Electrostatic particle accelerator
एक स्थिरविद्युत कण त्वरक एक कण त्वरक है जिसमें आवेशित कणों को एक स्थिर उच्च वोल्टेज क्षमता द्वारा उच्च ऊर्जा में त्वरित किया जाता है। यह कण त्वरक की अन्य प्रमुख श्रेणी, दोलन क्षेत्र कण त्वरक के विपरीत है, जिसमें कणों को दोलन विद्युत क्षेत्रों द्वारा त्वरित किया जाता है। उनके सरल डिजाइन के कारण, इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रकार पहले कण त्वरक थे। दो सबसे आम प्रकार हैं 1929 में रॉबर्ट वैन डी ग्राफ द्वारा आविष्कार किया गया वैन डी ग्राफ जनरेटर और 1932 में जॉन कॉकक्रॉफ्ट और अर्नेस्ट वाल्टन द्वारा आविष्कार किया गया कॉकक्रॉफ्ट-वाल्टन त्वरक। विद्युतस्थैतिक त्वरक द्वारा उत्पादित अधिकतम कण ऊर्जा अधिकतम वोल्टेज द्वारा सीमित होती है जिसे मशीन प्राप्त कर सकती है। यह बदले में कुछ मेगावाट तक इन्सुलेशन टूटने से सीमित है। दोलन त्वरक में यह सीमा नहीं होती है, इसलिए वे स्थिरविद्युत यंत्रों की तुलना में उच्च कण ऊर्जा प्राप्त कर सकते हैं। दोलनशील क्षेत्र मशीनों की तुलना में स्थिरविद्युत त्वरकों के लाभों में कम लागत, निरंतर किरणों का उत्पादन करने की क्षमता और उच्च किरण धाराएं शामिल हैं जो उन्हें उद्योग के लिए उपयोगी बनाती हैं। जैसे, वे अब तक सबसे व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले कण त्वरक हैं, जिनमें औद्योगिक अनुप्रयोग जैसे प्लास्टिक सिकुड़न लपेट उत्पादन, उच्च शक्ति एक्स-रे मशीन, चिकित्सा में विकिरण चिकित्सा, रेडियोआइसोटोप उत्पादन, अर्धचालक उत्पादन में आयन प्रत्यारोपण और नसबंदी शामिल हैं। दुनिया भर के कई विश्वविद्यालयों में अनुसंधान उद्देश्यों के लिए स्थिरविद्युत त्वरक हैं। उच्च ऊर्जा दोलन क्षेत्र त्वरक आमतौर पर एक स्थिरविद्युत मशीन को अपने पहले चरण के रूप में शामिल करते हैं, ताकि कणों को मुख्य त्वरक में डालने के लिए पर्याप्त उच्च वेग तक बढ़ाया जा सके। इलेक्ट्रोस्टैटिक त्वरक रैखिक त्वरक (लिनाक्स) का एक उपसमुच्चय है। जबकि सभी लिनैक एक सीधी रेखा में कणों को तेज करते हैं, स्थिरविद्युत त्वरक एक एकल उच्च वोल्टेज स्रोत से एक निश्चित त्वरण क्षेत्र का उपयोग करते हैं, जबकि रेडियोफ्रीक्वेंसी लिनैक त्वरित अंतराल की एक श्रृंखला में दोलन विद्युत क्षेत्रों का उपयोग करते हैं। अनुप्रयोग इलेक्ट्रोस्टैटिक त्वरक के विज्ञान और उद्योग में अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला है। मौलिक अनुसंधान के क्षेत्र में, उनका उपयोग सैकड़ों एम. ई. वी. तक की ऊर्जाओं पर अनुसंधान के लिए परमाणु नाभिक की किरणें प्रदान करने के लिए किया जाता है। उद्योग और सामग्री विज्ञान में इनका उपयोग आयन प्रत्यारोपण और आयन किरण मिश्रण सहित सामग्री संशोधन के लिए आयन किरणों का उत्पादन करने के लिए किया जाता है। भारी आयनों के विद्युतस्थैतिक त्वरण पर आधारित कई सामग्री विश्लेषण तकनीकें भी हैं, जिनमें रदरफोर्ड बैकस्केटरिंग स्पेक्ट्रोमेट्री (आरबीएस), कण-प्रेरित