Irradiation Studies and Design Optimization of the ATLAS Tile Calorimeter for the High-Luminosity LHC

फ्रांस और स्विट्जरलैंड की सीमा के नीचे पृथ्वी की गहराई में, लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर नामक एक विशाल मशीन कणों को लगभग प्रकाश की गति से आपस में टकराती है। यह टकराव नए कणों की बौछार पैदा करता है, जिनमें से कुछ हैड्रोन (hadrons) होते हैं, जो भारी कणों का एक परिवार है जिसमें प्रोटॉन और न्यूट्रॉन शामिल हैं। इन टकरावों में क्या होता है इसे समझने के लिए, वैज्ञानिकों को इन हैड्रोन की ऊर्जा को अत्यधिक सटीकता के साथ मापने की आवश्यकता होती है। एटलस (ATLAS) प्रयोग, जो टकराव बिंदु के चारों ओर स्थित विशाल डिटेक्टरों में से एक है, इस काम के लिए 'टाइल कैलोरीमीटर' (Tile Calorimeter) नामक एक विशेष उपकरण का उपयोग करता है। यह एक परतदार सैंडविच की तरह काम करता है: स्टील की मोटी प्लेटें गुजरने वाले कणों की ऊर्जा को सोखने के लिए एक स्पंज के रूप में कार्य करती हैं, जबकि स्टील के बीच दबे प्लास्टिक के टाइल्स टकराने पर प्रकाश की एक चमक के साथ चमक उठते हैं। इस प्रकाश को एकत्र किया जाता है और संवेदनशील इलेक्ट्रॉनिक आँखों तक भेजा जाता है जो यह गिनती हैं कि कितनी ऊर्जा जमा हुई है।

हालाँकि, यह मशीन एक बड़े अपग्रेड से गुजरने वाली है ताकि यह 'हाई-ल्यूमिनोसिटी एलएचसी' (High-Luminosity LHC) बन सके, जो 2030 से वर्षों तक चलेगी। यह नया चरण पहले की तुलना में दस गुना अधिक दर से टकराव पैदा करेगा, जिससे एक बहुत अधिक तीव्र वातावरण बनेगा जो विकिरण (radiation) से भरा होगा। यह विकिरण एक निरंतर, अदृश्य तूफान की तरह है जो नाजुक इलेक्ट्रॉनिक्स को नुकसान पहुँचा सकता है, जिससे वे खराब हो सकते हैं या पूरी तरह से विफल हो सकते हैं। चुनौती वैज्ञानिकों के सामने यह है कि वे यह सुनिश्चित करें कि टाइल कैलोरीमीटर इस तूफान से बच सके और बिना रुके सटीक माप लेना जारी रख सके। यदि इलेक्ट्रॉनिक्स विफल हो जाते हैं, तो डिटेक्टर अंधा हो जाता है, और वर्षों की संभावित खोजें खो जाती हैं। टाइल कैलोरीमीटर के लिए जिम्मेदार टीम को उस पूरे सिस्टम को फिर से डिजाइन करना पड़ा जो डिटेक्टर के ठीक बगल में स्थित है, पुराने घटकों को नए घटकों से बदलना पड़ा जो इस कठोर भविष्य का सामना करने के लिए बनाए गए हैं।

शोधकर्ताओं ने सबसे पहले यह मानचित्रण किया कि अगले दशक में डिटेक्टर के विभिन्न हिस्सों को वास्तव में कितना विकिरण झेलना पड़ेगा। उन्होंने कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके सबसे अधिक उजागर क्षेत्रों, विशेष रूपकर डिटेक्टर मॉड्यूल के बीच के अंतराल के पास, के लिए सबसे खराब स्थिति का पूर्वानुमान लगाया। इन गणनाओं ने दिखाया कि इलेक्ट्रॉनिक्स पर ऊर्जा और कणों की बमबारी का स्तर वर्तमान प्रणाली द्वारा संभालने की जाने वाली क्षमता से कहीं अधिक होगा। जीवित रहने के लिए, टीम ने पूरे रीडआउट सिस्टम—वह इलेक्ट्रॉनिक्स जो डेटा एकत्र और संसाधित करता है—को एक नए, अत्यधिक मॉड्यूलर आर्किटेक्चर के साथ बदलने का निर्णय लिया। यह नया डिज़ाइन कस्टम-मेड चिप्स और मजबूत, व्यावसायिक रूप से उपलब्ध घटकों के मिश्रण का उपयोग करता है जिन्हें विशेष रूप से विकिरण क्षति का विरोध करने की उनकी क्षमता के लिए चुना गया है।

इस नए सिस्टम का एक महत्वपूर्ण हिस्सा बिजली आपूर्ति (power supply) है, जो डिटेक्टर के हृदय के रूप में कार्य करता है, जो संवेदनशील सेंसरों को निरंतर बिजली पहुँचाता है। पुराने पावर यूनिट्स अक्षम थे और बहुत अधिक गर्मी पैदा करते थे, जिसे भीड़भाड़ वाले डिटेक्टर स्थान में ठंडा करना असंभव होता। टीम ने इन इकाइयों को बहुत अधिक कुशल बनाने के लिए इन्हें फिर से डिजाइन किया, जिससे उनके प्रदर्शन में लगभग अट्ठावन प्रतिशत से सुधार होकर बहत्तर प्रतिशत हो गया। यह परिवर्तन केवल ऊर्जा बचाने के बारे में नहीं था; यह डिटेक्टर को सुरक्षित रूप से संचालित करने के लिए पर्याप्त ठंडा रखने के लिए आवश्यक था। उन्होंने इन इकाइयों के भीतर पुराने ट्रांजिस्टर को नए मॉडलों से भी बदल दिया जो विकिरण के कारण होने वाले विद्युत तनाव को बेहतर ढंग से संभाल सकते हैं। परीक्षणों ने दिखाया कि ये नए घटक बिजली को नियंत्रित करने की अपनी क्षमता खोए बिना तीव्र विकिरण वातावरण का सामना कर सकते हैं, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि डिटेक्टर विद्युत विफलताओं से ग्रस्त नहीं होगा।

