कण त्वरक एक ऐसा उपकरण है जो विद्युत आवेशित परमाणु या उप-परमाणु कणों का एक बीम बनाता है जो निकट-प्रकाश गति से चलते हैं। इसका कार्य एक विद्युत क्षेत्र द्वारा उनकी ऊर्जा में वृद्धि और एक चुंबकीय द्वारा प्रक्षेपवक्र में परिवर्तन पर आधारित है।
कण त्वरक किसके लिए हैं?
इन उपकरणों का व्यापक रूप से विज्ञान और उद्योग के विभिन्न क्षेत्रों में उपयोग किया जाता है। आज पूरी दुनिया में इनकी संख्या 30 हजार से अधिक है। एक भौतिक विज्ञानी के लिए, कण त्वरक परमाणुओं की संरचना, परमाणु बलों की प्रकृति और प्रकृति में नहीं होने वाले नाभिक के गुणों में मौलिक शोध के लिए एक उपकरण के रूप में कार्य करते हैं। उत्तरार्द्ध में ट्रांसयूरेनियम और अन्य अस्थिर तत्व शामिल हैं।
एक डिस्चार्ज ट्यूब की मदद से विशिष्ट चार्ज का निर्धारण करना संभव हो गया। कण त्वरक का उपयोग रेडियोआइसोटोप के उत्पादन में, औद्योगिक रेडियोग्राफी में, विकिरण चिकित्सा में, जैविक सामग्री की नसबंदी में और रेडियोकार्बन में भी किया जाता है।विश्लेषण। मूलभूत अंतःक्रियाओं के अध्ययन में सबसे बड़े प्रतिष्ठानों का उपयोग किया जाता है।
त्वरक के सापेक्ष आवेशित कणों का जीवनकाल प्रकाश की गति के करीब गति करने वाले कणों की तुलना में कम होता है। यह SRT समय अंतराल की सापेक्षता की पुष्टि करता है। उदाहरण के लिए, सर्न में, 0.9994c की गति से म्यूऑन के जीवनकाल में 29 गुना वृद्धि हासिल की गई।
यह लेख चर्चा करता है कि कण त्वरक कैसे काम करता है, इसका विकास, विभिन्न प्रकार और विशिष्ट विशेषताएं।
त्वरण के सिद्धांत
चाहे आप किस भी कण त्वरक को जानते हों, उन सभी में सामान्य तत्व होते हैं। सबसे पहले, टेलीविजन कीनेस्कोप, या इलेक्ट्रॉनों, प्रोटॉन, और बड़े प्रतिष्ठानों के मामले में उनके एंटीपार्टिकल्स के मामले में उन सभी के पास इलेक्ट्रॉनों का स्रोत होना चाहिए। इसके अलावा, उनके पास अपने प्रक्षेपवक्र को नियंत्रित करने के लिए कणों और चुंबकीय क्षेत्रों को तेज करने के लिए विद्युत क्षेत्र होना चाहिए। इसके अलावा, कण त्वरक (10-11 मिमी एचजी) में वैक्यूम, यानी अवशिष्ट हवा की न्यूनतम मात्रा, बीम के लंबे जीवनकाल को सुनिश्चित करने के लिए आवश्यक है। और, अंत में, सभी प्रतिष्ठानों के पास त्वरित कणों को पंजीकृत करने, गिनने और मापने के साधन होने चाहिए।
पीढ़ी
त्वरक में सबसे अधिक उपयोग होने वाले इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन सभी सामग्रियों में पाए जाते हैं, लेकिन पहले उन्हें उनसे अलग करने की आवश्यकता होती है। इलेक्ट्रॉन आमतौर पर उत्पन्न होते हैंएक किनेस्कोप की तरह - "बंदूक" नामक उपकरण में। यह निर्वात में एक कैथोड (ऋणात्मक इलेक्ट्रोड) होता है, जिसे उस बिंदु तक गर्म किया जाता है जहां इलेक्ट्रॉन परमाणुओं से अलग होने लगते हैं। ऋणात्मक रूप से आवेशित कण एनोड (पॉजिटिव इलेक्ट्रोड) की ओर आकर्षित होते हैं और आउटलेट से गुजरते हैं। बंदूक स्वयं भी सबसे सरल त्वरक है, क्योंकि इलेक्ट्रॉन विद्युत क्षेत्र के प्रभाव में चलते हैं। कैथोड और एनोड के बीच वोल्टेज आमतौर पर 50-150 केवी के बीच होता है।
