A high-voltage MR-ToF mass spectrometer and separator for the study of exotic isotopes at FRIB

ब्रह्मांड के केंद्र में परमाणु नाभिकों का एक विशाल, अदृश्य परिदृश्य स्थित है, जो वे सूक्ष्म केंद्र हैं जो पदार्थ को उसकी पहचान देते हैं। इनमें से कुछ केंद्र स्थिर और परिचित हैं, जो हमारे चारों ओर की दुनिया का निर्माण करते हैं, जबकि अन्य विलक्षण, क्षणिक और केवल सबसे हिंसक ब्रह्मांडीय घटनाओं में जन्म लेते हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से इस भूभाग का मानचित्रण करने का प्रयास कर रहे हैं, इन नाभिकों का सटीक वजन मापने के लिए ताकि यह समझा जा सके कि तारे तत्वों को कैसे गढ़ते हैं और ब्रह्मांड कैसे विकसित हुआ। हालाँकि, इनमें से कई विलक्षण रूप इतने अस्थिर होते हैं कि वे एक सेकंड के अंश में ही गायब हो जाते हैं, जिससे उनका अध्ययन करना अविश्वसनीय रूप से कठिन हो जाता है। उन्हें पकड़ने के लिए, शोधकर्ताओं को ऐसे उपकरणों की आवश्यकता है जो न केवल इन क्षणिक कणों को अत्यधिक सटीकता के साथ तौल सकें, बल्कि उन्हें उन अन्य परमाणुओं के अराजक मिश्रण से भी अलग कर सकें जो उसी समय पहुँचते हैं। यह चुनौती एक बहती हुई नदी में एक विशिष्ट रेत के कण की पहचान करने के समान है, जबकि पानी उच्च गति से चल रहा हो।

इस चुनौती का समाधान करने के लिए, मिशिगन में फैसिलिटी फॉर रेयर आइसोटोप बीम्स (FRIB) में शोधकर्ताओं की एक टीम एक नया उपकरण डिजाइन कर रही है जिसे मल्टी-रिफ्लेक्शन टाइम-ऑफ-फ्लाईट मास स्पेक्ट्रोमीटर कहा जाता है। यह उपकरण एक अत्यधिक चयनात्मक फिल्टर और अस्तित्व के दुर्लभतम परमाणुओं के लिए एक अति-सटीक तराजू के रूप में कार्य करने के लिए बनाया गया है। मूल विचार सरल लेकिन शक्तिशाली है: आयनों (जो आवेशित परमाणु हैं) को दो दर्पणों के बीच कई बार वापस उछालकर (बाउंस करके), यह मशीन उन्हें उनके वजन के आधार पर अलग करने की अनुमति देती है। भारी आयन हल्के आयनों की तुलना में अपनी यात्रा पूरी करने में थोड़ा अधिक समय लेते हैं। हजारों उछालों के बाद, यात्रा के समय में ये सूक्ष्म अंतर जुड़ जाते हैं, जिससे आयन फैल जाते हैं ताकि वैज्ञानिक उन्हें एक-दूसरे से अलग पहचान सकें। नया डिज़ाइन इस अवधारणा को और आगे बढ़ाता है क्योंकि यह इन आयनों को पहले की तुलना में बहुत उच्च ऊर्जा स्तर पर संग्रहीत करता है, जिससे मशीन अपनी तीक्ष्णता खोए बिना बड़ी संख्या में कणों को संभाल सकती है।

वह सुविधा जहाँ यह उपकरण रहेगा, जिसे FRIB के रूप में जाना जाता है, भारी परमाणुओं को एक लक्ष्य (टारगेट) से टकराकर विविध प्रकार के दुर्लभ आइसोटोप उत्पन्न करती है। इसके परिणामस्वरूप निकलने वाले कणों के छिड़काव को फिर धीमा किया जाता है और रोका जाता है, जिससे एक बीम बनती है जिसका अध्ययन किया जा सकता है। हालाँकि, यह बीम शायद ही कभी शुद्ध होती है; यह अक्सर अन्य परमाणुओं से दूषित होती है जो बहुत समान दिखते हैं या रासायनिक रूप से समान हैं लेकिन जिनका वजन अलग है। अतीत में, वैज्ञानिकों को पुराने तरीकों पर निर्भर रहना पड़ता था जो केवल कणों की एक छोटी संख्या को संभाल सकते थे या बहुत समान वजनों के बीच अंतर करने की सटीकता की कमी रखते थे। नई मशीन इस मामले में बदलाव लाने का लक्ष्य रखती है, जो आयनों को 30 किलोइलेक्ट्रॉनवोल्ट की गतिज ऊर्जा पर संग्रहीत करती है, जो समान उपकरणों में उपयोग किए जाने वाले विशिष्ट 2 किलोइलेक्ट्रॉनवोल्ट से एक महत्वपूर्ण वृद्धि है। यह उच्च ऊर्जा प्रणाली को आयनों को बहुत तेज़ी से और उनकी गति के उतार-चढ़ाव के प्रति अधिक सहनशीलता के साथ संसाधित करने की अनुमति देती है, जिससे एक ही प्रयोग में अध्ययन किए जाने वाले कणों की संख्या में नाटकीय वृद्धि होती है।

