⚛️ नाभिकीय प्रयोग

Recent upgrades to the CRIS Decay Spectroscopy Station: Accessing $\beta$ - and $\gamma$ -ray spectroscopy on pure isomeric beams

ISOLDE-CERN में CRIS डिके स्पेक्ट्रोस्कोपी स्टेशन को एक पुनर्गठित वैक्यूम-अनुकूल डिटेक्शन चैंबर, एक नए टेप सिस्टम और एक डिजिटल DAQ के साथ अपग्रेड किया गया है ताकि आइसोमर-चयनात्मक $\beta$ - और $\gamma$ -किरण स्पेक्ट्रोस्कोपी को सक्षम बनाया जा सके, जिसे $^{106g,106m}$ In आइसोमर्स के पूर्ण पृथक्करण और कुशल पहचान द्वारा सफलतापूर्वक प्रदर्शित किया गया है।

मूल लेखक: Simone Casci, Bram van den Borne, Osama Ahmad, Anjali Ajayakumar, Michail Athanasakis-Kaklamanakis, Mia Au, Justus Berbalk, Yazeed Balasmeh, Thomas Elias Cocolios, Saikumar Chinthakayala, Christian Co

प्रकाशित 2026-10-22

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Simone Casci, Bram van den Borne, Osama Ahmad, Anjali Ajayakumar, Michail Athanasakis-Kaklamanakis, Mia Au, Justus Berbalk, Yazeed Balasmeh, Thomas Elias Cocolios, Saikumar Chinthakayala, Christian Costache, Ruben Pieter de Groote, Carlos Mario Fajardo-Zambrano, Kieran Thomas Flanagan, Ronald Fernando Garcia Ruiz, Reinhard Heinke, Andres Illana, Zakariya Johri, Angelos Karadimas, Anders Kastberg, Ágota Koszorús, Louis Lalanne, Pierre Lassègues, Razvan Lică, Yongchao Liu, Kara Marie Lynch, Abigail McGlone, David Thomas McElroy, Philippe Mispelter, Gerda Neyens, Cătălin Neacşu, Lukas Nies, Andrea Raggio, Jordan Ray Reilly, Jack Shaw, Marek Stryjczyk, Andrei Turturica, Victoria Vedia, Jessica Warbinek, Hilde De Witte, Xiaofei Yang

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

पदार्थ के हृदय में गहराई में परमाणु नाभिक स्थित होता है, जो प्रोटॉन और न्यूट्रॉन का एक सघन समूह है जो ब्रह्मांड के प्रत्येक तत्व को परिभाषित करता है। जबकि कुछ नाभिक स्थिर होते हैं, कई अस्थिर या रेडियोधर्मी होते हैं, जो एक अधिक आरामदायक अवस्था खोजने के लिए लगातार बदलते और ऊर्जा छोड़ते रहते हैं। वैज्ञानिक इन क्षय के क्षणों को समझने के लिए इनका अध्ययन करते हैं कि कैसे मौलिक बल ब्रह्मांड को एक साथ थामे हुए हैं। हालाँकि, इस क्षेत्र में एक निरंतर चुनौती "आइसोमर्स" (समरूपों) की उपस्थिति है। ये एक ही परमाणु के वे संस्करण हैं जिनमें प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की संख्या समान होती है लेकिन वे अलग-अलग ऊर्जा अवस्थाओं में व्यवस्थित होते हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक मुड़े हुए कागज और एक सपाट कागज के बीच का अंतर होता है। अक्सर, ये विभिन्न संस्करण प्रयोगशाला में आपस में मिले हुए आते हैं, जिससे यह पहचानना लगभग असंभव हो जाता है कि कौन सा क्षय हो रहा है और कौन सा केवल बैकग्राउंड नॉइज़ (पृष्ठभूमि शोर) है। किसी विशिष्ट परमाणु अवस्था की वास्तविक प्रकृति को देखने के लिए, शोधकर्ताओं को इसे अत्यधिक सटीकता के साथ अलग करना होता है, एक ऐसा कार्य जिसके लिए लंबे समय से लेजर और वैक्यूम तकनीक के नाजुक संतुलन की आवश्यकता रही है।

