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First results of a Monolithic Active Pixel Sensor with Internal Signal Gain Fully Integrated in a 180 nm CMOS Technology

यह शोध पत्र CASSIA सेंसर के प्रथम परिणामों को प्रस्तुत करता है, जो कि 180 nm CMOS तकनीक में निर्मित एक नवीन मोनोलिथिक एक्टिव पिक्सेल सेंसर है जो सिग्नल प्रवर्धन प्राप्त करने के लिए पूर्णतः एकीकृत आंतरिक गेन परतों का उपयोग करता है, जिससे उच्च-ल्यूमिनोसिटी कण भौतिकी प्रयोगों में बेहतर टाइमिंग रेजोल्यूशन और पाइल-अप न्यूनीकरण के लिए लो-गेन प्रोपोर्शनल और हाई-गेन सिंगल-फोटॉन एवलांच मोड दोनों में संचालन सक्षम होता है।

मूल लेखक: Heinz Pernegger (CERN, Experimental Physics Department, Geneva, Switzerland), Emma Kate Anderson (CERN, Experimental Physics Department, Geneva, Switzerland), Paula Bartulović (University of Zagreb, F
प्रकाशित 2026-03-09
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CC BY 4.0

मूल लेखक: Heinz Pernegger (CERN, Experimental Physics Department, Geneva, Switzerland), Emma Kate Anderson (CERN, Experimental Physics Department, Geneva, Switzerland), Paula Bartulović (University of Zagreb, Faculty of Electrical Engineering and Computing, Zagreb, Croatia), Ivan Berdalović (University of Zagreb, Faculty of Electrical Engineering and Computing, Zagreb, Croatia), Marc Giroux de Foiard Brown (CERN, Experimental Physics Department, Geneva, Switzerland), Sebastian Haberl (CERN, Experimental Physics Department, Geneva, Switzerland, University of Innsbruck, Innsbruck, Austria), Matija Jugović (University of Zagreb, Faculty of Electrical Engineering and Computing, Zagreb, Croatia), Anastasia Kotsokechagia (CERN, Experimental Physics Department, Geneva, Switzerland), Jenny Lunde (CERN, Experimental Physics Department, Geneva, Switzerland, University of Oslo, Oslo, Norway), Borna Požar (CERN, Experimental Physics Department, Geneva, Switzerland), Tomislav Suligoj (University of Zagreb, Faculty of Electrical Engineering and Computing, Zagreb, Croatia)

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि आप हजारों चिल्लाते हुए प्रशंसकों से भरे एक स्टेडियम में एक अकेली फुसफुसाहट सुनने की कोशिश कर रहे हैं। यह वह चुनौती है जिसका सामना वैज्ञानिक उच्च-ऊर्जा भौतिकी के प्रयोगों (जैसे कि CERN में) में नन्हे, तेजी से चलने वाले कणों को ट्रैक करने के लिए करते हैं। वे "फुसफुसाहटें" उन नन्हे विद्युत संकेतों (electrical signals) की हैं जो तब बनते हैं जब कोई कण एक सेंसर से टकराता है, और "चिल्लाते हुए प्रशंसक" पृष्ठभूमि का अत्यधिक शोर और कणों के टकराने की भारी मात्रा (जिसे "पाइल-अप" कहा जाता है) हैं।

यह शोध पत्र एक नए प्रकार के सेंसर का परिचय देता है जिसे CASSIA (CMOS Active SenSor with Internal Amplification) कहा जाता है। CASSIA को केवल एक माइक्रोफोन के रूप में नहीं, बल्कि एक ऐसे माइक्रोफोन के रूप में सोचें जिसमें उसके डायफ्राम के अंदर ही एक बिल्ट-इन, सुपर-एफिशिएंट एम्पलीफायर लगा हुआ है।

यहाँ उन्होंने क्या किया और यह क्यों महत्वपूर्ण है, इसका विवरण रोजमर्रा के उदाहरणों के साथ दिया गया है:

1. समस्या: "कमजोर संकेत" की दुविधा

पारंपरिक सेंसर मानक माइक्रोफोन की तरह होते हैं। जब कोई कण उनसे टकराता है, तो वे एक बहुत ही छोटा, कमजोर संकेत पैदा करते हैं। इसे सुनने के लिए, आपको एक बड़े, बाहरी एम्पलीफायर (एक अलग चिप) की आवश्यकता होती है ताकि आवाज को बढ़ाया जा सके।

  • समस्या: उस बाहरी एम्पलीफायर को जोड़ने से जगह ज्यादा लगती है, अधिक बिजली खर्च होती है, और यह "शोर" (स्टैटिक) भी जोड़ता है। कण त्वरक (particle collider) के भीड़भाड़ वाले और उच्च-विकिरण वाले वातावरण में, यह वास्तविक संकेत को शोर से अलग करना कठिन बना देता है।

2. समाधान: "आंतरिक बूस्टर"

CASSIA टीम ने एक ऐसा सेंसर बनाया है जहाँ प्रवर्धन (amplification) सेंसर से सिग्नल बाहर निकलने से पहले ही, पिक्सेल के अंदर होता है।

  • उदाहरण: कल्पना कीजिए कि एक रिले रेस चल रही है। पुराने तरीके में, धावक (कण का संकेत) बैटन एक कोच (बाहरी चिप) को सौंपता है जो फिर भीड़ तक संदेश चिल्लाकर पहुँचाता है। CASSIA के तरीके में, धावक के पास उसके सीने से जुड़ा एक मेगाफोन है। वह संदेश दौड़ते समय ही चिल्लाता है, ताकि वह तुरंत तेज और स्पष्ट सुनाई दे।
  • तकनीक: उन्होंने इसे सेंसर के संग्रह बिंदु (collection point) के ठीक नीचे एक विशेष "गेन लेयर" (एक विशिष्ट प्रकार का इलेक्ट्रिकल ट्रैप) जोड़कर हासिल किया। जब कोई कण टकराता है, तो यह कुछ इलेक्ट्रॉन बनाता है। जैसे ही ये इलेक्ट्रॉन बाहर निकलने की कोशिश करते हैं, उन्हें एक इलेक्ट्रिक फील्ड द्वारा त्वरित किया जाता है और वे अन्य परमाणुओं से टकराते हैं, जिससे एक चेन रिएक्शन (एवलेंच/हिमस्खलन) पैदा होता है जो सिग्नल को हजारों गुना बढ़ा देता है।

3. दो मोड: "डिमर स्विच" और "फ्लैशबैंग"

इस सेंसर की सबसे खास बात यह है कि यह केवल एक वोल्टेज नॉब (bias voltage) घुमाकर दो अलग-अलग काम कर सकता है।

  • मोड A: LGAD (Low-Gain Avalanche Diode) – "डिमर स्विच"
    • यह कैसे काम करता है: आप वोल्टेज को बस इतना बढ़ाते हैं कि एक हल्का सा उछाल (10x से 100x का प्रवर्धन) मिल सके।
    • उपयोग: यह ट्रैकिंग के लिए बेहतरीन है। यह किसी बातचीत की आवाज को थोड़ा बढ़ाने जैसा है ताकि आप बिना किसी विकृति के हर शब्द स्पष्ट रूप से सुन सकें। यह वैज्ञानिकों को यह देखने में मदद करता है कि एक कण वास्तव में कहाँ गया।
  • मोड B: SPAD (Single-Photon Avalanche Diode) – "फ्लैशबैंग"
    • यह कैसे काम करता है: आप वोल्टेज को और भी अधिक बढ़ा देते हैं, एक सीमा के पार। अब, सेंसर ओवरड्राइव में चला जाता है। यहाँ तक कि एक अकेला इलेक्ट्रॉन भी सिग्नल का एक बड़ा विस्फोट कर देता है।
    • उपयोग: यह टाइमिंग के लिए बेहतरीन है। यह एक कैमरा फ्लैश की तरह है जो आवाज होते ही तुरंत चमक उठता है। यह वैज्ञानिकों को यह मापने की अनुमति देता है कि एक कण कब आया, और यह अत्यंत सटीकता (पिकोसेकंड्स) के साथ होता है, जो कणों के "पाइल-अप" को सुलझाने के लिए महत्वपूर्ण है।