एक्स-रे उत्सर्जन (पीआईएक्सई), त्वरक द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमेट्री (एएमएस), लोचदार पुनरावृत्ति का पता लगाना (ईआरडी) और अन्य शामिल हैं। हालाँकि ये मशीनें मुख्य रूप से परमाणु नाभिक को तेज करती हैं, लेकिन औद्योगिक उद्देश्यों के लिए इलेक्ट्रॉनों को तेज करने के लिए कई कॉम्पैक्ट मशीनों का उपयोग किया जाता है जिनमें चिकित्सा उपकरणों का नसबंदी, एक्स-रे उत्पादन और सिलिकॉन वेफर उत्पादन शामिल हैं। स्थिरविद्युत कण त्वरक का एक विशेष अनुप्रयोग धूल त्वरक है जिसमें नैनोमीटर से माइक्रोमीटर आकार के विद्युत आवेशित धूल कणों को 100 किमी/सेकंड तक की गति से तेज किया जाता है। डस्ट एक्सेलेरेटर का उपयोग प्रभाव क्रेटरिंग अध्ययन, प्रभाव आयनीकरण डस्ट डिटेक्टर के अंशांकन और उल्का अध्ययन के लिए किया जाता है। सिंगल-एंडेड मशीनें लाखों वोल्ट के क्रम पर स्थिर क्षमता पर रखे गए उच्च वोल्टेज टर्मिनल का उपयोग करके, आवेशित कणों को त्वरित किया जा सकता है। सरल भाषा में, एक स्थिरविद्युत जनित्र मूल रूप से एक विशाल संधारित्र होता है (हालांकि इसमें प्लेटों की कमी होती है)। उच्च वोल्टेज या तो कॉकक्रॉफ्ट एंड वॉल्टन या वैन डी ग्राफ के तरीकों का उपयोग करके प्राप्त किया जाता है, जिसमें त्वरक का नाम अक्सर इन आविष्कारकों के नाम पर रखा जाता है। वैन डी ग्राफ का मूल डिजाइन धातु की कंघी के साथ एक इन्सुलेटिंग शीट, या बेल्ट पर इलेक्ट्रॉनों को रखता है, और फिर शीट भौतिक रूप से स्थिर इलेक्ट्रॉनों को टर्मिनल तक पहुँचाती है। हालांकि उच्च वोल्टेज पर, टर्मिनल एक कंडक्टर होता है, और कंडक्टर के अंदर एक संबंधित कंघी होती है जो शीट से इलेक्ट्रॉनों को उठा सकती है; गॉस के नियम के कारण, कंडक्टर के अंदर कोई विद्युत क्षेत्र नहीं होता है, इसलिए एक बार अंदर आने के बाद इलेक्ट्रॉनों को प्लेटफॉर्म द्वारा पीछे नहीं हटाया जाता है। बेल्ट शैली में पारंपरिक कन्वेयर बेल्ट के समान है, एक प्रमुख अपवाद के साथः यह निर्बाध है। इस प्रकार, यदि बेल्ट टूट गया है, तो बेल्ट को बदलने के लिए त्वरक को कुछ हद तक अलग किया जाना चाहिए, जो इसके निरंतर घूर्णन और आमतौर पर रबर से बने होने के कारण, विशेष रूप से असामान्य घटना नहीं है। बेल्ट के साथ व्यावहारिक कठिनाई शारीरिक रूप से चार्ज के परिवहन के लिए एक अलग माध्यम बन गईः छर्रों की एक श्रृंखला। एक सामान्य श्रृंखला के विपरीत, यह एक छोर से दूसरे छोर तक गैर-संवाहक है, क्योंकि इसके निर्माण में इन्सुलेटर और कंडक्टर दोनों का उपयोग किया जाता है। इस प्रकार के त्वरकों को आमतौर पर पेलेट्रॉन कहा जाता है। एक बार जब प्लेटफॉर्म को उपरोक्त साधनों में से किसी एक द्वारा विद्युत रूप से चार्ज किया जा सकता है, तो सकारात्मक आयनों के कुछ स्रोत को बीम लाइन के अंत में प्लेटफॉर्म पर रखा जाता है, यही कारण है कि इसे टर्मिनल कहा जाता है। हालाँकि, चूंकि आयन स्रोत को उच्च क्षमता पर रखा जाता है, इसलिए कोई भी सीधे