यूरोपीय परमाणु अनुसंधान संगठन, जिसे CERN के नाम से जाना जाता है, में वैज्ञानिकों की एक टीम ने इस समस्या को हल करने के लिए एक विशेष सुविधा जिसे 'डिके स्पेक्ट्रोस्कोपी स्टेशन' कहा जाता है, को हाल ही में अपग्रेड किया है। ISOLDE सुविधा में स्थित, यह स्टेशन रेडियोधर्मी परमाणुओं को उनके निर्माण के समय पकड़ने और उनके टूटने के तरीके का अध्ययन करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। एक बड़े अंतर्राष्ट्रीय सहयोग के नेतृत्व में, शोधकर्ताओं ने इस स्टेशन को ऐसे परमाणु बीमों के साथ काम करने के लिए रूपांतरित किया है जो केवल एक एकल प्रकार की परमाणु अवस्था से शुद्ध किए गए हैं। 'कोलिनियर रेजोनेंस आयनीकरण स्पेक्ट्रोस्कोपी' नामक एक शक्तिशाली तकनीक का उपयोग करके, वे लेजर को केवल उन परमाणुओं के विशिष्ट ऊर्जा फिंगरप्रिंट के साथ इंटरैक्ट करने के लिए ट्यून कर सकते हैं जिनका वे अध्ययन करना चाहते हैं, जिससे वे सभी अवांछित संस्करणों को प्रभावी ढंग से फ़िल्टर कर देते हैं। नए अपग्रेड इन शुद्ध बीमों को एक चलती हुई टेप पर इम्प्लांट करने की अनुमति देते हैं, जो परमाणुओं को कुछ समय के बाद डिटेक्टरों से दूर ले जाती है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि माप पिछले परमाणुओं के अवशेष विकिरण से दूषित न हों।

इस नई क्षमता का भौतिक केंद्र एक पुनर्गठित डिटेक्शन चैंबर है। शोधकर्ताओं ने पुराने, स्टेनलेस स्टील वाले डिज़ाइन को एक कॉम्पैक्ट, कस्टम-निर्मित इकाई से बदल दिया है जो अल्ट्रा-हाई वैक्यूम में काम कर सकती है। इस चैंबर के भीतर, उन्होंने एक चलती हुई टेप प्रणाली स्थापित की है जो एक विशेष डिटेक्टर के केंद्र से होकर गुजरती है। यह डिटेक्टर एक कस्टम-मेड प्लास्टिक सिंटिलेटर है, जो एक स्पष्ट सामग्री का ब्लॉक है जो किसी कण के टकराने पर प्रकाश के साथ चमकता है। इस केंद्रीय केंद्र के चारों ओर गामा किरणों को महसूस करने में सक्षम कई उच्च-सटीक डिटेक्टर लगे हैं, जो परमाणु क्षय के दौरान उत्सर्जित होने वाले उच्च-ऊर्जा प्रकाश के पैकेट हैं। पूरा सेटअप एक परिष्कृत डिजिटल सिस्टम से जुड़ा है जो कण के टकराने के सटीक क्षण और उसके बाद आने वाली गामा किरणों की सटीक ऊर्जा को रिकॉर्ड करता है, जिससे टीम को अभूतपूर्व स्पष्टता के साथ क्षय प्रक्रिया को पुनर्गठित करने की अनुमति मिलती है।

