This site is not complete. The work to converting the volumes of സര്‍വ്വവിജ്ഞാനകോശം is on progress. Please bear with us
Please contact webmastersiep@yahoo.com for any queries regarding this website.
Reading Problems? see Enabling Malayalam
കണികാത്വരിത്രങ്ങള്‍
സര്‍വ്വവിജ്ഞാനകോശം സംരംഭത്തില്‍ നിന്ന്
Mksol (സംവാദം | സംഭാവനകള്) (→Particle Accelerators) |
Mksol (സംവാദം | സംഭാവനകള്) (→Particle Accelerators) |
||
| വരി 16: | വരി 16: | ||
രേഖീയ ത്വരിത്രങ്ങള്‍ (Linear Accelerators). നേര്‍രേഖയില്‍ സഞ്ചരിച്ചുകൊണ്ടിരിക്കുന്ന ചാര്‍ജിത കണങ്ങളെ ഒരു റേഡിയോ ഫ്രീക്വന്‍സി (RF) വൈദ്യുതക്ഷേത്രത്തില്‍ ത്വരണവിധേയമാക്കുകയാണിവിടെ. ഒരു ആദ്യകാല രേഖീയത്വരിത്രത്തിന്റെ ഘടനയാണ്‌ ചിത്രത്തില്‍. | രേഖീയ ത്വരിത്രങ്ങള്‍ (Linear Accelerators). നേര്‍രേഖയില്‍ സഞ്ചരിച്ചുകൊണ്ടിരിക്കുന്ന ചാര്‍ജിത കണങ്ങളെ ഒരു റേഡിയോ ഫ്രീക്വന്‍സി (RF) വൈദ്യുതക്ഷേത്രത്തില്‍ ത്വരണവിധേയമാക്കുകയാണിവിടെ. ഒരു ആദ്യകാല രേഖീയത്വരിത്രത്തിന്റെ ഘടനയാണ്‌ ചിത്രത്തില്‍. | ||
| - | ലോഹനിര്‍മിതവും നിര്‍വാതീകരിച്ചതുമായ (evacuated) കുഴലുകളാണ്‌ | + | ലോഹനിര്‍മിതവും നിര്‍വാതീകരിച്ചതുമായ (evacuated) കുഴലുകളാണ്‌ L<sub>1</sub>, L<sub>2</sub>, L<sub>3</sub>, L<sub>4</sub>, L<sub>5</sub> ... എന്നിവ. L<sub>1</sub>, L<sub>3</sub>, L<sub>5</sub> ... എന്നിവയെ ഒരു ആര്‍.എഫ്‌. ജനറേറ്ററിന്റെ ഒരു ടെര്‍മിനലുമായും L<sub>2</sub>, L<sub>4</sub>, L<sub>6</sub>... എന്നിവയെ അതിന്റെ മറ്റെ ടെര്‍മിനലുമായും ഘടിപ്പിക്കുന്നു. എ.സി. പൊട്ടന്‍ഷ്യല്‍ പ്രയോഗിക്കുമ്പോള്‍ L1 പോസിറ്റീവ്‌ ആയിരിക്കുന്ന സമയത്ത്‌ ഒരു ഇലക്‌ട്രാണ്‍ പുഞ്‌ജത്തെ (Electron bunch) അതിലേക്ക്‌ കടത്തിവിടുന്നു. വൈദ്യുതാകര്‍ഷണംമൂലം അത്‌ ത്വരണത്തോടെ L<sub>1</sub>ല്‍ പ്രവേശിക്കുന്നു. കുഴലിഌള്ളില്‍ വൈദ്യുതക്ഷേത്രം ഇല്ലാത്തതിനാല്‍ അത്‌ സമവേഗത്തില്‍ സഞ്ചരിച്ച്‌ മറ്റെ അറ്റത്തെത്തുന്നു. അപ്പോള്‍ പൊട്ടന്‍ഷ്യല്‍ വിപരീതമാകുന്നു. (അതായത്‌, ഇലക്‌ട്രാപുഞ്‌ജം L<sub>1</sub> കടക്കാനെടുക്കുന്ന സമയംകൊണ്ട്‌ എ.സി. ഒരു അര്‍ധചക്രം (half cycle) പൂര്‍ത്തിയാക്കിയിരിക്കും. |