इलेक्ट्रॉनों के अलावा, सभी पदार्थों में प्रोटॉन होते हैं, लेकिन केवल हाइड्रोजन परमाणुओं के नाभिक में एकल प्रोटॉन होते हैं। इसलिए, प्रोटॉन त्वरक के लिए कणों का स्रोत गैसीय हाइड्रोजन है। इस मामले में, गैस आयनित होती है और प्रोटॉन छेद से बाहर निकलते हैं। बड़े त्वरक में, प्रोटॉन अक्सर नकारात्मक हाइड्रोजन आयनों के रूप में उत्पन्न होते हैं। वे एक अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन वाले परमाणु होते हैं, जो एक डायटोमिक गैस के आयनीकरण के उत्पाद होते हैं। प्रारंभिक अवस्था में ऋणावेशित हाइड्रोजन आयनों के साथ कार्य करना आसान होता है। फिर उन्हें एक पतली पन्नी से गुजारा जाता है जो उन्हें त्वरण के अंतिम चरण से पहले इलेक्ट्रॉनों से वंचित कर देती है।
त्वरण
कण त्वरक कैसे काम करते हैं? उनमें से किसी की प्रमुख विशेषता विद्युत क्षेत्र है। सबसे सरल उदाहरण सकारात्मक और नकारात्मक विद्युत क्षमता के बीच एक समान स्थिर क्षेत्र है, जो विद्युत बैटरी के टर्मिनलों के बीच मौजूद है। ऐसे मेंक्षेत्र, एक ऋणात्मक आवेश ले जाने वाला इलेक्ट्रॉन एक बल के अधीन होता है जो इसे एक सकारात्मक क्षमता की ओर निर्देशित करता है। वह उसे तेज करती है, और अगर इसे रोकने के लिए कुछ नहीं है, तो उसकी गति और ऊर्जा बढ़ जाती है। एक तार में या हवा में भी एक सकारात्मक क्षमता की ओर बढ़ने वाले इलेक्ट्रॉन परमाणुओं से टकराते हैं और ऊर्जा खो देते हैं, लेकिन यदि वे एक निर्वात में हैं, तो वे एनोड के पास पहुंचते ही गति पकड़ लेते हैं।
इलेक्ट्रॉन की प्रारंभिक और अंतिम स्थिति के बीच का वोल्टेज उसके द्वारा अर्जित ऊर्जा को निर्धारित करता है। 1 V के संभावित अंतर से गुजरने पर, यह 1 इलेक्ट्रॉन वोल्ट (eV) के बराबर होता है। यह 1.6 × 10-19 जूल के बराबर है। एक उड़ने वाले मच्छर की ऊर्जा एक ट्रिलियन गुना अधिक होती है। एक किनेस्कोप में, इलेक्ट्रॉनों को 10 केवी से अधिक के वोल्टेज से त्वरित किया जाता है। कई त्वरक बहुत अधिक ऊर्जा प्राप्त करते हैं, जो मेगा-, गीगा- और टेराइलेक्ट्रॉनवोल्ट में मापा जाता है।
किस्में
कुछ शुरुआती प्रकार के कण त्वरक, जैसे कि वोल्टेज गुणक और वैन डे ग्रैफ जनरेटर, एक लाख वोल्ट तक की क्षमता से उत्पन्न निरंतर विद्युत क्षेत्रों का उपयोग करते थे। ऐसे उच्च वोल्टेज के साथ काम करना आसान नहीं है। एक अधिक व्यावहारिक विकल्प कम क्षमता से उत्पन्न कमजोर विद्युत क्षेत्रों की दोहरावदार क्रिया है। इस सिद्धांत का उपयोग दो प्रकार के आधुनिक त्वरक में किया जाता है - रैखिक और चक्रीय (मुख्य रूप से साइक्लोट्रॉन और सिंक्रोट्रॉन में)। रैखिक कण त्वरक, संक्षेप में, उन्हें एक बार अनुक्रम से गुजारेंत्वरित क्षेत्र, जबकि चक्रीय क्षेत्र में वे अपेक्षाकृत छोटे विद्युत क्षेत्रों के माध्यम से एक वृत्ताकार पथ के साथ बार-बार चलते हैं। दोनों ही मामलों में, कणों की अंतिम ऊर्जा क्षेत्रों के संयुक्त प्रभाव पर निर्भर करती है, जिससे कई छोटे "झटके" जुड़कर एक बड़े का संयुक्त प्रभाव देते हैं।
