भौतिकविदों को एक नए कोलाइडर की आवश्यकता क्यों है?
यदि आप भौतिकविदों से पूछें कि निकट भविष्य में उन्हें किस अन्य कोलाइडर की आवश्यकता होगी, तो सबसे अधिक संभावना है कि आपको इसका उत्तर मिलेगा कि यह एक इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर है।

हमें एक नए कोलाइडर की आवश्यकता क्यों है, और हम अकेले एलएचसी के साथ क्यों नहीं मिल सकते हैं?

इस प्रश्न का उत्तर त्वरित कणों की प्रकृति में निहित है। एलएचसी पर त्वरित प्रोटॉन "मजबूत" बातचीत की प्रक्रियाओं में भाग लेते हैं। "मजबूत" बातचीत "कमजोर", विद्युत चुम्बकीय और गुरुत्वाकर्षण बातचीत के साथ-साथ प्रकृति की चार मूलभूत बातचीत में से एक है। जैसा कि नाम से पता चलता है, एक "मजबूत" इंटरैक्शन सभी इंटरैक्शन प्रकारों में सबसे मजबूत है। इसकी ताकत "कमजोर" और विद्युत चुम्बकीय अंतःक्रियाओं की ताकतों से कहीं अधिक है, और इससे भी अधिक गुरुत्वाकर्षण, जो (हालांकि यह अजीब लग सकता है!) सभी मौजूदा इंटरैक्शन में सबसे कमजोर है। तो ऐसा क्यों है कि अधिकांश लोगों ने "मजबूत" बल के अस्तित्व के बारे में कभी नहीं सुना है, भले ही हम सभी गुरुत्वाकर्षण और बिजली से बहुत परिचित हैं? यह इस तथ्य से समझाया गया है कि "मजबूत" बातचीत केवल परमाणु नाभिक के आकार की तुलना में बहुत कम दूरी पर कार्य करती है। उदाहरण के लिए, "मजबूत" बातचीत के कारण, परमाणु नाभिक के अंदर प्रोटॉन और न्यूट्रॉन एक साथ होते हैं। इसके बिना, विद्युत प्रतिकर्षण बलों की कार्रवाई के तहत प्रोटॉन अलग-अलग दिशाओं में अलग हो जाएंगे। और न्यूट्रॉन, जिनमें बिल्कुल भी विद्युत आवेश नहीं होता है, उन्हें केवल नाभिक में नहीं रखा जा सकता है।

एक खोज करना संभव है, लेकिन नए खोजे गए कणों के मापदंडों को सटीक रूप से मापने के लिए, कुछ और चाहिए।

यह "अभी भी" ठीक इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर है। प्रोटॉन के विपरीत, इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन "मजबूत" बातचीत की प्रक्रियाओं में भाग नहीं लेते हैं। उनकी अन्योन्यक्रिया विद्युत दुर्बल प्रक्रियाओं के कारण होती है। इन अंतःक्रियाओं की विशिष्टता के कारण, नई भौतिकी और पृष्ठभूमि के उत्पादन के लिए क्रॉस सेक्शन छोटे हैं। इस कारण से, प्रारंभिक खोज के लिए इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर का उपयोग करना मुश्किल है (हालांकि यह संभव है)। हालाँकि, यदि खोज पहले ही हो चुकी है और नए कणों का द्रव्यमान लगभग ज्ञात है, तो। टकराने वाले इलेक्ट्रॉनों और पॉज़िट्रॉन की ऊर्जा को उचित तरीके से समायोजित करके, पृष्ठभूमि को छोटा रखते हुए, संकेत घटनाओं की पीढ़ी की संभावना को गुणा करना संभव है। तो इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर एलएचसी के लिए एक अच्छा अतिरिक्त होगा।

इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर
में वर्तमान मेंभविष्य के इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर के लिए दो प्रतिस्पर्धी परियोजनाएं हैं। पहले प्रोजेक्ट का नाम इंटरनेशनल लीनियर कोलाइडर (ILC) है, इसके बारे में विस्तार से बताया। यह माना जाता है कि इस कोलाइडर पर टकराव की ऊर्जा 31 किमी की कोलाइडर लंबाई पर 500 GeV होगी। परियोजना में टक्कर ऊर्जा को 1 टीवी तक बढ़ाने की संभावना शामिल है, जबकि कोलाइडर की लंबाई 50 किमी तक बढ़ाई जाएगी। आईएलसी के निर्माण में जिस तकनीक का उपयोग किया जाना है वह अच्छी तरह से स्थापित है। कई मायनों में, यह TESLA के निर्माण के लिए बनाई गई तकनीक पर निर्भर करता है। TESLA त्वरक DESY अनुसंधान केंद्र (हैम्बर्ग, जर्मनी) के क्षेत्र में बनाया जाना था। तकनीकी विशेषताओं के संदर्भ में, यह ILC के समान है। वित्तीय कठिनाइयों के कारण अंतिम समय में निर्माण को व्यावहारिक रूप से अनुमोदित और रद्द कर दिया गया था। आईएलसी एक अंतरराष्ट्रीय परियोजना है, जिसमें भाग लेने वाले देश निर्माण के लिए अपने क्षेत्र की पेशकश कर सकते हैं। रूस, एक ILC प्रतिभागी के रूप में, इसे दुबना में बनाने की पेशकश की।

कॉम्पैक्ट लीनियर कोलाइडर, या संक्षेप में सीएलआईसी, इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर निर्माण परियोजनाओं में से दूसरा है। संभावित टक्कर ऊर्जा 3 TeV होगी और बाद में 5 TeV तक बढ़ने की संभावना है। एक्सेलेरेटर कॉम्प्लेक्स की लंबाई 48.3 किमी होगी। CLIC ऊर्जा ILC ऊर्जा से अधिक है। यह एक निश्चित प्लस है। हालांकि, सीएलआईसी प्रौद्योगिकी अभी तक आईएलसी के लिए पूरी तरह से विकसित नहीं हुई है। इसमें कम से कम कुछ साल और लगेंगे।

पहली नज़र में, इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर की ऊर्जा LHC की ऊर्जा से बहुत कम है। हालांकि, इलेक्ट्रॉनों के विपरीत, जो वास्तव में प्राथमिक कण हैं, प्रोटॉन की एक आंतरिक संरचना होती है। वे "मजबूत" बल द्वारा एक साथ रखे गए क्वार्क से बने होते हैं, जिसे ग्लून्स द्वारा ले जाया जाता है। जब प्रोटॉन एक कोलाइडर में टकराते हैं, तो वास्तव में उनके घटक क्वार्क और ग्लून्स के बीच टकराव होता है, जिनमें से प्रत्येक में कुल प्रोटॉन ऊर्जा का केवल एक छोटा सा हिस्सा होता है। इन टकरावों की ऊर्जा की तुलना इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर की ऊर्जा से करने पर, यह पता चलता है कि वे तुलनीय हैं।

किसी भी मामले में, इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर बनाने की आवश्यकता और प्रौद्योगिकी के चुनाव पर अंतिम निर्णय एलएचसी पर परिणाम प्राप्त होने के बाद ही किया जाएगा।

रैखिक क्यों?

और भविष्य के इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर को रैखिक क्यों होना चाहिए? दरअसल, इस मामले में, रिंग एक्सेलेरेटर का मुख्य लाभ खो जाता है, जिसमें कणों को कई बार तेज किया जाता है, एक सर्कल में चलते समय समान त्वरित तत्वों से गुजरते हुए। उदाहरण के लिए, एलएचसी पर प्रोटॉन का त्वरण 450 GeV की ऊर्जा से 7 TeV की ऊर्जा तक 20 मिनट के भीतर किया जाना चाहिए। इस समय के दौरान, प्रोटॉन बीम 36∙10 7 किमी (जो कि पृथ्वी से सूर्य की दूरी का लगभग दोगुना है) की दूरी तय करने का प्रबंधन करता है। इस लंबाई के रैखिक कोलाइडर का निर्माण करना असंभव है। तो, एक रैखिक कोलाइडर बनाने के लिए, त्वरण दर में उल्लेखनीय वृद्धि करना आवश्यक है। फिर भी, कोलाइडर की लंबाई दसियों किलोमीटर होगी। रैखिक कोलाइडर का एक और नुकसान केवल एक प्रयोगात्मक सेटअप स्थापित करने की क्षमता है, क्योंकि केवल एक बीम टकराव बिंदु है। एलएचसी पर, उदाहरण के लिए, ऐसे 4 बिंदु हैं।

ऐसा प्रतीत होता है कि यदि भौतिकविदों को वास्तव में एक इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर की आवश्यकता है, तो क्यों न इसे एक वलय बनाया जाए? दुर्भाग्य से, एक रिंग इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर बनाने की संभावनाएं प्रकृति द्वारा ही सीमित हैं। जब आवेशित कण एक वृत्त में गति करते हैं, तो सिंक्रोट्रॉन विकिरण उत्पन्न होता है, जिसके परिणामस्वरूप कण अपनी ऊर्जा खो देते हैं। यह प्रभाव प्रोटॉन (यहां तक ​​कि एलएचसी ऊर्जा पर भी) के लिए व्यावहारिक रूप से महत्वहीन है। हालांकि, इलेक्ट्रॉन, जिनका द्रव्यमान एक प्रोटॉन के द्रव्यमान से लगभग 2000 गुना कम है, सिंक्रोट्रॉन विकिरण के कारण अपनी ऊर्जा का एक महत्वपूर्ण अंश खो देंगे। एक रैखिक कोलाइडर के निर्माण में आउटपुट। ऐसे कोलाइडर के निर्माण की संभावना स्टैनफोर्ड में प्रदर्शित की गई, जहां दुनिया का एकमात्र रैखिक इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर स्थित है।

मून कोलाइडर
इलेक्ट्रॉन लेप्टान के वर्ग से संबंधित है, जो इलेक्ट्रोवीक इंटरैक्शन में भाग लेने वाले कणों का एक समूह है। कणों के इस वर्ग का एक अन्य प्रतिनिधि म्यूऑन है। यह एक ऋणात्मक रूप से आवेशित प्राथमिक कण है, जिसका द्रव्यमान एक इलेक्ट्रॉन के द्रव्यमान का 210 गुना है, जो रिंग त्वरक में म्यूऑन त्वरण के दौरान सिंक्रोट्रॉन विकिरण के बारे में चिंता नहीं करना संभव बनाता है। म्यूऑन अपने छोटे जीवनकाल के लिए नहीं तो त्वरण के लिए एक आदर्श कण होगा। यह केवल 1.6 μs है। इस समय के दौरान, muons को सापेक्ष गति में त्वरित किया जाना चाहिए। यह गंभीर तकनीकी कठिनाइयों को प्रस्तुत करता है। 1990 के दशक के मध्य में म्यूऑन कोलाइडर तकनीक विकसित करने के गंभीर प्रयास शुरू हुए। वर्तमान में, 1.5-4 TeV की सीमा में ऊर्जा के साथ एक म्यूऑन कोलाइडर का एक वैचारिक डिजाइन है। हालांकि, इस परियोजना के कार्यान्वयन की संभावना इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर के निर्माण की तुलना में अधिक दूर के भविष्य की बात है।

शायद म्यूऑन कोलाइडर बनाने की दिशा में पहला कदम न्यूट्रिनो फैक्ट्री का निर्माण होगा।

एक न्यूट्रिनो एक आश्चर्यजनक रूप से छोटे अंतःक्रियात्मक क्रॉस सेक्शन वाला एक कण है, जिसके परिणामस्वरूप, एक विशाल मर्मज्ञ शक्ति होती है। उदाहरण के लिए, न्यूट्रिनो को लोहे के अवरोध से टकराने के लिए, इस अवरोध का आकार सूर्य से बृहस्पति की दूरी के बराबर होना चाहिए। पॉल डिराक, जिस वैज्ञानिक ने पहली बार इस कण को ​​सैद्धांतिक रूप से प्रस्तावित किया था, ने भी एक शर्त लगाई थी कि यह कभी भी प्रयोगात्मक रूप से नहीं मिलेगा (वास्तव में, अगर यह किसी भी चीज़ से बातचीत नहीं करता है तो कोई इसका पता कैसे लगा सकता है?) हालांकि, वह शर्त हार गए। कण की खोज वैज्ञानिक के जीवनकाल में हुई थी। वर्तमान में, न्यूट्रिनो के गुणों का सक्रिय रूप से अध्ययन किया जा रहा है। इसके लिए, विशेष रूप से, न्यूट्रिनो बीम का उपयोग किया जाता है। पहली नज़र में, यह अविश्वसनीय लगता है कि न्यूट्रिनो बीम बनाना कैसे संभव है? ऐसे कण कैसे बनाएं जिनमें विद्युत आवेश न हो और जो पदार्थ के साथ परस्पर क्रिया करने के लिए बेहद अनिच्छुक हों, एक दिशा में उड़ते हैं? इसके लिए पूर्व-त्वरित आवेशित कणों (उदाहरण के लिए, म्यूऑन) का उपयोग किया जाता है, जो क्षय के दौरान न्यूट्रिनो देते हैं। यदि कई म्यूऑन एक ही दिशा में उड़ते हैं, तो परिणामी न्यूट्रिनो भी उसी दिशा में उड़ेंगे। यहाँ आपके लिए एक न्यूट्रिनो बीम है! एकमात्र परेशानी यह है कि म्यून्स बहुत कम समय तक जीवित रहते हैं, और उनके जीवनकाल के दौरान उन्हें बड़ी संख्या में जमा करना असंभव है। या यों कहें, यह काम नहीं किया। इस अंतर को न्यूट्रिनो फैक्ट्री प्रोजेक्ट को भरने के लिए कहा जाता है, जो "स्टोरेज" म्यूऑन रिंग्स के निर्माण पर आधारित है, जो बदले में म्यूऑन कोलाइडर के निर्माण की दिशा में पहला कदम है।

अगला हैड्रॉन?
और क्या एलएचसी की ऊर्जा को पार करते हुए अगला हैड्रॉन कोलाइडर बनाया जाएगा? आखिरकार, जल्द या बाद में सटीक माप का युग (जिसके लिए, सबसे पहले, एक रैखिक इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर की आवश्यकता होती है) समाप्त हो जाएगा, और फिर से नई ऊर्जा श्रेणियों का अध्ययन करने के लिए एक कोलाइडर की आवश्यकता होगी। ऐसी परियोजना मौजूद है। 2010 में, सीईआरएन ने एलएचसी सुरंग (इसके बंद होने के बाद) में 35 टीईवी हैड्रॉन कोलाइडर बनाने की योजना की घोषणा की।

प्रौद्योगिकी सीमा
प्रत्येक अगली पीढ़ी के त्वरक बड़े और अधिक महंगे होते जा रहे हैं। डिजाइन की भारी लागत और जटिलता काफी हद तक इस तथ्य के कारण है कि मौजूदा त्वरण तकनीक अपनी सीमा तक पहुंच गई है। इस प्रकार, रैखिक त्वरक की एक नई पीढ़ी के अंदर विशाल त्वरण क्षेत्रों को बनाए रखा जाना चाहिए। हालांकि, जैसे-जैसे क्षेत्र की ताकत बढ़ती है, त्वरित तत्वों के अंदर टूटने लगते हैं, जिससे उनका विनाश हो जाता है। इस समस्या से निपटने के लिए विशेष डिजाइन और महंगी सामग्री का उपयोग किया जाता है। ILC और CLIC के लिए, बड़ी कठिनाई के साथ, 100 MeV/m के क्रम के त्वरित ग्रेडिएंट बनाना संभव था।

यह संभावना नहीं है कि इस मूल्य को बहुत बढ़ाया जा सकता है। यह रैखिक कोलाइडर के लिए प्रौद्योगिकी सीमा को परिभाषित करता है।

रिंग कोलाइडर में, त्वरित ग्रेडिएंट कोई समस्या नहीं है, क्योंकि कणों को एक सर्कल में कई बार त्वरित किया जा सकता है।