शोधकर्ताओं ने विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके यह परीक्षण किया है कि यह उच्च-ऊर्जा डिज़ाइन कैसा प्रदर्शन करेगा। ये सिमुलेशन दिखाते हैं कि नया उपकरण आयनों को इतनी सटीकता से अलग कर सकता है कि यह दो प्रकार के परमाणुओं के बीच अंतर कर सके जिनका द्रव्यमान में केवल एक अंश में सौ हजार का अंतर हो। स्पष्टता का यह स्तर उन विशिष्ट आइसोटोपों की पहचान करने के लिए महत्वपूर्ण है जिन्हें पहले कभी नहीं देखा गया है। इसके अलावा, सिमुलेशन बताते हैं कि मशीन प्रति सेकंड 1,00,000 आयनों को संभाल सकती है और साथ ही उच्च सटीकता बनाए रख सकती है। यह वर्तमान तकनीक की तुलना में एक विशाल सुधार है, जो संकेतों के धुंधले होने के बिना प्रति सेकंड कुछ हज़ार आयनों को अलग करने के लिए संघर्ष करती है। इतनी उच्च दरों को संभालने की क्षमता का अर्थ है कि वैज्ञानिक उन आइसोटोप्स का अध्ययन कर सकते हैं जो बहुत कम मात्रा में उत्पादित होते हैं, जिससे उन खोजों के द्वार खुल जाते हैं जो पहले असंभव थीं।

डिज़ाइन की एक प्रमुख विशेषता प्रयोगों तक पहुँचने से पहले बीम को साफ करने की इसकी क्षमता है। मशीन एक विशेष गेट का उपयोग करती है, जो पतले तारों से बना एक उपकरण है जो एक माइक्रोसेकंड के अंश में चालू या बंद किया जा सकता है, ताकि अवांछित कणों को रोका जा सके। जब वांछित आयन गुजरते हैं, तो गेट खुला होता है, लेकिन जब अवांछित दूषित पदार्थ आते हैं, तो गेट बंद हो जाता है या उन्हें दूर हटा देता है। यह सुनिश्चित करता है कि केवल शुद्धतम बीम ही निचले स्तर के स्टेशनों तक पहुँचे जहाँ अन्य प्रयोग प्रतीक्षा कर रहे हैं। टीम ने इन दूषित पदार्थों को हटाने के अन्य तरीकों का भी पता लगाया, जिसमें विद्युत क्षेत्रों का उपयोग करके उन्हें रास्ते से हटाना या उन्हें एक अलग कक्ष में फिर से रोकना शामिल था। उन्होंने पाया कि वायर गेट, उच्च ऊर्जा वाली बीम के साथ मिलकर, गति और शुद्धता का सबसे अच्छा संतुलन प्रदान करता है, जो लक्षित आयनों के बहुत करीब के वजन वाले दूषित पदार्थों को हटाने में सक्षम है।

सिमुलेशन ने यह भी खुलासा किया कि यदि आवश्यक हो तो मशीन को विशिष्ट प्रयोगों के लिए 15 या 3 किलोइलेक्ट्रॉनवोल्ट जैसे विभिन्न ऊर्जा स्तरों पर संचालित करने के लिए ट्यून किया जा सकता है। इन निम्न ऊर्जाओं पर भी, यह उपकरण मौजूदा निम्न-ऊर्जा मशीनों से बेहतर प्रदर्शन करेगा, हालांकि उच्चतम प्रदर्शन पूर्ण 30 किलोइलेक्ट्रॉनवोल्ट पर प्राप्त होता है। यह लचीलापन सुविधा को विभिन्न अनुसंधान कार्यक्रमों की आवश्यकताओं के अनुरूप ढलने की अनुमति देता है। डिज़ाइन में एक कूलिंग सिस्टम शामिल है जो आयनों को मुख्य भंडारण क्षेत्र में प्रवेश करने से पहले घने गुच्छों (बंच) में एकत्र करता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि वे सटीक माप के लिए तैयार हैं। यह तैयारी चरण महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह आयनों के आगमन के समय के प्रसार को कम करता है, जो सबसे समान आइसोटोपों को अलग करने के लिए आवश्यक उच्च रिज़ॉल्यूशन प्राप्त करने के लिए अनिवार्य है।

