रूप से आवेशित किए गए आयनों ) 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 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 कॉक्रॉफ्ट-वाल्टन त्वरक, जो उच्च वोल्टेज का उत्पादन करने के लिए डायोड-संधारित्र वोल्टेज गुणक का उपयोग करता है, और 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।

विद्युत गतिकी (विद्युत चुम्बकीय) कण त्वरक

विद्युत निर्वहन द्वारा लगाए गए उच्च वोल्टेज उच्चतम सीमा के कारण, कणों को उच्च ऊर्जा में गति देने के लिए, स्थिर क्षेत्रों के स्थान पर 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 गुहाएं जो आरएफ क्षेत्रों को दोलन करके उत्तेजित करती हैं। विद्युत गतिकी त्वरक रैखिक हो सकते हैं,कणों के साथ एक सीधी रेखा, या परिपत्र में गति लाने के लिए, चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग करके साधारणतया गोलाकार कक्षा में कणों को मोड़ना होता है।

चुंबकीय प्रेरण त्वरक

चुंबकीय प्रेरण त्वरक बढ़ते चुंबकीय क्षेत्र से प्रेरण द्वारा कणों को गति देते हैं, जैसे कि कण ट्रांसफॉर्मर में द्वितीयक वक्र थे। बढ़ता चुंबकीय क्षेत्र एक परिसंचारी विद्युत क्षेत्र बनाता है जिसे कणों को गति देने के लिए आकार दिया जा सकता है। प्रेरण त्वरक या तो रैखिक या गोलाकार हो सकते हैं।

रैखिक प्रेरण त्वरक

रैखिक प्रेरण त्वरक फेराइट से भरा हुआ, गैर-अनुनाद प्रेरण गुहाओं का उपयोग करते हैं। प्रत्येक गुहा को बाहरी बेलनाकार नलिका 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 जाने वाला वोल्टेज कंपन बढ़ते चुंबकीय क्षेत्र का कारण बनता है जो आवेशित कण किरण में शक्ति को जोड़ देता है।

रेखीय प्रेरण त्वरक का आविष्कार क्रिस्टोफिलोस ने 1960 के दशक में किया था। रैखिक प्रेरण त्वरक एक छोटे कंपन में बहुत उच्च किरण धाराओं (> 1000 ए) को गति देने में सक्षम हैं। उनका उपयोग दीप्ति रेडियोग्राफी के लिए एक्स-रे उत्पन्न करने के लिए किया गया है, उदाहरण के लिए- लैनली पर डारहट, और चुंबकीय परिरोध संलयन के लिए कण इंजेक्टर और मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर के लिए ड्राइवर के रूप में माना जाता है।

बीटाट्रॉन

बीटाट्रॉन एक गोलाकार चुंबकीय प्रेरण त्वरक है, जिसका आविष्कार डोनाल्ड केर्स्ट ने 1940 में इलेक्ट्रॉनों को गति देने के लिए किया था। यह 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 गति प्रदान करती हैं, जैसे कि वे एक ट्रांसफॉर्मर में माध्यमिक घुमावदार थे, के कारण कक्षा के माध्यम से चुंबकीय प्रवाह को बदलना है।

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 लगभग गति से चलने वाले इलेक्ट्रॉनों द्वारासहन की गई बड़ी विकिरण हानियों से सीमित हैं।

रैखिक त्वरक

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आधुनिक अतिचालक रेडियो आवृत्ति, मल्टीसेल रैखिक त्वरक घटक।

एक 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 लिनैकस्टैनफोर्ड रैखिक त्वरक, एसएलएसी है, जो 3 कि