विद्युत क्षेत्र बनाने के लिए एक रैखिक त्वरक की दोहराव संरचना में स्वाभाविक रूप से डीसी वोल्टेज के बजाय एसी का उपयोग शामिल है। धनात्मक आवेशित कण ऋणात्मक विभव की ओर त्वरित होते हैं और यदि वे धनात्मक आवेश से गुजरते हैं तो एक नई गति प्राप्त करते हैं। व्यवहार में, वोल्टेज को बहुत जल्दी बदलना चाहिए। उदाहरण के लिए, 1 MeV की ऊर्जा पर, एक प्रोटॉन 0.46 प्रकाश की गति से बहुत तेज गति से यात्रा करता है, 0.01 ms में 1.4 मीटर की यात्रा करता है। इसका मतलब यह है कि कई मीटर लंबे दोहराव वाले पैटर्न में, विद्युत क्षेत्रों को कम से कम 100 मेगाहर्ट्ज की आवृत्ति पर दिशा बदलनी चाहिए। आवेशित कणों के रैखिक और चक्रीय त्वरक, एक नियम के रूप में, 100 से 3000 मेगाहर्ट्ज की आवृत्ति के साथ वैकल्पिक विद्युत क्षेत्रों का उपयोग करके उन्हें तेज करते हैं, अर्थात, रेडियो तरंगों से लेकर माइक्रोवेव तक।
विद्युत चुम्बकीय तरंग बारी-बारी से विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों का एक संयोजन है जो एक दूसरे के लंबवत दोलन करते हैं। त्वरक का मुख्य बिंदु तरंग को समायोजित करना है ताकि जब कण आ जाए, तो विद्युत क्षेत्र त्वरण वेक्टर के अनुसार निर्देशित हो। यह एक खड़ी लहर के साथ किया जा सकता है - एक बंद लूप में विपरीत दिशाओं में यात्रा करने वाली तरंगों का एक संयोजन।अंतरिक्ष, एक अंग पाइप में ध्वनि तरंगों की तरह। बहुत तेज़ गति से चलने वाले इलेक्ट्रॉनों के लिए प्रकाश की गति के निकट आने का एक विकल्प एक यात्रा तरंग है।
ऑटोफैसिंग
एक वैकल्पिक विद्युत क्षेत्र में तेजी लाने पर एक महत्वपूर्ण प्रभाव "ऑटोफैसिंग" है। दोलन के एक चक्र में, प्रत्यावर्ती क्षेत्र शून्य से अधिकतम मान से फिर शून्य पर जाता है, न्यूनतम तक गिरता है और शून्य तक बढ़ जाता है। तो यह दो बार गति करने के लिए आवश्यक मूल्य से गुजरता है। यदि त्वरित करने वाला कण बहुत जल्दी आता है, तो यह पर्याप्त ताकत वाले क्षेत्र से प्रभावित नहीं होगा, और धक्का कमजोर होगा। जब वह अगले खंड में पहुंचती है, तो उसे देर हो जाएगी और वह एक मजबूत प्रभाव का अनुभव करेगी। नतीजतन, ऑटोफ़ेसिंग होगा, कण प्रत्येक त्वरित क्षेत्र में क्षेत्र के साथ चरण में होंगे। एक अन्य प्रभाव यह होगा कि उन्हें समय के साथ एक सतत धारा के बजाय गुच्छों में समूहित किया जाए।
बीम दिशा
चुंबकीय क्षेत्र भी एक आवेशित कण त्वरक के काम करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं, क्योंकि वे अपनी गति की दिशा बदल सकते हैं। इसका मतलब है कि उन्हें एक गोलाकार पथ के साथ बीम को "मोड़" करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है ताकि वे एक ही त्वरित खंड से कई बार गुजर सकें। सरलतम स्थिति में, एक समान चुंबकीय क्षेत्र की दिशा में समकोण पर गति करने वाला आवेशित कण एक बल के अधीन होता हैइसके विस्थापन के सदिश और क्षेत्र दोनों के लंबवत। यह बीम को एक गोलाकार प्रक्षेपवक्र के साथ क्षेत्र