Characterization of Next Generation Power Over Fiber Systems under Cryogenic Conditions for Advanced Physics Instrumentation

في أعماق الأرض، داخل القاعات الشاسعة والصامتة لتجارب فيزياء الجسيمات، يبني العلماء كواشف لالتقاط الهمسات الشبحية للنيوترينوات. نادراً ما تتفاعل هذه الجسيمات مع المادة، لذا، ومن أجل اصطيادها، يملأ الباحثون خزانات ضخمة بالأرغون السائل المبرد إلى درجات حرارة أبرد بكما في سطح كوكب بلوتو. داخل هذه الظلمة المتجمدة، يجب أن تعمل الكاميرات والإلكترونيات الحساسة لتسجيل الومضات الخافتة من الضوء الناتجة عن اصطدام نيوترينو بذرة. ومع ذلك، فإن تزويد هذه الإلكترونيات بالطاقة يمثل لغزاً فريداً؛ إذ إن إدخال أسلاك كهربائية قياسية أمر خطير لأن الجهد العالي المطلوب لتشغيل الكاشف قد يتسبب في حدوث ماس كهربائي كارثي في السائل. علاوة على ذلك، تجعل البرودة الشديدة الكابلات القياسية هشة وعرضة للتلف. لسنوات، استخدم العلماء حلاً ذكياً يُسمى "الطاقة عبر الألياف" (power-over-fiber)، حيث يحمل الضي نفسه الطاقة اللازمة لتشغيل الإلكترونيات، مسافراً عبر خيط زجاجي محصن ضد التداخل الكهربائي. ولكن مع نمو هذه التجارب وزيادة حساسيتها، بدأت الأساليب القديمة تصطدم بحائط مسدود؛ فالضوء المستخدم في الأنظمة السابقة كان يتسرب من الكابلات ويربك الكاميرات الدقيقة، بينما كانت البرودة تسرق الكثير من الطاقة قبل أن تصل إلى وجهتها.

لقد وضع فريق من الباحثين هدفاً لحل هذه المشكلات من خلال اختبار جيل جديد من أنظمة الطاقة عبر الألياف المصمم للعمل في التجمد العميق للأرغون السائل. وبدلاً من استخدام الموجات الضوئية الأقصر والأكثر احمراراً التي استُخدمت في الماضي، توجهوا إلى أطوال موجية تحت حمراء أطول، وهي غير مرئية للعين البشرية وأقل عرضة لإزعاج الكواشف الحساسة. واختبروا لونين محددين من هذا الضوء غير المرئي، أحدهما عند 1470 نانومتر والآخر عند 1550 نانومتر، لمعرفة ما إذا كان بإمكانهما توصيل الطاقة بكفاءة وهدوء أكبر من السابق. لم يكتفِ الفريق ببناء النظام فحسب، بل قاموا بقياس كل مكون بدقة متناهية لفهم كيفية سلوكه عند غمره في النيتروجين السائل، والذي استُخدم كبديل للأرغون السائل المستخدم في التجارب الفعلية. أرادوا معرفة مقدار الطاقة التي يمكن أن تولدها الليزرات بالضبط، ومقدار الطاقة التي ستفقدها الألياف الزجاجية مع انخفاض درجة الحرارة، ومدى جودة الأجهزة الخاصة الشبيهة بالخلايا الشمسية في تحويل ذلك الضوء مرة أخرى إلى كهرباء.

بدأ الباحثون بتوصيف الليزرات التي ستعمل كمصدر للطاقة. فقد اختبروا أجهزة إرسال ليزر جاهزة قادرة على إطلاق الضوء عند 1470 و1550 نانومتر. ومن خلال قياس الكهرباء المدخلة إلى الليزر والضوء الخارج منه بعناية، وجدوا أن هذه الأجهزة كانت فعالة للغاية، حيث حولت حوالي 24 بالمائة من الطاقة الكهربائية إلى ضوء عند 1470 نانومتر وحوالي 28 بالمائة عند 1550 نانومتر. كما بنوا مشغلاً مخصصاً للتحكم في هذه الليزرات، وأثبتوا قدرته على العمل باستقرار لمدة ساعة مع تقلبات طفيفة فقط في الطاقة. كانت هذه خطوة أولى حاسمة، لضمان أن قلب النظام يمكن أن ينبض بموثوقية في البيئة القاسية.

