Long-term performance of non-ALD MCP-PMTs in the high-radiation environment of ALICE

في قلب أوروبا، تحت الحدود بين فرنسا وسويسرا، تقوم آلة ضخمة تُعرف باسم مصادم الهادرونات الكبير بتحطيم الجسيمات معاً بسرعات تقترب من سرعة الضوء. وعندما تحدث هذه الاصطدامات، فإنها تخلق دفقاً من الجسيمات الجديدة التي تطير في جميع الاتجاهات. ولفهم اللبنات الأساسية للكون، يجب على العلماء التقاط هذه الشظايا العابرة وقياسها بدقة متناهية. وتتمثل إحدى المهام الأكثر حرجاً في تحديد التوقيت الدقيق لحدوث الاصطدام. فإذا انحرف التوقيت ولو بجزء ضئيل من الثانية، تصبح البيانات مشوشة وتضيع قصة الاصطدام. ولحل هذه المعضلة، يستخدم تجربة "أليس" (ALICE)، وهي أحد الكواشف الرئيسية في المصادم، نظاماً متخصصاً صُمم ليعمل كـساعة توقيت عالية السرعة. ويعتمد هذا النظام على ظاهرة تُسمى "تأثير تشيرينكوف"، والتي تحدث عندما يتحرك جسيم مشحون عبر مادة شفافة بسرعة أكبر من سرعة الضوء في تلك المادة نفسها. ويؤدي هذا إلى خلق ومضة زرقاء خافتة، تشبه الصدمة الصوتية ولكن للضوء. ومن خلال التقاط هذه الومضة باستخدام كاميرات حساسة، يمكن للكاشف تسجيل زمن الاصطدام بدقة مذهلة، تصل إلى بضعة تريليونات من أجزاء الثانية.

ومع ذلك، فإن الحفاظ على عمل هذه الكاميرات في مثل هذه البيئة العنيفة يمثل تحدياً هائلاً. فالمنطقة التي تحدث فيها الاصطدامات مغمورة بالإشعاع وتيار لا ينقطع من الجسيمات. ويجب أن تكون المستشعرات حساسة بما يكفي لاكتشاف ومضة ضوء واحدة، وفي الوقت نفسه قوية بما يكفي لتتحمل القصف بمليارات الجسيمات في كل ثانية دون أن تتلف. وقد أفاد فريق "أليس" مؤخراً عن الأداء طويل الأمد للمستشعرات المحددة التي اختاروها لهذه المهمة، والمعروفة باسم أنابيب التضاعف الضوئي ذات القنوات الدقيقة (microchannel plate photomultiplier tubes). وهي عبوّات مفرغة مملوءة بالملايين من القنوات الزجاجية الصغيرة التي تضاعف فوتوناً واحداً من الضوء إلى إشارة كهربائية قابلة للقياس. ووجد الباحثون أنه بينما تتدهور هذه المستشعرات بمرور الوقت بسبب الاستخدام المكثف، يمكن إبقاؤها تعمل بفعالية من خلال تعديل جهد التشغيل الخاص بها. والأكثر إثارة للدهشة هو اكتشافهم أن هذه المستشعرات تمتلك قدرة خفية على علاج نفسها عندما يتم إيقاف تشغيل الآلة لأغراض الصيانة، حيث تستعيد بعضاً مما فقدته من حساسية دون أي تدخل بشري.

إن كاشف "أليس" مجهز بنظام فرعي يُسمى "محفز التفاعل السريع" (Fast Interaction Trigger)، والذي يقع قريباً جداً من نقطة الاصطدام لمراقبة اللحظات الأولى من التصادم. يستخدم هذا النظام اثني وخمسين من هذه المستشعرات الضوئية المتخصصة المرتبة في مجموعتين. وتواجه المستشعرات الداخلية الحركة الأكثر كثافة، حيث تتعامل مع حمل فوتوني يعادل مائتي مليون إلكترون ضوئي لكل سنتيمتر مربع في الثانية. وهذا مقدار هائل من التيار الكهربائي بالنسبة لجهاز دقيق كهذا. وللتعامل مع ذلك، اختار الفريق نسخة محددة من المستشعر لا تستخدم طلاءً ذرياً خاصاً مخصصاً لإطالة عمرها، لأن ذلك الطلاء كان سيجعل المستشعر ضعيفاً جداً بحيث لا يستطيع تحمل التيار العالي. وبدلاً من ذلك، استخدموا النسخة القياسية، مقبولين بأنها ستتقادم بشكل أسرع، لكنهم راهنوا على قدرتهم على إدارة التآكل والتهالك من خلال التشغيل الدقيق.