नियंत्रण या रखरखाव के लिए आयन स्रोत तक नहीं पहुँच सकता है। इस प्रकार, टर्मिनल के अंदर विभिन्न लीवरों से जुड़ी प्लास्टिक की छड़ जैसी विधियों को अलग किया जा सकता है और दूर से टॉगल किया जा सकता है। व्यावहारिक समस्याओं को छोड़ते हुए, यदि प्लेटफॉर्म सकारात्मक रूप से चार्ज किया जाता है, तो यह उसी विद्युत ध्रुवीयता के आयनों को पीछे हटा देगा, उन्हें तेज करेगा। ई = क्यूवी के रूप में, जहां ई उभरती ऊर्जा है, क्यू आयनिक आवेश है, और वी अंतिम वोल्टेज है, इस तरह से त्वरित कणों की अधिकतम ऊर्जा व्यावहारिक रूप से उच्च वोल्टेज मंच की निर्वहन सीमा से सीमित है, लगभग 12 एमवी परिवेशी वायुमंडलीय स्थितियों में। इस सीमा को बढ़ाया जा सकता है, उदाहरण के लिए, एच. वी. प्लेटफार्म को हवा की तुलना में उच्च परावैद्युत स्थिरांक के साथ एक अवाहक गैस के टैंक में रखा जा सकता है, जैसे कि एस. एफ. 6 जिसमें पराबैद्युत स्थिरांक हवा से लगभग ढाई गुना अधिक होता है। हालाँकि, एस. एफ. 6 के एक टैंक में भी अधिकतम प्राप्य वोल्टेज लगभग 30 एम. वी. है। बेहतर अवाहक शक्तियों वाली अन्य गैसें भी हो सकती हैं, लेकिन एस. एफ. 6 रासायनिक रूप से निष्क्रिय और गैर-विषैले भी है। अधिकतम त्वरण ऊर्जा को और बढ़ाने के लिए, एक ही उच्च वोल्टेज का दो बार उपयोग करने के लिए टेंडम अवधारणा का आविष्कार किया गया था। टेंडम त्वरक पारंपरिक रूप से, सकारात्मक आवेशित आयनों को त्वरित किया जाता है क्योंकि यह परमाणु नाभिक की ध्रुवीयता है। हालांकि, यदि कोई आयनों को तेज करने के लिए एक ही स्थिर विद्युत क्षमता का दो बार उपयोग करना चाहता है, तो आयनों के आवेश की ध्रुवीयता आयनों से धनायनों में बदलनी चाहिए या इसके विपरीत जब वे चालक के अंदर होते हैं जहां वे कोई विद्युत बल महसूस नहीं करेंगे। यह पता चलता है कि एक ऊर्जावान आयन से इलेक्ट्रॉनों को निकालना या छीनना आसान है। द्रव्य के साथ आयन अंतःक्रिया के गुणों में से एक इलेक्ट्रॉनों का आदान-प्रदान है, जो एक ऐसा तरीका है जिससे आयन पदार्थ के भीतर इसे जमा करके ऊर्जा खो सकता है, कुछ ऐसा जो हमें सहज रूप से एक ठोस पर प्रक्षेप्य शॉट की उम्मीद करनी चाहिए। हालांकि, जैसे-जैसे लक्ष्य पतला होता जाता है या प्रक्षेप्य अधिक ऊर्जावान हो जाता है, पन्नी में जमा ऊर्जा की मात्रा कम होती जाती है। टेंडम टर्मिनल के बाहर आयन स्रोत का पता लगाते हैं, जिसका अर्थ है कि जब टर्मिनल उच्च वोल्टेज पर होता है तो आयन स्रोत तक पहुंचना काफी कम कठिन होता है, खासकर अगर टर्मिनल गैस टैंक के अंदर होता है। तो फिर एक स्पटरिंग आयन स्रोत से एक आयन किरण को अपेक्षाकृत कम वोल्टेज प्लेटफॉर्म से उच्च वोल्टेज टर्मिनल की ओर इंजेक्ट किया जाता है। टर्मिनल के अंदर, बीम एक पतली पन्नी (माइक्रोग्राम प्रति वर्ग सेंटीमीटर के क्रम पर) पर असर डालती है, अक्सर कार्बन या बेरिलियम, आयन बीम से इलेक्ट्रॉनों को अलग करती है ताकि वे धनायन बन जाएं। चूँकि-1 से अधिक आवेश अवस्था के आयनों को बनाना मुश्किल