Leakage current evolution in LHCb VELO sensors during Run 1-2 LHC data taking period
यह शोध पत्र एलएचसी (LHC) के रन 1 और रन 2 डेटा संग्रह अवधियों के दौरान बल्क रेडिएशन डैमेज के कारण एलएचसीबी (LHCb) वेलो (VELO) सिलिकॉन सेंसरों के भीतर लीकेज करंट में होने वाली प्रगतिशील वृद्धि की जांच करता है।
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लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर के केंद्र में, जहाँ प्रोटॉन प्रकाश की गति के करीब की रफ्तार से टकराते हैं, LHCb नामक एक विशेष प्रयोग भारी-फ्लेवर कणों के व्यवहार को समझने के लिए बारीकी से नज़र रखता है। इन क्षणिक कणों को देखने के लिए, यह प्रयोग सिलिकॉन सेंसर की एक नाजुक परत पर निर्भर करता है जो टकराव के बिंदु से कुछ ही मिलीमीटर की दूरी पर स्थित होती है। ये सेंसर हाई-स्पीड कैमरों की तरह काम करते हैं, जो कणों के टकराने के बाद उनके बाहर निकलने के पथ को कैद करते हैं। हालाँकि, बीम के इतने करीब रहना एक कठिन अस्तित्व है। सेंसर लगातार उप-परमाणु कणों के तूफान की बमबारी का सामना करते हैं, एक ऐसी बमबारी जो धीरे-धीरे सिलिकॉन क्रिस्टल की आंतरिक संरचना को नुकसान पहुँचाती है। यह क्षति सेंसर को तुरंत नष्ट नहीं करती है, लेकिन यह उनके काम करने के तरीके को बदल देती है, जिससे वे किसी भी कण के गुजरने के बिना भी एक छोटा, निरंतर विद्युत प्रवाह (लीकेज करंट) लीक करने लगते हैं। यह लीकेज करंट समय के साथ बढ़ता जाता है, और यदि यह बहुत अधिक हो जाए, तो यह वास्तविक संकेतों को देखने की सेंसर की क्षमता को कम कर सकता है, जिससे कैमरा प्रभावी रूप से अंधा हो सकता है। यह करंट ठीक कैसे बढ़ता है, और क्यों, इसे समझना इन सेंसरों को जीवित रखने और भविष्य के डिटेक्टरों के ऐसे चरम वातावरण में जीवित रहने की भविष्यवाणी करने के लिए आवश्यक है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में कोलाइडर के पहले दो प्रमुख रन के दौरान इन सेंसरों के इतिहास का विश्लेषण करने में कई वर्ष बिताए, जो 2011 से 2018 तक की अवधि थी। उन्होंने एक विशाल मात्रा में डेटा एकत्र किया, जिसमें आठ वर्षों के दौरान प्रत्येक सिंगल सेंसर मॉड्यूल का तापमान और विद्युत प्रवाह रिकॉर्ड किया गया। उनका लक्ष्य एक व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले भविष्यवाणी मॉडल का परीक्षण करना था, जिसे हैम्बर्ग मॉडल (Hamburg model) के रूप में जाना जाता है, जो यह गणना करने का प्रयास करता है कि विकिरण क्षति कितनी क्षति पहुँचाती है और वह क्षति विद्युत प्रवाह को कैसे बदलती है। मॉडल की भविष्यवाणियों की तुलना सेंसरों के वास्तविक, निरंतर रिकॉर्ड से करके, टीम यह देख सकी कि क्या विकिरण क्षति के बारे में उनकी समझ सटीक थी या चित्र में कुछ कमी थी।
शोधकर्ताओं ने पाया कि मॉडल आम तौर पर बहुत अच्छा काम करता है। इसने सफलतापूर्वक उस आकार की भविष्यवाणी की कि लीकेज करंट समय के साथ कैसे बढ़ा, जिसमें कोलाइडर के रखरखाव के लिए शटडाउन के दौरान की अवधि भी शामिल थी। इन विश्रामों के दौरान, सेंसर ठंडे हो जाते थे, और सिलिकॉन के भीतर होने वाली क्षति आंशिक रूप से खुद को ठीक कर लेती थी, जिससे करंट कम हो जाता था। मॉडल ने इस हीलिंग व्यवहार (annealing) को, जिसे एनीलिंग कहा जाता है, प्रभावशाली सटीकता के साथ पकड़ा। हालाँकि, जब टीम ने बारीकी से देखा, तो उन्होंने मॉडल की भविष्यवाणी और सेंसर द्वारा रिपोर्ट किए गए वास्तविक डेटा के बीच एक निरंतर अंतर देखा। सेंसर उम्मीद से अधिक करंट लीक कर रहे थे, यहाँ तक कि ज्ञात चरों (variables) को ध्यान में रखने के बाद भी।