हालांकि, त्वरित कणों की ऊर्जा जितनी अधिक होगी, उन्हें त्वरक के अंदर एक गोलाकार पथ पर रखना उतना ही कठिन होगा। इसके लिए मजबूत चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग किया जाता है। एलएचसी पर चुंबकीय क्षेत्र 8.33 टेस्ला है। अगले हैड्रॉन कोलाइडर पर, जिसे एलएचसी सुरंग में स्थित होने की योजना है, एलएचसी द्वारा अपना काम पूरा करने के बाद (इस पर थोड़ी अधिक चर्चा की गई), चुंबकीय क्षेत्र लगभग 20 टेस्ला होगा। यह आधुनिक तकनीक की लगभग सीमा है। एक अन्य तरीका त्वरित रिंग के आकार को बढ़ाना है, परिणामस्वरूप, कणों के प्रक्षेपवक्र की वक्रता कम हो जाती है, जिससे उन्हें कोलाइडर के अंदर रखना आसान हो जाता है। हालांकि, यह देखते हुए कि आधुनिक कोलाइडर का आकार पहले से ही दसियों किलोमीटर है, उनकी और वृद्धि एक बहुत ही समस्याग्रस्त और समय लेने वाला कार्य प्रतीत होता है।

नए त्वरक की भारी लागत के कारण, उनके निर्माण के बारे में राष्ट्रीय स्तर पर चर्चा की जा रही है। और राजनेताओं के हाथ में सौदेबाजी की चिप भी बन जाती है। यह याद रखने योग्य है, उदाहरण के लिए, एसएससी (सुपरकंडक्टिंग सुपर कोलाइडर) परियोजना।

20x20 TeV की बीम ऊर्जा वाले इस हैड्रॉन कोलाइडर को यूएसए में बनाया जाना था। हाँ, यह एक टाइपो नहीं है! टकराने वाले पुंजों की कुल ऊर्जा 40 TeV होनी चाहिए थी।

यह एलएचसी की अधिकतम ऊर्जा का लगभग तीन गुना है, जिसे 2012 के लिए निर्धारित कोलाइडर में सुधार के लिए डिजाइन कार्य के बाद ही प्राप्त किया जाएगा। एसएससी त्वरित रिंग की लंबाई 87.1 किमी (एलएचसी लंबाई 27 किमी) होनी थी। निर्माण 1999 में पूरा होना था। परियोजना का कार्यान्वयन शुरू हो गया है। 22.5 किमी सुरंग खोदी गई, 17 खदानों में पानी भर गया। दुर्भाग्य से, परियोजना को बाद में बंद कर दिया गया था।

क्या इसका मतलब त्वरक भौतिकी का अंत नहीं है? मौजूदा तकनीकों का उपयोग करके नए कोलाइडर बनाना तेजी से महंगा होता जा रहा है। और परियोजनाओं को पूरा होने में दशकों लग जाते हैं। इसलिए, पहली बार एलएचसी के निर्माण पर 1984 में चर्चा हुई, और कोलाइडर का आधिकारिक प्रक्षेपण केवल 2009 के अंत में हुआ। शायद वह दिन दूर नहीं जब एक नया कोलाइडर बनाना संभव नहीं होगा? इस स्थिति से बाहर निकलने का एक संभावित तरीका नई तकनीकों का विकास है।

प्लाज्मा त्वरक
सबसे आशाजनक तकनीकों में से एक प्लाज्मा त्वरण विधि है। इसका सार क्या है? जैसा की ऊपर कहा गया है, आधुनिक प्रौद्योगिकीत्वरण लगभग अपनी सीमा तक पहुँच गया है। त्वरित क्षेत्रों में और वृद्धि से त्वरित तत्वों की दीवारों का टूटना और विनाश होता है। लेकिन अगर ऐसा है, तो शायद आप बिना दीवारों के भी कर सकते हैं? उदाहरण के लिए, प्लाज्मा में बड़े विद्युत क्षेत्र बनाए जा सकते हैं। प्लाज्मा एक गैस है जो धनात्मक आवेशित आयनों और ऋणात्मक आवेशित इलेक्ट्रॉनों से बनी होती है। प्लाज्मा आमतौर पर विद्युत रूप से तटस्थ होता है, क्योंकि प्लाज्मा मात्रा में इलेक्ट्रॉनों और आयनों को समान रूप से वितरित किया जाता है। क्या होगा अगर उन्हें अलग करने का कोई तरीका है? तब उत्पन्न विद्युत क्षेत्रों का उपयोग कणों को तेज करने के लिए किया जा सकता है। लेकिन इस तरह के अलगाव को कैसे हासिल किया जाए?

यह स्पंदित लेजर या इलेक्ट्रॉन बीम के साथ किया जा सकता है।

प्लाज्मा के माध्यम से उड़ने वाले इलेक्ट्रॉनों का एक गुच्छा, प्लाज्मा इलेक्ट्रॉनों को रास्ते में धकेलता है।

इस मामले में, आयन व्यावहारिक रूप से नहीं चलते हैं, इस तथ्य के कारण कि उनका द्रव्यमान इलेक्ट्रॉनों के द्रव्यमान से बहुत अधिक है। नतीजतन, जिस स्थान से इलेक्ट्रॉन बीम अभी-अभी गुजरा है, वहां एक सकारात्मक चार्ज से भरा क्षेत्र बहुत कम समय के लिए बनता है। इसके ठीक पीछे एक क्षेत्र है जिसमें प्लाज्मा इलेक्ट्रॉन पहले ही अपने स्थान पर लौट चुके हैं, पारित बीम के पीछे बंद हो गए हैं। इन क्षेत्रों के बीच की सीमा पर (बहुत कम मात्रा में) विशाल विद्युत क्षेत्र उत्पन्न होते हैं। यह खंड इलेक्ट्रॉन बीम के बाद चलता है, और इस खंड में प्रवेश करने वाला कण निरंतर त्वरण का अनुभव करेगा।

अंग्रेजी में, इस तकनीक को वेकफील्ड एक्सेलेरेशन कहा जाता है, जिसका शाब्दिक अर्थ है "जागने में त्वरण।" यह सादृश्य आकस्मिक नहीं है। एक लहर के शिखर पर एक बोर्ड पर फिसलने वाले एक सर्फर की कल्पना करें। यदि यह एक प्राकृतिक लहर है, तो सर्फर का आनंद लंबे समय तक नहीं रहता (जब तक लहर कमजोर नहीं हो जाती)। लेकिन क्या होगा अगर यह लहर लगातार खिलाई जाती है? उदाहरण के लिए, एक मोटर बोट आगे जा सकती है, इसके पीछे एक "जागृत धारा" बना सकती है। सर्फर इस लहर के शिखर पर सवारी कर सकता है। साथ ही उसे नाव को थामने के लिए रस्सी की भी जरूरत नहीं पड़ती। आपको बस एक लहर चाहिए।

वर्णित विचार नया नहीं है। इसे पहली बार 1950 के दशक के मध्य में बुडकर और वेक्स्लर के कार्यों में तैयार किया गया था। हालांकि, बड़ी संख्या में तकनीकी समस्याओं और पारंपरिक त्वरण प्रौद्योगिकी के बड़े भंडार के कारण यह लंबे समय तक लावारिस रहा। फिलहाल, प्लाज्मा त्वरण तकनीक सक्रिय रूप से विकसित हो रही है। क्षमता बहुत बड़ी है! यह दिखाया गया है कि त्वरित ग्रेडिएंट 100 GeV/m से अधिक हो सकते हैं। यह सीएलआईसी (विकास के तहत सबसे शक्तिशाली इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर) से 1000 गुना अधिक है। त्वरण की इस तरह की दर के साथ, एलएचसी की ऊर्जा में प्रोटॉन को तेज करने के लिए, केवल 70 मीटर (27 किमी के बजाय) की लंबाई वाले त्वरक की आवश्यकता होती है। दुर्भाग्य से, सब कुछ इतना सरल नहीं है। और इस तरह के कोलाइडर बनाने के रास्ते में अभी भी बड़ी संख्या में तकनीकी समस्याओं का समाधान करना बाकी है। निर्मित बीमों को प्रयोगों में उपयोग करने के लिए, यह आवश्यक है कि बीम में कणों की ऊर्जा का मान लगभग समान हो। लंबे समय तक यह हासिल नहीं किया जा सका। त्वरित कणों की ऊर्जा अत्यंत विस्तृत श्रृंखला में बिखरी हुई निकली। हालांकि, हाल के वर्षों में इस मुद्दे को हल करने में महत्वपूर्ण प्रगति हुई है। एक और समस्या प्रौद्योगिकी की स्केलिंग है।

लंबी दूरी पर एक बड़ा त्वरित ढाल कैसे बनाए रखें?

आखिरकार, शुरू में त्वरण की इतनी बड़ी दर कुछ मिलीमीटर से अधिक की दूरी पर नहीं बनाई जा सकती थी। इस मुद्दे को हल करने में भी कुछ प्रगति हुई है। अपेक्षाकृत बड़ी दूरी पर बड़े ग्रेडिएंट बनाए रखने की मौलिक संभावना को प्रदर्शित करने के लिए एक प्रयोग किया गया। स्टैनफोर्ड लीनियर कोलाइडर (SLC) के अंत में, जो इलेक्ट्रॉनों को 42 GeV तक त्वरित करता है, प्लाज्मा त्वरण तकनीक पर आधारित एक अतिरिक्त त्वरक खंड दिया गया है। खंड की लंबाई लगभग 85 सेमी थी। साथ ही, वहां इलेक्ट्रॉन ऊर्जा दोगुनी हो गई थी (अधिकतम इलेक्ट्रॉन ऊर्जा 857 GeV थी)। यह और भी शानदार है क्योंकि इलेक्ट्रॉनों को 42 GeV तक बढ़ाने के लिए, कोलाइडर पर ही 3 किमी का समय लगता है।

इतनी सफलताओं के बावजूद, इस तकनीक पर आधारित मल्टी-टीवी कोलाइडर बनाने में शायद कई दशक लगेंगे। लेकिन लगभग 1 GeV की ऊर्जा वाले छोटे त्वरक, जो एक मेज पर फिट हो सकते हैं, अगले कुछ वर्षों में दिखाई दे सकते हैं। ऐसे त्वरक का उपयोग किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, सिंक्रोट्रॉन विकिरण के कॉम्पैक्ट स्रोत बनाने के लिए।

और क्या?

भविष्य के त्वरक के बारे में बोलते हुए, दुर्भाग्य से, मैं कई अन्य परियोजनाओं का उल्लेख नहीं कर सका, जिनका लक्ष्य नई ऊर्जा सीमाओं को जीतना नहीं है, बल्कि दुर्लभ प्रक्रियाओं (उदाहरण के लिए, सुपरकेकेबी या सुपरबी परियोजनाओं) का अध्ययन करने के लिए उच्च-तीव्रता वाले बीम बनाना है। मैंने आयन बीम परियोजनाओं का भी उल्लेख नहीं किया, जैसे कि बड़े FAIR त्वरक परिसर का निर्माण, RHIC त्वरक का आधुनिकीकरण, या दुबना में नए NICA आयन कोलाइडर की परियोजना। शायद एक संक्षिप्त व्याख्यान में सब कुछ सूचीबद्ध करना मुश्किल है। उम्मीद है कि इनमें से अधिकतर परियोजनाओं को लागू किया जाएगा।

लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर को या तो "डूम्सडे मशीन" या ब्रह्मांड के रहस्य की कुंजी कहा गया है, लेकिन इसका महत्व निर्विवाद है।

जैसा कि प्रसिद्ध ब्रिटिश विचारक बर्ट्रेंड रसेल ने एक बार कहा था: "- यह वही है जो आप जानते हैं, दर्शन वह है जिसे आप नहीं जानते।" ऐसा लगेगा कि यह सच है वैज्ञानिक ज्ञानअपने मूल से बहुत पहले अलग हो गया था, जो दार्शनिक शोध में पाया जा सकता है प्राचीन ग्रीस, लेकिन यह वैसा नहीं है।

बीसवीं सदी के दौरान, वैज्ञानिकों ने विज्ञान में दुनिया की संरचना के सवाल का जवाब खोजने की कोशिश की है। यह प्रक्रिया जीवन के अर्थ की खोज के समान थी: बड़ी संख्या में सिद्धांत, धारणाएं और यहां तक ​​​​कि पागल विचार। 21वीं सदी की शुरुआत तक वैज्ञानिक किस निष्कर्ष पर पहुंचे?

पूरी दुनिया . से बनी है प्राथमिक कण, जो हर चीज का अंतिम रूप है जो मौजूद है, अर्थात जिसे छोटे तत्वों में विभाजित नहीं किया जा सकता है। इनमें प्रोटॉन, इलेक्ट्रॉन, न्यूट्रॉन आदि शामिल हैं। ये कण आपस में लगातार संपर्क में रहते हैं। हमारी सदी की शुरुआत में, इसे 4 मूलभूत प्रकारों में व्यक्त किया गया था: गुरुत्वाकर्षण, विद्युत चुम्बकीय, मजबूत और कमजोर। पहला सापेक्षता के सामान्य सिद्धांत द्वारा वर्णित है, अन्य तीन मानक मॉडल (क्वांटम सिद्धांत) के ढांचे के भीतर संयुक्त हैं। यह भी सुझाव दिया गया था कि एक और बातचीत है, जिसे बाद में "हिग्स फील्ड" कहा जाता है।

धीरे-धीरे, "के ढांचे के भीतर सभी मूलभूत अंतःक्रियाओं को संयोजित करने का विचार" हर चीज का सिद्धांत", जिसे शुरू में एक मजाक के रूप में माना जाता था, लेकिन जल्दी ही एक शक्तिशाली . में बदल गया वैज्ञानिक दिशा. इसकी आवश्यकता क्यों है? सब कुछ सरल है! दुनिया कैसे काम करती है, इसकी समझ के बिना, हम एक कृत्रिम घोंसले में चींटियों की तरह हैं - हम अपनी सीमा से आगे नहीं बढ़ेंगे। मानव ज्ञान नहीं कर सकता (ठीक है, या हमहूँ कक्काजी हो जाएँगे ट्वैन्टी फर्स्ट सैन्चुरी तकयदि आप आशावादी हैं तो नहीं कर सकते हैं) दुनिया की संरचना को उसकी संपूर्णता में कवर कर सकते हैं।

सबसे प्रसिद्ध सिद्धांतों में से एक जो "सब कुछ गले लगाने" का दावा करता है, माना जाता है स्ट्रिंग सिद्धांत. इसका तात्पर्य है कि संपूर्ण ब्रह्मांड और हमारा जीवन बहुआयामी है। विकसित सैद्धांतिक भाग और ब्रायन ग्रीन और स्टीफन हॉकिंग जैसे प्रसिद्ध भौतिकविदों के समर्थन के बावजूद, इसकी कोई प्रयोगात्मक पुष्टि नहीं है।

वैज्ञानिक, दशकों बाद, स्टैंड से प्रसारण करते-करते थक गए और उन्होंने कुछ ऐसा बनाने का फैसला किया जो हमेशा के लिए होना चाहिए। इसके लिए दुनिया की सबसे बड़ी प्रायोगिक सुविधा बनाई गई - लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (LHC)।

"कोलाइडर के लिए!"

