A muon scattering tomography system based on high spatial resolution scintillating detector

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड लगातार हम पर बरस रहा है, पानी के साथ नहीं, बल्कि म्यूऑन (muons) नामक सूक्ष्म, भूतिया कणों के साथ। ये कण तब पैदा होते हैं जब गहरे अंतरिक्ष से आने वाली कॉस्मिक किरणें हमारे वायुमंडल से टकराती हैं। वे अविश्वसनीय रूप से कठिन यात्री हैं; वे पहाड़ों, सीसे की दीवारों और यहाँ तक कि एक जहाज के ढांचे को भी बिना रुके भेद सकते हैं। वैज्ञानिकों ने महसूस किया है कि क्योंकि ये कण इतने भेदन क्षमता वाले होते हैं, इसलिए उन्हें उन चीजों के अंदर देखने के लिए एक सुपर-पावरफुल एक्स-रे की तरह इस्तेमाल किया जा सकता है जो सामान्य कैमरों के लिए बहुत मोटी या घनी होती हैं। यह म्यूऑन टोमोग्राफी (muon tomography) की दुनिया है। इसका उपयोग करने के दो मुख्य तरीके हैं: एक यह मापता है कि कितने म्यूऑन रुक जाते हैं (जैसे यह गिनना कि छत पर कितनी बारिश की बूंदें गिरीं), और दूसरा, जो इस कहानी का मुख्य पात्र है, यह मापता है कि जब ये म्यूऑन किसी वस्तु के भीतर भारी चीज़ों से टकराते हैं तो वे कितना डगमगाते हैं या बिखरते (scatter) हैं। यदि आप ठीक से ट्रैक कर सकते हैं कि ये ब्रह्मांडीय यात्री कैसे इधर-उधर घूमते हैं, तो आप बिना ढक्कन खोले या बिना खुद किसी रेडियोधर्मी स्रोत का उपयोग किए, किसी कार्गो कंटेनर, परमाणु कचरे के बैरल या ज्वालामुखी के अंदर क्या छिपा है, इसका 3D मानचित्र बना सकते हैं।

इस शोध पत्र के शोधकर्ताओं ने इस तरह के कॉस्मिक स्कैनिंग के लिए एक बेहतर "आँख" बनाने का लक्ष्य रखा। वे एक ऐसा डिटेक्टर बनाना चाहते थे जो न केवल बड़े ऑब्जेक्ट्स को स्कैन करने के लिए पर्याप्त बड़ा हो, बल्कि बारीक विवरण देखने के लिए पर्याप्त सटीक भी हो। इसे एक धुंधले, लो-रेज़ोल्यूशन सुरक्षा कैमरे से हाई-डेफिनिशन कैमरे में अपग्रेड करने जैसा समझें जो बजरी के ढेर में एक अकेले सिक्के को भी पहचान सके। उन्होंने प्लास्टिक की पट्टियों (strips) का उपयोग करके एक सिस्टम बनाया जो म्यूऑन के टकराने पर चमक उठती हैं, जिन्हें प्रकाश की चमक गिनने वाले सूक्ष्म सेंसरों से जोड़ा गया है। इन पट्टियों को एक विशिष्ट, चतुर तरीके से व्यवस्थित करके, वे एक ऐसा डिटेक्टर बनाने में सफल रहे जो अविश्वसनीय रूप से सटीक है। उनके कार्य से पता चलता है कि प्लास्टिक स्ट्रिप्स के लिए त्रिकोणीय आकार और प्रकाश संकेतों के लिए एक विशेष एन्कोडिंग पद्धति का उपयोग करके, वे 1.0 मिमी का स्थानिक रिज़ॉल्यूशन (spatial resolution) प्राप्त कर सके। यह एक मानक पेंसिल की लीड की मोटाई के बराबर है। जब उन्होंने अपने पूर्ण सिस्टम का परीक्षण करने के लिए एक बॉक्स के अंदर छिपे भारी धातु के छोटे ब्लॉकों को देखा, तो परिणाम अविश्वसनीय रूप से स्पष्ट थे, जिसमें सिग्नल-टू-नॉइज़ रेश्यो 7.1 था, जो यह साबित करता है कि उनका "हाई-डेफिनिशन कॉस्मिक कैमरा" बिल्कुल वैसे ही काम करता है जैसा उन्होंने उम्मीद की थी।