| - | + | L<sub>1</sub> നെഗറ്റീവും L<sub>2</sub> പോസിറ്റീവും ആകുന്നതോടെ ഇലക്‌ട്രാണുകള്‍ വീണ്ടും ത്വരണവിധേയമാകുന്നു. ഇതു തുടര്‍ന്നും സംഭവിക്കുന്നു. ഒരു കുഴലില്‍നിന്ന്‌ അടുത്തതിലേക്കു പ്രവേശിക്കുമ്പോഴെല്ലാം ത്വരണം നടക്കുന്നതുകൊണ്ട്‌ കണങ്ങളുടെ പ്രവേഗവും ഊര്‍ജവും വര്‍ധിച്ചുകൊണ്ടേയിരിക്കും. കുഴലുകള്‍ക്കുള്ളില്‍ സ്ഥിരവേഗമായതിനാല്‍ ഇവയെ ഡ്രിഫ്‌റ്റ്‌ ട്യൂബുകള്‍ (Drift tubes) എന്നാണ്‌ വിളിക്കുന്നത്‌. സ്വാഭാവികമായും ഡ്രിഫ്‌റ്റ്‌ ട്യൂബുകളുടെ നീളം ക്രമമായി വര്‍ധിച്ചുവരും. എന്നാല്‍ പ്രവേഗം വളരെ വര്‍ധിച്ച്‌ പ്രകാശ പ്രവേഗത്തോട്‌ അടുക്കുന്നതോടെ പ്രവേഗവര്‍ധന നിലയ്‌ക്കുകയും (ഊര്‍ജം പിണ്‌ഡം വര്‍ധിക്കാന്‍ മാത്രം ഉപകരിക്കുന്നു) ഡ്രിഫ്‌റ്റ്‌ ട്യൂബുകളുടെ നീളം സ്ഥിരമാവുകയും ചെയ്യുന്നു. യു.എസ്സിലെ സ്റ്റാന്‍ഫോര്‍ഡില്‍ നിര്‍മിച്ച ലിനാക്‌ (LINAC) എന്ന രേഖീയ ത്വരിത്രത്തിന്‌ 3 കി.മീ. നീളമുണ്ട്‌. | |
ആധുനിക രേഖീയ ത്വരിത്രങ്ങളില്‍ ഡ്രിഫ്‌റ്റ്‌ റ്റ്യൂബുകളുടെ സ്ഥാനത്ത്‌ അല്‍വാരിസ്‌ റെസണേറ്ററുകളോ വ്യുത്‌ക്രമ സെറങ്കോവ്‌ ത്വരണരീതിയോ (Inverse cerankov acceleration) ലേസര്‍ ത്വരണരീതിയോ ആണ്‌ ഉപയോഗിക്കുന്നത്‌. ഒപ്പം കാന്തികക്ഷേത്രമുപയോഗിച്ചുള്ള ഫോക്കസിങ്ങും പ്രയോജനപ്പെടുത്തുന്നു. ഇപ്പോഴത്തെ സ്റ്റാന്‍ഫോഡ്‌ ലിനാക്കിന്‌ (SLAC) 3.05 കി.മീ. നീളവും 50 GeV ഇലക്‌ട്രാണുകളെ സൃഷ്‌ടിക്കാഌള്ള കഴിവുമുണ്ട്‌. ലോസ്‌ ആല്‍മോസിലെ പ്രാട്ടോണ്‍ ലിനാക്കിന്‌ 800 MeV വരെ പ്രാട്ടോണുകളെ ത്വരിപ്പിക്കാന്‍ കഴിയുന്നു. | ആധുനിക രേഖീയ ത്വരിത്രങ്ങളില്‍ ഡ്രിഫ്‌റ്റ്‌ റ്റ്യൂബുകളുടെ സ്ഥാനത്ത്‌ അല്‍വാരിസ്‌ റെസണേറ്ററുകളോ വ്യുത്‌ക്രമ സെറങ്കോവ്‌ ത്വരണരീതിയോ (Inverse cerankov acceleration) ലേസര്‍ ത്വരണരീതിയോ ആണ്‌ ഉപയോഗിക്കുന്നത്‌. ഒപ്പം കാന്തികക്ഷേത്രമുപയോഗിച്ചുള്ള ഫോക്കസിങ്ങും പ്രയോജനപ്പെടുത്തുന്നു. ഇപ്പോഴത്തെ സ്റ്റാന്‍ഫോഡ്‌ ലിനാക്കിന്‌ (SLAC) 3.05 കി.മീ. നീളവും 50 GeV ഇലക്‌ട്രാണുകളെ സൃഷ്‌ടിക്കാഌള്ള കഴിവുമുണ്ട്‌. ലോസ്‌ ആല്‍മോസിലെ പ്രാട്ടോണ്‍ ലിനാക്കിന്‌ 800 MeV വരെ പ്രാട്ടോണുകളെ ത്വരിപ്പിക്കാന്‍ കഴിയുന്നു. | ||
10:19, 4 ജൂലൈ 2014-നു നിലവിലുണ്ടായിരുന്ന രൂപം
കണികാത്വരിത്രങ്ങള്‍
Particle Accelerators