4. "स्विस आर्मी नाइफ" डिजाइन

आमतौर पर, यदि आपको ऐसा सेंसर चाहिए जो टाइमिंग में अच्छा हो, तो आपको एक विशेष, महंगी निर्माण प्रक्रिया की आवश्यकता होती है। यदि आपको एक ऐसा सेंसर चाहिए जो ट्रैकिंग में अच्छा हो, तो आपको एक अलग प्रक्रिया की आवश्यकता होती है।

  • नवाचार: CASSIA एक मानक, बड़े पैमाने पर उत्पादित कैमरा चिप तकनीक (180 nm CMOS) का उपयोग करके बनाया गया है—वही तकनीक जो आपके स्मार्टफोन या डिजिटल कैमरे में उपयोग की जाती है।
  • तरीका: उन्होंने फैक्ट्री की रेसिपी नहीं बदली। इसके बजाय, उन्होंने केवल मानक चिप के अंदर के "सामग्री" (इलेक्ट्रिकल लेयर्स की गहराई और आकार) में थोड़ा बदलाव किया। इसका मतलब है कि वे इन सुपर-सेंसर्स को सामान्य कैमरा सेंसर की तरह सस्ते में और बड़ी मात्रा में बना सकते हैं।

5. परिणाम: "फुसफुसाहट अब एक गर्जना है"

टीम ने अपने पहले प्रोटोटाइप (CASSIA1) का परीक्षण किया और पाया:

  • यह काम करता है: उन्होंने सफलतापूर्वक आंतरिक चेन रिएक्शन बनाया।
  • यह ट्यूनेबल है: आंतरिक "गेन लेयर" के आकार को बदलकर (जैसे मेगाफोन का आकार बदलना), वे यह नियंत्रित कर सकते थे कि सिग्नल को कितना बढ़ाया जाए।
  • यह शांत है: उच्च गेन के बावजूद, सेंसर ने बहुत अधिक "स्टैटिक" (डार्क नॉइज़) उत्पन्न नहीं किया, जो धुंधले संकेतों को देखने के लिए महत्वपूर्ण है।
  • यह तेज़ है: सिग्नल बहुत तेज़ी से बढ़ता है, जिसका अर्थ है कि सेंसर लगभग तुरंत प्रतिक्रिया दे सकता है।

आपको इसकी परवाह क्यों करनी चाहिए?

यह तकनीक कण भौतिकी (particle physics) के भविष्य के लिए एक गेम-चेंजर है।

  • विज्ञान के लिए: यह हाई-ल्यूमिनोसिटी LHC (और भविष्य के कोलाइडर्स) के प्रयोगों को लाखों टकरावों के बीच से देखने की अनुमति देता है, जिससे उन दुर्लभ और दिलचस्प कणों को पहचाना जा सके जो ब्रह्मांड के नए नियमों को प्रकट कर सकते हैं।
  • आपके लिए: क्योंकि यह मानक कैमरा चिप निर्माण का उपयोग करता है, यहाँ सीखी गई तकनीकें अंततः मेडिकल इमेजिंग (जैसे बेहतर एक्स-रे) या यहाँ तक कि आपके फोन के कैमरे में बेहतर, तेज़ और अधिक संवेदनशील सेंसर बनाने के काम आ सकती हैं, जिससे कैमरा अंधेरे में देख सके या बिना ब्लर के मोशन कैप्चर कर सके।

संक्षेप में: CASSIA टीम ने एक मानक कैमरा चिप ली, उसे एक इन-बिल्ट मेगाफोन दिया, और दिखाया कि यह ब्रह्मांड की सबसे सूक्ष्म फुसफुसाहटों को सुनते हुए भी मैराथन दौड़ सकती है। यह वास्तविकता के मूलभूत तत्वों को सुनने का एक सस्ता, तेज़ और स्मार्ट तरीका है।

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