है, तो एक टेंडम से निकलने वाले कणों की ऊर्जा E = (q + 1) V है, जहाँ हमने उस आयन से दूसरी त्वरण क्षमता को स्ट्रिपर फॉइल से निकलने वाले सकारात्मक आवेश अवस्था q में जोड़ा है; हम इन अलग-अलग आवेश संकेतों को एक साथ जोड़ रहे हैं क्योंकि हम प्रत्येक चरण में नाभिक की ऊर्जा को बढ़ा रहे हैं। इस अर्थ में, हम स्पष्ट रूप से देख सकते हैं कि एक टेंडम एक प्रोटॉन बीम की अधिकतम ऊर्जा को दोगुना कर सकता है, जिसकी अधिकतम चार्ज स्थिति केवल + 1 है, लेकिन एक टेंडम द्वारा प्राप्त लाभ कम हो रहा है क्योंकि हम उच्च द्रव्यमान पर जाते हैं, उदाहरण के लिए, कोई भी आसानी से सिलिकॉन बीम की 6 + चार्ज स्थिति प्राप्त कर सकता है। प्रत्येक तत्व को आसानी से एक आयन में बनाना संभव नहीं है, इसलिए टेंडम के लिए हीलियम से भारी किसी भी उत्कृष्ट गैस को तेज करना बहुत दुर्लभ है, हालांकि KrF− और XeF− का सफलतापूर्वक उत्पादन किया गया है और एक टेंडम के साथ त्वरित किया गया है। हालांकि, आयन प्राप्त करने के लिए यौगिकों को बनाना असामान्य नहीं है, और टीआईएच2 को टीआईएच-के रूप में निकाला जा सकता है और एक प्रोटॉन बीम का उत्पादन करने के लिए उपयोग किया जा सकता है, क्योंकि ये सरल, और अक्सर कमजोर रूप से बंधे रसायन, टर्मिनल स्ट्रिपर पन्नी पर अलग हो जाएंगे। आनयन आयन किरण उत्पादन टेंडम एक्सेलरेटर अनुप्रयोग के लिए अध्ययन का एक प्रमुख विषय था, और कोई भी नकारात्मक आयन कुकबुक में अधिकांश तत्वों के लिए व्यंजनों और पैदावार पा सकता है। टेंडम को अंतिम मोड में भी संचालित किया जा सकता है, जहां वे एकल-अंत इलेक्ट्रोस्टैटिक त्वरक की तरह काम करते हैं, जो उत्कृष्ट गैसों के बीम बनाने का एक अधिक सामान्य और व्यावहारिक तरीका है। 'टेंडम' नाम एक ही उच्च वोल्टेज के इस दोहरे उपयोग से उत्पन्न होता है, हालांकि टेंडम को टर्मिनल को चार्ज करने की विधि के आधार पर पारंपरिक इलेक्ट्रोस्टैटिक त्वरक की एक ही शैली में भी नामित किया जा सकता है। एम. पी. टेंडम वैन डी ग्राफ एक प्रकार का टेंडम त्वरक है। इनमें से दस 20वीं शताब्दी में स्थापित किए गए थे; छह उत्तरी अमेरिका में और चार यूरोप में। ज्यामिति एक चाल जिस पर स्थिरविद्युत त्वरक के साथ विचार किया जाना चाहिए वह यह है कि आमतौर पर वैक्यूम बीम लाइनें स्टील से बनी होती हैं। हालांकि, उच्च वोल्टेज टर्मिनल से जमीन तक स्टील के एक संवाहक पाइप को बहुत अच्छी तरह से नहीं जोड़ा जा सकता है। इस प्रकार, एक मजबूत कांच के कई छल्लों, जैसे कि पायरेक्स, को इस तरह से एक साथ इकट्ठा किया जाता है कि उनका इंटरफेस एक वैक्यूम सील है, जैसे कि एक तांबे की गैस्केट; एक लंबी कांच की नली वैक्यूम के नीचे फट सकती है या अपने वजन को पूरा करने के लिए फ्रैक्चर हो सकता है। भौतिकी के लिए महत्वपूर्ण रूप से, ये अंतर-दूरी वाले संवाहक वलय त्वरण स्तंभ के साथ एक अधिक समान विद्युत क्षेत्र बनाने में मदद करते हैं। कांच के छल्लों की यह बीम लाइन बस टर्मिनल के दोनों छोर पर