ഇലക്‌ട്രാണ്‍, പ്രാട്ടോണ്‍, അയോണുകള്‍ തുടങ്ങിയ ചാര്‍ജിത കണികകളുടെ ചലനത്തെ ത്വരിതപ്പെടുത്തുന്ന യാന്ത്രികസംവിധാനങ്ങള്‍. കാന്തികവും വൈദ്യുതവുമായ ബലങ്ങളുപയോഗിച്ച്‌, ത്വരിതപ്പെടുത്തിയ കണികകളെ നിയന്ത്രിക്കുകയും കേന്ദ്രീകരിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. മതിയായ ഗതികോര്‍ജം എത്തിയാല്‍ അവയെ ലക്ഷ്യത്തിലേക്കു തിരിച്ചുവിടുകയും ചെയ്യും. ലക്ഷ്യത്തിലെത്തിയ കണികകള്‍ അണുകേന്ദ്രങ്ങളുമായോ മറ്റു കണങ്ങളുമായോ കൂട്ടിമുട്ടുന്നു. ഈ പ്രവര്‍ത്തനങ്ങളിലൂടെ അണുകേന്ദ്രങ്ങളുടെ ഘടനയും അണുകേന്ദ്രബലങ്ങളുടെ സ്വഭാവവും മനസ്സിലാക്കാന്‍ ഗവേഷകര്‍ക്കു സാധിക്കുന്നതാണ്‌. ത്വരിതകണികകളുടെ ഊര്‍ജം പ്രസ്‌താവിക്കുക ഇലക്‌ട്രാണ്‍ വോള്‍ട്ട്‌ (eV) എന്ന ഏകകം ഉപയോഗിച്ചാണ്‌. 1 വോള്‍ട്ട്‌ പൊട്ടന്‍ഷ്യല്‍ വ്യത്യാസമുള്ള രണ്ട്‌ സമാന്തര പ്ലേറ്റുകള്‍ക്കിടയില്‍ ഒരു ഇലക്‌ട്രാണ്‍ (അല്ലെങ്കില്‍ MeVപ്രാട്ടോണ്‍) ചലിച്ചാല്‍ അതിഌ കിട്ടുന്ന അധിക ഊര്‍ജം ഒരു ഇലക്‌ട്രാണ്‍ വോള്‍ട്ട്‌ (1 eV) ആയിരിക്കും. ഇത്‌ 1.602x1019 ജൂളിഌ തുല്യമാണ്‌. കണികകളുടെ ഊര്‍ജം അളക്കുന്ന വലിയ അളവുകളാണ്‌ കിലോ ഇലക്‌ട്രാണ്‍ വോള്‍ട്ട്‌ (1 keV = 103eV), മെഗാ ഇല. വോള്‍ട്ട്‌ (1MeV = 106eV), ഗിഗാ ഇല. വോള്‍ട്ട്‌ (1GeV = 109eV), ടെറാ ഇല. വോള്‍ട്ട്‌ (1 TeV = 1012eV) മുതലായവ. ഇന്നുവരെ നിര്‍മിച്ചതില്‍ ഏറ്റവും വലിയ ത്വരിത്രം (ലാര്‍ജ്‌ ഹാഡ്രാണ്‍ കൊളൈഡര്‍, ജനേവ2008) 7 TeV ഊര്‍ജം പ്രാട്ടോണിന്‌ നല്‍കാന്‍ പര്യാപ്‌തമാണ്‌.
ത്വരിത്രങ്ങളെ പൊതുവേ രണ്ടായി തിരിക്കാം സ്ഥിര വൈദ്യുതി കൊണ്ടു പ്രവര്‍ത്തിക്കുന്നവയും (electrostatic accelerators) നിശ്ചിത നിരക്കില്‍ വ്യതിയാനം വരുന്ന വൈദ്യുത, കാന്തിക ക്ഷേത്രങ്ങളുപയോഗിച്ച്‌ പ്രവര്‍ത്തിക്കുന്നവയും. ആദ്യത്തെ വിഭാഗത്തില്‍പ്പെടുന്ന ത്വരിത്രങ്ങളാണ്‌ കോക്രാഫ്‌റ്റ്‌ വാള്‍ട്ടണ്‍ ജനറേറ്ററും വാന്‍ ദെ ഗ്രാഫ്‌ ജനറേറ്ററും. രണ്ടിലും കുത്തനെയുള്ള ഒരു നിര്‍വാതക്കുഴലിലൂടെ, മുകളിലെ ഉയര്‍ന്ന വോള്‍ട്ടതയില്‍നിന്ന്‌ താഴത്തെ പൂജ്യം വോള്‍ട്ടതയിലേക്ക്‌ കണങ്ങളെ ത്വരിപ്പിക്കുകയാണ്‌ ചെയ്യുന്നത്‌. ഏതാഌം MeV ഊര്‍ജത്തിലേക്ക്‌ പ്രാട്ടോണുകളെയും അയോണുകളെയും ത്വരിപ്പിക്കാന്‍ ഇവയ്‌ക്കു കഴിയും. ഇവയ്‌ക്ക്‌ നിരവധി വ്യാവസായിക ഉപയോഗങ്ങളുണ്ട്‌.