टीम ने फोटोमल्टीप्लायर ट्यूबों (photomultiplier tubes) पर भी ध्यान केंद्रित किया, जो वे उपकरण हैं जो प्लास्टिक टाइल्स से निकलने वाले मंद प्रकाश को विद्युत संकेतों में बदलते हैं। डिटेक्टर के सबसे खतरनाक क्षेत्रों में, जहाँ विकिरण उच्चतम होता है, उन्होंने एक हजार से अधिक नए ट्यूब स्थापित किए जो पुराने ट्यूबों की तुलना में अधिक मजबूत और स्थिर हैं। इन नए ट्यूबों को 'एक्टिव डिवाइडर्स' (active dividers) के साथ जोड़ा गया है, जो वे सर्किट हैं जो ट्यूबों को चलाने के लिए आवश्यक उच्च वोल्टेज का प्रबंधन करते हैं। शोधकर्ताओं ने इन डिवाइडर्स का अत्यधिक स्थितियों के तहत परीक्षण किया, उन्हें विकिरण की उन खुराकों के संपर्क में लाया जो मानक इलेक्ट्रॉनिक्स को नष्ट कर देतीं। उन्होंने पाया कि विकिरण की एक विशाल मात्रा को सोखने के बाद भी, ट्यूबों की वोल्टेज स्थिरता लगभग पूर्ण बनी रही, जिसमें प्रदर्शन में केवल एक मामूली, स्वीकार्य गिरावट आई। इसका अर्थ है कि प्रकाश संकेत स्पष्ट और विश्वसनीय बने रहेंगे, भले ही वर्षों तक भारी बमबारी क्यों न हो।

अपग्रेड का सबसे जटिल हिस्सा डिटेक्टर के डिजिटल मस्तिष्क से संबंधित है: मुख्य बोर्ड और डौटर बोर्ड (daughter boards) जो डेटा को संसाषित करते हैं और उसे कंप्यूटरों तक भेजते हैं। इन बोर्डों में उन्नत प्रोसेसर होते हैं जो स्वाभाविक रूप से विकिरण के प्रति संवेदनशील होते हैं, जिससे वे डेटा के बिट्स को बदल सकते हैं या फ्रीज हो सकते हैं। उन्हें बचाने के लिए, इंजीनियरों ने कई सुरक्षात्मक परतें बनाईं। उन्होंने विशेष सॉफ्टवेयर और हार्डवेयर तकनीकों का उपयोग किया जो लगातार त्रुटियों की जाँच करती हैं और उन्हें समस्या पैदा करने से पहले ही तुरंत ठीक कर देती हैं। परीक्षण के दौरान, उन्होंने भविष्य के कोलाइडर के विकिरण का अनुकरण करने के लिए इन बोर्डों पर प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की बमबारी की। ये बोर्ड विकिरण की उन खुराकों में भी जीवित रहे जो वास्तविक मशीन में देखे जाने वाले स्तर से कहीं अधिक थीं। जब त्रुटियां हुईं, तो सिस्टम ने उन्हें तुरंत पकड़ लिया और सुधारा, जिससे यह सिद्ध हुआ कि डेटा बरकरार रहेगा और डिटेक्टर बिना किसी व्यवधान के काम करता रहेगा।

इस नए सिस्टम का प्रत्येक घटक, पावर ब्रिक्स से लेकर डिजिटल प्रोसेसर तक, यह साबित करने के लिए कठोर परीक्षणों की एक श्रृंखला से गुजरा कि वह हाई-ल्यूमिनोसिटी एलएचसी में जीवित रह सकता है। शोधकर्ताओं ने घटकों को गामा किरणों, न्यूट्रॉन और प्रोटॉन के संपर्क में लाया, और तनाव के तहत उनके व्यवहार को सटीक रूप से मापा। परिणाम स्पष्ट थे: नया डिज़ाइन हर परीक्षण में सफल रहा। घटकों ने उन विनाशकारी विफलताओं के कोई संकेत नहीं दिखाए जो पुराने सिस्टम को बर्बाद कर देतीं। उन्होंने पुष्टि की कि नए पावर सप्लाई कुशल और मजबूत हैं, लाइट सेंसर स्थिर हैं, और डिजिटल प्रोसेसर लचीले हैं। इन निष्कर्षों के साथ, एटलस सहयोग के पास टाइल कैलोरीमीटर को अपग्रेड करने की एक पूरी तरह से प्रमाणित योजना है। डिटेक्टर अब इन नए, सुदृढ़ सिस्टम के साथ पुनर्गठित होने के लिए तैयार है, जिससे यह सुनिश्चित होगा कि जब 2030 में कोलाइडर चालू होगा, तो यह ब्रह्मांड के रहस्यों को प्रकट करना जारी रखेगा।