के लंबवत ले जाने का कारण बनता है जब तक कि वह अपने क्षेत्र को छोड़ नहीं देता है या कोई अन्य बल उस पर कार्य करना शुरू नहीं करता है। इस प्रभाव का उपयोग चक्रीय त्वरक जैसे साइक्लोट्रॉन और सिंक्रोट्रॉन में किया जाता है। एक साइक्लोट्रॉन में, एक बड़े चुंबक द्वारा एक स्थिर क्षेत्र उत्पन्न होता है। कण, जैसे-जैसे उनकी ऊर्जा बढ़ती है, बाहर की ओर सर्पिल होती है, प्रत्येक क्रांति के साथ तेज होती जाती है। एक सिंक्रोट्रॉन में, गुच्छे एक स्थिर त्रिज्या के साथ एक रिंग के चारों ओर घूमते हैं, और रिंग के चारों ओर इलेक्ट्रोमैग्नेट द्वारा बनाया गया क्षेत्र कणों के तेज होने के साथ बढ़ता है। "झुकने" वाले चुम्बक द्विध्रुव होते हैं जिनमें उत्तरी और दक्षिणी ध्रुव घोड़े की नाल के आकार में मुड़े होते हैं ताकि बीम उनके बीच से गुजर सके।
विद्युत चुम्बकों का दूसरा महत्वपूर्ण कार्य बीमों को केंद्रित करना है ताकि वे यथासंभव संकीर्ण और तीव्र हों। फोकस करने वाले चुंबक का सबसे सरल रूप चार ध्रुव (दो उत्तर और दो दक्षिण) एक दूसरे के विपरीत होता है। वे कणों को एक दिशा में केंद्र की ओर धकेलते हैं, लेकिन उन्हें लंबवत दिशा में प्रचारित करने की अनुमति देते हैं। चौगुनी चुंबक बीम को क्षैतिज रूप से केंद्रित करते हैं, जिससे यह लंबवत रूप से फोकस से बाहर जा सकता है। ऐसा करने के लिए, उन्हें जोड़े में इस्तेमाल किया जाना चाहिए। अधिक सटीक फ़ोकसिंग के लिए अधिक ध्रुवों (6 और 8) वाले अधिक जटिल चुम्बकों का भी उपयोग किया जाता है।
कणों की ऊर्जा जैसे-जैसे बढ़ती है, उनका मार्गदर्शन करने वाले चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति बढ़ती जाती है। यह बीम को उसी रास्ते पर रखता है। थक्का को रिंग में पेश किया जाता है और त्वरित किया जाता हैइससे पहले कि इसे वापस लिया जा सके और प्रयोगों में उपयोग किया जा सके, आवश्यक ऊर्जा। प्रत्यावर्तन विद्युत चुम्बकों द्वारा प्राप्त किया जाता है जो सिंक्रोट्रॉन रिंग से कणों को बाहर निकालने के लिए चालू करते हैं।
टकराव
दवा और उद्योग में उपयोग किए जाने वाले कण त्वरक मुख्य रूप से एक विशिष्ट उद्देश्य के लिए एक बीम का उत्पादन करते हैं, जैसे कि विकिरण चिकित्सा या आयन आरोपण। इसका मतलब है कि कणों का एक बार उपयोग किया जाता है। कई वर्षों तक, बुनियादी शोध में उपयोग किए जाने वाले त्वरक के लिए भी यही सच था। लेकिन 1970 के दशक में, छल्ले विकसित किए गए जिसमें दो बीम विपरीत दिशाओं में घूमते हैं और पूरे सर्किट में टकराते हैं। इस तरह के प्रतिष्ठानों का मुख्य लाभ यह है कि आमने-सामने की टक्कर में, कणों की ऊर्जा सीधे उनके बीच बातचीत की ऊर्जा में जाती है। यह तब होता है जब बीम आराम से सामग्री से टकराता है: इस मामले में, अधिकांश ऊर्जा गति के संरक्षण के सिद्धांत के अनुसार लक्ष्य सामग्री को गति में स्थापित करने पर खर्च की जाती है।