ഉന്നത ഊര്‍ജ കണങ്ങളെ സൃഷ്‌ടിക്കുന്നതിനാണ്‌ രണ്ടാമത്തെ ഇനം ത്വരിത്രങ്ങള്‍ ഉപയോഗിക്കുന്നത്‌. പദാര്‍ഥങ്ങളുടെ അടിസ്ഥാന ഘടന അണുകേന്ദ്രഉപാണവ തലങ്ങളില്‍ പഠിക്കുന്നതിനാണ്‌ ഇവ ആവശ്യമായി വരുന്നത്‌. ഉദാ. പ്രാട്ടോണുകള്‍, ന്യൂട്രാണുകള്‍ തുടങ്ങിയ അണുകേന്ദ്രകണങ്ങള്‍ എപ്രകാരമാണ്‌ അന്യോന്യം പ്രതിപ്രവര്‍ത്തിക്കുന്നത്‌ എന്നറിയാന്‍ ത്വരിത്രങ്ങളില്‍നിന്നുള്ള ശീഘ്രകണങ്ങളെ അണുകേന്ദ്രങ്ങളുമായി കൂട്ടിയടിപ്പിച്ച്‌ എന്തു സംഭവിക്കുന്നു എന്നു പഠിക്കുന്നു. ഇതിഌ അനേകം MeV ഊര്‍ജമുള്ള കണങ്ങള്‍ വേണം. പ്രാട്ടോണ്‍, ന്യൂട്രാണ്‍, മെസോണുകള്‍ തുടങ്ങിയ പ്രാഥമിക കണങ്ങള്‍ പോലും "ക്വാര്‍ക്കുകള്‍' എന്ന, കൂടുതല്‍ അടിസ്ഥാനപരമായ, കണങ്ങള്‍ ചേര്‍ന്നുണ്ടാകുന്MeVനവയാണെന്നും അവ "ഗ്ലൂഓണുകള്‍' കൊണ്ടു പരസ്‌പരം ബന്ധിതമാണെന്നും കണഭൗതിക സിദ്ധാന്തങ്ങള്‍ പറയുന്നു. പ്രാഥമിക കണഘടന പഠിക്കാന്‍ GeV TeV ഊര്‍ജമുള്ള കണങ്ങളെ അന്യോന്യം കൂട്ടിമുട്ടിക്കേണ്ടിവരും. സൈദ്ധാന്തികമായി പ്രവചിക്കപ്പെട്ടതും എന്നാല്‍ ഇതുവരെ കണ്ടെത്താന്‍ കഴിഞ്ഞിട്ടില്ലാത്തതുമായ കണങ്ങളെ (ഉദാ. ഹിഗ്ഗ്‌സ്‌ ബോസോണ്‍) കണ്ടെത്താഌം ചതുര്‍മാനമായി (Four dimensional) നാം കാണുന്ന പ്രപഞ്ചം സൂക്ഷ്‌മതലത്തില്‍ എത്ര മാനങ്ങളുള്ളതാണെന്നു മനസ്സിലാക്കാഌം വേണ്ടിയുള്ള പരീക്ഷണങ്ങള്‍ക്ക്‌ അനേകം TeV ഊര്‍ജമുള്ള കണങ്ങള്‍ വേണ്ടിവരും. ജനേവയില്‍ പണിതീര്‍ത്ത കൂറ്റന്‍ ത്വരിത്രം ലാര്‍ജ്‌ ഹാഡ്രാണ്‍ കൊളൈഡര്‍ (LHC) അതിനായുള്ളതാണ്‌. വ്യതിയാനം വരുന്ന (varying) വൈദ്യുത ക്ഷേത്രമോ കാന്തികക്ഷേത്രമോ ഉപയോഗിച്ച്‌ കണങ്ങളെ ത്വരിപ്പിക്കുന്ന സംവിധാനങ്ങള്‍ പൊതുവേ രണ്ടുതരമുണ്ട്‌: രേഖീയ ത്വരിത്രങ്ങളും വൃത്തപഥ ത്വരിത്രങ്ങളും.