द कॉस्मिक डिटेक्टिव्स न्यू हाई-डेफ लेंस

कल्पना कीजिए कि आप एक विशाल, अपारदर्शी सूटकेस के अंदर छिपे खजाने को खोजने की कोशिश कर रहे हैं। आप इसे खोल नहीं सकते, और आप टॉर्च का उपयोग नहीं कर सकते क्योंकि सूटकेस सीसे (lead) से बना है। लेकिन, आपके पास एक विशेष उपकरण है: अदृश्य, सुपर-फास्ट गोलियों (म्यूऑन) की एक धारा जो सूटकेस के माध्यम से उड़ती है। जब ये गोलियां अंदर की किसी भारी चीज़, जैसे सोने की ईंट से टकराती हैं, तो वे डगमगाती हैं। यदि आप ठीक से ट्रैक कर सकते हैं कि वे सूटकेस में प्रवेश करते और बाहर निकलते समय कैसे डगमगाती हैं, तो आप पता लगा सकते हैं कि सोना कहाँ है। यह म्यूऑन स्कैटरिंग टोमोग्राफी (MST) का जादू है। यह प्रकृति के अपने विकिरण का उपयोग करके घनी वस्तुओं के अंदर का 3D चित्र लेने का एक तरीका है, जिसके लिए आपको किसी खतरनाक एक्स-रे मशीन को लाने की आवश्यकता नहीं है।

लंबे समय तक, इन डगमगाते म्यूऑन को पकड़ने के लिए "कैमरा" बनाना थोड़ा सिरदर्द रहा है। पुराने कैमरे या तो बहुत बड़े और महंगे थे, या वे इतने धुंधले थे कि आप केवल एक विशाल चट्टान की रूपरेखा देख सकते थे, छोटे विवरण नहीं। यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी ऑफ चाइना और चाइनीज एकेडमी ऑफ साइंसेज की टीम ने एक नया प्रकार का कैमरा बनाने का निर्णय लिया जो शार्प भी हो और व्यावहारिक भी। वे एक ऐसा डिटेक्टर बनाना चाहते थे जो हाई-डेफिनिशन टीवी जितना स्पष्ट हो लेकिन इतना सस्ता भी हो कि बड़े आकार में बनाया जा सके।

"ट्रायंगुलर" ट्रिक और लाइट-काउंटिंग गेम

उनके नए कैमरे का रहस्य उपयोग की गई प्लास्टिक स्ट्रिप्स के आकार में छिपा है। अधिकांश डिटेक्टर वर्गाकार या गोल ट्यूब का उपयोग करते हैं, लेकिन इस टीम ने त्रिकोणीय आकार की पट्टियों का उपयोग किया। क्यों? क्योंकि जब एक म्यूऑन एक त्रिकोण से टकराता है, तो प्रकाश जिस तरह से फैलता है, वह उन्हें इस बारे में बहुत बेहतर सुराग देता है कि टक्कर ठीक कहाँ हुई थी। यह एक वर्गाकार बॉक्स बनाम एक त्रिकोणीय बॉक्स में गेंद के गिरने का अनुमान लगाने जैसा है; त्रिकोण आपको काम करने के लिए एक अधिक सटीक कोण प्रदान करता है।

उन्हें एक और पेचीदा पहेली को भी हल करना था: सैकड़ों पट्टियों से संकेतों को पढ़ने के लिए लाखों तारों की आवश्यकता के बिना कैसे पढ़ा जाए। वे एक चतुर "एन्कोडिंग" योजना लेकर आए। कल्पना कीजिए कि आपके पास 16 दोस्त (स्ट्रिप्स) हैं और केवल 8 वॉकी-टॉकी (सेंसर) हैं। प्रत्येक दोस्त को अपना स्वयं का वॉकी-टॉकी देने के बजाय, उन्होंने उन्हें एक विशिष्ट पैटर्न में समूहबद्ध किया। यह सुनकर कि कौन से वॉकी-टॉकी एक साथ बीप कर रहे हैं, वे ठीक से पता लगा सकते थे कि कौन से दो दोस्त बात कर रहे थे, भले ही वे एक ही डिवाइस साझा कर रहे हों। इसने उन्हें कम सेंसरों का उपयोग करके एक विशाल डिटेक्टर बनाने की अनुमति दी, जिससे गुणवत्ता बनाए रखते हुए लागत कम रखी गई।

परिणाम: अदृश्य को देखना

अपने आविष्कार का परीक्षण करने के लिए, टीम ने इन डिटेक्टरों की चार परतों वाला एक पूर्ण-स्तरीय सिस्टम बनाया, जिससे बीच में एक गैप के साथ एक "सैंडविच" तैयार हुआ जिसमें वस्तु को स्कैन किया जा सके। उन्होंने गैप के अंदर टंगस्टन, लेड और आयरन के छोटे ब्लॉक रखे। ये ब्लॉक बहुत छोटे थे—प्रत्येक तरफ से केवल 2 सेमी, लगभग एक बड़े चीनी के टुकड़े के आकार के।

