Demonstration of 255-kV high-voltage generation with a Cavallo multiplier system
यह शोध पत्र एक कैवलो (Cavallo) इलेक्ट्रोस्टैटिक मल्टीप्लायर सिस्टम के कमरे के तापमान पर प्रदर्शन की रिपोर्ट करता है जिसने SF गैस में 25 kV इनपुट से लगभग 255 kV सफलतापूर्वक उत्पन्न किया, जो क्रायोजेनिक परिशुद्धता मापन के लिए एक व्यवहार्य निम्न-धारा, इन सीटू (in situ) उच्च-वोल्टेज स्रोत के रूप में इसकी क्षमता को प्रमाणित करता है और भविष्य की विश्वसनीयता के लिए इलेक्ट्रोड सतह की तैयारी और संरेखण को महत्वपूर्ण कारकों के रूप में रेखांकित करता है।
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कल्पना कीजिए कि आप एक अत्यंत शक्तिशाली बैटरी बनाने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन आप तरल हीलियम से भरे एक विशाल, जमे हुए बक्से के भीतर काम कर रहे हैं। समस्या यह है कि जो तार आप आमतौर पर बिजली जोड़ने के लिए उपयोग करते हैं, वे बर्फ को पिघला सकते हैं या बहुत अधिक गर्मी अंदर आने दे सकते हैं, जिससे प्रयोग खराब हो सकता है। वैज्ञानिकों को इस जमे हुए बक्से के अंदर विशाल विद्युत बल पैदा करने के तरीके की आवश्यकता है, बिना बाहरी दुनिया से किसी भी तार को जोड़े। ऐसा करने के लिए, वे "इलेक्ट्रोस्टैटिक इंडक्शन" (स्थिर वैद्युत प्रेरण) नामक एक चतुर तकनीक का उपयोग करते हैं। इसे एक जादू के खेल की तरह समझें जैसे आप अपने बालों में गुब्बारे को रगड़कर उसे दीवार से चिपका देते हैं; आप नई बिजली पैदा नहीं कर रहे हैं, बल्कि आप केवल मौजूदा आवेशों (charges) को इधर-उधर करके एक मजबूत धक्का बना रहे हैं। यह शोध पत्र इस बारे में है कि कैसे वैज्ञानिकों की एक टीम ने ठीक ऐसा करने के लिए एक मशीन बनाई: एक यांत्रिक "चार्ज शफ़लर" (आवेश को इधर-उधर करने वाला यंत्र) जो ठीक वहीं बहुत उच्च वोल्टेज उत्पन्न कर सकता है जहाँ उनकी आवश्यकता है, बिना किसी तार के।
वैज्ञानिकों ने इस मशीन का एक प्रोटोटाइप बनाया जिसे कैवलो मल्टीप्लायर (Cavallo multiplier) कहा जाता है। आप इसे बिजली के लिए एक उच्च-तकनीकी, यांत्रिक "बकेट ब्रिगेड" (बाल्टी की कतार) के रूप में देख सकते हैं। पानी की बाल्टियाँ पास करने वाले लोगों के बजाय, यह मशीन बिजली के छोटे पैकेटों को एक स्थान से दूसरे स्थान तक पहुँचाने के लिए एक चलती हुई धातु की भुजा (आइए इसे "शटल" कहें) का उपयोग करती है। इस मशीन के तीन मुख्य भाग हैं: एक "स्रोत" इलेक्ट्रोट्रेड जिसमें एक छोटा, स्थिर वोल्टेज (जैसे कि 25,000 वोल्ट की बैटरी) होता है, एक "शटल" जो ऊपर और नीचे चलता है, और एक "कलेक्टर" कटोरा जो आवेश को पकड़ता है।
यह जादू कैसे होता है: शटल स्रोत के पास से शुरू होता है। स्रोत के विद्युत क्षेत्र के कारण, शटल पर थोड़ा आवेश प्रेरित (induce) होता है। फिर, शटल को ग्राउंड (पृथ्वी से जोड़ना) किया जाता है ताकि विपरीत आवेश बहकर बाहर जा सके, जिससे उस पर एक विशिष्ट आवेश रह जाता है। इसके बाद, शटल को ऊपर उठाया जाता है, ग्राउंड से अलग किया जाता है, और कलेक्टर कटोरे के ऊपर ले जाया जाता है। जब यह कटोरे को छूता है, तो यह अपना आवेश छोड़ देता है। मशीन इस चक्र को सैकड़ों बार दोहराती है। हर यात्रा के साथ, कलेक्टर कटोरा थोड़ा अधिक आवेशित होता जाता है, और वोल्टेज बढ़ता जाता है, जैसे कि पहाड़ से लुढ़कती हुई बर्फ की गेंद बड़ी होती जा रही हो।