രേഖീയ ത്വരിത്രങ്ങള്‍ (Linear Accelerators). നേര്‍രേഖയില്‍ സഞ്ചരിച്ചുകൊണ്ടിരിക്കുന്ന ചാര്‍ജിത കണങ്ങളെ ഒരു റേഡിയോ ഫ്രീക്വന്‍സി (RF) വൈദ്യുതക്ഷേത്രത്തില്‍ ത്വരണവിധേയമാക്കുകയാണിവിടെ. ഒരു ആദ്യകാല രേഖീയത്വരിത്രത്തിന്റെ ഘടനയാണ്‌ ചിത്രത്തില്‍.
ലോഹനിര്‍മിതവും നിര്‍വാതീകരിച്ചതുമായ (evacuated) കുഴലുകളാണ്‌ L1, L2, L3, L4, L5 ... എന്നിവ. L1, L3, L5 ... എന്നിവയെ ഒരു ആര്‍.എഫ്‌. ജനറേറ്ററിന്റെ ഒരു ടെര്‍മിനലുമായും L2, L4, L6... എന്നിവയെ അതിന്റെ മറ്റെ ടെര്‍മിനലുമായും ഘടിപ്പിക്കുന്നു. എ.സി. പൊട്ടന്‍ഷ്യല്‍ പ്രയോഗിക്കുമ്പോള്‍ L1 പോസിറ്റീവ്‌ ആയിരിക്കുന്ന സമയത്ത്‌ ഒരു ഇലക്‌ട്രാണ്‍ പുഞ്‌ജത്തെ (Electron bunch) അതിലേക്ക്‌ കടത്തിവിടുന്നു. വൈദ്യുതാകര്‍ഷണംമൂലം അത്‌ ത്വരണത്തോടെ L1ല്‍ പ്രവേശിക്കുന്നു. കുഴലിഌള്ളില്‍ വൈദ്യുതക്ഷേത്രം ഇല്ലാത്തതിനാല്‍ അത്‌ സമവേഗത്തില്‍ സഞ്ചരിച്ച്‌ മറ്റെ അറ്റത്തെത്തുന്നു. അപ്പോള്‍ പൊട്ടന്‍ഷ്യല്‍ വിപരീതമാകുന്നു. (അതായത്‌, ഇലക്‌ട്രാപുഞ്‌ജം L1 കടക്കാനെടുക്കുന്ന സമയംകൊണ്ട്‌ എ.സി. ഒരു അര്‍ധചക്രം (half cycle) പൂര്‍ത്തിയാക്കിയിരിക്കും.
L1 നെഗറ്റീവും L2 പോസിറ്റീവും ആകുന്നതോടെ ഇലക്‌ട്രാണുകള്‍ വീണ്ടും ത്വരണവിധേയമാകുന്നു. ഇതു തുടര്‍ന്നും സംഭവിക്കുന്നു. ഒരു കുഴലില്‍നിന്ന്‌ അടുത്തതിലേക്കു പ്രവേശിക്കുമ്പോഴെല്ലാം ത്വരണം നടക്കുന്നതുകൊണ്ട്‌ കണങ്ങളുടെ പ്രവേഗവും ഊര്‍ജവും വര്‍ധിച്ചുകൊണ്ടേയിരിക്കും. കുഴലുകള്‍ക്കുള്ളില്‍ സ്ഥിരവേഗമായതിനാല്‍ ഇവയെ ഡ്രിഫ്‌റ്റ്‌ ട്യൂബുകള്‍ (Drift tubes) എന്നാണ്‌ വിളിക്കുന്നത്‌. സ്വാഭാവികമായും ഡ്രിഫ്‌റ്റ്‌ ട്യൂബുകളുടെ നീളം ക്രമമായി വര്‍ധിച്ചുവരും. എന്നാല്‍ പ്രവേഗം വളരെ വര്‍ധിച്ച്‌ പ്രകാശ പ്രവേഗത്തോട്‌ അടുക്കുന്നതോടെ പ്രവേഗവര്‍ധന നിലയ്‌ക്കുകയും (ഊര്‍ജം പിണ്‌ഡം വര്‍ധിക്കാന്‍ മാത്രം ഉപകരിക്കുന്നു) ഡ്രിഫ്‌റ്റ്‌ ട്യൂബുകളുടെ നീളം സ്ഥിരമാവുകയും ചെയ്യുന്നു. യു.എസ്സിലെ സ്റ്റാന്‍ഫോര്‍ഡില്‍ നിര്‍മിച്ച ലിനാക്‌ (LINAC) എന്ന രേഖീയ ത്വരിത്രത്തിന്‌ 3 കി.മീ. നീളമുണ്ട്‌.