कुछ टकराने वाली बीम मशीनें दो या दो से अधिक स्थानों पर प्रतिच्छेद करते हुए दो रिंगों के साथ बनाई जाती हैं, जिसमें एक ही प्रकार के कण विपरीत दिशाओं में घूमते हैं। कणों और प्रतिकणों वाले कोलाइडर अधिक सामान्य हैं। एक प्रतिकण पर इसके संबद्ध कण का विपरीत आवेश होता है। उदाहरण के लिए, एक पॉज़िट्रॉन धनात्मक रूप से आवेशित होता है, जबकि एक इलेक्ट्रॉन ऋणात्मक रूप से आवेशित होता है। इसका मतलब यह है कि इलेक्ट्रॉन को गति देने वाला क्षेत्र पॉज़िट्रॉन को धीमा कर देता है,एक ही दिशा में बढ़ रहा है। लेकिन अगर उत्तरार्द्ध विपरीत दिशा में चलता है, तो यह तेज हो जाएगा। इसी तरह, एक चुंबकीय क्षेत्र के माध्यम से घूमने वाला एक इलेक्ट्रॉन बाईं ओर झुक जाएगा, और एक पॉज़िट्रॉन दाईं ओर झुक जाएगा। लेकिन अगर पॉज़िट्रॉन उसकी ओर बढ़ता है, तो उसका पथ अभी भी दाईं ओर विचलित होगा, लेकिन इलेक्ट्रॉन के समान वक्र के साथ। साथ में, इसका मतलब है कि ये कण समान चुम्बकों के कारण सिंक्रोट्रॉन रिंग के साथ आगे बढ़ सकते हैं और विपरीत दिशाओं में समान विद्युत क्षेत्रों द्वारा त्वरित किए जा सकते हैं। टकराने वाले बीमों पर सबसे शक्तिशाली कोलाइडर इस सिद्धांत के अनुसार बनाए गए हैं, क्योंकि केवल एक त्वरक रिंग की आवश्यकता होती है।
सिंक्रोट्रॉन में बीम लगातार नहीं चलती है, बल्कि "क्लंप्स" में जुड़ जाती है। वे कई सेंटीमीटर लंबे और एक मिलीमीटर व्यास के दसवें हिस्से के हो सकते हैं, और इनमें लगभग 1012 कण होते हैं। यह एक छोटा घनत्व है, क्योंकि इस आकार के पदार्थ में लगभग 1023 परमाणु होते हैं। इसलिए, जब बीम आने वाले बीम के साथ प्रतिच्छेद करते हैं, तो केवल एक छोटा सा मौका होता है कि कण एक दूसरे के साथ बातचीत करेंगे। व्यवहार में, गुच्छे रिंग के साथ-साथ चलते रहते हैं और फिर से मिलते रहते हैं। कण त्वरक (10-11mmHg) में गहरा वैक्यूम आवश्यक है ताकि कण हवा के अणुओं से टकराए बिना कई घंटों तक घूम सकें। इसलिए, छल्ले को संचयी भी कहा जाता है, क्योंकि बंडल वास्तव में उनमें कई घंटों तक संग्रहीत होते हैं।
पंजीकरण
अधिकांश भाग के लिए कण त्वरक यह दर्ज कर सकते हैं कि क्या होता हैजब कण किसी लक्ष्य या विपरीत दिशा में चलते हुए किसी अन्य बीम से टकराते हैं। एक टेलीविजन कीनेस्कोप में, बंदूक से इलेक्ट्रॉन स्क्रीन की आंतरिक सतह पर एक फॉस्फर से टकराते हैं और प्रकाश उत्सर्जित करते हैं, जो इस प्रकार प्रेषित छवि को फिर से बनाता है। त्वरक में, ऐसे विशेष डिटेक्टर बिखरे हुए कणों का जवाब देते हैं, लेकिन वे आमतौर पर विद्युत संकेतों को उत्पन्न करने के लिए डिज़ाइन किए जाते हैं जिन्हें कंप्यूटर डेटा में परिवर्तित किया जा सकता है और कंप्यूटर प्रोग्राम का उपयोग करके विश्लेषण किया जा सकता है। केवल आवेशित तत्व किसी सामग्री से होकर विद्युत संकेत बनाते हैं, उदाहरण के लिए रोमांचक या आयनीकृत परमाणुओं द्वारा, और सीधे पता लगाया जा सकता है। न्यूट्रॉन या फोटॉन जैसे तटस्थ कणों को उनके द्वारा गति में सेट किए गए आवेशित कणों के व्यवहार के माध्यम से अप्रत्यक्ष रूप से पता लगाया जा सकता है।
