Electrostatic particle accelerator
الیکٹروسٹیٹک پارٹیکل ایکسلریٹر ایک پارٹیکل ایکسلریٹر ہے جس میں چارج شدہ ذرات کو جامد ہائی وولٹیج پوٹینشل کے ذریعے ہائی انرجی میں تیز کیا جاتا ہے۔ یہ ذرہ ایکسلریٹر کے دوسرے بڑے زمرے، آسلٹنگ فیلڈ پارٹیکل ایکسلریٹرز سے متصادم ہے، جس میں برقی شعبوں کو آسلٹنگ کرکے ذرات کو تیز کیا جاتا ہے۔ ان کے آسان ڈیزائن کی وجہ سے، الیکٹروسٹیٹک اقسام پہلے ذرہ ایکسلریٹر تھے۔ دو سب سے عام اقسام 1929 میں رابرٹ وان ڈی گراف کے ایجاد کردہ وان ڈی گراف جنریٹر اور 1932 میں جان کاک کرافٹ اور ارنسٹ والٹن کے ایجاد کردہ کاک کرافٹ-والٹن ایکسلریٹر ہیں۔ الیکٹروسٹیٹک ایکسلریٹرز کے ذریعے پیدا ہونے والی زیادہ سے زیادہ ذرہ توانائی زیادہ سے زیادہ وولٹیج کے ذریعے محدود ہوتی ہے جسے مشین حاصل کر سکتی ہے۔ یہ بدلے میں موصلیت کی خرابی کی وجہ سے چند میگاوولٹس تک محدود ہے۔ آسکلٹنگ ایکسلریٹرز میں یہ حد نہیں ہوتی ہے، لہذا وہ الیکٹروسٹیٹک مشینوں کے مقابلے میں زیادہ ذرہ توانائیاں حاصل کر سکتے ہیں۔ آسلٹنگ فیلڈ مشینوں کے مقابلے میں الیکٹروسٹیٹک ایکسلریٹرز کے فوائد میں کم لاگت، مسلسل بیم پیدا کرنے کی صلاحیت، اور زیادہ بیم کرنٹ شامل ہیں جو انہیں صنعت کے لیے مفید بناتے ہیں۔ اس طرح، وہ اب تک سب سے زیادہ وسیع پیمانے پر استعمال ہونے والے ذرہ ایکسلریٹر ہیں، جن میں صنعتی ایپلی کیشنز جیسے پلاسٹک سکڑ لپیٹ کی پیداوار، ہائی پاور ایکس رے مشینیں، ادویات میں تابکاری تھراپی، ریڈیوآئیسوٹوپ کی پیداوار، سیمی کنڈکٹر کی پیداوار میں آئن امپلانٹر، اور نسبندی شامل ہیں۔ دنیا بھر کی بہت سی یونیورسٹیوں میں تحقیقی مقاصد کے لیے الیکٹروسٹیٹک ایکسلریٹر موجود ہیں۔ ہائی انرجی آسلٹنگ فیلڈ ایکسلریٹر عام طور پر ایک الیکٹروسٹیٹک مشین کو اپنے پہلے مرحلے کے طور پر شامل کرتے ہیں، تاکہ ذرات کو اتنی تیز رفتار تک تیز کیا جا سکے کہ وہ مرکزی ایکسلریٹر میں داخل ہو سکیں۔ الیکٹروسٹیٹک ایکسلریٹرز لکیری ایکسلریٹرز (لینکس) کا ایک ذیلی مجموعہ ہیں۔ جبکہ تمام لینکس ایک سیدھی لکیر میں ذرات کو تیز کرتے ہیں، الیکٹروسٹیٹک ایکسلریٹر ایک ہی ہائی وولٹیج ماخذ سے ایک فکسڈ ایکسلریٹنگ فیلڈ کا استعمال کرتے ہیں، جبکہ ریڈیو فریکوئنسی لینکس تیز رفتار خلا کے سلسلے میں ارتعاش برقی شعبوں کا استعمال کرتے ہیں۔ ایپلی کیشنز الیکٹروسٹیٹک ایکسلریٹرز کے پاس سائنس اور صنعت میں ایپلی کیشنز کی ایک وسیع صف ہے۔ بنیادی تحقیق کے دائرے میں، ان کا استعمال کئی سینکڑوں ایم ای وی تک کی توانائیوں پر تحقیق کے لیے جوہری مرکزوں کی بیم فراہم کرنے کے لیے کیا جاتا ہے۔ صنعت اور مادے کی سائنس میں ان کا استعمال مادے میں ترمیم کے لیے آئن بیم تیار کرنے کے لیے کیا جاتا ہے، بشمول آئن امپلانٹیشن اور آئن بیم مکسنگ۔ بھاری آئنوں کے الیکٹروسٹیٹک ایکسلریشن پر مبنی مواد کے تجزیے کی متعدد تکنیکیں بھی ہیں، جن میں ردرفورڈ بیک اسکیٹنگ سپیکٹرومیٹری (آر بی ایس)، پارٹیکل انڈیوسڈ ایکس رے ایمیشن (پی آئی ایکس ای)، ایکسلریٹر ماس سپیکٹرومیٹری (اے ایم ایس)، ایلسٹک ریکوئل ڈٹیکشن (ای آر ڈی)، اور دیگر شامل ہیں۔ اگرچہ یہ مشینیں بنیادی طور پر جوہری مرکزوں کو تیز کرتی ہیں، لیکن صنعتی مقاصد کے لیے الیکٹرانوں کو تیز کرنے کے لیے متعدد کمپیکٹ مشینیں استعمال ہوتی ہیں جن میں طبی آلات کی نس بندی، ایکس رے کی پیداوار، اور سلکان ویفر کی پیداوار شامل ہیں۔ الیکٹروسٹیٹک پارٹیکل ایکسلریٹر کا ایک خاص استعمال ڈسٹ ایکسلریٹر ہیں جن میں نینو میٹر سے مائیکرو میٹر سائز کے برقی طور پر چارج شدہ دھول کے ذرات کو 100 کلومیٹر فی سیکنڈ تک کی رفتار تک تیز کیا جاتا ہے۔ ڈسٹ ایکسلریٹرز کا استعمال امپیکٹ کریٹرنگ اسٹڈیز، امپیکٹ آئنائزیشن ڈسٹ ڈیٹیکٹرز کی انشانکن، اور میٹور اسٹڈیز کے لیے کیا جاتا ہے۔ سنگل اینڈڈ مشینیں لاکھوں وولٹ کی ترتیب پر جامد صلاحیت پر رکھے گئے ہائی وولٹیج ٹرمینل کا استعمال کرتے ہوئے، چارج شدہ ذرات کو تیز کیا جا سکتا ہے۔ سادہ زبان میں، الیکٹروسٹیٹک جنریٹر بنیادی طور پر ایک بڑا کیپسیٹر ہوتا ہے (حالانکہ اس میں پلیٹوں کی کمی ہوتی ہے)۔ ہائی وولٹیج یا تو کاک کرافٹ اینڈ والٹن یا وان ڈی گراف کے طریقوں کا استعمال کرتے ہوئے حاصل کیا جاتا ہے، جس میں ایکسلریٹرز کا نام اکثر ان موجد کے نام پر رکھا جاتا ہے۔ وان ڈی گراف کا اصل ڈیزائن الیکٹرانوں کو ایک موصلیت شیٹ، یا بیلٹ پر، دھات کی کنگھی کے ساتھ رکھتا ہے، اور پھر شیٹ جسمانی طور پر متحرک الیکٹرانوں کو ٹرمینل تک پہنچاتی ہے۔ اگرچہ ہائی وولٹیج پر، ٹرمینل ایک کنڈکٹر ہوتا ہے، اور کنڈکٹر کے اندر ایک متعلقہ کنگھی ہوتی ہے جو شیٹ سے الیکٹرانوں کو اٹھا سکتی ہے۔ گاؤس کے قانون کی وجہ سے، کنڈکٹر کے اندر کوئی برقی میدان نہیں ہوتا ہے، لہذا الیکٹرانوں کو پلیٹ فارم کے اندر آنے کے بعد پیچھے نہیں ہٹایا جاتا ہے۔ بیلٹ انداز میں روایتی کنویر بیلٹ سے ملتا جلتا ہے، ایک بڑی رعایت کے ساتھ: یہ ہموار ہے۔ اس طرح، اگر بیلٹ ٹوٹی ہوئی ہے، تو بیلٹ کو تبدیل کرنے کے لیے ایکسلریٹر کو کسی حد تک الگ کرنا ضروری ہے، جو کہ، اس کی مسلسل گردش اور عام طور پر ربڑ سے بنے ہونے کی وجہ سے، کوئی خاص طور پر غیر معمولی واقعہ نہیں ہے۔ بیلٹ کے ساتھ عملی دشواری جسمانی طور پر چارج کی نقل و حمل کے لیے ایک مختلف میڈیم کا باعث بنی: چھروں کا ایک سلسلہ۔ عام زنجیر کے برعکس، یہ ایک سرے سے دوسرے سرے تک غیر موصل ہے، کیونکہ اس کی تعمیر میں موصلیت اور موصل دونوں استعمال ہوتے ہیں۔ اس قسم کے ایکسلریٹرز کو عام طور پر پیلٹرون کہا جاتا ہے۔ ایک بار جب پلیٹ فارم کو مذکورہ بالا ذرائع میں سے کسی ایک کے ذریعے برقی طور پر چارج کیا جا سکتا ہے، تو مثبت آئنوں کا کچھ ذریعہ بیم لائن کے آخر میں پلیٹ فارم پر رکھا جاتا ہے، اسی وجہ سے اسے ٹرمینل کہا جاتا ہے۔ تاہم، چونکہ آئن کے منبع کو زیادہ صلاحیت پر رکھا جاتا ہے، اس لیے کوئی بھی کنٹرول یا دیکھ بھال کے لیے آئن کے منبع تک براہ راست رسائی حاصل نہیں کر سکتا۔ اس طرح، ٹرمینل کے اندر مختلف لیورز سے منسلک پلاسٹک کی سلاخوں جیسے طریقے شاخوں سے باہر نکل سکتے ہیں اور دور سے ٹگل کیے جا سکتے ہیں۔ عملی مسائل کو چھوڑ کر، اگر پلیٹ فارم مثبت طور پر چارج کیا جاتا ہے، تو یہ اسی برقی قطعیت کے آئنوں کو پسپا کرے گا، اور انہیں تیز کرے گا۔ جیسا کہ E = qV، جہاں E ابھرتی ہوئی توانائی ہے، q آئنک چارج ہے، اور V ٹرمینل وولٹیج ہے، اس طریقے سے تیز ہونے والے ذرات کی زیادہ سے زیادہ توانائی عملی طور پر ہائی وولٹیج پلیٹ فارم کی خارج ہونے والی حد سے محدود ہوتی ہے، ارد گرد کے ماحولیاتی حالات میں تقریبا 12 MV۔ اس حد کو بڑھایا جا سکتا ہے، مثال کے طور پر، ایچ وی پلیٹ فارم کو ہوا سے زیادہ ڈائی الیکٹرک مستقل کے ساتھ موصلیت گیس کے ٹینک میں رکھ کر، جیسے کہ ایس ایف 6 جس میں ہوا سے تقریبا ڈھائی گنا زیادہ ڈائی الیکٹرک مستقل ہوتا ہے۔ تاہم، یہاں تک کہ ایس ایف 6 کے ٹینک میں بھی زیادہ سے زیادہ قابل حصول وولٹیج تقریبا 30 ایم وی ہے۔ اس سے بھی بہتر موصلیت کی طاقت کے ساتھ دیگر گیسیں بھی ہو سکتی ہیں، لیکن SF6 کیمیائی طور پر غیر فعال اور غیر زہریلی بھی ہے۔ زیادہ سے زیادہ ایکسلریشن توانائی کو مزید بڑھانے کے لیے، ایک ہی ہائی وولٹیج کو دو بار استعمال کرنے کے لیے ٹینڈم تصور ایجاد کیا گیا تھا۔ روایتی طور پر، مثبت طور پر چارج شدہ آئنوں کو تیز کیا جاتا ہے کیونکہ یہ جوہری مرکزے کی قطعیت ہے۔ تاہم، اگر کوئی آئنوں کو تیز کرنے کے لیے ایک ہی جامد برقی صلاحیت کو دو بار استعمال کرنا چاہتا ہے، تو آئنوں کے چارج کی قطعیت کو آئنوں سے کیٹیشن میں تبدیل ہونا چاہیے یا اس کے برعکس جب وہ موصل کے اندر ہوں جہاں انہیں کوئی برقی قوت محسوس نہیں ہوگی۔ یہ ایک متحرک آئن سے الیکٹرانوں کو ہٹانا یا اتارنا آسان معلوم ہوتا ہے۔ مادے کے ساتھ آئن تعامل کی خصوصیات میں سے ایک الیکٹرانوں کا تبادلہ ہے، جو کہ ایک ایسا طریقہ ہے جس سے آئن مادے کے اندر جمع کرکے توانائی کھو سکتا ہے، جس کی ہمیں بدیہی طور پر کسی ٹھوس پر پروجیکٹائل شاٹ سے توقع کرنی چاہیے۔ تاہم، جیسے جیسے ہدف پتلا ہوتا جاتا ہے یا پروجیکٹائل زیادہ توانائی مند ہوتا جاتا ہے، ورق میں جمع ہونے والی توانائی کی مقدار کم سے کم ہوتی جاتی ہے۔ ٹینڈیم ٹرمینل کے باہر آئن ماخذ کا پتہ لگاتے ہیں، جس کا مطلب ہے کہ جب ٹرمینل ہائی وولٹیج پر ہوتا ہے تو آئن ماخذ تک رسائی نمایاں طور پر کم مشکل ہوتی ہے، خاص طور پر اگر ٹرمینل گیس ٹینک کے اندر ہو۔ تو پھر سپٹرنگ آئن ماخذ سے ایک آئن بیم کو نسبتا کم وولٹیج پلیٹ فارم سے ہائی وولٹیج ٹرمینل کی طرف انجکشن کیا جاتا ہے۔ ٹرمینل کے اندر، بیم ایک پتلی ورق (مائکروگرام فی مربع سینٹی میٹر کی ترتیب پر)، اکثر کاربن یا بیریلیم پر اثر انداز ہوتا ہے، آئن بیم سے الیکٹرانوں کو الگ کرتا ہے تاکہ وہ کیشن بن جائیں۔ چونکہ-1 سے زیادہ چارج کی حالت والے آئنوں کو بنانا مشکل ہے، اس لیے ٹینڈم سے نکلنے والے ذرات کی توانائی E = (q + 1) V ہے، جہاں ہم نے اس آئن سے دوسری ایکسلریشن پوٹینشل کو اسٹرپر ورق سے نکلنے والی مثبت چارج کی حالت q میں شامل کیا ہے۔ ہم ان مختلف چارج کی علامتوں کو ایک ساتھ شامل کر رہے ہیں کیونکہ ہم ہر مرحلے میں نیوکلئس کی توانائی کو بڑھا رہے ہیں۔ اس لحاظ سے، ہم واضح طور پر دیکھ سکتے ہیں کہ ایک ٹینڈم پروٹون بیم کی زیادہ سے زیادہ توانائی کو دوگنا کر سکتا ہے، جس کی زیادہ سے زیادہ چارج کی حالت محض + 1 ہے، لیکن جیسے جیسے ہم زیادہ کمیت کی طرف جاتے ہیں، ٹینڈم سے حاصل ہونے والے فائدے میں واپسی کم ہوتی جاتی ہے، مثال کے طور پر، کوئی بھی آسانی سے سلکان بیم کی 6 + چارج کی حالت حاصل کر سکتا ہے۔ ہر عنصر کو آسانی سے آئن بنانا ممکن نہیں ہے، اس لیے ٹینڈم کے لیے ہیلیم سے بھاری کسی بھی عظیم گیس کو تیز کرنا بہت کم ہوتا ہے، حالانکہ KrF− اور XeF− کو کامیابی کے ساتھ تیار اور تیز کیا گیا ہے۔ تاہم، آئنوں کو حاصل کرنے کے لیے مرکبات بنانا کوئی غیر معمولی بات نہیں ہے، اور ٹی آئی ایچ 2 کو ٹی آئی ایچ-کے طور پر نکالا جا سکتا ہے اور اسے پروٹون بیم تیار کرنے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے، کیونکہ یہ سادہ، اور اکثر کمزور پابند کیمیکل، ٹرمینل اسٹرپر ورق پر ٹوٹ جائیں گے۔ اینین آئن بیم کی پیداوار ٹینڈم ایکسلریٹر ایپلی کیشن کے لیے مطالعہ کا ایک اہم موضوع تھا، اور کوئی بھی منفی آئن کک بک میں زیادہ تر عناصر کے لیے ترکیبیں اور پیداوار تلاش کر سکتا ہے۔ ٹینڈمز کو ٹرمینل موڈ میں بھی چلایا جا سکتا ہے، جہاں وہ سنگل اینڈڈ الیکٹروسٹیٹک ایکسلریٹر کی طرح کام کرتے ہیں، جو نیک گیسوں کی بیم بنانے کا ایک زیادہ عام اور عملی طریقہ ہے۔ 'ٹینڈم' نام اسی ہائی وولٹیج کے اس دوہری استعمال سے نکلا ہے، حالانکہ ٹرمینل کو چارج کرنے کے طریقہ کار کی بنیاد پر روایتی الیکٹروسٹیٹک ایکسلریٹرز کے اسی انداز میں بھی ٹینڈم کا نام رکھا جا سکتا ہے۔ ایم پی ٹینڈیم وین ڈی گراف ایک قسم کا ٹینڈیم ایکسلریٹر ہے۔ ان میں سے دس 20 ویں صدی میں نصب کیے گئے تھے ؛ چھ شمالی امریکہ میں اور چار یورپ میں۔ جیومیٹری ایک چال جس پر الیکٹروسٹیٹک ایکسلریٹرز کے ساتھ غور کرنا پڑتا ہے وہ یہ ہے کہ عام طور پر ویکیوم بیم لائنیں اسٹیل سے بنی ہوتی ہیں۔ تاہم، کوئی بھی ہائی وولٹیج ٹرمینل سے اسٹیل کے کنڈکٹنگ پائپ کو زمین سے اچھی طرح سے نہیں جوڑ سکتا ہے۔ اس طرح، ایک مضبوط شیشے کے بہت سے حلقے، جیسے پائریکس، اس انداز میں اکٹھے کیے جاتے ہیں کہ ان کا انٹرفیس ایک ویکیوم سیل ہوتا ہے، جیسے تانبے کی گیسکٹ ؛ شیشے کی ایک لمبی ٹیوب ویکیوم کے نیچے پھٹ سکتی ہے یا اپنے وزن کو سہارا دیتے ہوئے فریکچر ہو سکتی ہے۔ طبیعیات کے لیے اہم بات یہ ہے کہ یہ انٹر اسپیسڈ کنڈکٹنگ رنگز ایکسلریٹنگ کالم کے ساتھ زیادہ یکساں برقی میدان بنانے میں مدد کرتے ہیں۔ شیشے کے بجتوں کی یہ بیم لائن صرف ٹرمینل کے دونوں سروں پر کمپریشن کے ذریعے سپورٹ کی جاتی ہے۔ چونکہ شیشہ غیر موصل ہے، اس لیے اسے زمین سے سپورٹ کیا جا سکتا ہے، لیکن ٹرمینل کے قریب اس طرح کے سپورٹ ڈیزائن کے لحاظ سے ٹرمینل کے خارج ہونے کا سبب بن سکتے ہیں۔ بعض اوقات کمپریشن کافی نہیں ہوتا ہے، اور پوری بیم لائن گر سکتی ہے اور بکھر سکتی ہے۔ یہ خیال ٹینڈیم کے ڈیزائن کے لیے خاص طور پر اہم ہے، کیونکہ ان میں قدرتی طور پر بیم کی لمبی لائنیں ہوتی ہیں، اور بیم لائن کو ٹرمینل سے گزرنا چاہیے۔ اکثر الیکٹروسٹیٹک ایکسلریٹرز کو افقی لکیر میں ترتیب دیا جاتا ہے۔ تاہم، کچھ ٹنڈم کی شکل "یو" ہو سکتی ہے، اور اصولی طور پر بیم کو ٹرمینل پر مقناطیسی دو قطبوں کے ساتھ کسی بھی سمت میں موڑ دیا جا سکتا ہے۔ کچھ الیکٹروسٹیٹک ایکسلریٹر عمودی طور پر ترتیب دیے جاتے ہیں، جہاں یا تو آئن ماخذ یا، "یو" کی شکل کے عمودی ٹینڈم کی صورت میں، ٹرمینل، ٹاور کے اوپری حصے میں ہوتا ہے۔ ٹاور کا انتظام جگہ بچانے کا ایک طریقہ ہو سکتا ہے، اور شیشے کے بجتوں سے بنے ٹرمینل سے منسلک بیم لائن بھی کمپریشن کے قدرتی ذریعہ کے طور پر کشش ثقل کا کچھ فائدہ اٹھا سکتی ہے۔ ذرات کی توانائی ایک واحد اختتامی الیکٹروسٹیٹک ایکسلریٹر میں چارج شدہ ذرہ کو دو الیکٹروڈ کے درمیان واحد ممکنہ فرق کے ذریعے تیز کیا جاتا ہے، لہذا آؤٹ پٹ ذرہ توانائی ذرہ پر چارج کے برابر ہوتی ہے جسے ایکسلریٹنگ وولٹیج سے ضرب دی جاتی ہے۔ ایک ٹینڈم ایکسلریٹر میں ذرہ کو ایک ہی وولٹیج سے دو بار تیز کیا جاتا ہے، لہذا آؤٹ پٹ توانائی ہے۔ اگر چارج کولمبس کی روایتی اکائیوں میں ہے اور پوٹینشل وولٹ میں ہے تو ذرہ توانائی جول میں دی جائے گی۔ تاہم، چونکہ ابتدائی ذرات پر چارج بہت کم ہے (الیکٹران پر چارج 1.6x10 −19 کولمبس ہے)، اس لیے جولوں میں توانائی بہت کم تعداد ہے۔ چونکہ تمام ابتدائی ذرات میں چارجز ہوتے ہیں جو الیکٹران پر ابتدائی چارج کے ضرب ہوتے ہیں، کولمبس، ذرہ طبیعیات دان ذرہ توانائیوں کو ظاہر کرنے کے لیے ایک مختلف اکائی کا استعمال کرتے ہیں، الیکٹران وولٹ (ای وی) جس سے حساب لگانا آسان ہو جاتا ہے۔ الیکٹران وولٹ ایک وولٹ کے ممکنہ فرق سے گزرنے والے 1e فوائد کے چارج کے ساتھ ایک ذرہ توانائی کے برابر ہے۔ مندرجہ بالا مساوات میں، اگر ابتدائی چارجز e میں ماپا جاتا ہے اور وولٹ میں ہوتا ہے، تو ذرہ توانائی eV میں دی جاتی ہے۔ مثال کے طور پر، اگر ایک الفا ذرہ جس کا چارج 2e ہے اسے ایک ملین وولٹ (1 ایم وی) کے وولٹیج فرق کے ذریعے تیز کیا جاتا ہے، تو اس میں دو ملین الیکٹران وولٹ کی توانائی ہوگی، جسے مختصر طور پر 2 ایم ای وی کہا جاتا ہے۔ الیکٹروسٹیٹک مشینوں پر تیز رفتار وولٹیج 0.1 سے 25 ایم وی کی حد میں ہے اور ذرات پر چارج چند ابتدائی چارجز ہیں، اس لیے ذرہ توانائی کم ایم ای وی کی حد میں ہے۔ زیادہ طاقتور ایکسلریٹر گیگا الیکٹران وولٹ (جی ای وی) رینج میں توانائیاں پیدا کر سکتے ہیں۔ حوالہ جات بیرونی روابط الیکٹروسٹیٹک ایکسلریٹرز ایکسلریٹر فزکس نیوکلیئر فزکس کا آئی اے ای اے ڈیٹا بیس