गहन जांच के बाद, टीम को एहसास हुआ कि इसका कारण संभवतः तापमान रीडिंग ही थी। सेंसर को एक ऐसी प्रणाली द्वारा ठंडा किया जाता है जो उन्हें लगभग माइनस आठ डिग्री सेल्सियस पर रखती है, लेकिन तापमान मापने के लिए उपयोग किए जाने वाले छोटे थर्मामीटर सीधे सिलिकॉन क्रिस्टल पर नहीं रखे जाते हैं। इसके बजाय, वे आसपास के इलेक्ट्रॉनिक्स पर स्थित होते हैं। क्योंकि संचालन के दौरान सिलिकॉन आसपास के घटकों की तुलना में थोड़ा अधिक गर्म हो जाता है, इसलिए थर्मामीटर वास्तविक क्रिस्टल की तुलना में कुछ डिग्री कम तापमान रिपोर्ट कर रहे थे। चूंकि विद्युत लीकेज तापमान के प्रति अत्यंत संवेदनशील होता है, इसलिए माप में इस छोटे से अंतर ने गणनाओं में एक महत्वपूर्ण त्रुटि पैदा कर दी। जब शोधकर्ताओं ने अपने डेटा को थर्मामीटर द्वारा दिखाए गए तापमान से 3.2 डिग्री अधिक तापमान के अनुरूप समायोजित किया, तो भविष्यवाणी और वास्तविकता के बीच का अंतर लगभग समाप्त हो गया। मॉडल और माप पूरी तरह से मेल खा गए, जिससे पुष्टि हुई कि क्षति का भौतिक विज्ञान समझ में आ गया था, लेकिन पर्यावरणीय डेटा को एक छोटे से सुधार की आवश्यकता थी।
एक पहेली अभी भी शेष थी। शोधकर्ताओं को उम्मीद थी कि बीम के केंद्र के करीब स्थित सेंसरों को अधिक नुकसान होगा, क्योंकि वे दूर स्थित सेंसरों की तुलना में अधिक कणों की चपेट में आते हैं। हालांकि यह रुझान दिखाई दे रहा था, लेकिन सेंसरों के बीच का अंतर उतना नाटकीय नहीं था जितना कि कंप्यूटर सिमुलेशन ने अनुमान लगाया था। मॉडल ने सुझाव दिया कि क्षति दूरी के साथ तेजी से गिरनी चाहिए, लेकिन वास्तविक सेंसरों ने अधिक क्रमिक परिवर्तन दिखाया। टीम ने इस विसंगति का कारण स्वयं डैमेज मॉडल को नहीं, बल्कि उस सिमुलेशन को पाया जिसका उपयोग यह अनुमान लगाने के लिए किया गया था कि कितने कण प्रत्येक सेंसर से टकराते हैं। कंप्यूटर प्रोग्राम, जो कणों के पदार्थ के साथ परस्पर क्रिया करने के जटिल भौतिकी पर आधारित है, कणों के तूफान की गणना करने में बाहरी सेंसरों तक पहुँचने वाले कणों की संख्या को कम आंकता हुआ प्रतीत हुआ। यह सुझाव देता है कि हालांकि सिलिकॉन को विकिरण कैसे नुकसान पहुँचाता है, इसकी थ्योरी ठोस है, लेकिन उन उपकरणों को अभी भी परिष्कृत करने की आवश्यकता है जिनका उपयोग यह अनुमान लगाने के लिए किया जाता है कि इतने जटिल वातावरण में क्षति कहाँ और कितनी होगी।
यह अध्ययन उच्च-ऊर्जा भौतिकी में दीर्घकालिक, वास्तविक दुनिया की निगरानी के महत्व को रेखांकित करता है। आठ वर्षों तक निरंतर डेटा एकत्र करके, शोधकर्ता उन सूक्ष्म पैटर्न को पकड़ने में सक्षम हुए जो अल्पकालिक परीक्षणों से छूट जाते। उन्होंने साबित किया कि विकिरण क्षति के लिए मानक मॉडल मजबूत है, बशर्ते तापमान का सटीक रूप से मापन किया जाए। उन्होंने सिमुलेशन टूल की एक विशिष्ट कमजोरी की भी पहचान की जिसका उपयोग विकिरण वातावरण को मैप करने के लिए किया जाता है, एक ऐसा निष्कर्ष जो भविष्य के डिटेक्टरों के डिजाइन को बेहतर बनाने में मदद करेगा। जैसे-जैसे वैज्ञानिक अगली पीढ़ी के प्रयोगों की योजना बना रहे हैं, जो और भी तीव्र विकिरण का सामना करेंगे, ये सबक यह सुनिश्चित करते हैं कि उनके सिलिकॉन सेंसर उन कठोर परिस्थितियों के साथ स्पष्ट समझ के साथ बनाए जाएं जिनका उन्हें सामना करना होगा।
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