ആധുനിക രേഖീയ ത്വരിത്രങ്ങളില്‍ ഡ്രിഫ്‌റ്റ്‌ റ്റ്യൂബുകളുടെ സ്ഥാനത്ത്‌ അല്‍വാരിസ്‌ റെസണേറ്ററുകളോ വ്യുത്‌ക്രമ സെറങ്കോവ്‌ ത്വരണരീതിയോ (Inverse cerankov acceleration) ലേസര്‍ ത്വരണരീതിയോ ആണ്‌ ഉപയോഗിക്കുന്നത്‌. ഒപ്പം കാന്തികക്ഷേത്രമുപയോഗിച്ചുള്ള ഫോക്കസിങ്ങും പ്രയോജനപ്പെടുത്തുന്നു. ഇപ്പോഴത്തെ സ്റ്റാന്‍ഫോഡ്‌ ലിനാക്കിന്‌ (SLAC) 3.05 കി.മീ. നീളവും 50 GeV ഇലക്‌ട്രാണുകളെ സൃഷ്‌ടിക്കാഌള്ള കഴിവുമുണ്ട്‌. ലോസ്‌ ആല്‍മോസിലെ പ്രാട്ടോണ്‍ ലിനാക്കിന്‌ 800 MeV വരെ പ്രാട്ടോണുകളെ ത്വരിപ്പിക്കാന്‍ കഴിയുന്നു.
വൃത്തപഥ ത്വരിത്രങ്ങള്‍ (Circular accelerators). ചാര്‍ജിത കണങ്ങളുടെ പഥം ഒരു കാന്തികക്ഷേത്രമുപയോഗിച്ച്‌ വര്‍ത്തുളമാക്കുകവഴി ത്വരിത്രങ്ങളുടെ വലുപ്പം കുറയ്‌ക്കാന്‍ കഴിയും. 1931ല്‍ യു.എസ്‌. ശാസ്‌ത്രജ്ഞരായ ലോറന്‍സും (O.E. Lawrence), ലിവിങ്‌സ്റ്റണും (M.S. Livingston) ചേര്‍ന്ന്‌ സൈക്ലോട്രാണ്‍ എന്ന പേരില്‍ ആദ്യത്തെ വൃത്തപഥ ത്വരിത്രം രൂപകല്‌പന ചെയ്‌തു.
'D' രൂപത്തില്‍, ഉള്ളുപൊള്ളയായ രണ്ട്‌ ഇലക്‌ട്രാഡുകളാണ്‌ സൈക്ലോട്രാണിന്റെ മുഖ്യഘടകം. (വൃത്താകാരത്തില്‍, ഉള്ളുപൊള്ളയായ ഒരു ലോഹപ്പാത്രം നടുവെ മുറിച്ച രൂപം). രണ്ട്‌ ഡീയും ചെറിയ വിടവോടെ ഒരു നിര്‍വാത ചേംബറില്‍, ശക്തിയേറിയ ഒരു വൈദ്യുതകാന്തത്തിന്റെ വൃത്താകാര ധ്രുവങ്ങള്‍ക്കിടയില്‍ വച്ചിരിക്കുന്നു. ഡീകള്‍ക്കിടയ്‌ക്കുള്ള വിടവിന്റെ മധ്യത്തില്‍ ഒരു അയോണ്‍ സ്രാതസ്സ്‌ ഉണ്ട്‌. ഡീകളെ ഉന്നത വോള്‍ട്ടത (ഏകദേശം 50,000V) യും ഉന്നത ആവൃത്തിയും (10 MHz) ഉള്ള ഒരു RF പവര്‍ സപ്ലൈയോട്‌ ഘടിപ്പിച്ചിരിക്കുന്നു.