यह परीक्षण करने के लिए कि क्या उनकी नई मशीन ने काम किया, टीम ने इंडियम की बीमों का उपयोग करके एक कमीशनिंग प्रयोग आयोजित किया, जो एक रासायनिक तत्व है जो दो विशिष्ट रूपों में मौजूद होता है: एक ग्राउंड स्टेट और एक उत्तेजित आइसोमेरिक स्टेट। ये दोनों रूप इसलिए अलग करना अत्यंत कठिन है क्योंकि उनके ऊर्जा हस्ताक्षर काफी हद तक ओवरलैप होते हैं। शोधकर्ताओं ने इंडियम परमाणुओं की एक बीम को स्टेशन की ओर निर्देशित किया, अपने लेजर का उपयोग करके केवल दो में से एक रूप को एक समय में चुनने के लिए। जैसे ही चयनित परमाणु चलती हुई टेप पर लैंड हुए, वे क्षय होने लगे। टीम ने देखा कि चलती हुई टेप ने रेडियोधर्मी अवशेष को सफलतापूर्वक हटा दिया, जिससे डिटेक्टर साफ रहे और अगले बैच के परमाणुओं के लिए तैयार रहे। उन्होंने अपने नए प्लास्टिक डिटेक्टर की दक्षता को मापा, जिसमें पाया कि इसने क्षय के दौरान उत्सर्जित बीटा कणों के लगभग उन्नीस प्रतिशत को सफलतापूर्वक कैप्चर किया, जो कि ऐसे कॉम्पैक्ट उपकरण के लिए एक महत्वपूर्ण उपलब्धि है।

प्रयोग का सबसे उल्लेखनीय परिणाम इंडियम के दो रूपों के बीच स्पष्ट अंतर करने की क्षमता थी। जब लेजर को ग्राउंड स्टेट के लिए ट्यून किया गया, तो डिटेक्टरों ने गामा किरणों का एक विशिष्ट पैटर्न रिकॉर्ड किया जो केवल तभी दिखाई देता था जब वह अवस्था मौजूद होती थी। जब लेयर्स को आइसोमेरिक स्टेट के लिए ट्यून किया गया, तो गामा किरणों का एक पूरी तरह से अलग सेट दिखाई दिया, जिसमें ग्राउंड स्टेट का कोई सिग्नल नहीं था। इस स्वच्छ अलगाव ने सिद्ध किया कि टीम अब इन दो परमाणु अवस्थाओं का स्वतंत्र रूप से अध्ययन कर सकती है, जो कि पहले संकेतों के मिश्रण के कारण असंभव था। शोधकर्ताओं ने निर्धारित किया कि सिस्टम उच्च दक्षता के साथ अवांछित बैकग्राउंड गतिविधि को हटा सकता है, जिससे परमाणु संरचना का एक स्पष्ट दृश्य मिलता है।

यह कार्य विलुप्तप्राय (exotic) नाभिकों के अध्ययन की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है। लेजर शुद्धिकरण को एक चलती हुई टेप प्रणाली और डिटेक्टरों की एक नई पीढ़ी के साथ जोड़कर, टीम ने एक ऐसा उपकरण बनाया है जो परमाणु अवस्थाओं को उस शुद्धता के स्तर के साथ अलग और प्रेक्षित कर सकता है जो पहले पहुंच से बाहर था। इस अपग्रेड की सफलता का अर्थ है कि वैज्ञानिक अब उन अल्पकालिक आइसोटोप के गुणों की जांच कर सकते हैं जो कभी अध्ययन करने के लिए बहुत अधिक दूषित थे। टीम इस नई क्षमता का उपयोग 78Ni के पास के नाभिकों, विशेष रूप से 79Zn और 80Ge की संरचना की खोज करने के लिए करने की योजना बना रही है, जिससे इस क्षेत्र में 'शेप कोएक्सिस्टेंस' (आकार सह-अस्तित्व) पर प्रकाश पड़ने की उम्मीद है। इन अवस्थाओं को स्पष्ट रूप से अलग करने की क्षमता परमाणु नाभिकों के आकार और व्यवहार के बारे में लंबे समय से चले आ रहे प्रश्नों के उत्तर देने का द्वार खोलती है, जिससे हमारे ब्रह्मांड के निर्माण खंडों की एक स्पष्ट तस्वीर मिलती है।