وعلى مدى عدة سنوات من التشغيل، تتبع الباحثون كيفية أداء هذه المستشعرات تحت القصف المستمر. لقد راقبوا إجمالي الشحنة الكهربائية التي مرت عبر كل مستشعر، وهو مقيء لكيفية مقدار العمل الذي أنجزه الجهاز. وبحلول وقت تقريرهم، كانت أكثر المستشعرات استخداماً قد تراكمت عليها شحنة قدرها اثنين من الكولوم لكل سنتيمتر مربع. وكما هو متوقع، بدأت المستشعرات تفقد حساسيتها؛ حيث أنتجت الوحدات الأكثر تآكلاً حوالي أربعين بالمائة فقط من الإشارة التي كانت تنتجها سابقاً. ومع ذلك، وجد الفريق طريقة بسيطة للتعويض عن هذا الفقد؛ فمن خلال زيادة الجهد المورد للمستشعرات تدريجياً، تمكنوا من تعزيز الإشارة لتعود إلى قوتها الأصلية. والأهم من ذلك، أن هذا التعديل لم يؤثر على دقة التوقيت. فحتى مع تقادم المستشعرات وتشغيلها بجهد أعلى، حافظ النظام على قدرته على التمييز بين الاصطدامات بدقة زمنية تبلغ حوالي سبعة عشر بيكوثانية لصدامات البروتونات، وهي أفضل حتى لصدامات أيونات الرصاص الثقيلة. وقد أثبت ذلك أن المستشعرات يمكنها البقاء في البيئة القاسية للمنطقة الأمامية من الكاشف، بشرط أن يكون الفريق مستعداً لتعديل إعدادات الطاقة مع تآكل الأجهزة.

كما كشفت الدراسة أن المستشعرات لا تتقادم جميعها بنفس المعدل. فبينما تدهورت معظم المستشعرات ذات الإضاءة المتساوية بسرعة متطابقة تقريباً، تآكلت وحدتان محددتان بسرعة أكبر بكثير من البقية. وقد أرجع الباحثون ذلك إلى بداية التجربة، حيث وجدوا أن هاتين الوحدتين سريعتي التآكل كانتا بالفعل من أكثر المستشعرات ضجيجاً قبل تشغيلهما. ويشير هذا إلى أن الجودة الأولية للمستشعر، وتحديداً مستوى الضوضاء الخلفية فيه، هي مؤشر قوي على مدى طول عمره تحت الاستخدام الكثيف. ويساعد هذا الاكتشاف العلماء على فهم أنه بينما البيئة قاسية، فإن الخصائص الجوهرية للمكونات الفردية تلعب دوراً رئيسياً في بقائها.

ولعل الاكتشاف الأكثر إثارة للاهتمام جاء خلال فترات التوقف الطويلة للآلة لأعمال الصيانة التقنية. فقد لاحظ الباحثون أنه عندما تُترك المستشعرات في الظلام لشهور، فإنها لا تظل خاملة فحسب، بل تتحسن فعلياً. فخلال هذه الفترات الممتدة من التوقف، استعادت المستشعرات المتقادمة تلقائياً حوالي ثمانية بالمائة من حساسيتها المفقودة. حدث هذا التعافي الذاتي دون أي تغيير في المعدات أو البيئة، والتي ظلت عند درجة حرارة ثابتة. والمستشعرات التي لم تتقادم بشكل كبير لم تظهر أي تعافٍ مماثل، مما يشير إلى أن عملية الشفاء مرتبطة تحديداً بالتآكل والتهالك الذي عانته المستشعرات. وقد لاحظ الفريق هذا النمط باستمرار خلال فترتين من التوقف، استمرت كل منهما حوالي 160 يوماً. وبينما تظل الآلية الفيزيائية الدقيقة وراء هذا التعافي لغزاً، فإن التأثير حقيقي وقابل للقياس. وهو يشير إلى أن الضرر الناجم عن التيار العالي ليس دائماً بالكامل، وأن المادة داخل المستشعر يمكن أن ترمم نفسها جزئياً عندما تأخذ قسطاً من الراحة.

يمثل هذا العمل أول استخدام واسع النطاق لهذه المستشعرات المحددة في تجربة فيزياء عالية الطاقة. وتظهر النتائج أنه من خلال اختيار النوع الصحيح من المستشعرات وإدارة ظروف التشغيل، يمكن تشغيل كاشف توقيت عالي السرعة في واحدة من أكثر البيئات غزارة بالإشعاع في العالم. وقد أثبت الفريق أنه حتى مع التقادم الكبير، يمكن للكاشف الحفاظ على التوقيت الدقيق اللازم لدراسة أصغر جسيمات الكون. ويضيف اكتشاف تأثير التعافي الذاتي طبقة جديدة من الأمل لطول عمر هذه الأجهزة، مما يشير إلى أن التآكل والتهالك الناتج عن المصادم قد يكون أقل ديمومة مما كان يُعتقد سابقاً. ومع استمرار التجربة، يخطط الباحثون لاستخراج أكثر المستشعرات تقادماً في نهاية فترة التشغيل الحالية لدراستها بالتفصيل، آملين في كشف السر وراء قدرتها على النهوض مجدداً. وحتى ذلك الحين، تستمر الكواشف في العمل، وتلتقط اللحظات العابرة للاصطدامات الكونية بمرونة ملحوظة.