एक कोलाइडर क्या है? वैज्ञानिक शब्दों में, यह एक आवेशित कण त्वरक है जिसे प्राथमिक कणों को उनकी बातचीत को और समझने के लिए त्वरित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। आम आदमी के शब्दों में, यह एक बड़ा क्षेत्र (या सैंडबॉक्स, यदि आप चाहें) है जिसमें वैज्ञानिक अपने सिद्धांतों को साबित करने के लिए लड़ते हैं।

पहली बार, प्राथमिक कणों से टकराने और क्या होता है यह देखने का विचार 1956 में अमेरिकी भौतिक विज्ञानी डोनाल्ड विलियम केर्स्ट से आया था। उन्होंने सुझाव दिया कि इसके लिए धन्यवाद, वैज्ञानिक ब्रह्मांड के रहस्यों को भेदने में सक्षम होंगे। ऐसा प्रतीत होता है कि थर्मोन्यूक्लियर फ्यूजन से एक लाख गुना अधिक कुल ऊर्जा के साथ प्रोटॉन के दो बीमों को एक साथ धकेलने में क्या गलत है? समय उपयुक्त था: शीत युद्ध, हथियारों की दौड़ और वह सब।

LHC के निर्माण का इतिहास

ब्रुक-ओस्टियोरोपा / विकिमीडिया.ओआरजी
(सीसी0 1.0)

आवेशित कणों को प्राप्त करने और उनका अध्ययन करने के लिए एक त्वरक बनाने का विचार 1920 के दशक की शुरुआत में सामने आया, लेकिन पहले प्रोटोटाइप केवल 1930 के दशक की शुरुआत में बनाए गए थे। प्रारंभ में, वे उच्च-वोल्टेज रैखिक त्वरक थे, अर्थात आवेशित कण एक सीधी रेखा में चले गए। रिंग संस्करण 1931 में यूएसए में पेश किया गया था, जिसके बाद इसी तरह के उपकरण कई विकसित देशों - ग्रेट ब्रिटेन, स्विट्जरलैंड और यूएसएसआर में दिखाई देने लगे। उन्हें नाम मिला है साइक्लोट्रॉन, और बाद में परमाणु हथियार बनाने के लिए सक्रिय रूप से उपयोग किया जाने लगा।

यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि एक कण त्वरक के निर्माण की लागत अविश्वसनीय रूप से अधिक है। यूरोप, जिसने शीत युद्ध के दौरान एक गैर-प्राथमिक भूमिका निभाई, ने इसके निर्माण की शुरुआत की परमाणु अनुसंधान के लिए यूरोपीय संगठन (अक्सर रूसी में सर्न पढ़ें), जिसने बाद में एलएचसी का निर्माण किया।

सर्न को अमेरिका और यूएसएसआर में परमाणु अनुसंधान के बारे में विश्व समुदाय की चिंता के मद्देनजर बनाया गया था, जिससे सामान्य विनाश हो सकता है। इसलिए, वैज्ञानिकों ने सेना में शामिल होने और उन्हें शांतिपूर्ण दिशा में निर्देशित करने का फैसला किया। 1954 में, CERN को अपना आधिकारिक जन्म मिला।

1983 में सीईआरएन के तत्वावधान में डब्ल्यू और जेड बोसॉन की खोज की गई, जिसके बाद हिग्स बोसॉन की खोज का सवाल ही समय की बात बन गया। उसी वर्ष, लार्ज इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर (एलईपीसी) के निर्माण पर काम शुरू हुआ, जिसने खोजे गए बोसॉन के अध्ययन में सर्वोपरि भूमिका निभाई। हालांकि, फिर भी यह स्पष्ट हो गया कि निर्मित डिवाइस की क्षमता जल्द ही अपर्याप्त होगी। और 1984 में, बीईपीसी को नष्ट करने के तुरंत बाद, एलएचसी बनाने का निर्णय लिया गया। 2000 में यही हुआ था।

एलएचसी का निर्माण, जो 2001 में शुरू हुआ था, इस तथ्य से सुगम हुआ कि यह पूर्व बीईपीके की साइट पर जिनेवा झील में हुआ था। वित्तपोषण के मुद्दों के संबंध में (1995 में लागत का अनुमान 2.6 बिलियन स्विस फ़्रैंक था, 2001 तक यह 4.6 बिलियन से अधिक हो गया, 2009 में यह 6 बिलियन डॉलर हो गया)।

फिलहाल, LHC 26.7 किमी की परिधि के साथ एक सुरंग में स्थित है और एक ही बार में दो यूरोपीय देशों - फ्रांस और स्विट्जरलैंड के क्षेत्रों से होकर गुजरता है। सुरंग की गहराई 50 से 175 मीटर तक होती है। यह भी ध्यान दिया जाना चाहिए कि त्वरक में प्रोटॉन की टक्कर ऊर्जा 14 टेराइलेक्ट्रॉनवोल्ट तक पहुंचती है, जो कि बीईपीसी का उपयोग करके प्राप्त परिणामों से 20 गुना अधिक है।

"जिज्ञासा कोई बुराई नहीं है, बल्कि एक महान घृणित है"

सीईआरएन कोलाइडर की 27 किमी सुरंग जिनेवा के पास 100 मीटर भूमिगत स्थित है। विशाल सुपरकंडक्टिंग इलेक्ट्रोमैग्नेट यहां स्थित होंगे। दाईं ओर परिवहन वैगन हैं। जुहानसन/wikipedia.org (सीसी बाय-एसए 3.0)

इस मानव निर्मित "प्रलय का दिन मशीन" की आवश्यकता क्यों है? वैज्ञानिक दुनिया को उसी तरह देखने की उम्मीद करते हैं जैसे वह बिग बैंग के तुरंत बाद था, यानी पदार्थ के निर्माण के समय।

लक्ष्य, जिसे एलएचसी के निर्माण के दौरान वैज्ञानिकों ने खुद को स्थापित किया:

1. आगे "सब कुछ का सिद्धांत" बनाने के लिए मानक मॉडल की पुष्टि या खंडन।
2. हिग्स बोसोन के पाँचवें मौलिक अंतःक्रिया के एक कण के रूप में अस्तित्व का प्रमाण। सैद्धांतिक शोध के अनुसार, यह विद्युत और कमजोर अंतःक्रियाओं को प्रभावित करता है, जिससे उनकी समरूपता टूट जाती है।
3. क्वार्कों का अध्ययन, जो एक मौलिक कण हैं, जो उनसे बने प्रोटॉन से 20 हजार गुना छोटा है।
4. डार्क मैटर को प्राप्त करना और उसका अध्ययन करना, जिससे ब्रह्मांड का अधिकांश भाग बनता है।

ये वैज्ञानिकों द्वारा एलएचसी को सौंपे गए एकमात्र लक्ष्य से बहुत दूर हैं, लेकिन बाकी अधिक संबंधित या विशुद्ध रूप से सैद्धांतिक हैं।

क्या हासिल किया गया है?

निस्संदेह, सबसे बड़ी और सबसे महत्वपूर्ण उपलब्धि अस्तित्व की आधिकारिक पुष्टि थी हिग्स बॉसन. पांचवीं अंतःक्रिया (हिग्स फील्ड) की खोज, जो वैज्ञानिकों के अनुसार, सभी प्राथमिक कणों द्वारा द्रव्यमान के अधिग्रहण को प्रभावित करती है। ऐसा माना जाता है कि जब अन्य क्षेत्रों में हिग्स क्षेत्र की कार्रवाई के दौरान समरूपता टूट जाती है, तो डब्ल्यू और जेड बोसॉन बड़े पैमाने पर बन जाते हैं। हिग्स बोसोन की खोज इसके महत्व में इतनी महत्वपूर्ण है कि कई वैज्ञानिकों ने उन्हें "दिव्य कण" नाम दिया है।

क्वार्क कणों (प्रोटॉन, न्यूट्रॉन, और अन्य) में संयोजित होते हैं, जिन्हें कहा जाता है हैड्रॉन्स. यह वे हैं जो एलएचसी में तेजी लाते हैं और टकराते हैं, इसलिए इसका नाम। कोलाइडर के संचालन के दौरान, यह साबित हो गया कि क्वार्क को हैड्रॉन से अलग करना असंभव है। यदि आप ऐसा करने का प्रयास करते हैं, तो आप बस एक अन्य प्रकार के प्राथमिक कण को ​​बाहर निकालेंगे, उदाहरण के लिए, एक प्रोटॉन - मेसन. इस तथ्य के बावजूद कि यह केवल हैड्रॉन में से एक है और अपने आप में कुछ भी नया नहीं करता है, क्वार्कों की बातचीत का आगे का अध्ययन छोटे चरणों में सटीक रूप से किया जाना चाहिए। ब्रह्मांड के कामकाज के मूलभूत नियमों की खोज में जल्दबाजी खतरनाक है।

यद्यपि क्वार्क स्वयं एलएचसी का उपयोग करने की प्रक्रिया में नहीं खोजे गए थे, उनके अस्तित्व को एक निश्चित बिंदु तक गणितीय अमूर्तता के रूप में माना जाता था। इस तरह के पहले कण 1968 में पाए गए थे, लेकिन 1995 तक यह आधिकारिक तौर पर साबित नहीं हुआ था कि "सच्चे क्वार्क" का अस्तित्व था। प्रयोगों के परिणामों की पुष्टि उनके पुनरुत्पादन की संभावना से होती है। इसलिए, एलएचसी द्वारा एक समान परिणाम की उपलब्धि को पुनरावृत्ति के रूप में नहीं, बल्कि उनके अस्तित्व के एक समेकित प्रमाण के रूप में माना जाता है! हालांकि क्वार्क की वास्तविकता से समस्या कहीं गायब नहीं हुई है, क्योंकि वे सरल हैं अलग नहीं किया जा सकताहैड्रॉन से।

क्या योजनाएं हैं?

हंस जी / फ़्लिकर डॉट कॉम (सीसी बाय-एसए 2.0)

"सब कुछ का सिद्धांत" बनाने का मुख्य कार्य हल नहीं हुआ है, लेकिन इसके प्रकट होने के संभावित विकल्पों का सैद्धांतिक अध्ययन चल रहा है। अब तक, सापेक्षता के सामान्य सिद्धांत और मानक मॉडल को एकीकृत करने की समस्याओं में से एक उनका अलग दायरा है, और इसलिए दूसरा पहले की विशेषताओं को ध्यान में नहीं रखता है। इसलिए जरूरी है कि स्टैंडर्ड मॉडल से आगे निकल कर कगार पर पहुंचें नई भौतिकी.

सुपरसिमेट्री -वैज्ञानिकों का मानना ​​है कि यह बोसोनिक और फर्मोनिक क्वांटम क्षेत्रों को इतना जोड़ता है कि वे एक-दूसरे में बदल सकते हैं। यह इस प्रकार का रूपांतरण है जो मानक मॉडल के दायरे से परे है, क्योंकि एक सिद्धांत है कि क्वांटम क्षेत्रों का सममित मानचित्रण आधारित है गुरुत्वाकर्षण. वे, क्रमशः, गुरुत्वाकर्षण का एक प्राथमिक कण हो सकते हैं।

बोसॉन मदाल- मदाला बोसॉन के अस्तित्व की परिकल्पना से पता चलता है कि एक और क्षेत्र है। केवल यदि हिग्स बोसॉन ज्ञात कणों और पदार्थ के साथ परस्पर क्रिया करता है, तो मादाला बोसॉन किसके साथ परस्पर क्रिया करता है काला पदार्थ. इस तथ्य के बावजूद कि यह ब्रह्मांड के एक बड़े हिस्से पर कब्जा करता है, इसका अस्तित्व मानक मॉडल के ढांचे में शामिल नहीं है।

सूक्ष्म ब्लैक होलएलएचसी का एक शोध ब्लैक होल बनाना है। हाँ, हाँ, बाह्य अंतरिक्ष में बिल्कुल वही काला, सर्व-उपभोग करने वाला क्षेत्र। सौभाग्य से, इस दिशा में कोई महत्वपूर्ण प्रगति नहीं हुई है।

आज, लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर एक बहुउद्देश्यीय अनुसंधान केंद्र है, जिसके आधार पर सिद्धांत बनाए जाते हैं और प्रयोगात्मक रूप से पुष्टि की जाती है जो हमें दुनिया की संरचना को बेहतर ढंग से समझने में मदद करेगी। आलोचना की लहरें अक्सर चल रहे कई अध्ययनों के आसपास उठती हैं जिन्हें खतरनाक ब्रांडेड किया जाता है, जिसमें स्टीफन हॉकिंग भी शामिल हैं, लेकिन खेल निश्चित रूप से मोमबत्ती के लायक है। हम ब्रह्मांड नामक काले सागर में एक ऐसे कप्तान के साथ नहीं जा पाएंगे, जिसके पास न तो नक्शा है, न ही कम्पास, हमारे आसपास की दुनिया का कोई बुनियादी ज्ञान नहीं है।

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जीव विज्ञान में अपने समकक्षों के विपरीत (जो कृन्तकों, एनेलिड्स या जोंकों को ऑनलाइन ऑर्डर कर सकते हैं), भौतिकविदों को अपने स्वयं के परीक्षण विषयों को डिजाइन करने की आवश्यकता होती है।

जब भौतिकविदों को त्वरक के लिए कणों की आवश्यकता होती है, तो वे हमारी साइट पर आते हैं और टिप्पणियों में विज्ञापन छोड़ते हैं, रिक्त कणों के लिए नौकरियों की पेशकश करते हैं। कभी-कभी उन्हें सकारात्मक दृष्टिकोण वाले कणों की आवश्यकता होती है, कभी-कभी अधिक तटस्थ वाले। भौतिक विज्ञानी तब कण को ​​​​एक तारीख पर पूछते हैं, और यदि सब ठीक हो जाता है, तो त्वरण प्रक्रिया में भाग लेने की पेशकश करें। इस तरह हिग्स बोसोन बनाया गया था।

अगर। जीव विज्ञान में अपने समकक्षों के विपरीत (जो कृन्तकों, एनेलिड्स या जोंकों को ऑनलाइन ऑर्डर कर सकते हैं), भौतिकविदों को अपने स्वयं के परीक्षण विषय बनाने की आवश्यकता है। लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर में उच्च गति की टक्कर के लिए पर्याप्त कण प्राप्त करना आसान नहीं है।

इससे पहले कि हम उन्हें कण त्वरक में रखें, आइए जानें कि हमें ऐसा करने की आवश्यकता क्यों है। त्वरक क्या हैं, और हम कणों की तुलना में अधिक महत्वपूर्ण कुछ क्यों नहीं बढ़ा सकते हैं?

सबसे प्रसिद्ध कण त्वरक लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर है, जो 27 किलोमीटर का गोलाकार राक्षस है जो भूमिगत दफन है। स्विट्जरलैंड में स्थित, LHC यूरोपीय परमाणु अनुसंधान संगठन, उर्फ ​​​​सर्न के तहत संचालित होता है (यदि आप इसकी फ्रेंच वर्तनी जानते हैं तो इसका संक्षिप्त नाम समझ में आता है)। एलएचसी 2012 में काफी लोकप्रिय हो गया, जब कण टकराव हिग्स बोसोन के निशान पर प्रकाश डालते हैं, जिसके लिए यह त्वरक वास्तव में बनाया गया था। हिग्स बोसोन की खोज ने भौतिकविदों को हिग्स क्षेत्र के बारे में और अधिक आत्मविश्वास से बोलने की अनुमति दी है, साथ ही साथ ब्रह्मांड में द्रव्यमान कैसे प्राप्त होता है।

लेकिन अगर एलएचसी त्वरक की दुनिया में एक सुपरस्टार है, तो कई अन्य कम ज्ञात स्टूडियो हैं जो अपना रिकॉर्ड बना रहे हैं। सामान्य तौर पर, दुनिया में लगभग 30,000 त्वरक हैं, और शायद उन्हें सबसे व्यावहारिक आविष्कारों के लिए धन्यवाद दिया जाना चाहिए। और यह सिर्फ शब्द नहीं है। वैज्ञानिक जो डिस्पोजेबल डायपर में उपयोग किए जाने वाले सुपरबॉर्बेंट पॉलिमर का अध्ययन करना चाहते थे, उन्हें गीले होने पर उनका अध्ययन करने में परेशानी हुई, इसलिए - टा-डा - ने एक्स-रे माइक्रोस्कोपी (जो कण त्वरण का उपयोग करता है) की ओर रुख किया। आणविक श्रृंखलाओं की संरचना की पहचान और अध्ययन करने में सक्षम होने के कारण, वैज्ञानिक आधुनिक डायपर को सूखा रखते हुए और कण त्वरक के लिए धन्यवाद, सही सूत्र तैयार करने में सक्षम हुए हैं।

इसके अलावा, चिकित्सा वातावरण में, विशेष रूप से - कैंसर के इलाज के तरीकों के अध्ययन में त्वरक का अच्छी तरह से उपयोग किया जाता है। रैखिक त्वरक (जब कण एक सीधी रेखा में लक्ष्य से टकराते हैं) एक धातु लक्ष्य पर इलेक्ट्रॉनों को आग लगाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप उच्च-सटीक, उच्च-ऊर्जा एक्स-रे होते हैं जो ट्यूमर का इलाज कर सकते हैं। और, ज़ाहिर है, सैद्धांतिक प्राथमिक कण भौतिकी में त्वरक के बिना, कहीं नहीं - किसी भी सिद्धांत को अभ्यास की आवश्यकता होती है। अब जब हम थोड़ा जान गए हैं कि बूस्टर का उपयोग किस लिए किया जाता है, तो आइए बात करते हैं कि उन्हें क्या खिलाना है।

