Gamma irradiation of ATLAS18 ITk strip sensors affected by static charge

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड कणों का एक विशाल, अदृश्य महासागर है, जो कल्पना से परे गति से एक-दूसरे से टकरा रहा है। इन क्षणिक टक्करों की एक झलक पाने के लिए, वैज्ञानिक विशाल, अत्यंत संवेदनशील कैमरे बनाते हैं जिन्हें 'पार्टिकल डिटेक्टर' कहा जाता है। इनमें से एक सबसे प्रसिद्ध ATLAS डिटेक्टर है, जो लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (Large Hadron Collider) में स्थित है—एक ऐसी मशीन जो इतनी शक्तिशाली है कि यह प्रारंभिक ब्रह्मांड की स्थितियों को फिर से बना सकती है। इस विशाल मशीन के भीतर, एक विशेष परत है जिसे "इनर ट्रैकर" (Inner Tracker) कहा जाता है, जो एक हाई-स्पीड कैमरा लेंस की तरह काम करता है, और तेजी से गुजरते हुए आवेशित कणों (charged particles) की तस्वीरें खींचता है। इन तस्वीरों को स्पष्ट बनाने के लिए, ट्रैकर लाखों छोटे सिलिकॉन सेंसर का उपयोग करता है, जिनमें से प्रत्येक विद्युत तारों का एक सूक्ष्म ग्रिड है। ये सेंसर प्रयोग की "आंखें" हैं, और इन्हें पूर्ण होना चाहिए। हालाँकि, एक नाजुक कैमरा लेंस की तरह, ये सेंसर इंस्टाल होने से पहले ही "गंदे" या "स्टैटिक-चार्ज्ड" (स्थिर-विद्युत युक्त) हो सकते हैं। यदि किसी सेंसर में स्टेटिक इलेक्ट्रिक शॉक होता है—जैसे कि कालीन पर चलने के बाद दरवाज़े के हैंडल को छूने पर लगने वाला झटका—तो वह भ्रमित हो सकता है, शॉर्ट-सर्किट हो सकता है, या ठीक से काम करने में विफल हो सकता है। वैज्ञानिकों के सामने बड़ा सवाल यह है कि इस अगले जनरेशन के ट्रैकर को बनाने वाले वैज्ञानिकों के लिए: यदि कोई सेंसर एक खराब स्टेटिक शॉक के साथ आता है, तो क्या वास्तविक प्रयोग के भीतर की तीव्र विकिरण (radiation) इसे ठीक करने के लिए एक "रीसेट बटन" की तरह काम करेगी, या वह सेंसर हमेशा के लिए बर्बाद हो जाएगा?

यह शोध पत्र बताता है कि कैसे वैज्ञानिकों की एक टीम ने ATLAS डिटेक्टर के लिए नियत किए गए सेंसरों का उपयोग करके ठीक इसी प्रश्न का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि कारखाने से आए कुछ सेंसरों में "अर्ली ब्रेकडाउन" (जल्द खराबी) या उनके इलेक्ट्रिकल इंसुलेशन में कमजोर बिंदु विकसित हो गए थे, जो संभवतः शिपिंग और हैंडलिंग के दौरान उनकी सतह पर स्टेटिक इलेक्ट्रिसिटी जमा होने के कारण हुआ था। यह देखने के लिए कि क्या वास्तविक प्रयोग इसे ठीक कर सकता है, टीम ने इन "बीमार" सेंसरों को गामा किरणों (gamma rays) से 'ज़ैप' किया, जो उस विकिरण का अनुकरण करता है जिसका वे वास्तविक मशीन के भीतर सामना करेंगे। उन्होंने पाया कि सेंसरों को ठीक होने के लिए भारी मात्रा में विकिरण की आवश्यकता नहीं थी; वास्तव में, एक बहुत ही छोटी मात्रा—जो वास्तविक प्रयोग के भीतर केवल एक या दो दिनों के संचालन के बराबर है—उस स्टेटिक चार्ज से हुए नुकसान को पूरी तरह से मिटाने के लिए पर्याप्त थी। स्टेटिक शॉक, जिसने सेंसरों को भ्रमित कर दिया था, विकिरण द्वारा धो दिया गया, और सेंसर फिर से पूरी तरह से काम करने लगे। इससे टीम को बहुत विश्वास मिला कि भले ही कुछ सेंसरों के साथ स्टेटिक चार्ज आता है, प्रयोग स्वयं उन्हें बहुत जल्दी ठीक कर देगा, जिससे डिटेक्टर त्रुटिहीन रूप से काम करना सुनिश्चित होगा।