कई विशिष्ट डिटेक्टर हैं। उनमें से कुछ, जैसे गीजर काउंटर, केवल कणों की गणना करते हैं, जबकि अन्य का उपयोग किया जाता है, उदाहरण के लिए, ट्रैक रिकॉर्ड करने, गति मापने या ऊर्जा की मात्रा को मापने के लिए। आधुनिक डिटेक्टर आकार और तकनीक में छोटे चार्ज-युग्मित उपकरणों से लेकर बड़े तार से भरे गैस से भरे कक्षों तक होते हैं जो आवेशित कणों द्वारा बनाए गए आयनित ट्रेल्स का पता लगाते हैं।
इतिहास
कण त्वरक मुख्य रूप से परमाणु नाभिक और प्राथमिक कणों के गुणों का अध्ययन करने के लिए विकसित किए गए थे। 1919 में ब्रिटिश भौतिक विज्ञानी अर्नेस्ट रदरफोर्ड द्वारा नाइट्रोजन नाभिक और अल्फा कण के बीच प्रतिक्रिया की खोज से, परमाणु भौतिकी में सभी शोधों तक1932 प्राकृतिक रेडियोधर्मी तत्वों के क्षय से मुक्त हीलियम नाभिक के साथ बिताया गया था। प्राकृतिक अल्फा कणों में 8 MeV की गतिज ऊर्जा होती है, लेकिन रदरफोर्ड का मानना था कि भारी नाभिक के क्षय का निरीक्षण करने के लिए, उन्हें कृत्रिम रूप से और भी अधिक मूल्यों तक त्वरित किया जाना चाहिए। उस समय यह मुश्किल लग रहा था। हालांकि, 1928 में जॉर्जी गामो (जर्मनी के गौटिंगेन विश्वविद्यालय में) द्वारा की गई गणना से पता चला कि बहुत कम ऊर्जा वाले आयनों का उपयोग किया जा सकता है, और इसने एक ऐसी सुविधा बनाने के प्रयासों को प्रेरित किया जो परमाणु अनुसंधान के लिए पर्याप्त बीम प्रदान करती हो।
इस अवधि की अन्य घटनाओं ने उन सिद्धांतों को प्रदर्शित किया जिनके द्वारा आज तक कण त्वरक का निर्माण किया जाता है। कृत्रिम रूप से त्वरित आयनों के साथ पहला सफल प्रयोग 1932 में कॉकक्रॉफ्ट और वाल्टन द्वारा कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय में किया गया था। वोल्टेज गुणक का उपयोग करते हुए, उन्होंने प्रोटॉन को 710 केवी तक त्वरित किया और दिखाया कि बाद वाला दो अल्फा कणों को बनाने के लिए लिथियम नाभिक के साथ प्रतिक्रिया करता है। 1931 तक, न्यू जर्सी के प्रिंसटन विश्वविद्यालय में, रॉबर्ट वैन डी ग्रैफ ने पहला उच्च क्षमता वाला बेल्ट इलेक्ट्रोस्टैटिक जनरेटर बनाया था। कॉकक्रॉफ्ट-वाल्टन वोल्टेज गुणक और वैन डे ग्रैफ जनरेटर अभी भी त्वरक के लिए शक्ति स्रोतों के रूप में उपयोग किए जाते हैं।
1928 में रॉल्फ विडेरो द्वारा एक रैखिक अनुनाद त्वरक के सिद्धांत का प्रदर्शन किया गया था। जर्मनी के आचेन में राइन-वेस्टफेलियन प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय में, उन्होंने सोडियम और पोटेशियम आयनों को दो बार ऊर्जा में तेजी लाने के लिए एक उच्च वैकल्पिक वोल्टेज का उपयोग किया।उनके द्वारा रिपोर्ट किए गए से अधिक। 1931 में संयुक्त राज्य अमेरिका में, अर्नेस्ट लॉरेंस और कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले के उनके सहायक डेविड स्लोन ने पारा आयनों को 1.2 MeV से अधिक ऊर्जा में तेजी लाने के लिए उच्च आवृत्ति क्षेत्रों का उपयोग किया। इस काम ने विडेरो भारी कण त्वरक का पूरक किया, लेकिन आयन बीम परमाणु अनुसंधान में उपयोगी नहीं थे।