जैसा कि हमने ऊपर कहा, सर्न के वैज्ञानिक अपने लिए कण पैदा करते हैं। इसकी तुलना इस तथ्य से की जा सकती है कि एक एकाउंटेंट अपने स्वयं के कैलकुलेटर को इकट्ठा करता है। लेकिन कण भौतिकी के लिए, यह कोई समस्या नहीं है। सभी वैज्ञानिकों को हाइड्रोजन से शुरू करना है, एक डुओप्लास्मैट्रॉन के साथ इलेक्ट्रॉनों को बाहर निकालना है, और प्रोटॉन के साथ अकेले रहना है। सरल लगता है, लेकिन यह वास्तव में अधिक कठिन है। वैसे भी, उन लोगों के लिए इतना आसान नहीं है जिन्हें स्टीफन हॉकिंग से जन्मदिन कार्ड नहीं मिलते हैं।

हाइड्रोजन वह गैस है जो कण त्वरक, डुओप्लास्मैट्रॉन के पहले चरण में प्रवेश करती है। डुओप्लास्मैट्रॉन एक बहुत ही सरल उपकरण है। हाइड्रोजन परमाणुओं में एक इलेक्ट्रॉन और एक प्रोटॉन होता है। एक डुओप्लास्मैट्रॉन में, एक हाइड्रोजन परमाणु एक विद्युत क्षेत्र का उपयोग करके एक इलेक्ट्रॉन से छुटकारा पाता है। जो बचा है वह प्रोटॉन, इलेक्ट्रॉनों और आणविक आयनों का एक प्लाज्मा है जो कई फिल्टर नेटवर्क से होकर गुजरता है, केवल प्रोटॉन को छोड़ देता है।

LHC न केवल नियमित कार्यों के लिए प्रोटॉन का उपयोग करता है। सर्न के भौतिक विज्ञानी क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा का अध्ययन करने के लिए लेड आयनों को भी तोड़ रहे हैं, जो हमें अस्पष्ट रूप से याद दिलाता है कि ब्रह्मांड बहुत समय पहले कैसा था। भारी धातु आयनों को एक साथ धक्का देकर (सोने के साथ भी काम करता है), वैज्ञानिक एक पल के लिए क्वार्क-ग्लूऑन प्लाज्मा बना सकते हैं।

आप यह समझने के लिए पहले से ही पर्याप्त प्रबुद्ध हैं कि लेड आयन एक कण त्वरक में जादुई रूप से प्रकट नहीं होते हैं। यहां बताया गया है कि यह कैसे होता है: एक सर्न भौतिक विज्ञानी ठोस लेड -208, तत्व के एक विशेष समस्थानिक से लेड आयनों को इकट्ठा करना शुरू करता है। ठोस सीसा को भाप में गर्म किया जाता है - 800 डिग्री सेल्सियस तक। यह तब एक विद्युत प्रवाह से चौंक जाता है जो प्लाज्मा बनाने के लिए नमूने को आयनित करता है। नव निर्मित आयन (इलेक्ट्रॉनों को प्राप्त या खो चुके विद्युत आवेश वाले परमाणु) एक रैखिक त्वरक में छिपे होते हैं, जो उन्हें त्वरण देता है, जिससे इलेक्ट्रॉनों का और भी अधिक नुकसान होता है। फिर वे और भी अधिक भटकते हैं और तेजी लाते हैं - और लेड आयन प्रोटॉन के मार्ग का अनुसरण करने के लिए तैयार होते हैं और लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर के आंतों में दुर्घटनाग्रस्त हो जाते हैं।

लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर, दुनिया का सबसे शक्तिशाली कण त्वरक, जिसका परीक्षण यूरोपियन ऑर्गनाइजेशन फॉर न्यूक्लियर रिसर्च (सर्न) में किया जा रहा है, इसके लॉन्च से पहले ही एक मुकदमे का विषय था। वैज्ञानिकों पर मुकदमा किसने और क्यों किया?

लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर का न्याय न करें ...हवाई वाल्टर वैगनर और लुइस सांचो राज्य के निवासियों ने सीईआरएन के खिलाफ होनोलूलू की संघीय जिला अदालत में मुकदमा दायर किया, साथ ही परियोजना में अमेरिकी प्रतिभागियों - ऊर्जा विभाग, राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन और फर्मी राष्ट्रीय त्वरक प्रयोगशाला, इस कारण से।

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अमेरिकी जनता को डर था कि होने वाली घटनाओं का अनुकरण करने के लिए त्वरक में किए जाने वाले अत्यधिक ऊर्जावान उप-परमाणु कणों की टक्कर ब्रह्मांड में बिग बैंग के बाद पहले क्षणों में,ऑब्जेक्ट बना सकते हैं पृथ्वी के अस्तित्व के लिए खतरा.

सर्न में लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर। बॉक्स में - सीएमएस डिटेक्टर में हिग्स बोसोन उत्पादन प्रक्रिया का अनुकरण

वादी के अनुसार, खतरा मुख्य रूप से तथाकथित ब्लैक होल है - भौतिक वस्तुएं जो कर सकती हैं हमारे ग्रह पर कुछ वस्तुओं को अवशोषित करते हैं - उदाहरण के लिए, कोई बड़ा शहर।

इस तथ्य के बावजूद कि अप्रैल 2008 की शुरुआत में अदालत में मुकदमा दायर किया गया था, विशेषज्ञों ने इसे अप्रैल फूल के मजाक के रूप में बिल्कुल भी नहीं माना।

6 अप्रैल को, उन्होंने सेंटर फॉर न्यूक्लियर रिसर्च में एक खुले दिन की व्यवस्था की, जिसमें जनता, पत्रकारों, छात्रों और स्कूली बच्चों को त्वरक के दौरे के लिए आमंत्रित किया गया, ताकि वे न केवल अद्वितीय वैज्ञानिक उपकरण को अपनी आँखों से देख सकें, लेकिन उनके सभी सवालों के व्यापक जवाब भी पाएं।

सबसे पहले, निश्चित रूप से, परियोजना के आयोजकों ने आगंतुकों को यह समझाने की कोशिश की कि एलएचसी किसी भी तरह से "दुनिया के अंत" का अपराधी नहीं हो सकता है।

हां, 27 किमी (अंग्रेजी टकराने - "टकराव") की परिधि के साथ एक रिंग टनल में स्थित कोलाइडर प्रोटॉन बीम को तेज करने और उन्हें प्रति सेकंड 40 मिलियन बार 14 टेराइलेक्ट्रॉनवोल्ट तक की ऊर्जा से टकराने में सक्षम है।

भौतिकविदों का मानना ​​​​है कि इस मामले में बिग बैंग के बाद एक सेकंड के एक खरबवें हिस्से को फिर से बनाना संभव होगा, और इस प्रकार ब्रह्मांड के अस्तित्व की शुरुआत के बारे में बहुमूल्य जानकारी प्राप्त होगी।

लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर और ब्लैक होल

लेकिन इस तथ्य के बारे में कि इस मामले में एक ब्लैक होल दिखाई देगा, या यह आम तौर पर अज्ञात है, सर्न के प्रतिनिधि जेम्स गिल्स ने बहुत संदेह व्यक्त किया। और न केवल इसलिए कि कोलाइडर का सुरक्षा मूल्यांकन सिद्धांतकारों द्वारा लगातार किया जाता है, बल्कि केवल अभ्यास पर भी आधारित होता है।

"एक महत्वपूर्ण तर्क है कि सर्न प्रयोग सुरक्षित हैं, पृथ्वी का अस्तित्व है," उन्होंने कहा।

"हमारा ग्रह लगातार ब्रह्मांडीय विकिरण प्रवाह के संपर्क में है, जिसकी ऊर्जा कम नहीं है, और अक्सर सर्न से अधिक होती है, और अभी तक ब्लैक होल या अन्य कारणों से नष्ट नहीं हुई है।

इस बीच, जैसा कि हमने गणना की, ब्रह्मांड के अस्तित्व के दौरान, प्रकृति ने कम से कम 1031 कार्यक्रमों को पूरा किया है जो कि हम अभी लागू करने वाले हैं।

वह एक अनियंत्रित विनाश प्रतिक्रिया की संभावना में कोई विशेष खतरा नहीं देखता है जिसमें एंटीपार्टिकल्स शामिल हैं, जो प्रयोगों के परिणामस्वरूप उत्पन्न होगा।

"एंटीमैटर वास्तव में सर्न में निर्मित होता है,- न्यू साइंटिस्ट पत्रिका के साथ एक साक्षात्कार में वैज्ञानिक की पुष्टि की।

"हालांकि, इसके वे टुकड़े जो कृत्रिम रूप से पृथ्वी पर बनाए जा सकते हैं, वे सबसे छोटे बम के लिए भी पर्याप्त नहीं होंगे।

एंटीमैटर को स्टोर करना और जमा करना बेहद मुश्किल है (और इसके कुछ प्रकार बिल्कुल भी असंभव हैं)"...

लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर और बोसोन

बोसॉन की खोजवैसे, उसी पत्रिका ने लिखा है कि मॉस्को में स्टेक्लोव मैथमैटिकल इंस्टीट्यूट के रूसी विशेषज्ञ - प्रोफेसर इरिना अरेफिवा और डॉक्टर ऑफ फिजिकल एंड मैथमैटिकल साइंसेज इगोर वोलोविच - का मानना ​​​​है कि सर्न में बड़े पैमाने पर प्रयोग पहले की उपस्थिति का कारण बन सकता है। .. दुनिया में टाइम मशीन।

मैंने इस संदेश पर टिप्पणी करने के लिए प्रोफेसर इरिना यारोस्लावोवना अरेफयेवा से पूछा। और उसने यही कहा:

"हम अभी भी अपने आसपास की दुनिया की संरचना के बारे में काफी कुछ जानते हैं। याद रखें, प्राचीन यूनानियों का मानना ​​​​था कि सभी वस्तुएं परमाणुओं से बनी होती हैं, जिसका ग्रीक में अर्थ है "अविभाज्य"।

हालांकि, समय के साथ, यह पता चला कि परमाणुओं में स्वयं एक जटिल संरचना होती है, जिसमें इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन होते हैं। 20 वीं शताब्दी के पूर्वार्द्ध में, यह अचानक पता चला कि प्रोटॉन और न्यूट्रॉन वाले समान इलेक्ट्रॉनों को कई कणों में विभाजित किया जा सकता है।

पहले तो उन्हें लापरवाही से प्राथमिक कहा जाता था। हालाँकि, अब तक यह पता चला है कि इनमें से कई तथाकथित प्राथमिक कण, बदले में, विभाजित कर सकते हैं ...

सामान्य तौर पर, जब सिद्धांतकारों ने तथाकथित मानक मॉडल के ढांचे के भीतर प्राप्त सभी ज्ञान को लाने की कोशिश की, तो यह पता चला कि, कुछ स्रोतों के अनुसार, हिग्स बोसॉन इसकी केंद्रीय कड़ी हैं।"

रहस्यमय कण का नाम एडिनबर्ग विश्वविद्यालय के प्रोफेसर पीटर हिग्स के नाम पर पड़ा। प्रसिद्ध संगीत के प्रोफेसर हिगिंस के विपरीत, वह सुंदर लड़कियों का सही उच्चारण सिखाने में नहीं, बल्कि माइक्रोवर्ल्ड के नियमों को सीखने में लगे हुए थे।

और पिछली शताब्दी के 60 के दशक में, उन्होंने निम्नलिखित धारणा बनाई: "ब्रह्मांड बिल्कुल खाली नहीं है, जैसा कि हमें लगता है।

इसका पूरा स्थान किसी न किसी प्रकार के चिपचिपे पदार्थ से भरा हुआ है, जिसके माध्यम से, उदाहरण के लिए, आकाशीय पिंडों के बीच गुरुत्वाकर्षण संपर्क किया जाता है, जो कणों, परमाणुओं और अणुओं से शुरू होकर ग्रहों, सितारों और आकाशगंगाओं पर समाप्त होता है।

काफी सरलता से बोलते हुए, पी. हिग्स ने इस विचार पर लौटने का सुझाव दिया "विश्व प्रसारण" जिसे कभी खारिज कर दिया गया था। लेकिन चूंकि भौतिक विज्ञानी, अन्य लोगों की तरह, अपनी गलतियों को स्वीकार करना पसंद नहीं करते हैं, इसलिए अब नए पुराने पदार्थ को कहा जाता है "हिग्स फील्ड"।

और अब यह माना जाता है कि यह बल क्षेत्र है जो परमाणु कणों को द्रव्यमान देता है। और उनका पारस्परिक आकर्षण गुरुत्वाकर्षण के वाहक द्वारा प्रदान किया जाता है, जिसे मूल रूप से गुरुत्वाकर्षण कहा जाता था, और अब हिग्स बोसॉन।

2000 में, भौतिकविदों ने सोचा कि उन्होंने अंततः हिग्स बोसोन को "पकड़" लिया है। हालांकि, पहले प्रयोग के परीक्षण के लिए किए गए प्रयोगों की एक श्रृंखला से पता चला कि बोसोन फिर से खिसक गया था। फिर भी, कई वैज्ञानिक आश्वस्त हैं कि कण अभी भी मौजूद है।

और इसे पकड़ने के लिए, आपको बस अधिक विश्वसनीय जाल बनाने की जरूरत है, और भी अधिक शक्तिशाली त्वरक बनाने की जरूरत है। मानव जाति के सबसे भव्य उपकरणों में से एक जेनेवा के पास सर्न में आम प्रयासों से बनाया गया था।

हालांकि, वे हिग्स बोसोन को न केवल यह सुनिश्चित करने के लिए पकड़ते हैं कि वैज्ञानिकों की भविष्यवाणियां सही हैं, बल्कि "ब्रह्मांड की पहली ईंट" की भूमिका के लिए एक और उम्मीदवार खोजने के लिए।

« विशेष रूप से, ब्रह्मांड की संरचना के बारे में विदेशी धारणाएं हैं,

- प्रोफेसर I.Ya ने अपनी कहानी जारी रखी। अरेफीवा।

- पारंपरिक सिद्धांत कहता है कि हम एक चार-आयामी दुनिया में रहते हैं

- तीन स्थानिक निर्देशांक प्लस समय।

लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर मापन सिद्धांत

लेकिन ऐसी परिकल्पनाएँ हैं जो बताती हैं कि वास्तव में और भी आयाम हैं - छह या दस, या इससे भी अधिक। इन मापों में, गुरुत्वाकर्षण बल सामान्य जी की तुलना में काफी अधिक हो सकता है।

और गुरुत्वाकर्षण, आइंस्टीन के समीकरणों के अनुसार, समय के प्रवाह को प्रभावित कर सकता है। इसलिए . की परिकल्पना "टाइम मशीन"।लेकिन अगर है भी तो बहुत कम समय के लिए और बहुत कम मात्रा में।

इरीना यारोस्लावोवना की राय में समान रूप से विदेशी, टकराने वाले बीमों की टक्कर में गठन की परिकल्पना है लघु ब्लैक होल। अगर वे बनते भी हैं, तो उनका जीवनकाल इतना नगण्य होगा कि उनका आसानी से पता लगाना बेहद मुश्किल होगा।

जब तक अप्रत्यक्ष संकेतों से, उदाहरण के लिए, हॉकिंग का एक्स-रे विकिरण, और तब भी केवल छेद के गायब होने के बाद ही।

एक शब्द में, प्रतिक्रियाएँ, कुछ गणनाओं के अनुसार, केवल 10-20 घन मीटर की मात्रा में घटित होंगी। सेमी और इतनी जल्दी कि प्रयोगकर्ताओं को अपने दिमाग को सही जगह पर सही सेंसर लगाने के लिए रैक करना पड़ता है, डेटा प्राप्त होता है और फिर उसके अनुसार व्याख्या करता है।

जारी रहती है…उस समय से जब प्रोफेसर अरेफिवा ने उपरोक्त शब्दों को कहा, इन पंक्तियों को लिखे जाने तक लगभग पांच साल बीत चुके हैं।

इस समय के दौरान, न केवल एलएचसी का पहला परीक्षण लॉन्च हुआ और कई अन्य बाद में हुए। जैसा कि आप स्वयं अब जानते हैं, हर कोई बच गया, और कुछ भी भयानक नहीं हुआ। काम जारी है...