इस नए उपकरण का प्रभाव केवल परमाणुओं को तौलने तक ही सीमित नहीं है। इन अवांछित दूषकों से मुक्त बीम प्रदान करके, यह अन्य अध्ययनों की एक विस्तृत श्रृंखला को सक्षम बनाता है, जैसे कि इन दुर्लभ आइसोटोपों के क्षय (डिके) को देखना या यह देखना कि वे अन्य कणों के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। यह विशेष रूप से उन प्रक्रियाओं को समझने के लिए महत्वपूर्ण है जो न्यूट्रॉन सितारों और सुपरनोवा में होती हैं, जहाँ ये विलक्षण तत्व बनते हैं। मशीन एक नैदानिक उपकरण (डायग्नोस्टिक टूल) के रूप में भी कार्य करेगी, जिससे वैज्ञानिक अपनी बीम में क्या है इसकी तेज़ी से जाँच कर सकेंगे और अपने प्रयोगों को तदनुसार समायोजित कर सकेंगे। यह क्षमता बहुमूल्य समय बचाती है और यह सुनिश्चित करती है कि सुविधा हमेशा अपने सर्वश्रेष्ठ स्तर पर संचालित हो।

शोधकर्ता आश्वस्त हैं कि उनका डिज़ाइन उनके सिमुलेशन की मजबूती और दुनिया भर की अन्य प्रयोगशालाओं में समान, हालांकि कम शक्तिशाली, उपकरणों की सफलता के आधार पर काम करेगा। उन्होंने विद्युत उतार-चढ़ाव और आयनों के बीच प्रतिकर्षण जैसे संभावित मुद्दों को भी ध्यान में रखा है, और पाया है कि उच्च-ऊर्जा डिज़ाइन इन चुनौतियों को संभालने के लिए पर्याप्त मजबूत है। हालाँकि मशीन को अभी तक वास्तविक आयनों के साथ बनाया और परीक्षण नहीं किया गया है, सिमुलेशन इसके निर्माण के लिए एक मजबूत आधार प्रदान करते हैं। टीम की योजना उपकरण बनाने, इसे मानक आयन स्रोतों के साथ परीक्षण करने और अंततः इसे सुविधा के मुख्य बीमलाइन में एकीकृत करने की है। एक बार चालू होने के बाद, यह सुविधा की क्षमताओं के आधार स्तंभ के रूप में कार्य करेगा, जो उन प्रयोगों की एक नई पीढ़ी को सक्षम करेगा जो परमाणु नाभिक के गहरे रहस्यों की जांच करते हैं।

यह कार्य पदार्थ के निर्माण खंडों को समझने की खोज में एक महत्वपूर्ण कदम है। उच्च ऊर्जा को सटीक समय और चतुर इंजीनियरिंग के साथ जोड़कर, नया मास स्पेक्ट्रोमीटर उन आइसोटोप्स के अध्ययन को अनलॉक करने का वादा करता है जो अब तक छिपे हुए रहे हैं। यह वैज्ञानिकों को परमाणु परिदृश्य के किनारों का मानचित्रण करने की अनुमति देगा, वह भी ऐसी स्पष्टता के साथ जो पहले पहुंच से बाहर थी, जिससे प्राप्त डेटा हमारे ब्रह्मांड कैसे काम करता है, इसके सिद्धांतों को परिष्कृत करेगा। कणों के अराजक छिड़काव से एक शुद्ध, सुपरिभाषित बीम तक की यात्रा शोधकर्ताओं की बुद्धिमत्ता का प्रमाण है, जिन्होंने एक जटिल भौतिक चुनौती को खोज के एक व्यावहारिक उपकरण में बदल दिया है। जैसे-जैसे यह सुविधा विकसित होती रहेगी, यह उपकरण त्वरक (एक्सेलेरेटर) की कच्ची शक्ति और विज्ञान के अग्रिम मोर्चों की खोज के लिए आवश्यक सूक्ष्म सटीकता के बीच एक सेतु के रूप में खड़ा रहेगा।