بعد ذلك، وجه الفريق اهتمامه إلى الألياف الزجاجية نفسها، وهي الأوردة التي ستنتقل من خلالها الطاقة. قاموا بقياس مقدار الضوء المفقود أثناء انتقاله عبر الألياف في درجة حرارة الغرفة، ثم كرروا التجربة بعد غمر الألياف في النيتروجين السائل. تسببت البرودة في خسائر إضافية، لكن الفريق وجد أن الضوء عند طول موجي 1550 نانومتر صمد بشكل أفضل من الضوء عند 1470 نانومتر عبر المسافات الطويلة. ففي درجة حرارة الغرفة، فقدت إشارة 1550 نانومتر القليل جداً من الطاقة، ولكن عندما تجمدت، واجهت صعوداً أكثر حدة. أما إشارة 1470 نانومتر، ورغم فقدانها لمزيد من الطاقة في البرد، إلا أنها ظلت توفر مساراً قابلاً للتطبيق. ومن خلال دمج هذه القياسات، استطاع الباحثون التنبؤ بدقة بمقدار الطاقة التي ستنجو في رحلة لمسافة 50 متراً أو أكثر، وهي مسافة ذات صلة بالكواشف الضخمة المخطط لها في المستقبل.

كان المكون الأكثر أهمية هو المستقبل، وهو جهاز يُسمى "محول القدرة الضوئية" الذي يعمل مثل الخلية الشمسية لضوء الليزر. اختبر الفريق هذه المحولات عند درجات حرارة برودية شديدة لمعرفة مدى جودة تحويلها الضوء الواصل إلى كهرباء. كانت النتائج مذهلة؛ فقد حقق المحول المصمم لضوء 1470 نانومتر كفاءة بلغت حوالي 64 بالمائة، مما يعني أنه حول ما يقرب من ثلثي الضوء الوارد إلى طاقة كهربائية قابلة للاستخدام. كان هذا تحسناً كبيراً مقارنة بالأنظمة القديمة التي استخدمت ضوء 808 نانومتر، والتي كانت تصل كفاءتها عادةً إلى حوالي 50 إلى 55 بالمائة في البرد. أما المحول الخاص بضوء 1550 نانومتر فكان أقل كفاءة، حيث حقق حوالي 22 بالمائة، مما جعل نظام 1470 نانومتر الفائز بوضوح في تقديم طاقة عالية في التجمد العميق.

ومع ذلك، فإن توصيل الطاقة يمثل نصف المعركة فقط؛ فنصف المعركة الآخر هو ضمان عدم تسرب الضوء للخارج وإعماء الكاميرات الحساسة التي تراقب النيوترينوات. وضع الباحثون اختباراً صارماً لقياس مقدار الضوء الذي يتسرب من الألياف والمحولات. استخدموا سلسلة من كواشف الضوء شديدة الحساسية، تشبه تلك المستخدمة في تجارب النيوترينو الفعلية، لعد أي فوتونات شاردة. وعندما اختبروا نظام 808 نانومتر القديم، اشتعلت الكواشف، حيث سجلت آلاف الإشارات الإضافية الناتجة عن تسرب الضوء من الكابلات. وفي المقابل، عندما انتقلوا إلى أنظمة 1470 و1550 نانومتر الجديدة، انخفض الضجيج بشكل كبير؛ حيث انخفضت الإشارات الزائدة بنحو رتبتين من المقدار، مما يعني أن النظام الجديد كان أهدأ بنحو مائة ضعف. وحتى عندما تعرض محول القدرة نفسه، كان التسرب قابلاً للإدارة، لكن الألياف وحدها كانت صامتة تماماً تقريباً. هذا الانخفاض في ضجيج الخلفية أمر حيوي، لأنه يسمح للكواشف برؤية أضعف الإشارات من الكون دون أن تطغى عليها أنظمة الطاقة نفسها.

توفر نتائج هذا العمل أساساً متيناً للجيل القادم من كواشف النيوترينو، مثل تلك المخطط لها في تجربة النيوترينو تحت الأرض العميقة (Deep Underground Neutrino Experiment). ومن خلال إثبات إمكانية توصيل ضوء 1470 نانومتر بكفاءة عبر ألياف طويلة وباردة مع حد أدنى من التسرب، فتح الباحثون الباب لتزويد مجموعات ضخمة من المستشعرات بالطاقة، وهو أمر كان مستحيلاً في السابق من الناحية الكهربائية الآمنة. إن البيانات التي جمعوها حول مقدار الطاقة المفقودة في البرد ومقدار ما يتم تحويله مرة أخرى إلى كهرباء تسمح للمهندسين بتصميم أنظمة ستعمل بموثوقية لعقود. وبينما يوفر خيار 1550 نانومتر مقايضات مختلفة، فإن نظام 1470 نانومتر يبرز كحل قوي للظروف القاسية. لا يحل هذا العمل مشكلة تقنية فحسب، بل يضمن أن الجيل القادم من التجارب يمكنه الاستماع إلى الكون بوضوح غير مسبوق، بعيداً عن الضجيج الكهربائي الذي كان يهدد يوماً ما بإغراق الهمسات الكونية.