वैज्ञानिक केवल शिकायत करते हैं कि उनके लिए इस अनूठी वैज्ञानिक स्थापना के सभी उपकरणों के स्वास्थ्य की निगरानी करना बहुत मुश्किल है। हालांकि, वे पहले से ही अगली पीढ़ी के विशाल कण त्वरक, इंटरनेशनल लीनियर कोलाइडर (आईएलसी) के निर्माण का सपना देख रहे हैं।

सर्न, स्विट्जरलैंड। जून 2013।

किसी भी मामले में, कैलिफ़ोर्निया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी में एमेरिटस प्रोफेसर बैरी बरिश, जो अंतर्राष्ट्रीय रैखिक कोलाइडर के डिजाइन को निर्देशित करते हैं, और उनके सहयोगी इस बारे में लिखते हैं

- निकोलस वॉकर वॉकर, हैम्बर्ग के त्वरक भौतिकी विशेषज्ञ, और जापान में तोहोकू विश्वविद्यालय में भौतिकी के प्रोफेसर हितोशी यामामोटो।

भविष्य का लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर

"ILC डिजाइनरों ने भविष्य के कोलाइडर के मुख्य मापदंडों को पहले ही निर्धारित कर लिया है," वैज्ञानिकों की रिपोर्ट।

- इसकी लंबाई लगभग है। 31 किमी;मुख्य भाग दो सुपरकंडक्टिंग रैखिक त्वरक द्वारा कब्जा कर लिया जाएगा, जो इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन टकराव प्रदान करेगा 500 GeV की ऊर्जा के साथ।

प्रति सेकंड पांच बार, आईएलसी 1 एमएस पल्स में लगभग 3,000 इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन बंच उत्पन्न, तेज और टकराएगा, जो प्रत्येक बीम के लिए 10 मेगावाट की शक्ति के अनुरूप होगा।

संयंत्र की दक्षता लगभग 20% होगी, इसलिए, आईएलसी को कणों को गति देने के लिए लगभग 100 मेगावाट की कुल शक्ति की आवश्यकता होगी।

एक इलेक्ट्रॉन बीम बनाने के लिए, एक गैलियम आर्सेनाइड लक्ष्य को लेजर से विकिरणित किया जाएगा; ऐसे में प्रत्येक पल्स में अरबों इलेक्ट्रॉन इससे बाहर निकल जाएंगे।

इन इलेक्ट्रॉनों को तुरंत एक लघु रैखिक सुपरकंडक्टिंग त्वरक में 5 GeV तक त्वरित किया जाएगा और फिर परिसर के केंद्र में स्थित 6.7 किमी स्टोरेज रिंग में इंजेक्ट किया जाएगा।

रिंग में घूमते हुए, इलेक्ट्रॉन सिंक्रोट्रॉन विकिरण उत्पन्न करेंगे, और गुच्छे सिकुड़ेंगे, जिससे चार्ज घनत्व और बीम की तीव्रता में वृद्धि होगी।

यात्रा के बीच में, 150 MeV पर, इलेक्ट्रॉन गुच्छों को थोड़ा विक्षेपित किया जाएगा और एक विशेष चुंबक, तथाकथित अनडुलेटर में भेजा जाएगा, जहां उनकी कुछ ऊर्जा गामा विकिरण में परिवर्तित हो जाएगी।

गामा-रे फोटॉन लगभग 1000 आरपीएम पर घूमने वाले टाइटेनियम मिश्र धातु लक्ष्य से टकराएंगे।

इस मामले में, कई इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन जोड़े बनते हैं। पॉज़िट्रॉन पर कब्जा कर लिया जाएगा, 5 GeV तक त्वरित किया जाएगा, जिसके बाद वे एक और संकुचित रिंग में गिरेंगे और अंत में, LS के विपरीत छोर पर दूसरे मुख्य रैखिक सुपरकंडक्टिंग त्वरक में गिरेंगे।

जब इलेक्ट्रॉनों और पॉज़िट्रॉन की ऊर्जा 250 GeV के अंतिम मान तक पहुँच जाती है, तो वे टक्कर के बिंदु पर पहुँच जाते हैं। टक्कर के बाद, प्रतिक्रिया उत्पादों को जाल में भेजा जाएगा, जहां उन्हें तय किया जाएगा।

लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर वीडियो

कण त्वरक
एक स्थापना जिसमें, विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों की सहायता से, तापीय ऊर्जा की तुलना में बहुत अधिक ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉनों, प्रोटॉन, आयनों और अन्य आवेशित कणों के निर्देशित बीम प्राप्त होते हैं। त्वरण की प्रक्रिया में, कण वेग बढ़ जाते हैं, अक्सर प्रकाश की गति के करीब के मूल्यों के लिए। वर्तमान में, कई छोटे त्वरक दवा (विकिरण चिकित्सा) और उद्योग में भी उपयोग किए जाते हैं (उदाहरण के लिए, अर्धचालक में आयन आरोपण के लिए)। बड़े त्वरक मुख्य रूप से वैज्ञानिक उद्देश्यों के लिए उपयोग किए जाते हैं - उप-परमाणु प्रक्रियाओं और प्राथमिक कणों के गुणों का अध्ययन करने के लिए।
(प्राथमिक कण भी देखें)। क्वांटम यांत्रिकी के अनुसार, एक कण किरण, एक प्रकाश किरण की तरह, एक निश्चित तरंग दैर्ध्य की विशेषता होती है। कणों की ऊर्जा जितनी अधिक होगी, यह तरंग दैर्ध्य उतना ही कम होगा। और तरंगदैर्घ्य जितना छोटा होगा, वस्तुएँ उतनी ही छोटी होंगी जिनकी जाँच की जा सकती है, लेकिन अधिक आकारत्वरक और वे जितने कठिन हैं। सूक्ष्म जगत में अनुसंधान के विकास के लिए प्रोबिंग बीम की अधिक से अधिक ऊर्जा की आवश्यकता थी। उच्च-ऊर्जा विकिरण के पहले स्रोत प्राकृतिक रेडियोधर्मी पदार्थ थे। लेकिन उन्होंने शोधकर्ताओं को केवल कणों, तीव्रता और ऊर्जा का एक सीमित सेट दिया। 1930 के दशक में, वैज्ञानिकों ने उन प्रतिष्ठानों पर काम करना शुरू किया जो अधिक विविध बीम का उत्पादन कर सकते थे। वर्तमान में, ऐसे त्वरक हैं जो किसी भी प्रकार के उच्च-ऊर्जा विकिरण को प्राप्त करना संभव बनाते हैं। यदि, उदाहरण के लिए, एक्स-रे या गामा विकिरण की आवश्यकता होती है, तो इलेक्ट्रॉनों को त्वरित किया जाता है, जो तब ब्रेम्सस्ट्रालंग या सिंक्रोट्रॉन विकिरण प्रक्रियाओं में फोटॉन का उत्सर्जन करते हैं। प्रोटॉन या ड्यूटेरॉन के एक तीव्र बीम के साथ एक उपयुक्त लक्ष्य पर बमबारी करके न्यूट्रॉन उत्पन्न होते हैं। परमाणु कणों की ऊर्जा को इलेक्ट्रॉन वोल्ट (eV) में मापा जाता है। एक इलेक्ट्रॉन वोल्ट वह ऊर्जा है जो एक आवेशित कण एक प्राथमिक आवेश (इलेक्ट्रॉन आवेश) को वहन करते हुए प्राप्त करता है, जब एक विद्युत क्षेत्र में 1 V के संभावित अंतर के साथ दो बिंदुओं के बीच गति करता है। (1 eV कण त्वरक 1.60219 * 10-19 J. ) त्वरक दुनिया के सबसे बड़े त्वरक पर हजारों से लेकर कई ट्रिलियन (10 12) इलेक्ट्रॉन वोल्ट की सीमा में ऊर्जा प्राप्त करना संभव बनाते हैं। प्रयोग में दुर्लभ प्रक्रियाओं का पता लगाने के लिए, सिग्नल-टू-शोर अनुपात को बढ़ाना आवश्यक है। इसके लिए अधिक से अधिक तीव्र विकिरण स्रोतों की आवश्यकता होती है। सामने वाला सिरा आधुनिक प्रौद्योगिकीत्वरक दो मुख्य मापदंडों द्वारा निर्धारित किया जाता है - कण बीम की ऊर्जा और तीव्रता। आधुनिक त्वरक में कई और विविध प्रकार की तकनीक का उपयोग किया जाता है: उच्च आवृत्ति जनरेटर, उच्च गति इलेक्ट्रॉनिक्स और स्वचालित नियंत्रण प्रणाली, जटिल निदान और नियंत्रण उपकरण, अल्ट्रा-उच्च वैक्यूम उपकरण, शक्तिशाली सटीक मैग्नेट (दोनों "पारंपरिक" और क्रायोजेनिक) और जटिल प्रणालीसमायोजन और निर्धारण।
मूलरूप आदर्श
कण त्वरण की मूल योजना में तीन चरण शामिल हैं:
1) बीम निर्माण और इंजेक्शन, 2) बीम त्वरण, और 3) लक्ष्य पर बीम निष्कर्षण या त्वरक में ही टकराने वाले बीम की टक्कर।
बीम गठन और इंजेक्शन।किसी भी त्वरक का प्रारंभिक तत्व एक इंजेक्टर होता है, जिसमें कम-ऊर्जा कणों (इलेक्ट्रॉनों, प्रोटॉन, या अन्य आयनों) और उच्च-वोल्टेज इलेक्ट्रोड और मैग्नेट के निर्देशित प्रवाह का स्रोत होता है जो स्रोत से बीम निकालते हैं और इसे बनाते हैं। पहले त्वरक के प्रोटॉन के स्रोतों में, गैसीय हाइड्रोजन को विद्युत निर्वहन के क्षेत्र से या एक गरमागरम फिलामेंट के पास पारित किया गया था। ऐसी परिस्थितियों में, हाइड्रोजन परमाणु अपने इलेक्ट्रॉनों को खो देते हैं और केवल नाभिक रह जाते हैं - प्रोटॉन। यह विधि (और अन्य गैसों के समान) एक बेहतर रूप में अभी भी प्रोटॉन (और भारी आयनों) के बीम प्राप्त करने के लिए उपयोग की जाती है। स्रोत एक कण बीम बनाता है, जो औसत प्रारंभिक ऊर्जा, बीम वर्तमान, इसके अनुप्रस्थ आयाम और औसत कोणीय विचलन की विशेषता है। इंजेक्टेड बीम की गुणवत्ता का एक संकेतक इसका उत्सर्जन है, अर्थात। बीम त्रिज्या और उसके कोणीय विचलन का उत्पाद। उत्सर्जन जितना कम होगा, उच्च ऊर्जा कणों के अंतिम बीम की गुणवत्ता उतनी ही अधिक होगी। प्रकाशिकी के अनुरूप, उत्सर्जन द्वारा विभाजित कण धारा (जो कोणीय विचलन द्वारा विभाजित कण घनत्व से मेल खाती है) को बीम चमक कहा जाता है। आधुनिक त्वरक के कई अनुप्रयोगों में उच्चतम संभव बीम चमक की आवश्यकता होती है।
बीम त्वरण।बीम कक्षों में बनता है या त्वरक के एक या कई कक्षों में इंजेक्ट किया जाता है, जिसमें विद्युत क्षेत्र गति को बढ़ाता है और इसलिए कणों की ऊर्जा। पहले, सरलतम त्वरक में, एक उच्च निर्वात कक्ष के अंदर बनाए गए एक मजबूत इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र में कण ऊर्जा को बढ़ाया गया था। इस मामले में प्राप्त की जा सकने वाली अधिकतम ऊर्जा त्वरक इन्सुलेटर की ढांकता हुआ ताकत द्वारा निर्धारित की गई थी। कई आधुनिक त्वरक में, 30 keV से 1 MeV तक की ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉनों और आयनों (यूरेनियम आयनों तक) के इलेक्ट्रोस्टैटिक त्वरक अभी भी इंजेक्टर के रूप में उपयोग किए जाते हैं। उच्च वोल्टेज प्राप्त करना आज एक कठिन तकनीकी समस्या बनी हुई है। इसे समानांतर में जुड़े कैपेसिटर के एक समूह को चार्ज करके और फिर उन्हें श्रृंखला में त्वरित ट्यूबों की एक श्रृंखला से जोड़कर प्राप्त किया जा सकता है। इस तरह 1932 में जे. कॉकक्रॉफ्ट और ई. वाल्टन ने 1 एमवी तक का वोल्टेज प्राप्त किया। इस पद्धति का एक महत्वपूर्ण व्यावहारिक दोष यह है कि सिस्टम के बाहरी तत्वों पर उच्च वोल्टेज लागू होता है, जो प्रयोग करने वालों के लिए खतरनाक है। उच्च वोल्टेज प्राप्त करने की एक अन्य विधि का आविष्कार 1931 में आर. वान डी ग्राफ द्वारा किया गया था। वैन डी ग्रैफ जनरेटर (चित्र 1) में, एक ढांकता हुआ टेप एक वोल्टेज स्रोत से एक उच्च-वोल्टेज इलेक्ट्रोड के लिए एक उच्च-वोल्टेज इलेक्ट्रोड में विद्युत आवेशों को स्थानांतरित करता है, जिससे जमीन के सापेक्ष इसकी क्षमता बढ़ जाती है। एक सिंगल-स्टेज वैन डी ग्रैफ जनरेटर 10 एमवी तक वोल्टेज प्राप्त करना संभव बनाता है। मल्टीस्टेज हाई-वोल्टेज एक्सेलेरेटर में 30 MeV तक की ऊर्जा वाले प्रोटॉन का उत्पादन किया गया था।

