Kosmiko: From CMOS Imaging Sensors to Pixel-Calibrated Particle Instruments
تقدم هذه الورقة "كوزميكو" (Kosmiko)، وهي منهجية منخفضة التكلفة وقابلة لإعادة الإنتاج تستخدم مستشعرات CMOS يتم التحكم فيها بواسطة "راسبيري باي" (Raspberry Pi) للكشف عن أحداث الإشعاع المؤين في البيئات الطبيعية وتصفيتها من خلال المعايرة الآنية للبكسلات، مما يتيح المراقبة طويلة الأمد والتحليل المقارن لمعدلات الأحداث دون تحديد أنواع جسيمات معينة.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
إن السماء فوقنا ليست فارغة حقاً. فحتى في يوم مشمس وصافٍ، هناك مطر مستمر من الجسيمات غير المرئية القادمة من أعماق الفضاء ومن تحلل العناصر الطبيعية داخل الأرض نفسها يمر عبر كل شيء. هذه هي الأشعة الكونية وأشكال أخرى من الإشعاع المؤين. وعندما تصطدم هذه الأشعة بالمادة، فإنها تترك وراءها أثراً باهتاً من الطاقة، شرارة ضئيلة يمكن اكتشافها إذا عرف المرء أين يبحث. لعقود من الزمن، استخدم العلماء معدات متخصصة وباهظة الثمن لقياس هذا المطر غير المرئي، لكن مثل هذه الأدوات ثقيلة ومكلفة ويصعب نشرها بأعداد كبيرة. وكان السؤال المطروح منذ فترة طويلة هو ما إذا كان يمكن استدراج الكاميرات التي نحملها بالفعل في جيوبنا أو نثبتها على أسطح منازلنا لرؤية هذا الإشعاع نفسه، وتحويل الأجهزة اليومية إلى شبكة واسعة وموزعة من المستشعرات.
لقد أجاب فريق من الباحثين في فرنسا على هذا السؤال بنظام جديد منخفض التكلفة يطلقون عليه اسم "كوزميكو" (Kosmiko). فبدلاً من بناء آلة معقدة من الصفر، قاموا ببناء كاشف باستخدام لوحة كمبيوتر صغيرة وبأسعار معقولة ووحدتي كاميرا قياسيتين، من النوع المستخدم غالباً في تصوير الفيديو عالي الجودة. وضعوا هذه الكاميرات في ظلام دامس، ونزعوا عدساتها ومرشحاتها، وبرمجوا لتحدق في الفراغ لساعات طويلة في كل مرة. لم يكن الهدف هو التقاط صور للعالم، بل الاستماع إلى الشرارات الكهربائية الصغيرة التي تحدث عندما يصطدم جسيم واحد من الإشعاع بمستشعر السيليكون الخاص بالكاميرا. ومن خلال التعامل مع كل نقطة صغيرة على المستشعر ككاشف مستقل بذاته، ابتكر الفريق طريقة لرصد هذه الأحداث دون أن يطغى عليها الضجيج الداخلي للكاميرا.
تبدأ العملية بمعايرة دقيقة. فقبل أن تبدأ الكاميرات مراقبتها الطويلة، تلتقط آلاف الصور في الظلام للتعرف على الشكل "الطبيعي" لكل بكسل على حدة. وهذا يسمح للنظام بفهم الهمهمة الخلفية الفريدة لكل نقطة، والتمييز بين خلل إلكتروني عشوائي وبين ضربة حقيقية من جسيم ما. وبمجرد أن تصبح الكاميرات جاهزة، تبدأ دورة مدتها اثنتا عشرة ساعة، حيث تلتقط صوراً بمعدل صورة واحدة تقريباً في الثانية. يقوم البرنامج الذي يعمل على لوحة الكمبيوتر الصغيرة بفحص كل بكسل في كل إطار مقابل عتبته الشخصية. وإذا توهج بكسل فجأة بشكل أكثر سطوعاً من حالته المظلمة المعتادة، فإن النظام يصنفه كحدث مرشح. ومن الأهمية بمكان أن النظام لا يحفظ الصورة بأكملها، لأن ذلك سيملأ بطاقة الذاكرة في دقائق معدودة؛ بدلاً من ذلك، يحفظ فقط إحداثيات وسطوع البكسلات التي اشتعلت، بالإضافة إلى وقت اشتعالها. هذا الاختزال الهائل في البيانات يسمح للجهاز بالعمل لأيام أو أساباء، حيث يجمع دفقاً من الأحداث بدلاً من جبل من الصور الفارغة.