पृष्ठभूमि: कैमरा और स्टेटिक शॉक

यह समझने के लिए कि यह क्यों महत्वपूर्ण है, आइए देखें कि ये डिटेक्टर कैसे काम करते हैं। ATLAS प्रयोग एक विशाल, हाई-स्पीड कैमरे की तरह है जो अंधेरे कमरे में फूटते हुए पटाखे की तस्वीर लेने की कोशिश कर रहा है। इस कैमरे की "फिल्म" सिलिकॉन सेंसरों से बनी है। ये सेंसर अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील होते हैं; वे उनके माध्यम से उड़ने वाले कणों द्वारा छोड़े गए सूक्ष्म विद्युत संकेतों का पता लगा सकते हैं। ऐसा करने के लिए, उन्हें सिलिकॉन बेस पर लाखों बारीक धातु की पट्टियों (जैसे बहुत महीन बाल) के साथ बनाया जाता है।

हालाँकि, सिलिकॉन एक ऐसी सामग्री है जो स्टेटिक इलेक्ट्रिसिटी से आसानी से भ्रमित हो सकती है। इसे एक गुब्बारे की तरह समझें जिसे आपके बालों पर रगड़ा गया हो। यदि आप उस गुब्बारे को दीवार के पास लाते हैं, तो वह स्टेटिक चार्ज के कारण चिपक जाता है। उसी तरह, यदि किसी सिलिकॉन सेंसर की सतह पर स्टेटिक चार्ज जमा हो जाता है (शायद शिपिंग के दौरान किसी उपकरण द्वारा छूने या प्लास्टिक शीट से रगड़ने के कारण), तो वह चार्ज सिलिकॉन में "फँस" सकता है। यह फँसा हुआ चार्ज एक भूत की तरह कार्य करता है, जो उन विद्युत संकेतों को बिगाड़ देता है जिन्हें सेंसर पढ़ने की कोशिश कर रहा है। यह सेंसर को कम वोल्टेज पर टूटने (जैसे कि बल्ब का समय से पहले फ्यूज होना) का कारण बना सकता है या छोटी पट्टियों के अलगाव (isolation) को खोने का कारण बन सकता है (जैसे कि तारों का आपस में टकराना जब उन्हें नहीं टकराना चाहिए)।

वैज्ञानिक जानते थे कि एक बार जब लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर के भीतर डिटेक्टर चालू हो जाएगा, तो इस पर विकिरण की बौछार होगी। यह विकिरण ऊर्जा का एक रूप है जो इलेक्ट्रॉनों को मुक्त कर सकता है और सिलिकॉन के व्यवहार को बदल सकता है। बड़ा रहस्य यह था: क्या यह विकिरण स्टेटिक समस्या को और खराब कर देगा, या यह एक "सनबर्न" की तरह काम करेगा जो स्टेटिक चार्ज को जलाकर खत्म कर देगा और सेंसर को ठीक कर देगा?

प्रयोग: सेंसरों को ज़ैप करना

टीम ने उन सेंसरों के एक समूह को चुना जो पहले ही अपने गुणवत्ता परीक्षणों (quality checks) में विफल हो चुके थे। इनमें से कुछ सेंसरों में "अर्ली ब्रेकडाउन" था, जिसका अर्थ था कि वे आवश्यक वोल्टेज से बहुत कम पर काम करना बंद कर दिए थे। अन्य में "लो इंटरस्ट्रिप आइसोलेशन" था, जिसका अर्थ था कि धातु की छोटी पट्टियाँ एक-दूसरे में बिजली लीक कर रही थीं, जिससे तस्वीर धुंधली हो सकती थी। टीम को संदेह था कि ये विफलताएं सेंसरों पर जमा हुई स्टेटिक इलेक्ट्रिसिटी के कारण हुई थीं।

अपने सिद्धांत का परीक्षण करने के लिए, उन्होंने केवल इंतजार नहीं किया। उन्होंने इन "विफल" सेंसरों को लिया और उन्हें कोबाल्ट-60 (Cobalt-60) स्रोत से निकलने वाली गामा किरणों के संपर्क में लाया। गामा किरणें उच्च-ऊर्जा विकिरण का एक प्रकार हैं, जो काफी हद तक उस विकिरण के समान है जिसका वे वास्तविक प्रयोग के भीतर अनुभव करेंगे, लेकिन प्रयोगशाला में यह अधिक तीव्र और नियंत्रित है।

उन्होंने सेंसरों को विकिरण की बढ़ती मात्रा के साथ हिट करने की योजना बनाई, जिसे "क्रेड" (krad - किलोराड्स) की इकाइयों में मापा जाता है। उन्होंने विशिष्ट खुराक चुनी जो वास्तविक प्रयोग में बिताए गए समय की विभिन्न अवधियों का प्रतिनिधित्व करती थी:

• 11 krad: लगभग एक सप्ताह के संचालन के बराबर।
• 49 krad: लगभग एक महीना।
• 195 krad: लगभग छह महीने।
• 590 krad: लगभग एक वर्ष।
• 1200 krad: लगभग दो वर्ष।

उन्होंने कुछ सेंसरों को "कंट्रोल ग्रुप" (नियंत्रण समूह) के रूप में भी रखा। इन सेंसरों के साथ भी ठीक उसी तरह से व्यवहार किया गया जैसे अन्य सेंसरों के साथ किया गया था, लेकिन उन्हें गामा किरणों के संपर्क में नहीं लाया गया। यह साबित करने के लिए कि कोई भी परिवर्तन वास्तव में विकिरण के कारण हुआ है न कि केवल समय या भंडारण के कारण, यह अत्यंत महत्वपूर्ण था।

परिणाम: एक त्वरित समाधान

परिणाम आश्चर्यजनक रूप से तेज़ और प्रभावी थे।

"अर्ली ब्रेकडाउन" वाले सेंसर:
जब टीम ने उन सेंसरों का परीक्षण किया जो बहुत जल्दी खराब हो गए थे, तो उन्होंने पाया कि केवल 11 krad विकिरण (वास्तविक प्रयोग में लगभग एक सप्ताह) के बाद, सेंसर पूरी तरह से ठीक हो गए थे। "अर्ली ब्रेकडाउन" गायब हो गया, और सेंसर उस पूरे वोल्टेज को झेल सके जिसके लिए उन्हें बनाया गया था। कंट्रोल सेंसर, जिन्हें विकिरणित नहीं किया गया था, वैसे ही खराब रहे। इससे पता चला कि विकिरण ही नायक था, समय नहीं।

"लो आइसोलेशन" वाले सेंसर:
लीक करने वाली पट्टियों वाले सेंसरों के लिए, सुधार और भी तेज़ था। टीम ने एक कंट्रोल सेंसर का परीक्षण किया जिसे केवल 1.5 krad (वास्तविक प्रयोग में मात्र एक दिन के बराबर) विकिरण दिया गया था। यह छोटी सी खुराक भी समस्या को ठीक करना शुरू करने के लिए पर्याप्त थी। जब उन्होंने खुराक बढ़ाकर 3 krad (लगभग दो दिन) कर दी, तो लीक करने वाली पट्टियाँ पूरी तरह से ठीक हो गईं। स्टेटिक चार्ज का "भूत" गायब हो गया, और पट्टियाँ फिर से अलग (isolated) हो गईं।

करंट (Current) के बारे में क्या?
एक दिलचस्प साइड इफेक्ट यह था कि विकिरण ने सेंसरों में "लीकेज करंट" (बिजली का बैकग्राउंड शोर) को बढ़ा दिया। हालाँकि, टीम ने उल्लेख किया कि यह अपेक्षित और प्रबंधनीय है। वास्तविक प्रयोग में, सेंसरों को बहुत ठंडा ( -30°C से नीचे) रखा जाता है, जो इस शोर को नियंत्रण में रखता है। विकिरण ने सेंसरों को तोड़ा नहीं; इसने बस उनके विद्युत गुणों को इस तरह बदल दिया जो इस प्रकार के डिटेक्टर के लिए सामान्य है।

निष्कर्ष: डिज़ाइन में विश्वास

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि इन सिलिकॉन सेंसरों पर स्टेटिक इलेक्ट्रिसिटी के नकारात्मक प्रभाव स्थायी नहीं हैं। वास्तविक प्रयोग का विकिरण वातावरण एक प्राकृतिक "इलाज" के रूप में कार्य करता है। टीम ने पाया कि स्टेटिक चार्ज से हुआ नुकसान विकिरण की एक बहुत ही छोटी मात्रा के बाद गायब हो जाता है—जो वास्तविक प्रयोग में संचालन के मात्र एक या दो दिनों के बराबर है।

यह डिटेक्टर बनाने वाले वैज्ञानिकों के लिए एक बड़ी राहत है। इसका मतलब है कि भले ही कुछ सेंसर स्टेटिक चार्ज के साथ आते हैं जो गुणवत्ता नियंत्रण के दौरान उन्हें टूटा हुआ दिखाते हैं, उन्हें फेंकने की आवश्यकता नहीं है। एक बार जब डिटेक्टर चालू हो जाएगा और सेंसरों पर कण टकराने लगेंगे, तो विकिरण उन्हें तेज़ी से "ठीक" कर देगा, और वे पूरी तरह से काम करना शुरू कर देंगे। टीम अब आश्वस्त है कि ITk स्ट्रिप सेंसर बिल्कुल आवश्यकतानुसार प्रदर्शन करेंगे, भले ही उनके पास पहुँचते समय थोड़ा स्टेटिक शॉक हो।