സ്രാതസ്സ്‌ പുറത്തുവിടുന്ന പോസിറ്റീവ്‌ അയോണുകള്‍ നെഗറ്റീവ്‌ ഡീയിലേക്കു ആകര്‍ഷിക്കപ്പെടുന്നു. ഡീക്ക്‌ ഉള്ളില്‍ വച്ച്‌ കാന്തികക്ഷേത്രം അവയുടെ പഥം അര്‍ധവൃത്തമാക്കുന്നു. അര്‍ധവൃത്തം പൂര്‍ത്തിയാക്കി വിടവില്‍ എത്തുന്ന സമയത്ത്‌ ഡീകളുടെ പൊട്ടന്‍ഷ്യല്‍ വിപരീതമാകത്തക്കവിധമാണ്‌ പവര്‍ സപ്ലൈയുടെ ആവൃത്തി. തന്മൂലം കണങ്ങള്‍ രണ്ടാമത്തെ ഡീയിലേക്ക്‌ ആകര്‍ഷിക്കപ്പെടുന്നു. ത്വരണംമൂലം അവയുടെ വേഗത വര്‍ധിക്കുന്നതുകൊണ്ട്‌ രണ്ടാമത്തെ ഡീയിലെ പഥം കുറച്ചുകൂടി വലിയ അര്‍ധവൃത്തമായിരിക്കും. ഓരോ പ്രാവശ്യവും വിടവിലെത്തുമ്പോള്‍ ഈവിധം പൊട്ടന്‍ഷ്യല്‍ ദിശമാറുകയും കണം അടുത്ത ഡീയിലേക്ക്‌ ആകര്‍ഷിക്കപ്പെടുകയും ചെയ്യുന്നതുമൂലം അതിന്റെ ഊര്‍ജവും വേഗതയും വര്‍ധിക്കുകയും പഥത്തിന്റെ വ്യാസം വര്‍ധിക്കുകയും ചെയ്യും. പരമാവധി വ്യാസവും ഊര്‍ജവും ആര്‍ജിച്ചു കഴിയുമ്പോള്‍ കണങ്ങളെ പുറത്തേക്കു നയിക്കുകയും ലക്ഷ്യവുമായി കൂട്ടിയിടിപ്പിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. 1.5 മീ. വ്യാസമുള്ള ഡീ ഉപയോഗിച്ചു കണങ്ങള്‍ക്ക്‌ 10 MeV വരെ ഊര്‍ജം നല്‍കാന്‍ സൈക്ലോട്രാണുകള്‍ക്ക്‌ കഴിയും.
സൈക്ലോട്രാണുകള്‍ക്ക്‌ മുഖ്യമായും രണ്ട്‌ പരിമിതികളാണ്‌ ഉള്ളത്‌. ഒന്ന്‌, D യുടെ വ്യാസം കാന്തത്തിന്റെ ധ്രുവമുഖത്തിന്റെ (pole pieces) വ്യാസത്തെക്കാള്‍ അധികമാക്കാന്‍ കഴിയില്ല. ഇത്‌ പരമാവധി ഊര്‍ജത്തെ പരിമിതപ്പെടുത്തുന്നു. രണ്ട്‌, കണങ്ങളുടെ ഊര്‍ജം വളരെ കൂടിയാല്‍, ആപേക്ഷികതാ സിദ്ധാന്തത്തിഌ (E = mc2) വിധേയമായി അവയുടെ പിണ്‌ഡം വര്‍ധിക്കുന്നു. കണങ്ങളുടെ പരിക്രമണ ആവൃത്തി (q ചാര്‍ജ്‌, B കാന്തികക്ഷേത്ര തീവ്രത) ആണ്‌. ഇതിനെ സൈക്ലോട്രാണ്‍ ആവൃത്തി എന്നാണ്‌ വിളിക്കുക.m കൂടുമ്പോള്‍ കുറയും. പവര്‍ സപ്ലൈയുടെ ആവൃത്തിയില്‍ സമാനമായ മാറ്റം വരാത്തതുകൊണ്ട്‌ കണവും പൊട്ടന്‍ഷ്യലും തമ്മില്‍ താളപ്പിഴ ഉണ്ടാകുന്നു. അതായത്‌ കണം വിടവുകടക്കുമ്പോള്‍ പൊട്ടന്‍ഷ്യല്‍ അഌകൂലമാകണമെന്നില്ല. അതോടെ ത്വരണത്തിന്റെ നിരക്ക്‌ കുറയുകയും ഒടുവില്‍ നിലയ്‌ക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. ഒരു പ്രാട്ടോണിന്‌ 2030 MeV യില്‍ കൂടുതല്‍ ഊര്‍ജം സൃഷ്‌ടിക്കാന്‍ സൈക്ലോട്രാണ്‍ അഌയോജ്യമല്ല. (ഇലക്‌ട്രാണുകളുടെ കാര്യത്തില്‍ ഈ സീമ ഏതാഌം KeV മാത്രമായിരിക്കും).
ഈ പരിമിതി മറികടക്കാന്‍ രണ്ടു സംവിധാനങ്ങള്‍ കൊണ്ടു സാധ്യമാണ്‌.