यदि आपको निरंतर बीम की आवश्यकता नहीं है, लेकिन उच्च-ऊर्जा कणों की एक छोटी पल्स की आवश्यकता है, तो आप इस तथ्य का लाभ उठा सकते हैं कि थोड़े समय के लिए (एक माइक्रोसेकंड से कम) इंसुलेटर बहुत अधिक वोल्टेज का सामना करने में सक्षम हैं। स्विचिंग डायोड आपको बहुत कम प्रतिबाधा वाले सर्किट में प्रति चरण 15 एमवी तक वोल्टेज प्राप्त करने की अनुमति देता है। इससे इलेक्ट्रोस्टैटिक एक्सेलेरेटर की तरह कई दसियों किलोएम्पियर की बीम धाराएं प्राप्त करना संभव हो जाता है, न कि दस मिलीएम्पियर की। उच्च वोल्टेज प्राप्त करने का सामान्य तरीका मार्क्स पल्स जनरेटर सर्किट पर आधारित होता है, जिसमें कैपेसिटर के एक बैंक को पहले समानांतर में चार्ज किया जाता है, और फिर श्रृंखला में जोड़ा जाता है और एक डिस्चार्ज गैप के बाद डिस्चार्ज किया जाता है। जनरेटर की हाई-वोल्टेज पल्स एक लंबी लाइन में प्रवेश करती है, जो एक पल्स बनाती है, जिससे उसका उदय समय निर्धारित होता है। लाइन इलेक्ट्रोड से भरी हुई है जो बीम को तेज करती है। उच्च-आवृत्ति त्वरित वोल्टेज पर, त्वरक का डिज़ाइन निरंतर वोल्टेज की तुलना में टूटने के बिना अधिक मजबूत विद्युत क्षेत्रों का सामना करता है। हालांकि, कण त्वरण के लिए उच्च-आवृत्ति वाले क्षेत्रों का उपयोग इस तथ्य से बाधित होता है कि क्षेत्र का संकेत तेजी से बदलता है और क्षेत्र या तो तेज हो जाता है या घट जाता है। 1920 के दशक के अंत में, इस कठिनाई को दूर करने के लिए दो विधियों का प्रस्ताव किया गया था, जो अब अधिकांश त्वरक में उपयोग की जाती हैं।
रैखिक त्वरक
लंबे बहु-चरण त्वरक में उच्च-आवृत्ति वाले विद्युत क्षेत्रों का उपयोग करने की संभावना इस तथ्य पर आधारित है कि ऐसा क्षेत्र न केवल समय में, बल्कि अंतरिक्ष में भी भिन्न होता है। किसी भी समय, अंतरिक्ष में स्थिति के आधार पर क्षेत्र की ताकत साइनसॉइड रूप से बदल जाती है, अर्थात। अंतरिक्ष में क्षेत्र के वितरण में एक तरंग का रूप होता है। और अंतरिक्ष में किसी भी बिंदु पर, यह समय के साथ साइनसॉइड रूप से बदलता है। इसलिए, क्षेत्र मैक्सिमा तथाकथित चरण वेग के साथ अंतरिक्ष में चलता है। नतीजतन, कण इस तरह से आगे बढ़ सकते हैं कि स्थानीय क्षेत्र उन्हें हर समय तेज करता है। रैखिक त्वरक प्रणालियों में, उच्च-आवृत्ति वाले क्षेत्रों का उपयोग पहली बार 1929 में किया गया था, जब नॉर्वेजियन इंजीनियर आर। विडेरो ने युग्मित उच्च-आवृत्ति वाले गुंजयमान यंत्रों की एक छोटी प्रणाली में आयनों को त्वरित किया था। यदि रेज़ोनेटर इस तरह से डिज़ाइन किए गए हैं कि क्षेत्र का चरण वेग हमेशा कणों के वेग के बराबर होता है, तो त्वरक में गति के दौरान बीम लगातार तेज होता है। इस मामले में कणों की गति एक लहर के शिखर पर एक सर्फर के फिसलने के समान होती है। इस मामले में, त्वरण की प्रक्रिया में प्रोटॉन या आयनों का वेग बहुत बढ़ सकता है। तदनुसार, तरंग vphase का चरण वेग भी बढ़ना चाहिए। यदि इलेक्ट्रॉनों को त्वरक में प्रकाश c की गति के करीब गति से अंतःक्षिप्त किया जा सकता है, तो इस शासन में चरण वेग लगभग स्थिर है: vphase = c। एक अन्य दृष्टिकोण जो उच्च-आवृत्ति वाले विद्युत क्षेत्र के धीमे चरण के प्रभाव को समाप्त करना संभव बनाता है, एक धातु संरचना के उपयोग पर आधारित है जो इस अर्ध-चक्र के दौरान बीम को क्षेत्र से ढालती है। इस विधि का प्रयोग सबसे पहले ई. लॉरेंस ने साइक्लोट्रॉन में किया था (नीचे देखें); इसका उपयोग अल्वारेज़ के रैखिक त्वरक में भी किया जाता है। उत्तरार्द्ध एक लंबी वैक्यूम ट्यूब है जिसमें कई धातु बहाव ट्यूब होते हैं। प्रत्येक ट्यूब एक लंबी लाइन के माध्यम से एक उच्च आवृत्ति जनरेटर के साथ श्रृंखला में जुड़ा हुआ है, जिसके साथ एक त्वरित वोल्टेज तरंग प्रकाश की गति के करीब गति से चलती है (चित्र 2)। इस प्रकार, बदले में सभी ट्यूब उच्च वोल्टेज के अधीन हैं। इंजेक्टर से सही समय पर उत्सर्जित एक आवेशित कण एक निश्चित ऊर्जा प्राप्त करते हुए पहली ट्यूब की दिशा में तेजी लाता है। इस ट्यूब के अंदर कण बहता है - यह स्थिर गति से चलता है। यदि ट्यूब की लंबाई को सही ढंग से चुना जाता है, तो यह उस समय से बाहर आ जाएगी जब त्वरित वोल्टेज ने एक तरंग दैर्ध्य को आगे बढ़ाया है। इस मामले में, दूसरी ट्यूब पर वोल्टेज भी तेज हो जाएगा और सैकड़ों हजारों वोल्ट के बराबर होगा। इस प्रक्रिया को कई बार दोहराया जाता है, और प्रत्येक चरण में कण अतिरिक्त ऊर्जा प्राप्त करता है। कणों की गति क्षेत्र में परिवर्तन के साथ समकालिक होने के लिए, ट्यूबों की लंबाई उनकी गति में वृद्धि के अनुरूप होनी चाहिए। अंततः कण की गति प्रकाश की गति के बहुत करीब पहुंच जाएगी, और ट्यूबों की सीमित लंबाई स्थिर रहेगी।

क्षेत्र में स्थानिक परिवर्तन बीम की अस्थायी संरचना पर प्रतिबंध लगाते हैं। त्वरित क्षेत्र किसी भी परिमित लंबाई के कणों के एक समूह के भीतर बदल जाता है। नतीजतन, त्वरित उच्च आवृत्ति क्षेत्र की तरंग दैर्ध्य की तुलना में कणों के गुच्छा की लंबाई छोटी होनी चाहिए। अन्यथा, कण गुच्छा के भीतर अलग तरह से गति करेंगे। बीम में बहुत अधिक ऊर्जा का प्रसार न केवल चुंबकीय लेंस में रंगीन विपथन की उपस्थिति के कारण बीम पर ध्यान केंद्रित करने की कठिनाई को बढ़ाता है, बल्कि विशिष्ट समस्याओं में बीम के उपयोग की संभावनाओं को भी सीमित करता है। ऊर्जा के प्रसार से अक्षीय दिशा में बीम कणों के समूह का धुंधलापन भी हो सकता है। प्रारंभिक वेग v0 के साथ गतिमान गैर-सापेक्ष आयनों के एक समूह पर विचार करें। स्पेस चार्ज के कारण अनुदैर्ध्य विद्युत बल बीम के सिर के हिस्से को तेज करते हैं और पूंछ वाले हिस्से को धीमा कर देते हैं। उच्च आवृत्ति क्षेत्र के साथ गुच्छा गति को उचित रूप से सिंक्रनाइज़ करके, सिर के हिस्से की तुलना में गुच्छा के पूंछ भाग के अधिक त्वरण को प्राप्त करना संभव है। त्वरित वोल्टेज और बीम के इस तरह के चरण मिलान से, बीम चरणबद्धता प्राप्त करना संभव है - अंतरिक्ष चार्ज और ऊर्जा प्रसार के dephasing प्रभाव की भरपाई करने के लिए। नतीजतन, गुच्छा के केंद्रीय चरण के मूल्यों की एक निश्चित सीमा में, स्थिर गति के एक निश्चित चरण के सापेक्ष कणों के केंद्र और दोलन देखे जाते हैं। ऑटोफैसिंग नामक यह घटना रैखिक आयन त्वरक और आधुनिक चक्रीय इलेक्ट्रॉन और आयन त्वरक के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। दुर्भाग्य से, ऑटोफ़ेसिंग को त्वरक कर्तव्य चक्र को एकता से बहुत कम मूल्यों तक कम करने की कीमत पर प्राप्त किया जाता है। त्वरण की प्रक्रिया में, लगभग सभी बीम दो कारणों से त्रिज्या में वृद्धि की प्रवृत्ति दिखाते हैं: कणों के परस्पर इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकर्षण के कारण और अनुप्रस्थ (थर्मल) वेगों के प्रसार के कारण। बीम के बढ़ते वेग के साथ पहली प्रवृत्ति कमजोर हो जाती है, क्योंकि बीम करंट द्वारा बनाया गया चुंबकीय क्षेत्र बीम को संपीड़ित करता है और, सापेक्षतावादी बीम के मामले में, रेडियल दिशा में स्पेस चार्ज के डिफोकसिंग प्रभाव की लगभग भरपाई करता है। इसलिए, आयन त्वरक के मामले में यह प्रभाव बहुत महत्वपूर्ण है, लेकिन इलेक्ट्रॉन त्वरक के लिए लगभग महत्वहीन है, जिसमें बीम को आपेक्षिक वेग पर अंतःक्षिप्त किया जाता है। बीम उत्सर्जन से संबंधित दूसरा प्रभाव, सभी त्वरक के लिए महत्वपूर्ण है। चतुर्भुज चुम्बकों का उपयोग करके कणों को अक्ष के पास रखना संभव है। सच है, एक एकल चौगुनी चुंबक, एक विमान में कणों को केंद्रित करता है, उन्हें दूसरे में विक्षेपित करता है। लेकिन ई. कूरेंट, एस. लिविंगस्टन और एच. स्नाइडर द्वारा खोजे गए "मजबूत फ़ोकसिंग" का सिद्धांत यहाँ मदद करता है: दो चौगुनी चुम्बकों की एक प्रणाली जो एक स्पैन द्वारा अलग की जाती है, बारी-बारी से फ़ोकसिंग और डिफोकसिंग विमानों के साथ, अंततः सभी विमानों में ध्यान केंद्रित करना सुनिश्चित करती है। ड्रिफ्ट ट्यूब अभी भी प्रोटॉन लिनेक्स में उपयोग किए जाते हैं, जहां बीम ऊर्जा कुछ मेगाइलेक्ट्रॉनवोल्ट से बढ़कर लगभग 100 MeV हो जाती है। पहले इलेक्ट्रॉन रैखिक त्वरक, जैसे कि स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय (यूएसए) में निर्मित 1 GeV त्वरक, ने भी निरंतर लंबाई के बहाव ट्यूबों का उपयोग किया, क्योंकि बीम को 1 MeV के क्रम की ऊर्जा पर इंजेक्ट किया गया था। अधिक आधुनिक इलेक्ट्रॉन रैखिक त्वरक, जिनमें से सबसे बड़ा स्टैनफोर्ड रैखिक त्वरक केंद्र में निर्मित 3.2 किमी 50 GeV त्वरक है, विद्युत चुम्बकीय तरंग पर "इलेक्ट्रॉन सर्फिंग" के सिद्धांत का उपयोग करते हैं, जो लगभग 20 की ऊर्जा वृद्धि के साथ बीम को तेज करने की अनुमति देता है। त्वरक प्रणाली के प्रति मीटर MeV। इस त्वरक में, लगभग 3 GHz की आवृत्ति पर उच्च-आवृत्ति शक्ति बड़े इलेक्ट्रोवैक्यूम उपकरणों - क्लिस्ट्रॉन द्वारा उत्पन्न होती है। उच्चतम ऊर्जा प्रोटॉन लिनाक NY में लोसलामोस नेशनल लेबोरेटरी में बनाया गया था। न्यू मैक्सिको (यूएसए) एक "मेसन फैक्ट्री" के रूप में पियोन और म्यूऑन के तीव्र बीम के उत्पादन के लिए। इसके तांबे के रेज़ोनेटर 2 MeV/m के क्रम का एक त्वरित क्षेत्र बनाते हैं, जिसके कारण यह एक स्पंदित बीम में 800 MeV की ऊर्जा के साथ 1 mA तक के प्रोटॉन का उत्पादन करता है। न केवल प्रोटॉन, बल्कि भारी आयनों को तेज करने के लिए, सुपरकंडक्टिंग हाई-फ़्रीक्वेंसी सिस्टम विकसित किए गए। सबसे बड़ा सुपरकंडक्टिंग प्रोटॉन लिनैक जर्मनी के हैम्बर्ग में जर्मन इलेक्ट्रॉन सिंक्रोट्रॉन (DESY) प्रयोगशाला में HERA कोलाइडिंग बीम एक्सेलेरेटर के इंजेक्टर के रूप में कार्य करता है।
चक्रीय त्वरक
प्रोटॉन साइक्लोट्रॉन।बार-बार ऊर्जा के छोटे हिस्से देकर बीम को तेज करने का एक बहुत ही सुरुचिपूर्ण और किफायती तरीका है। ऐसा करने के लिए, एक मजबूत . के साथ चुंबकीय क्षेत्रबीम को एक वृत्ताकार कक्षा में घूमने के लिए मजबूर किया जाता है और कई बार एक ही त्वरण अंतराल से होकर गुजरता है। इस पद्धति को पहली बार 1930 में ई. लॉरेंस और एस. लिविंगस्टन ने अपने द्वारा आविष्कार किए गए साइक्लोट्रॉन में लागू किया था। बहाव ट्यूबों के साथ एक रैखिक त्वरक के रूप में, बीम को आधे चक्र के दौरान विद्युत क्षेत्र की क्रिया से परिरक्षित किया जाता है जब यह एक डिसेलेरेटर के रूप में कार्य करता है। एक आवेशित कण जिसका द्रव्यमान m और आवेश q गति v पर चुंबकीय क्षेत्र H में गति के लंबवत है, इस क्षेत्र में त्रिज्या R = mv/qH के साथ एक वृत्त का वर्णन करता है। चूँकि त्वरण से वेग v में वृद्धि होती है, त्रिज्या R भी बढ़ जाती है। इस प्रकार, प्रोटॉन और भारी आयन लगातार बढ़ती त्रिज्या के एक अनइंडिंग सर्पिल में चलते हैं। कक्षा के साथ प्रत्येक क्रांति के साथ, बीम डीज़ के बीच की खाई से गुजरता है - उच्च-वोल्टेज खोखले डी-आकार के इलेक्ट्रोड, जहां एक उच्च आवृत्ति वाला विद्युत क्षेत्र उस पर कार्य करता है (चित्र 3)। लॉरेंस ने महसूस किया कि गैर-सापेक्ष कणों के मामले में अंतराल के माध्यम से बीम के मार्ग के बीच का समय स्थिर रहता है, क्योंकि उनकी गति में वृद्धि की भरपाई त्रिज्या में वृद्धि से होती है। क्रांति अवधि के उस हिस्से के दौरान, जब उच्च आवृत्ति क्षेत्र में गलत चरण होता है, बीम अंतराल के बाहर होता है। परिसंचरण की आवृत्ति द्वारा दी जाती है

जहां एफ मेगाहर्ट्ज में वैकल्पिक वोल्टेज की आवृत्ति है, एच टी में चुंबकीय क्षेत्र की ताकत है, और एमसी 2 मेव में कण का द्रव्यमान है। यदि H का मान उस क्षेत्र में स्थिर है जहाँ त्वरण होता है, तो आवृत्ति f, स्पष्ट रूप से, त्रिज्या पर निर्भर नहीं करती है।
(लॉरेंस अर्नेस्ट ऑरलैंडो भी देखें)।

आयनों को उच्च ऊर्जा में गति देने के लिए, केवल यह आवश्यक है कि चुंबकीय क्षेत्र और उच्च-वोल्टेज वोल्टेज की आवृत्ति प्रतिध्वनि की स्थिति को पूरा करे; तो कण सही समय पर प्रति क्रांति दो बार डीज़ के बीच की खाई से गुजरेंगे। 10 केवी के त्वरित वोल्टेज पर बीम को 50 MeV की ऊर्जा में तेज करने के लिए, 2500 क्रांतियों की आवश्यकता होती है। एक प्रोटॉन साइक्लोट्रॉन की ऑपरेटिंग आवृत्ति 20 मेगाहर्ट्ज हो सकती है, ताकि त्वरण समय 1 एमएस के क्रम का हो। रैखिक त्वरक के रूप में, एक साइक्लोट्रॉन में त्वरण के दौरान कणों को अनुप्रस्थ दिशा में केंद्रित किया जाना चाहिए, अन्यथा वे सभी, चुंबक के ध्रुव के टुकड़ों के समानांतर वेग पर इंजेक्ट किए गए को छोड़कर, त्वरण चक्र से बाहर हो जाएंगे। साइक्लोट्रॉन में, चुंबकीय क्षेत्र को एक विशेष विन्यास देकर कोणों में परिमित फैलाव के साथ कणों को तेज करने की संभावना सुनिश्चित की जाती है, जिसमें कक्षा के विमान को छोड़ने वाले कणों पर कार्य करने वाले बल उन्हें इस विमान में वापस कर देते हैं। दुर्भाग्य से, त्वरित कणों के एक समूह की स्थिरता के लिए आवश्यकताओं के अनुसार, बढ़ते त्रिज्या के साथ चुंबकीय क्षेत्र का ध्यान केंद्रित घटक कम होना चाहिए। और यह अनुनाद की स्थिति का खंडन करता है और ऐसे प्रभावों की ओर जाता है जो बीम की तीव्रता को सीमित करते हैं। एक अन्य महत्वपूर्ण कारक जो एक साधारण साइक्लोट्रॉन की क्षमताओं को कम करता है, वह है द्रव्यमान में सापेक्षिक वृद्धि, कण ऊर्जा में वृद्धि के एक आवश्यक परिणाम के रूप में:

प्रोटॉन त्वरण के मामले में, लगभग 10 MeV पर सापेक्षतावादी द्रव्यमान लाभ के कारण समकालिकता टूट जाएगी। तुल्यकालन बनाए रखने का एक तरीका त्वरित वोल्टेज की आवृत्ति को संशोधित करना है ताकि कक्षा की त्रिज्या बढ़ने और कणों की गति बढ़ने पर यह घट जाए। आवृत्ति कानून के अनुसार बदलनी चाहिए

इस तरह का एक सिंक्रोसायक्लोट्रॉन कई सौ मेगाइलेक्ट्रोवोल्ट की ऊर्जा के लिए प्रोटॉन को तेज कर सकता है। उदाहरण के लिए, यदि चुंबकीय क्षेत्र की ताकत 2 टी है, तो आवृत्ति इंजेक्शन के समय लगभग 32 मेगाहर्ट्ज से घटकर 19 मेगाहर्ट्ज या उससे कम होनी चाहिए जब कण 400 मेव की ऊर्जा तक पहुंच जाते हैं। त्वरित वोल्टेज की आवृत्ति में ऐसा परिवर्तन कुछ मिलीसेकंड के भीतर होना चाहिए। जब कण उच्चतम ऊर्जा तक पहुँच जाते हैं और त्वरक से हटा दिए जाते हैं, तो आवृत्ति अपने मूल मान पर लौट आती है और कणों का एक नया गुच्छा त्वरक में पेश किया जाता है। लेकिन यहां तक ​​​​कि चुंबक के सर्वोत्तम डिजाइन और आरएफ बिजली आपूर्ति प्रणाली की सर्वोत्तम विशेषताओं के साथ, साइक्लोट्रॉन की संभावनाएं व्यावहारिक विचारों से सीमित हैं: कक्षा में त्वरित उच्च-ऊर्जा कणों को रखने के लिए बहुत बड़े चुंबक की आवश्यकता होती है। इस प्रकार, कनाडा में TRIUMPH प्रयोगशाला में निर्मित 600 MeV साइक्लोट्रॉन के चुंबक का द्रव्यमान 2000 टन से अधिक है, और यह कई मेगावाट के आदेश पर बिजली की खपत करता है। एक सिंक्रोसायक्लोट्रॉन के निर्माण की लागत चुंबक की त्रिज्या के घन के लगभग समानुपाती होती है। इसलिए, व्यावहारिक रूप से स्वीकार्य लागतों पर उच्च ऊर्जा प्राप्त करने के लिए, त्वरण के नए सिद्धांतों की आवश्यकता होती है।
प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन।चक्रीय त्वरक की उच्च लागत चुंबक के बड़े त्रिज्या से जुड़ी होती है। लेकिन चुंबकीय क्षेत्र की ताकत बढ़ाकर कणों को स्थिर-त्रिज्या कक्षा में रखना संभव है क्योंकि उनकी ऊर्जा बढ़ जाती है। रैखिक त्वरक इस कक्षा में अपेक्षाकृत कम ऊर्जा कणों के एक पुंज को अंतःक्षेपित करता है। चूंकि बीम कक्षा के पास एक संकीर्ण क्षेत्र में सीमित क्षेत्र की आवश्यकता होती है, इसलिए कक्षा के पूरे क्षेत्र को कवर करने वाले चुंबक की कोई आवश्यकता नहीं होती है। चुम्बक केवल कुंडलाकार निर्वात कक्ष के साथ स्थित होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप भारी लागत बचत होती है। इस दृष्टिकोण को प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन में लागू किया गया था। इस प्रकार का पहला त्वरक 3 GeV कॉस्मोट्रॉन (चित्र 4) था, जिसने 1952 में संयुक्त राज्य अमेरिका में ब्रुकहेवन नेशनल लेबोरेटरी में काम करना शुरू किया; इसके तुरंत बाद प्रयोगशाला में निर्मित 6 GeV बेवाट्रॉन का निर्माण किया गया। बर्कले (यूएसए) में कैलिफोर्निया के लॉरेंस विश्वविद्यालय। एंटीप्रोटोन का पता लगाने के लिए विशेष रूप से निर्मित, यह कण त्वरक की स्थायित्व और विश्वसनीयता का प्रदर्शन करते हुए 39 वर्षों से संचालन में है।

संयुक्त राज्य अमेरिका, ग्रेट ब्रिटेन, फ्रांस और यूएसएसआर में निर्मित पहली पीढ़ी के सिंक्रोट्रॉन में, ध्यान केंद्रित करना कमजोर था। इसलिए, उनके त्वरण की प्रक्रिया में कणों के रेडियल दोलनों का आयाम बड़ा था। निर्वात कक्षों की चौड़ाई लगभग 30 सेमी थी, और इसमें अभी भी बड़ी मात्रा में चुंबकीय क्षेत्र के विन्यास को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करना आवश्यक था। 1952 में, एक खोज की गई जिसने बीम दोलनों को काफी कम करना संभव बना दिया और, परिणामस्वरूप, निर्वात कक्ष के आयाम। यह मजबूत या कठोर फोकस का सिद्धांत था। आधुनिक प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन में सुपरकंडक्टिंग क्वाड्रुपोल मैग्नेट के साथ एक मजबूत फोकसिंग व्यवस्था में व्यवस्थित, वैक्यूम कक्ष व्यास में 10 सेमी से छोटा हो सकता है, जिससे आकार, लागत और ध्यान केंद्रित करने वाले चुंबकों की लागत और बिजली की खपत में उल्लेखनीय कमी आती है। इस सिद्धांत पर आधारित पहला सिंक्रोट्रॉन ब्रुकहेवन में 30 GeV वैरिएबल ग्रेडिएंट सिंक्रोट्रॉन था। इसी तरह की सुविधा जिनेवा में यूरोपीय परमाणु अनुसंधान संगठन (सर्न) की प्रयोगशाला में बनाई गई थी। 1990 के दशक के मध्य में, दोनों त्वरक अभी भी काम कर रहे थे। वैरिएबल ग्रैडिएंट सिंक्रोट्रॉन का एपर्चर कॉस्मोट्रॉन की तुलना में लगभग 25 गुना छोटा था। 30 GeV की ऊर्जा पर चुंबक द्वारा खपत की गई शक्ति लगभग 3 GeV पर कॉस्मोट्रॉन चुंबक द्वारा खपत की गई शक्ति के अनुरूप होती है। "वैरिएबल ग्रैडिएंट सिंक्रोट्रॉन" ने प्रति पल्स 6×1013 प्रोटॉन को त्वरित किया, जो इस वर्ग की सुविधाओं के बीच उच्चतम तीव्रता के अनुरूप था। इस त्वरक में फोकस उन्हीं चुम्बकों द्वारा किया गया जो बीम को विक्षेपित करते थे; यह चुंबक के ध्रुवों को अंजीर में दिखाया गया आकार देकर प्राप्त किया गया था। 5. आधुनिक त्वरक आमतौर पर बीम को विक्षेपित करने और फोकस करने के लिए अलग-अलग चुम्बकों का उपयोग करते हैं।

प्रयोगशाला आईएम। बटाविया (यूएसए) के पास ई। फर्मी। त्वरक के "मेन रिंग" की परिधि 6.3 किमी है। वलय छवि के केंद्र में वृत्त के नीचे 9 मीटर की गहराई पर स्थित है।

1990 के दशक के मध्य में, सबसे बड़ा प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन राष्ट्रीय त्वरक प्रयोगशाला का टेवाट्रॉन था। बटाविया (यूएसए) में ई। फर्मी। जैसा कि नाम से पता चलता है, Tevatron लगभग 1 TeV की ऊर्जा के लिए 2 किमी व्यास के एक रिंग में प्रोटॉन बंच को तेज करता है। एक इंजेक्टर के रूप में कॉकक्रॉफ्ट-वाल्टन जनरेटर से शुरू होने वाले त्वरक की एक पूरी प्रणाली द्वारा प्रोटॉन को त्वरित किया जाता है, जिसमें से 750 केवी की ऊर्जा वाले नकारात्मक हाइड्रोजन आयनों को 400 MeV की ऊर्जा के साथ एक रैखिक त्वरक में पेश किया जाता है। फिर लिनैक बीम को कार्बन फिल्म के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों को छीनने के लिए पारित किया जाता है और एक मध्यवर्ती सिंक्रोट्रॉन - एक बूस्टर - 150 मीटर के व्यास के साथ इंजेक्ट किया जाता है। बूस्टर में, प्रोटॉन लगभग 20,000 चक्कर लगाते हैं और 8 GeV की ऊर्जा प्राप्त करते हैं। आमतौर पर, बूस्टर 12 तेजी से लगातार कार्य चक्र करता है, जिसके परिणामस्वरूप 12 प्रोटॉन बंच को "मेन रिंग" में इंजेक्ट किया जाता है - 6.3 किमी की रिंग लंबाई के साथ एक और प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन। "मुख्य वलय", जिसमें प्रोटॉन 150 GeV की ऊर्जा के लिए त्वरित होते हैं, तांबे की वाइंडिंग के साथ 1000 पारंपरिक चुम्बक होते हैं जो प्रोटॉन को विक्षेपित और केंद्रित करते हैं। सीधे "मेन रिंग" के नीचे 1000 सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट से युक्त अंतिम सिंक्रोट्रॉन "टेवाट्रॉन" स्थित है। बाहरी प्रायोगिक हॉल में अनुसंधान के लिए बीम को कई चैनलों के माध्यम से 1.5-3 किमी की दूरी तक निकाला जा सकता है। उच्च ऊर्जा पुंजों को कक्षा में रखने के लिए मजबूत विक्षेपण और फोकस करने वाले चुम्बकों की आवश्यकता होती है। सबन्यूक्लियर "माइक्रोस्कोपी" के लिए डिज़ाइन किया गया, 1 TeV से ऊपर की ऊर्जा वाले प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन को कई सेंटीमीटर चौड़े एपर्चर के साथ 5-15 मीटर लंबे हजारों सुपरकंडक्टिंग और फ़ोकसिंग मैग्नेट की आवश्यकता होती है, जो समय के साथ असाधारण रूप से उच्च क्षेत्र सटीकता और स्थिरता प्रदान करते हैं। उच्च ऊर्जा के लिए प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन के निर्माण में बाधा डालने वाले मुख्य कारक उनके विशाल आकार से जुड़े उच्च लागत और नियंत्रण की जटिलता हैं।
काउंटरबीम के साथ त्वरक
चक्रीय कोलाइडर।वांछित प्रतिक्रिया करने के लिए एक त्वरित कण की सभी ऊर्जा का उपयोग किया जाता है। गति के संरक्षण के नियम के कारण लक्ष्य कण द्वारा अनुभव किए गए पुनरावृत्ति के रूप में इसका एक महत्वपूर्ण हिस्सा बेकार है। यदि आपतित कण में ऊर्जा E है, और लक्ष्य कण का स्थिर द्रव्यमान M है, तो उपयोगी ऊर्जा है

इस प्रकार, टेवाट्रॉन में विश्राम के लक्ष्य के साथ प्रयोगों में, उपयोगी ऊर्जा केवल 43 GeV है। कण अनुसंधान में उच्चतम संभव ऊर्जा का उपयोग करने की इच्छा ने सर्न और प्रयोगशाला में निर्माण किया। ई। फर्मी प्रोटॉन-एंटीप्रोटॉन कोलाइडर, साथ ही साथ बड़ी संख्या में इंस्टॉलेशन विभिन्न देशटकराने वाले इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन बीम के साथ। पहले प्रोटॉन कोलाइडर में, 26 GeV की ऊर्जा के साथ प्रोटॉन और एंटीप्रोटोन की टक्कर 1.6 किमी (चित्र 6) की परिधि के साथ एक रिंग में हुई। कई दिनों तक, 50 ए तक की धारा के साथ बीम जमा करना संभव था।