संपीड़न द्वारा समर्थित है। चूंकि कांच गैर-संवाहक है, इसलिए इसे जमीन से सहारा दिया जा सकता है, लेकिन टर्मिनल के पास इस तरह के समर्थन डिजाइन के आधार पर टर्मिनल के निर्वहन को प्रेरित कर सकते हैं। कभी-कभी संपीड़न पर्याप्त नहीं होता है, और पूरी बीम लाइन ढह सकती है और टूट सकती है। यह विचार विशेष रूप से टेंडम के डिजाइन के लिए महत्वपूर्ण है, क्योंकि उनमें स्वाभाविक रूप से लंबी बीम लाइनें होती हैं, और बीम लाइन को टर्मिनल के माध्यम से चलना चाहिए। अक्सर स्थिरविद्युत त्वरकों को क्षैतिज रेखा में व्यवस्थित किया जाता है। हालांकि, कुछ टेंडम में "यू" आकार हो सकता है, और सिद्धांत रूप में बीम को टर्मिनल पर चुंबकीय द्विध्रुव के साथ किसी भी दिशा में घुमाया जा सकता है। कुछ स्थिरविद्युत त्वरकों को ऊर्ध्वाधर रूप से व्यवस्थित किया जाता है, जहां या तो आयन स्रोत या, "यू" आकार के ऊर्ध्वाधर अग्रक्रम के मामले में, टर्मिनल, एक मीनार के शीर्ष पर होता है। एक मीनार व्यवस्था स्थान बचाने का एक तरीका हो सकता है, और कांच के छल्लों से बने टर्मिनल से जुड़ने वाली बीम लाइन भी संपीड़न के प्राकृतिक स्रोत के रूप में गुरुत्वाकर्षण का कुछ लाभ उठा सकती है। कण ऊर्जा एकल-अंत इलेक्ट्रोस्टैटिक त्वरक में आवेशित कण को दो इलेक्ट्रोड के बीच एकल स्थितिज अंतर के माध्यम से त्वरित किया जाता है, इसलिए उत्पादन कण ऊर्जा त्वरक वोल्टेज द्वारा गुणा किए गए कण पर आवेश के बराबर होती है। यदि आवेश कूलोंब की पारंपरिक इकाइयों में है और विभव वोल्ट में है तो कण ऊर्जा जूल में दी जाएगी। हालांकि, क्योंकि प्राथमिक कणों पर आवेश इतना कम है (इलेक्ट्रॉन पर आवेश 1.6x10 −19 कुलंब है), जूल में ऊर्जा बहुत कम संख्या है। चूँकि सभी प्राथमिक कणों में आवेश होते हैं जो इलेक्ट्रॉन पर प्राथमिक आवेश के गुणक होते हैं, कुलम्ब, कण भौतिक विज्ञानी कण ऊर्जा को व्यक्त करने के लिए एक अलग इकाई का उपयोग करते हैं, इलेक्ट्रॉन वोल्ट (ईवी) जो गणना को आसान बनाता है। इलेक्ट्रोनवोल्ट उस ऊर्जा के बराबर है जो एक वोल्ट के संभावित अंतर से गुजरने वाले 1e लाभ के आवेश के साथ एक कण है। उपरोक्त समीकरण में, यदि प्राथमिक आवेश e में मापा जाता है और वोल्ट में होता है, तो कण ऊर्जा eV में दी जाती है। उदाहरण के लिए, यदि एक अल्फा कण जिसका आवेश 2e है, एक मिलियन वोल्ट (1 एम. वी.) के वोल्टेज अंतर के माध्यम से त्वरित किया जाता है, तो इसकी ऊर्जा दो मिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट होगी, जिसे संक्षिप्त में 2 एम. ई. वी. कहा जाता है। स्थिरविद्युत यंत्रों पर त्वरित वोल्टेज 0.1 से 25 एम. वी. की सीमा में होता है और कणों पर आवेश कुछ प्राथमिक आवेश होते हैं, इसलिए कण ऊर्जा कम एम. ई. वी. सीमा में होती है। अधिक शक्तिशाली त्वरक गीगा इलेक्ट्रॉन वोल्ट (जी. ई. वी.) सीमा में ऊर्जा का उत्पादन कर सकते हैं। संदर्भ बाहरी लिंक आई. ए. ई. ए. विद्युतस्थैतिक त्वरकों का डेटाबेस त्वरक भौतिकी नाभिकीय भौतिकी