कण त्वरक
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 इलेक्ट्रोडायनामिक (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 इलेक्ट्रोडायनामिक 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 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 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
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 आम तौर पर 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 नंगे परमाणु नाभिक के बीम का उपयोग कर सकते हैं, इलेक्ट्रॉनों से छीन लिया जा सकता है, 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 पहले क्षणों में हो सकता है बिग बैंग की। इन जांचों में अक्सर भारी नाभिकों की टक्कर शामिल होती है – लोहे या सोने जैसे परमाणुओं के – कई GeV प्रति न्यूक्लियॉन की ऊर्जा पर। इस तरह का सबसे बड़ा कण त्वरक ब्रुकहेवन नेशनल लेबोरेटरी में रिलेटिविस्टिक हेवी आयन कोलाइडर (आरएचआईसी) है।
कण त्वरक प्रोटॉन बीम भी उत्पन्न कर सकते हैं, जो विखंडन रिएक्टरों में बने न्यूट्रॉन-समृद्ध लोगों के विपरीत प्रोटॉन-समृद्ध चिकित्सा या अनुसंधान आइसोटोप का उत्पादन कर सकते हैं; हालाँकि, हाल के काम ने दिखाया है कि हाइड्रोजन के समस्थानिकों को तेज करके, आमतौर पर 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 LANSCE है।
सिंक्रोट्रॉन विकिरण
एक चुंबकीय क्षेत्र के माध्यम से फैलने वाले इलेक्ट्रॉन सिंक्रोट्रॉन विकिरण के माध्यम से बहुत उज्ज्वल और सुसंगत फोटॉन बीम 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 नेशनल एक्सेलेरेटर लेबोरेटरी में एसएसआरएल, आर्गोन नेशनल लेबोरेटरी में एपीएस, लॉरेंस बर्कले नेशनल लेबोरेटरी में एएलएस और ब्रुकहेवन नेशनल लेबोरेटरी में एनएसएलएस हैं। यूरोप में, लुंड, स्वीडन में MAX IV, बर्लिन, जर्मनी में BESSY, ऑक्सफ़ोर्डशायर, यूके में डायमंड, ग्रेनोबल, फ्रांस में ESRF हैं, बाद वाले का उपयोग एम्बर में फंसे कीड़ों की विस्तृत 3-आयामी छवियों को निकालने के लिए किया गया है। [13]
फ्री-इलेक्ट्रॉन लेजर (एफईएल) सिंक्रोट्रॉन विकिरण पर आधारित प्रकाश स्रोतों का एक विशेष वर्ग है जो उच्च अस्थायी सुसंगतता के साथ छोटी दालों को प्रदान करता है। एक विशेष रूप से डिज़ाइन किया गया एफईएल अवलोकनीय ब्रह्मांड में एक्स-रे का सबसे शानदार स्रोत है। [14] सबसे प्रमुख उदाहरण अमेरिका में एलसीएलएस और जर्मनी में यूरोपीय एक्सएफईएल हैं। नरम एक्स-रे लेज़रों की ओर अधिक ध्यान आकर्षित किया जा रहा है, जो पल्स शॉर्टिंग के साथ-साथ एटोसेकंड विज्ञान के लिए नए तरीकों को खोलता है। [15] एक्स-रे के अलावा, टेराहर्ट्ज प्रकाश उत्सर्जित करने के लिए एफईएल का उपयोग किया जाता है, उदाहरण के लिए 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 और एक्स-रे जनरेटर में पाए जाने वाले कैथोड रे ट्यूब 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 ही इलेक्ट्रोड में से एक है। आयन इम्प्लांटर नामक एक कम ऊर्जा वाले कण त्वरक का उपयोग एकीकृत परिपथों 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 हैं कॉकक्रॉफ्ट-वाल्टन जनरेटर या वोल्टेज गुणक, जो एसी को उच्च वोल्टेज डीसी में परिवर्तित करते हैं, या वैन डे ग्रैफ जनरेटर जो बेल्ट द्वारा ले जाने वाली स्थैतिक बिजली का उपयोग करते हैं।
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 कोबाल्ट -60 ( 60 Co) या सीज़ियम -137 ( 137 Cs) जैसे रेडियोआइसोटोप द्वारा उत्सर्जित गामा या एक्स-रे की तुलना में बहुत अधिक खुराक दर प्रदान करती है। उच्च खुराक दर के कारण, कम जोखिम समय की आवश्यकता होती है और बहुलक क्षरण कम हो जाता है। चूंकि इलेक्ट्रॉनों में चार्ज होता है, इसलिए इलेक्ट्रॉन बीम गामा और एक्स-रे दोनों की तुलना में कम मर्मज्ञ होते हैं। [16]