1. സിങ്ക്രാസൈക്ലോട്രാണ്‍. സപ്ലൈ വോള്‍ട്ടേജിന്റെ ആവൃത്തി അഌയോജ്യമാംവിധം മാറാന്‍ അഌവദിക്കുകവഴി അതിനെ കണങ്ങളുടെ സൈക്ലോട്രാണ്‍ ആവൃത്തിയുമായി താളപ്പിഴ വരാതെ കാക്കുകയാണ്‌ ഇതില്‍ ചെയ്യുന്നത്‌. സിങ്ക്രാസൈക്ലോട്രാണുകള്‍ക്ക്‌ ഫ്രീക്വന്‍സി മോഡുലേറ്റഡ്‌ സൈക്ലോട്രാണ്‍ എന്നും പറയും. കണങ്ങളെ 1GeV വരെ ത്വരിപ്പിക്കാന്‍ ഇവയ്‌ക്ക്‌ കഴിയും. കാന്തിക മണ്‌ഡലത്തിന്റെ പരിമിതിയാണ്‌ ഇവയുടെയും മുഖ്യ പരിമിതി. ലോറന്‍സ്‌ ബര്‍ക്ക്‌ലി ലാബറട്ടറിയിലെ 4.67 മീ., 730 MeV പ്രാട്ടോണ്‍ സിങ്ക്രാട്ടോണിന്റെ കാന്തത്തിന്‌ 4000 ടണ്‍ ഭാരമുണ്ട്‌. സൂപ്പര്‍ കണ്ടക്‌റ്റിങ്‌ കാന്തങ്ങളുടെ കണ്ടുപിടുത്തം ഊര്‍ജപരിധി വളരെയേറെ ഉയര്‍ത്താന്‍ സഹായിച്ചിട്ടുണ്ട്‌.
2. സിങ്ക്രാട്രാണ്‍. കണങ്ങളുടെ വേഗത പ്രകാശ വേഗത്തോട്‌ അടുത്തു കഴിഞ്ഞാല്‍, പിന്നെ നല്‍കുന്ന ത്വരണം കണങ്ങളുടെ പിണ്‌ഡം വര്‍ധിക്കാനാണല്ലോ പ്രയോജനപ്പെടുക. അതുമൂലം സൈക്ലോട്രാണ്‍ ആവൃത്തി കുറയുമ്പോള്‍ തദഌസരണമായ കുറവ്‌ സപ്ലൈ വോള്‍ട്ടേജിന്റെ ആവൃത്തിയിലും വരുത്തുകയും ഒപ്പം തന്നെ, കണങ്ങള്‍ ഊര്‍ജം ആര്‍ജിക്കുന്നതിനഌസരിച്ച്‌ കാന്തികക്ഷേത്രവും വര്‍ധിപ്പിച്ച്‌ കണങ്ങളെ സ്ഥിരപഥത്തില്‍ നിര്‍ത്തുകയും ചെയ്യുക എന്ന രീതിയാണ്‌ സിങ്ക്രാട്രാണുകളില്‍ ഉപയോഗിക്കുന്നത്‌. കണങ്ങളുടെ പഥവ്യാസം വര്‍ധിക്കാത്തതുകൊണ്ട്‌, അവ സഞ്ചരിക്കുന്ന പഥത്തില്‍മാത്രം കാന്തികക്ഷേത്രം നല്‍കിയാല്‍ മതി. ഇതിന്‌ സൂപ്പര്‍ കണ്ടക്‌റ്റിങ്‌ കാന്തങ്ങളുടെ ഒരു വൃത്തനിര (ring) മതിയാകും എന്നതിനാല്‍ കാന്തത്തിന്റെ ഭാരവും ചെലവും നന്നെ കുറയ്‌ക്കാന്‍ കഴിയും.
ആദ്യത്തെ പ്രാട്ടോണ്‍ സിങ്ക്രാട്രാണ്‍ ആയ കോസ്‌മോട്രാണ്‍ 1952ല്‍ ബ്രൂക്ക്‌ ഹാവന്‍ നാഷണല്‍ ലാബറട്ടറിയില്‍ പ്രവര്‍ത്തനമാരംഭിച്ചു. 3GeV വരെ പ്രാട്ടോണുകളെ ത്വരിപ്പിക്കാന്‍ അതിഌ കഴിഞ്ഞു. ഇലക്‌ട്രാണുകളെ ത്വരിപ്പിക്കാഌം സിങ്ക്രാട്രാണുകള്‍ പ്രയോജനപ്പെടുത്താം. 200 മീ. വ്യാസമുള്ള 12GeV ഇലക്‌ട്രാണ്‍ സിങ്ക്രാട്രാണുകള്‍ ഇന്നു നിലവിലുണ്ട്‌. സിങ്ക്രാട്രാണുകളുടെ ഘടനയില്‍ നിരവധി പരിഷ്‌കരണങ്ങള്‍ വരുത്തിയതിന്റെ ഫലമായാണ്‌ പ്രാട്ടോണുകളുടെ ഊര്‍ജം TeV തലത്തിലേക്ക്‌ ഉയര്‍ത്താന്‍ കഴിഞ്ഞിട്ടുള്ളത്‌.