टीम ने इस मशीन का परीक्षण कमरे के तापमान पर सल्फर हेक्साफ्लोराइड (SF6) नामक एक विशेष गैस से भरे टैंक के भीतर किया, जिसका उपयोग अक्सर बिजली को अंतराल के बीच से कूदने से रोकने के लिए किया जाता है (जैसे कि उच्च-वोल्टेज बिजली की लाइनों में)। उन्होंने 25,000 वोल्ट (25 kV) के इनपुट वोल्टेज से शुरुआत की। मशीन चलाने के कुछ समय बाद, वे इस वोल्टेज को बढ़ाकर लगभग 255,000 वोल्ट (255 kV) तक पहुँचाने में सफल रहे। यह दस गुना वृद्धि है, और यह बिना किसी तार को उच्च-वोल्टेज वाले हिस्से से बाहर की दुनिया से जोड़े किया गया था।
हालाँकि, यह यात्रा पूरी तरह से सुगम नहीं थी। वैज्ञानिकों ने पाया कि मशीन केवल इसलिए नहीं रुकी क्योंकि उसकी "शक्ति" खत्म हो गई थी या क्योंकि गैस टूट गई थी; बल्कि, मशीन ने एक सीमा (ceiling) को छुआ क्योंकि धातु की सतहों पर सूक्ष्म, अदृश्य उभार थे। जब वोल्टेज बहुत अधिक हो गया, तो बिजली छोटी-छोटी फुहारों के रूप में लीक होने लगी, ठीक वैसे ही जैसे यदि नोजल में एक छोटा सा दरार हो तो पानी स्प्रे के रूप में बाहर निकल सकता है। ये लीकेज धातु के इलेक्ट्रोडों पर सूक्ष्म खुरदरे धब्बों के कारण हुए थे। टीम ने पाया कि यदि वे धातु की सतहों को अत्यधिक चिकना बनाने के लिए उन्हें पॉलिश करते हैं, तो मशीन वोल्टेज को बहुत बेहतर तरीके से बनाए रख सकती है। उन्होंने यह भी पाया कि मशीन लंबे समय तक अविश्वसनीय रूप से स्थिर रही, जिसमें आवेश का बहुत कम रिसाव हुआ (पिकोएम्पियर के दायरे में, जो एक एम्पियर का एक-ट्रिलियनवाँ हिस्सा है), जिससे यह सिद्ध होता है कि एक बार वोल्टेज बन जाने के बाद, यह लंबे समय तक बना रह सकता है।
शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि यह "बकेट ब्रिगेड" मशीन बिल्कुल वैसा ही काम करती है जैसा गणित ने भविष्यवाणी की थी, जब तक कि आप इस बात का ध्यान रखें कि चलते हुए हिस्से पूरी तरह संरेखित (aligned) नहीं हैं और धातु की सतहों को पूरी तरह चिकना होना चाहिए। मुख्य निष्कर्ष यह है कि मशीन स्वयं एक सफलता है। इस परीक्षण में यह और भी उच्च वोल्टेज तक क्यों नहीं पहुँच सकी, इसका कारण डिज़ाइन में कोई दोष नहीं था, बल्कि गैस की सीमाएँ और धातु की सूक्ष्म खामियाँ थीं। यह भविष्य के लिए बहुत अच्छी खबर है, क्योंकि वैज्ञानिक इस मशीन को तरल हीलियम के साथ एक अत्यंत ठंडे वातावरण में उपयोग करने की योजना बना रहे हैं। चूंकि तरल हीलियम गैस की तुलना में बिजली के रिसाव को रोकने में बहुत बेहतर है, और चूंकि इस मशीन को तारों की आवश्यकता नहीं है, इसलिए यह "कैवलो मल्टीप्लायर" उन नए भौतिक विज्ञान प्रयोगों को अनलॉक करने की कुंजी हो सकता है जिन्हें ब्रह्मांड के सबसे ठंडे स्थानों में विशाल विद्युत क्षेत्र की आवश्यकता होती है।
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