इलेक्ट्रोस्टैटिक कण त्वरक
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। सल्फर हेक्साफ्लोराइड जैसे उच्च ढांकता हुआ ताकत वाले 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 चार्ज 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 छीनने के लिए बीम को एक पतली पन्नी के माध्यम से पारित करके, उन्हें धनायनों (सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए आयनों) में परिवर्तित कर देता है, 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 चार्ज करने के लिए चलती कपड़े बेल्ट का उपयोग करता है। 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 गुहाएं जो आरएफ क्षेत्रों को दोलन करके उत्तेजित करती हैं। [17] इलेक्ट्रोडायनामिक त्वरक रैखिक हो सकते हैं, कणों के साथ एक सीधी रेखा, या गोलाकार में गति करने वाले, चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करके कणों को मोटे तौर पर गोलाकार कक्षा में मोड़ते 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 जाने वाला एक वोल्टेज पल्स एक बढ़ते चुंबकीय क्षेत्र का कारण बनता है जो आवेशित कण बीम में जोड़े को शक्ति प्रदान करता है। [18]
रेखीय प्रेरण त्वरक का आविष्कार क्रिस्टोफिलोस ने 1960 के दशक में किया था। [19] रैखिक प्रेरण त्वरक एक छोटी नाड़ी 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) LANL पर DARHT ), और चुंबकीय कारावास संलयन के लिए कण इंजेक्टर और मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर के लिए ड्राइवर के रूप में माना जाता है।
बेटट्रॉन
बीटाट्रॉन एक गोलाकार चुंबकीय प्रेरण त्वरक है, जिसका आविष्कार 1940 में डोनाल्ड केर्स्ट द्वारा इलेक्ट्रॉनों को तेज करने के लिए किया गया 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 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 पर 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
एक रैखिक कण त्वरक (लिनैक) में, एक छोर पर ब्याज 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 किक प्रदान करने के लिए किया जाता है। विश्व की सबसे लंबी लाइनैक स्टैनफोर्ड लीनियर एक्सेलेरेटर, एसएलएसी है, जो 3 km (1.9 mi) . है लंबा। एसएलएसी मूल रूप से एक इलेक्ट्रॉन - पॉज़िट्रॉन कोलाइडर था लेकिन अब एक एक्स-रे फ्री-इलेक्ट्रॉन लेजर 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 ही 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, 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।
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 साधारण प्लेटों के बजाय उच्च ऊर्जा मशीनों में माइक्रोवेव गुहाओं का उपयोग किया जाता है।
रेडियोथेरेपी और रेडियोसर्जरी के लिए रैखिक त्वरक का व्यापक रूप से चिकित्सा में उपयोग किया जाता है। मेडिकल ग्रेड लिनेक्स एक क्लिस्ट्रॉन और एक जटिल झुकने वाली चुंबक व्यवस्था का उपयोग करके इलेक्ट्रॉनों को गति देता है जो 6-30 . की बीम का उत्पादन करता है मेव ऊर्जा। इलेक्ट्रॉनों का सीधे उपयोग किया जा सकता है या उन्हें एक्स-रे की किरण बनाने के लिए 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 का उपयोग करके एक सर्कल में घुमाया जाता है। रैखिक त्वरक ( लिनैक ) 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 वृत्ताकार त्वरक तुलनीय शक्ति के एक रैखिक त्वरक से छोटा होता है (अर्थात एक लिनाक को एक वृत्ताकार त्वरक की समतुल्य शक्ति के लिए बहुत लंबा होना चाहिए)।
ऊर्जा और कण के त्वरित होने के आधार पर, परिपत्र त्वरक को नुकसान होता है क्योंकि कण सिंक्रोट्रॉन विकिरण का उत्सर्जन करते हैं। जब किसी आवेशित कण को त्वरित किया जाता है, तो यह विद्युत चुम्बकीय विकिरण और