वर्तमान में उच्चतम ऊर्जा वाला कोलाइडर टेवेट्रॉन है, जिस पर प्रयोग किए जाते हैं जब 1 TeV की ऊर्जा वाले प्रोटॉन का बीम उसी ऊर्जा के एंटीप्रोटोन के टकराने वाले बीम से टकराता है। इस तरह के प्रयोगों के लिए एंटीप्रोटोन की आवश्यकता होती है, जिसे "मेन रिंग" से उच्च-ऊर्जा प्रोटॉन के बीम के साथ धातु के लक्ष्य पर बमबारी करके प्राप्त किया जा सकता है। इन टकरावों में उत्पादित एंटीप्रोटोन 8 GeV की ऊर्जा पर एक अलग वलय में जमा होते हैं। जब पर्याप्त एंटीप्रोटोन जमा हो जाते हैं, तो उन्हें "मेन रिंग" में इंजेक्ट किया जाता है, 150 GeV तक त्वरित किया जाता है, और फिर "टेवाट्रॉन" में इंजेक्ट किया जाता है। यहां, प्रोटॉन और एंटीप्रोटोन एक साथ पूर्ण ऊर्जा में त्वरित होते हैं और फिर टकराते हैं। टकराने वाले कणों का कुल संवेग शून्य होता है, इसलिए सभी ऊर्जा 2E उपयोगी होती है। Tevatron के मामले में, यह लगभग 2 TeV तक पहुंचता है। इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर के बीच उच्चतम ऊर्जा सर्न में "बड़े इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन स्टोरेज रिंग" में प्राप्त की गई थी, जहाँ पहले चरण में टकराने वाले बीम की ऊर्जा 50 GeV प्रति बीम थी, और फिर इसे बढ़ाकर 100 GeV प्रति बीम कर दिया गया। DESI ने HERA कोलाइडर बनाया है, जिसमें इलेक्ट्रॉन प्रोटॉन से टकराते हैं। यह विशाल ऊर्जा लाभ कम घनत्व वाले टकराने वाले बीम के कणों के बीच टकराव की संभावना में उल्लेखनीय कमी की कीमत पर हासिल किया जाता है। टकराव की आवृत्ति चमक से निर्धारित होती है, अर्थात। प्रति सेकंड टकराव की संख्या, इस प्रकार की प्रतिक्रिया के साथ, एक निश्चित क्रॉस सेक्शन के साथ। चमक बीम ऊर्जा और धारा पर रैखिक रूप से निर्भर करती है और इसकी त्रिज्या के व्युत्क्रमानुपाती होती है। कोलाइडर बीम की ऊर्जा को अध्ययन की गई भौतिक प्रक्रियाओं के ऊर्जा पैमाने के अनुसार चुना जाता है। उच्चतम चमक सुनिश्चित करने के लिए, उनकी बैठक के बिंदु पर अधिकतम संभव बीम घनत्व प्राप्त करना आवश्यक है। इसलिए, कोलाइडर के डिजाइन में मुख्य तकनीकी समस्या बीम को उनकी बैठक के बिंदु पर एक बहुत छोटे स्थान पर केंद्रित करना और बीम करंट को बढ़ाना है। वांछित चमक प्राप्त करने के लिए, 1 ए से अधिक की धाराओं की आवश्यकता हो सकती है। एक और अत्यंत कठिन तकनीकी समस्या कोलाइडर कक्ष में अल्ट्राहाई वैक्यूम प्रदान करने की आवश्यकता से संबंधित है। चूंकि बीम कणों के बीच टकराव अपेक्षाकृत कम होता है, अवशिष्ट गैस अणुओं के साथ टकराव बीम को काफी कमजोर कर सकता है, जिससे अध्ययन के तहत बातचीत की संभावना कम हो जाती है। इसके अलावा, अवशिष्ट गैस द्वारा बीम का प्रकीर्णन डिटेक्टर में एक अवांछनीय पृष्ठभूमि देता है, जो अध्ययन के तहत भौतिक प्रक्रिया को मुखौटा कर सकता है। कोलाइडर के कक्ष में निर्वात चमक के आधार पर 10-9 - 10-7 Pa (10-11 - 10-9 mmHg) के भीतर होना चाहिए। कम ऊर्जा पर, अधिक तीव्र इलेक्ट्रॉन पुंजों को त्वरित किया जा सकता है, जिससे इलेक्ट्रोवीक इंटरैक्शन के कारण बी और के मेसॉन के दुर्लभ क्षय का अध्ययन करना संभव हो जाता है। ऐसे कई प्रतिष्ठान, जिन्हें कभी-कभी "स्वाद कारखानों" के रूप में संदर्भित किया जाता है, वर्तमान में अमेरिका, जापान और इटली में निर्माणाधीन हैं। इस तरह के प्रतिष्ठानों में दो भंडारण के छल्ले होते हैं - इलेक्ट्रॉनों के लिए और पॉज़िट्रॉन के लिए, एक या दो बिंदुओं पर प्रतिच्छेद करते हुए - अंतःक्रियात्मक क्षेत्र। प्रत्येक वलय में 1 ए से अधिक की कुल धारा वाले कणों के कई समूह होते हैं। बीम ऊर्जा को चुना जाता है ताकि उपयोगी ऊर्जा उस अनुनाद से मेल खाती हो जो अध्ययन के तहत अल्पकालिक कणों में क्षय हो जाती है - बी- या के-मेसन। इन प्रतिष्ठानों का डिजाइन इलेक्ट्रॉन सिंक्रोट्रॉन और भंडारण के छल्ले पर आधारित है।
रैखिक कोलाइडर।चक्रीय इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर की ऊर्जा त्वरित कणों के बीम द्वारा उत्सर्जित तीव्र सिंक्रोट्रॉन विकिरण द्वारा सीमित होती है (नीचे देखें)। यह कमी रैखिक कोलाइडर में मौजूद नहीं है, जिसमें सिंक्रोट्रॉन विकिरण त्वरण प्रक्रिया को प्रभावित नहीं करता है। रैखिक कोलाइडर में उच्च ऊर्जा के लिए दो रैखिक त्वरक होते हैं, उच्च-तीव्रता वाले बीम जिनमें से - इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन - एक दूसरे की ओर निर्देशित होते हैं। बीम केवल एक बार मिलते हैं और टकराते हैं, जिसके बाद उन्हें अवशोषक में छोड़ दिया जाता है। पहला लीनियर कोलाइडर "स्टैनफोर्ड लीनियर कोलाइडर" है, जो स्टैनफोर्ड लीनियर एक्सेलेरेटर का उपयोग करता है, जो 3.2 किमी लंबा है और 50 GeV की ऊर्जा से संचालित होता है। इस कोलाइडर की प्रणाली में, इलेक्ट्रॉनों और पॉज़िट्रॉन के गुच्छों को एक ही रैखिक त्वरक में त्वरित किया जाता है और जब बीम पूरी ऊर्जा तक पहुंच जाते हैं तो अलग हो जाते हैं। फिर इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन गुच्छों को अलग-अलग चापों के साथ ले जाया जाता है, जिसका आकार एक मेडिकल स्टेथोस्कोप की ट्यूब जैसा दिखता है, और अंतःक्रिया क्षेत्र में लगभग 2 माइक्रोन के व्यास पर केंद्रित होता है।
नयी तकनीकें।त्वरण के अधिक किफायती तरीकों की खोज ने 10 से 35 गीगाहर्ट्ज़ की आवृत्ति रेंज में काम करने वाले नए त्वरक प्रणालियों और उच्च-शक्ति वाले उच्च-आवृत्ति जनरेटर के निर्माण का नेतृत्व किया। इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर की चमक असाधारण रूप से अधिक होनी चाहिए, क्योंकि प्रक्रियाओं का क्रॉस सेक्शन कण ऊर्जा के वर्ग के रूप में कम हो जाता है। तदनुसार, बीम घनत्व भी बहुत अधिक होना चाहिए। 1 TeV के क्रम की ऊर्जा वाले एक रैखिक कोलाइडर में, बीम का आकार 10 एनएम तक पहुंच सकता है, जो कि बहुत अधिक है छोटे आकारस्टैनफोर्ड लीनियर कोलाइडर (2 माइक्रोन) पर बीम। इस तरह के छोटे बीम आकारों के साथ, जटिल इलेक्ट्रॉनिक स्वचालित नियंत्रकों के साथ बहुत शक्तिशाली स्थिर मैग्नेट को फ़ोकस करने वाले तत्वों से सटीक रूप से मिलान करने की आवश्यकता होती है। जब इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन बीम एक-दूसरे से गुजरते हैं, तो उनकी विद्युत संपर्क निष्प्रभावी हो जाती है, और चुंबकीय किरण बढ़ जाती है। नतीजतन, चुंबकीय क्षेत्र 10,000 टी तक पहुंच सकता है। इस तरह के विशाल क्षेत्र बीम को दृढ़ता से विकृत कर सकते हैं और सिंक्रोट्रॉन विकिरण की पीढ़ी के कारण एक बड़ी ऊर्जा फैल सकती है। ये प्रभाव, अधिक से अधिक विस्तारित मशीनों के निर्माण से जुड़े आर्थिक विचारों के साथ, इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर में प्राप्त होने वाली ऊर्जा को सीमित कर देंगे।
इलेक्ट्रॉनिक भंडारण
इलेक्ट्रॉनिक सिंक्रोट्रॉन प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन के समान सिद्धांतों पर आधारित होते हैं। हालांकि, एक महत्वपूर्ण विशेषता के कारण, वे तकनीकी रूप से सरल हैं। इलेक्ट्रॉन द्रव्यमान की लघुता किरण को प्रकाश की गति के करीब गति से अंतःक्षेपित करने की अनुमति देती है। इसलिए, ऊर्जा में और वृद्धि गति में उल्लेखनीय वृद्धि से जुड़ी नहीं है, और इलेक्ट्रॉन सिंक्रोट्रॉन त्वरित वोल्टेज की एक निश्चित आवृत्ति पर काम कर सकते हैं यदि बीम को लगभग 10 MeV की ऊर्जा के साथ इंजेक्ट किया जाता है। हालांकि, इलेक्ट्रॉन द्रव्यमान की छोटीता के एक अन्य परिणाम से इस लाभ को नकार दिया गया है। चूंकि इलेक्ट्रॉन एक गोलाकार कक्षा में चलता है, यह त्वरण (सेंट्रिपेटल) के साथ चलता है, और इसलिए फोटॉन - विकिरण उत्सर्जित करता है, जिसे सिंक्रोट्रॉन कहा जाता है। सिंक्रोट्रॉन विकिरण शक्ति P, बीम ऊर्जा E और धारा I की चौथी शक्ति के समानुपाती है, और वलय त्रिज्या R के व्युत्क्रमानुपाती भी है, ताकि यह (E/m)4IR -1 के समानुपाती हो। कक्षा के साथ इलेक्ट्रॉन बीम की प्रत्येक क्रांति के दौरान खो जाने वाली इस ऊर्जा को त्वरित अंतराल पर लागू उच्च आवृत्ति वोल्टेज द्वारा मुआवजा दिया जाना चाहिए। उच्च तीव्रता के लिए डिज़ाइन किए गए "सुगंध कारखानों" में, ऐसे बिजली नुकसान दसियों मेगावाट तक पहुँच सकते हैं। इलेक्ट्रॉन सिंक्रोट्रॉन जैसे चक्रीय त्वरक का उपयोग निरंतर उच्च ऊर्जा वाले बड़े परिसंचारी धाराओं के संचायक के रूप में भी किया जा सकता है। इस तरह के भंडारण के छल्ले के दो मुख्य अनुप्रयोग हैं: 1) नाभिक और प्राथमिक कणों के टकराने वाले बीम अध्ययन में, जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, और 2) परमाणु भौतिकी, सामग्री विज्ञान, रसायन विज्ञान, जीव विज्ञान और चिकित्सा में उपयोग किए जाने वाले सिंक्रोट्रॉन विकिरण के स्रोतों के रूप में। सिंक्रोट्रॉन विकिरण की औसत फोटॉन ऊर्जा (E/m)3R-1 के समानुपाती होती है। इस प्रकार, स्टोरेज रिंग में परिसंचारी 1 GeV के क्रम की ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉन पराबैंगनी और एक्स-रे रेंज में तीव्र सिंक्रोट्रॉन विकिरण का उत्सर्जन करते हैं। अधिकांश फोटॉन एम/ई के क्रम के एक संकीर्ण ऊर्ध्वाधर कोण के भीतर उत्सर्जित होते हैं। चूंकि आधुनिक भंडारण के छल्ले में इलेक्ट्रॉन बीम की त्रिज्या 1 GeV के क्रम की ऊर्जा के साथ दसियों माइक्रोमीटर में मापी जाती है, उनके द्वारा उत्सर्जित एक्स-रे बीम उच्च चमक की विशेषता होती है, और इसलिए अध्ययन के लिए एक शक्तिशाली उपकरण के रूप में काम कर सकती है। पदार्थ की संरचना। विकिरण को इलेक्ट्रॉनों के वक्रीय प्रक्षेपवक्र के लिए स्पर्शरेखा रूप से उत्सर्जित किया जाता है। इसलिए, इलेक्ट्रॉन भंडारण रिंग का प्रत्येक विक्षेपण चुंबक, जब इलेक्ट्रॉनों का एक गुच्छा इसके माध्यम से गुजरता है, विकिरण का एक खुला "स्पॉटलाइट बीम" बनाता है। यह स्टोरेज रिंग के मुख्य वैक्यूम चैंबर के स्पर्शरेखा वाले लंबे वैक्यूम चैनलों के माध्यम से आउटपुट होता है। इन चैनलों के साथ स्थित स्लिट और कोलिमेटर संकीर्ण बीम बनाते हैं, जिससे मोनोक्रोमेटर्स का उपयोग करके आवश्यक एक्स-रे ऊर्जा रेंज को और अलग किया जाता है। सिंक्रोट्रॉन विकिरण के पहले स्रोत मूल रूप से उच्च-ऊर्जा भौतिकी में समस्याओं को हल करने के लिए बनाई गई सुविधाएं थीं। एक उदाहरण स्टैनफोर्ड सिंक्रोट्रॉन विकिरण प्रयोगशाला में स्टैनफोर्ड 3 GeV पॉज़िट्रॉन-इलेक्ट्रॉन संचायक है। एक समय में, इस सुविधा में "आकर्षक" मेसन की खोज की गई थी। सिंक्रोट्रॉन विकिरण के पहले स्रोतों में सैकड़ों उपयोगकर्ताओं की विभिन्न आवश्यकताओं को पूरा करने का लचीलापन नहीं था। उच्च प्रवाह, उच्च बीम तीव्रता वाले सिंक्रोट्रॉन विकिरण की मांग में तेजी से वृद्धि ने सभी संभावित उपयोगकर्ताओं की जरूरतों को पूरा करने के लिए डिज़ाइन की गई दूसरी पीढ़ी के स्रोतों को जन्म दिया है। विशेष रूप से, मैग्नेट के सिस्टम चुने गए जो इलेक्ट्रॉन बीम के उत्सर्जन को कम करते हैं। छोटे उत्सर्जन का अर्थ है छोटे बीम आकार और इसलिए विकिरण स्रोत की उच्च चमक। इस पीढ़ी के विशिष्ट प्रतिनिधि ब्रुकहेवन में भंडारण के छल्ले थे, जो स्पेक्ट्रम के वैक्यूम पराबैंगनी क्षेत्र में एक्स-रे और विकिरण के स्रोत के रूप में कार्य करते थे। एक आवधिक चुंबकीय संरचना में बीम को एक साइनसॉइडल पथ के साथ स्थानांतरित करके और फिर प्रत्येक मोड़ पर होने वाले विकिरण को मिलाकर विकिरण की चमक को भी बढ़ाया जा सकता है। अंडरुलेटर्स - चुंबकीय संरचनाएं जो इस तरह की गति प्रदान करती हैं, चुंबकीय द्विध्रुवों की एक श्रृंखला होती है जो बीम को एक छोटे कोण पर, बीम अक्ष पर एक सीधी रेखा में स्थित होती है। इस तरह के एक undulator से विकिरण की चमक विकिरण की चमक से सैकड़ों गुना अधिक हो सकती है जो चुंबक को विक्षेपित करने में होती है। 1980 के दशक के मध्य में, तीसरी पीढ़ी के सिंक्रोट्रॉन विकिरण स्रोत बड़ी संख्या में ऐसे undulators के साथ बनाए जाने लगे। तीसरी पीढ़ी के पहले स्रोतों में बर्कले में 1.5 GeV इम्प्रूव्ड लाइट सोर्स है, जो सॉफ्ट एक्स-रे उत्पन्न करता है, साथ ही Argonne नेशनल लेबोरेटरी (USA) में 6 GeV इम्प्रूव्ड फोटॉन सोर्स और 6 GeV सिंक्रोट्रॉन। ग्रेनोबल (फ्रांस) में यूरोपीय सिंक्रोट्रॉन विकिरण केंद्र, जो कठोर एक्स-रे स्रोतों के रूप में उपयोग किया जाता है। इन प्रतिष्ठानों के सफल निर्माण के बाद, अन्य स्थानों पर भी सिंक्रोट्रॉन विकिरण के कई स्रोत बनाए गए। इन्फ्रारेड से लेकर हार्ड एक्स-रे तक की रेंज में अधिक चमक की दिशा में एक नया कदम "गर्म" चुंबकीय द्विध्रुव के उपयोग से जुड़ा है जिसमें लगभग 1.5 T की चुंबकीय क्षेत्र शक्ति और कई टेस्ला के क्षेत्र के साथ बहुत कम सुपरकंडक्टिंग चुंबकीय द्विध्रुव हैं। विक्षेपण चुंबक प्रणाली। इस तरह के दृष्टिकोण को स्विट्जरलैंड में पी। शेरर इंस्टीट्यूट में बनाए जा रहे एक नए सिंक्रोट्रॉन विकिरण स्रोत और बर्कले स्रोत के आधुनिकीकरण में लागू किया जा रहा है। वैज्ञानिक अनुसंधान में सिंक्रोट्रॉन विकिरण का उपयोग व्यापक हो गया है और इसका विस्तार जारी है। ऐसे एक्स-रे बीम की असाधारण चमक उनके सामान्य जलीय वातावरण में जैविक प्रणालियों के अध्ययन के लिए एक्स-रे सूक्ष्मदर्शी की एक नई पीढ़ी बनाना संभव बनाती है। यह रोग पैदा करने वाले कारकों और न्यूनतम साइड इफेक्ट पर एक संकीर्ण ध्यान के साथ नए फार्मास्यूटिकल्स के विकास के लिए वायरस और प्रोटीन की संरचना के तेजी से विश्लेषण की संभावना को खोलता है। उज्ज्वल एक्स-रे बीम अशुद्धियों और दूषित पदार्थों की छोटी मात्रा का भी पता लगाने के लिए शक्तिशाली सूक्ष्म जांच के रूप में काम कर सकते हैं। प्रदूषण के रास्ते की जांच करते समय वे पर्यावरण के नमूनों का बहुत जल्दी विश्लेषण करना संभव बनाते हैं। वातावरण. उनका उपयोग बहुत जटिल एकीकृत परिपथों के महंगे निर्माण से पहले बड़े सिलिकॉन वेफर्स की सफाई का मूल्यांकन करने के लिए भी किया जा सकता है, और लिथोग्राफी तकनीक के लिए नए विस्तारों को खोलने के लिए, सैद्धांतिक रूप से 100 एनएम से छोटे तत्वों के साथ एकीकृत सर्किट के निर्माण की अनुमति देता है।
चिकित्सा में त्वरक
त्वरक चिकित्सा चिकित्सा और निदान में एक महत्वपूर्ण व्यावहारिक भूमिका निभाते हैं। दुनिया भर के कई अस्पतालों में आज उनके निपटान में छोटे इलेक्ट्रॉन रैखिक त्वरक हैं जो ट्यूमर चिकित्सा के लिए उपयोग किए जाने वाले तीव्र एक्स-रे उत्पन्न करते हैं। कुछ हद तक, प्रोटॉन बीम उत्पन्न करने वाले साइक्लोट्रॉन या सिंक्रोट्रॉन का उपयोग किया जाता है। ट्यूमर थेरेपी में प्रोटॉन का फायदा खत्म एक्स-रेएक अधिक स्थानीयकृत ऊर्जा रिलीज में शामिल है। इसलिए, मस्तिष्क और आंखों के ट्यूमर के उपचार में प्रोटॉन थेरेपी विशेष रूप से प्रभावी होती है, जब आसपास के स्वस्थ ऊतकों को नुकसान जितना संभव हो उतना कम होना चाहिए। यह सभी देखें