اختبر الباحثون هذه الطريقة في مواقع مختلفة لمعرفة ما ستجده الكاميرات. بدأوا عند مستوى سطح البحر، حيث كان معدل الأحداث المكتشفة مرتفعاً، كما هو متوقع. ثم نقلوا الجهاز إلى عمق الأرض، إلى مختبر محمي بـ 1500 متر من الصخور والمياه. توقعوا أن ينخفض معدل الأحداث بشكل كبير، حيث ستحجب الصخور معظم الأشعة الكونية القادمة من الفضاء. ولكن، ويا للمفاجأة، لم ينخفض المعدل بالقدر الذي كانوا يأملونه؛ إذ استمرت الكاميرات في تسجيل دفق مستمر من الضربات. دفع هذا الفريق للتحقيق فيما قد يكون مسبباً لهذه الإشارات الأخرى. أدركوا أن الكاميرا نفسها، وتحديداً العدسة الزجاجية ومرشح الأشعة تحت الحمراء الموجود أمام المستشعر مباشرة، يحتويان على آثار من العناصر المشعة الطبيعية. كانت هذه العناصر تتحلل وتطلق جسيمات مباشرة نحو المستشعر، مما خلق ضجيجاً خلفياً يحجب إشارة الأشعة الكونية الحقيقية.
عندما أزال الباحثون العدسة والمرشح، تاركين المستشعر مكشوفاً، تغيرت النتائج على الفور. ففي اختباراتهم تحت الأرض، انخفض معدل الأحداث بشكل ملحوظ، مما أكد أن مكونات الكاميرا نفسها كانت مصدراً رئيسياً للإشارات الخاطئة. ومع إزالة هذه الأجزاء، أصبح الجهاز أكثر نقاءً. ولإثبات أن الإشارات المتبقية هي بالفعل ناتجة عن الإشعاع، عرض الفريق الكاميرات لمصادر معروفة من أشعة غاما وجسيمات ألفا. واستجابت الكاميرات بأنماط متميزة: حيث خلفت أشعة غاما مجموعات صغيرة ومشتتة من البكسلات الساطعة، بينما تركت جسيمات ألفا الأثقل خلفها كتلًا أكبر وأكثر تماسكاً. تم تسجيل هذه الأنماط كفئات مورفولوجية (شكلية) محددة — مثل "شبه المسار" أو "المجموعة المتراصة" — بدلاً من تحديد أنواع الجسيمات بدقة. وقد أكد ذلك أن النظام يعمل كما هو مخطط له، وقادر على تصنيف أحداث التأين بناءً على شكل وحجم المجموعات التي تتركها.
تضمنت المرحلة النهائية من الدراسة اختباراً واسع النطاق للموثوقية. نشر الفريق عشرين من هذه الأجهزة، بإجمالي أربعين كاميرا، عبر ستة مواقع مختلفة في فرنسا، تتراوح من الساحل إلى المرتفعات الجبلية العالية. ووجدوا أن الأجهزة أنتجت نتائج متسقة أينما وضعت. فقد أعطت الكاميرا في مدينة ما نفس القراءة التي تعطيها كاميرا متطابقة في مدينة أخرى في نفس الوقت، مما يثبت أن الطريقة قابلة للتكرار ومتينة. وبينما تباين العدد الدقيق للأحداث من مكان لآخر، ويرجع ذلك على الأرجح إلى الاختلافات في الارتفاع والجيولوجيا المحلية، أثبت النظام قدرته على رسم خريطة لبيئة الإشعاع غير المرئية بمستوى من التفصيل كان مستحيلاً سابقاً لمثل هذه الأدوات منخفضة التكلفة.
لا يدعي هذا العمل تحديد كل نوع من أنواع الجسيمات أو تقديم قياس مثالي لتدفق الأشعة الكونية. فالمستشعرات رقيقة جداً بحيث لا تستطيع التقاط كل جسيم يمر عبرها، ولا يستطيع النظام بعد التمييز بين شعاع كوني وجسيم من مصدر مشع محلي دون معايرة دقيقة. ومع ذلك، نجحت الدراسة في إثبات طريقة جديدة لمراقبة بيئة الإشعاع الطبيعية. فمن خلال تحويل كاميرا قياسية إلى كاشف جسيمات تمت معايرته، أظهر الباحثون أنه من الممكن بناء شبكة من المستشعرات رخيصة الثمن، وسهلة النشر، ومفيدة علمياً. تقدم هذه الطريقة مساراً عملياً للمضي قدماً في مراقبة مستويات الإشعاع في بيئات متنوعة، من سطح الأرض إلى أعماق المختبرات تحت الأرض، باستخدام تكنولوجيا متاحة للجميع بالفعل.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.