जब उन्होंने कॉस्मिक म्यूऑन को सेटअप पर बरसने दिया, तो सिस्टम ने काम करना शुरू कर दिया। परिणाम? एक क्रिस्टल-क्लियर इमेज। टीम ने छिपे हुए ब्लॉकों की एक 3D तस्वीर बनाई, और किनारे इतने शार्प थे कि आप लगभग पिक्सेल गिन सकते थे। उन्होंने छवि की स्पष्टता को मापा और पाया कि सिग्नल-टू-नॉइज़ रेश्यो 7.1 था। सरल भाषा में कहें तो, इसका मतलब है कि "सिग्नल" (धातु की छवि) "शोर" (बैकग्राउंड फज़) से सात गुना अधिक मजबूत था। यह उत्कृष्ट गुणवत्ता है, विशेष रूप से इतनी छोटी वस्तुओं के लिए।

उन्होंने अपने वास्तविक-दुनिया के परिणामों की कंप्यूटर सिमुलेशन (Geant4 नामक प्रोग्राम का उपयोग करके एक वर्चुअल टेस्ट रन) के साथ भी तुलना की। वास्तविक छवियां कंप्यूटर भविष्यवाणियों से लगभग पूरी तरह मेल खाती थीं, जिससे पुष्टि हुई कि उनका डिज़ाइन ठीक वैसा ही काम करता है जैसा गणित कहता है। सिस्टम ने 1.0 मिमी का स्थानिक रिज़ॉल्यूशन प्राप्त किया, जो इस आकार (53 सेमी × 53 सेमी) के डिटेक्टर के लिए अविश्वसनीय रूप से सूक्ष्म है। इसे समझने के लिए, यदि डिटेक्टर स्ट्रिप्स 11 मिमी (एक अंगूठे की चौड़ाई के लगभग) की दूरी पर थीं, तो उनकी स्थान को सटीक रूप से पहचानने की क्षमता उस चौड़ाई का केवल 9% थी। यह अंगूठे की चौड़ाई की रेखा में रेत के एक एकल कण को पहचानने के समान है।

यह क्यों महत्वपूर्ण है

यह केवल एक मजेदार विज्ञान प्रयोग नहीं है; यह वास्तविक दुनिया की सुरक्षा और सुरक्षा के लिए एक कदम आगे है। क्योंकि यह डिटेक्टर प्लास्टिक से बना है और इसमें मानक इलेक्ट्रॉनिक्स का उपयोग किया गया है, इसलिए इसे अतीत में उपयोग किए जाने वाले विशाल गैस-भरे कक्षों की तुलना में बनाना सस्ता और आसान है। टीम ने दिखाया कि अपनी त्रिकोणीय पट्टियों और स्मार्ट एन्कोडिंग का उपयोग करके, वे एक ऐसा डिटेक्टर बना सकते हैं जो अधिकांश मौजूदा प्लास्टिक डिटेक्टरों से अधिक शार्प है और अधिक महंगे गैस डिटेक्टरों के प्रतिस्पर्धी है।

शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि यह सिस्टम बड़े स्तर पर काम करने के लिए तैयार है। चूंकि डिज़ाइन मॉड्यूलर है, वे सैद्धांतिक रूप से इन डिटेक्टरों को आपस में जोड़कर 2 मीटर बाय 2 मीटर या उससे भी बड़ा दीवार जैसा ढांचा बना सकते हैं। यह बंदरगाहों पर विशाल कार्गो कंटेनरों को स्कैन करने, परमाणु कचरे के भंडारण की जांच करने, या यहाँ तक कि औद्योगिक भट्टियों के अंदर देखने का द्वार खोलता है, वह भी एक ऐसे कैमरे के साथ जो शार्प, किफायती है और स्वयं ब्रह्मांड द्वारा संचालित है। लेखक सुझाव देते हैं कि इस उच्च-गुणवत्ता वाले डेटा के साथ, वे भविष्य में छवियों को और भी बेहतर बनाने के लिए अधिक उन्नत कंप्यूटर एल्गोरिदम का उपयोग कर सकते हैं, लेकिन फिलहाल, उन्होंने सफलतापूर्वक सिद्ध कर दिया है कि उनका "कॉस्मिक हाई-डेफ लेंस" काम करता है।