चुंबकीय अनुनाद त्वरक, या साइक्लोट्रॉन, की कल्पना लॉरेंस ने विडेरो स्थापना के एक संशोधन के रूप में की थी। लॉरेंस लिविंगस्टन के छात्र ने 1931 में 80 केवी आयनों का उत्पादन करके साइक्लोट्रॉन के सिद्धांत का प्रदर्शन किया। 1932 में लॉरेंस और लिविंगस्टन ने प्रोटॉन के त्वरण को 1 MeV से अधिक करने की घोषणा की। बाद में 1930 के दशक में, साइक्लोट्रॉन की ऊर्जा लगभग 25 MeV तक पहुँच गई, और Van de Graaff जनरेटर की ऊर्जा लगभग 4 MeV तक पहुँच गई। 1940 में, डोनाल्ड केर्स्ट ने, मैग्नेट के डिजाइन के लिए सावधानीपूर्वक कक्षीय गणना के परिणामों को लागू करते हुए, इलिनोइस विश्वविद्यालय में पहला बीटाट्रॉन, एक चुंबकीय प्रेरण इलेक्ट्रॉन त्वरक बनाया।
आधुनिक भौतिकी: कण त्वरक
द्वितीय विश्व युद्ध के बाद, कणों को उच्च ऊर्जा में गति देने के विज्ञान ने तेजी से प्रगति की। इसकी शुरुआत एडविन मैकमिलन ने बर्कले में और व्लादिमीर वेक्स्लर ने मास्को में की थी। 1945 में, दोनों ने स्वतंत्र रूप से चरण स्थिरता के सिद्धांत का वर्णन किया। यह अवधारणा एक चक्रीय त्वरक में स्थिर कण कक्षाओं को बनाए रखने का एक साधन प्रदान करती है, जिसने प्रोटॉन की ऊर्जा पर सीमा को हटा दिया और इलेक्ट्रॉनों के लिए चुंबकीय अनुनाद त्वरक (सिंक्रोट्रॉन) बनाना संभव बना दिया। निर्माण के बाद चरण स्थिरता के सिद्धांत के कार्यान्वयन, ऑटोफ़ेसिंग की पुष्टि की गई हैकैलिफोर्निया विश्वविद्यालय में एक छोटा सिंक्रोसाइक्लोट्रॉन और इंग्लैंड में एक सिंक्रोट्रॉन। इसके तुरंत बाद, पहला प्रोटॉन रैखिक अनुनाद त्वरक बनाया गया था। तब से निर्मित सभी बड़े प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन में इस सिद्धांत का उपयोग किया गया है।
1947 में, कैलिफोर्निया के स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय में विलियम हैनसेन ने माइक्रोवेव तकनीक का उपयोग करते हुए पहला रैखिक यात्रा तरंग इलेक्ट्रॉन त्वरक बनाया, जिसे द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान रडार के लिए विकसित किया गया था।
प्रोटोन की ऊर्जा को बढ़ाकर अनुसंधान में प्रगति को संभव बनाया, जिसके कारण और भी बड़े त्वरक का निर्माण हुआ। विशाल रिंग मैग्नेट बनाने की उच्च लागत से इस प्रवृत्ति को रोक दिया गया है। सबसे बड़े का वजन लगभग 40,000 टन है। मशीनों के आकार को बढ़ाए बिना ऊर्जा बढ़ाने के तरीकों का प्रदर्शन 1952 में लिविंगस्टन, कूरेंट और स्नाइडर द्वारा वैकल्पिक फ़ोकसिंग (कभी-कभी मजबूत फ़ोकसिंग कहा जाता है) की तकनीक में किया गया था। इस सिद्धांत पर आधारित सिंक्रोट्रॉन पहले की तुलना में 100 गुना छोटे चुम्बक का उपयोग करते हैं। इस तरह के फोकस का उपयोग सभी आधुनिक सिंक्रोट्रॉन में किया जाता है।
1956 में, केर्स्ट ने महसूस किया कि यदि कणों के दो सेट प्रतिच्छेदन कक्षाओं में रखे जाते हैं, तो वे टकराते हुए देखे जा सकते हैं। इस विचार के अनुप्रयोग के लिए भंडारण नामक चक्रों में त्वरित बीमों के संचय की आवश्यकता होती है। इस तकनीक ने कणों की अधिकतम अंतःक्रियात्मक ऊर्जा प्राप्त करना संभव बना दिया।