तकनीकी सारांश: CRIS क्षय स्पेक्ट्रोस्कोपी स्टेशन (Decay Spectroscopy Station) के हालिया अपग्रेड

समस्या विवरण
रेडियोधर्मी आयन बीम सुविधाओं में क्षय स्पेक्ट्रोस्कोपी (Decay spectroscopy) अक्सर आइसोबारिक या आइसोमेरिक संदूषों (contaminants) से ग्रस्त होती है, जो विशिष्ट नाभिकीय क्षय को अलग करने की प्रक्रिया को जटिल बना देती है। जबकि इन-सोर्स रेजोनेंस आयनाइजेशन स्पेक्ट्रोस्कोपी बीम को शुद्ध कर सकती है, इसका सीमित रिज़ॉल्यूशन (कई GHz) ओवरलैपिंग हाइपरफाइन संरचनाओं (hfs) वाले नाभिकीय अवस्थाओं, जैसे कि $^{106}$ In की ग्राउंड और आइसोमेरिक अवस्थाओं को अलग करने में विफल रहता है। पिछला कोलीनियर रेजोनेंस आयनाइजेशन स्पेक्ट्रोस्कोपी (CRIS) क्षय स्पेक्ट्रोस्कोपी स्टेशन (DSS 2), जिसे 2017 में कमीशन किया गया था, $\gamma$ -किरण पहचान दक्षता में तो सुधार करता था लेकिन इसमें एक समर्पित $\beta$ -डिटेक्शन सिस्टम की कमी थी। इसके अलावा, यह इम्प्लांटेशन स्थान पर लंबे समय तक रहने वाली रेडियोधर्मी गतिविधि के संचय से ग्रस्त था, जिससे बैकग्राउंड की समस्याएँ उत्पन्न होती थीं, और इसमें एकीकृत बीम डायग्नोस्टिक्स का अभाव था। पिछले संस्करणों का स्टेनलेस स्टील निर्माण कम ऊर्जा वाले $\gamma$ -किरणों को काफी हद तक कम (attenuate) कर देता था।

कार्यप्रणाली और तकनीकी अपग्रेड
लेखक शुद्ध आइसोमेरिक बीमों पर आइसोमर-चयनात्मक $\beta$ - और $\gamma$ -किरण स्पेक्ट्रोस्कोपी सक्षम करने के लिए DSS 2 के व्यापक अपग्रेड की रिपोर्ट करते हैं। तकनीकी संशोधनों में शामिल हैं:

टेप सिस्टम कार्यान्वयन: एक नया टेप स्टेशन स्थापित किया गया है जो आयन बीम को टेप चैंबर से डिटेक्शन चैंबर तक ले जाता है। यह सिस्टम एक एल्युमिनाइज्ड माइलर टेप का उपयोग करता है जिसे इम्प्लांटेशन स्पॉट को स्थानांतरित करने के लिए सर्वो मोटर्स द्वारा संचालित किया जाता है, जो प्रभावी रूप से डिटेक्शन वॉल्यूम से लंबे समय तक रहने वाली डौटर (daughter) गतिविधि को हटा देता है। टेप चैंबर 2-सेमी मोटी स्टेनलेस स्टील की दीवारों से ढका हुआ है और $6 \times 10^{-7}$ mbar का वैक्यूम बनाए रखता है, जबकि डिफरेंशियल पंपिंग इंटरेक्शन क्षेत्र में अल्ट्रा-हाई वैक्यूम (UHV) ( $>9 \times 10^{-10}$ mbar) को सुरक्षित रखती है।
पुनर्गठित बेसप्लेट और $\beta$ डिटेक्टर: एल्युमीनियम बेसप्लेट को स्टेनलेस स्टील संस्करण से बदल दिया गया है जिसमें एक 8-मिमी कोलीमेटर, बीम डायग्नोस्टिक्स के लिए एक गतिशील MicroTOF डिटेक्टर, और एक कस्टम $\beta$ -डिटेक्टर माउंट शामिल है। $\beta$ डिटेक्टर में टेप के चारों ओर एक अर्ध-बेलनाकार BC-408 प्लास्टिक सिंटीलेटर (50 mm $\times$ 39.25 mm $\times$ 27 mm) शामिल है, जो 24 फोटोवोल्टिक सेल्स वाले एक कस्टम सिलिकॉन फोटोमल्टीप्लायर (SiPM) से जुड़ा है। इस डिज़ाइन का उद्देश्य इयोन बीम हेलो (halo) से सिंटीलेटर को बचाते हुए इष्टतम सॉलिड एंगल कवरेज प्राप्त करना है।
$\gamma$ -किरण डिटेक्शन ऐरे: यह सेटअप OSIRIS फ्रेम पर लगे तीन हाई-प्यूरिटी जर्मेनियम (HPGe) डिटेक्टरों और चार LaBr $_3$ डिटेक्टरों तक समायोजित हो सकता है। कॉम्पैक्ट 10 cm $\times$ 10 cm डिटेक्शन चैंबर HPGe डिटेक्टरों को इम्प्लांटेशन पॉइंट से लगभग 7 सेमी की दूरी पर रखने की अनुमति देता है।
डेटा एक्विजिशन (DAQ): CAEN V1724 (DPP-PHA) और V1751 (DPP-PSD) डिजिटाइज़र का उपयोग करके एक 24-चैनल डिजिटल DAQ सिस्टम लागू किया गया है। यह सिस्टम $\beta$ डिटेक्टर, HPGe, और LaBr डिटेक्टरों के संकेतों को CRIS बीमलाइन लॉजिक के साथ सिंक्रोनाइज़ करता है, जिससे कोइंसिडेंस मेजरमेंट और टाइम सिलेक्शन संभव हो पाता है।

कमीशनिंग प्रयोग और परिणाम
अपग्रेडेड स्टेशन का परीक्षण $^{106g,m}$ In और $^{104g}$ In की लेजर-आयोनाइज्ड बीमों का उपयोग करके किया गया। विशिष्ट hfs ट्रांजिशन पर लेजर फ्रीक्वेंसी को ट्यून करके $^{106}$ In की ग्राउंड स्टेट ( $I=7^+$ ) या आइसोमेरिक स्टेट ( $I=2^+$ ) को चयनात्मक रूप से आयनाइज करने के लिए CRIS तकनीक का उपयोग किया गया।

गतिविधि निष्कासन (Activity Removal): निरंतर इम्प्लांटेशन के बाद टेप को हिलाने से $\beta$ डिटेक्टर के सॉलिड एंगल से अवशिष्ट गतिविधि को प्रभावी ढंग से हटाने का प्रदर्शन हुआ। हालांकि, HPGe डेटा में एक लंबे समय तक रहने वाली पूँछ (tail) ने संकेत दिया कि बीम हेलो $\beta$ डिटेक्टर के सामने स्थित कोलीमेटर एपर्चर पर इम्प्लांट हो रहा था।
ट्रांसमिशन और दक्षता: CRIS MagneTOF से DSS इम्प्लांटेशन पॉइंट तक ट्रांसमिशन दक्षता (कोलीमेटर और बीम हेलो से होने वाले नुकसान को ध्यान में रखते हुए) कम से कम 30% निर्धारित की गई। पूर्ण $\beta$ -डिटेक्शन दक्षता 19(2)% मापी गई। यह सिम्युलेटेड 68% ज्यामितीय दक्षता से काफी कम है, जिसका कारण प्रयोग के दौरान लाइट ट्रांसपोर्ट लॉस और गैर-इष्टतम SiPM बायस/गेन सेटिंग्स है।
आइसोमर पृथक्करण: प्रयोग ने $^{106g}$ In और $^{106m}$ In अवस्थाओं के पृथक्करण को सफलतापूर्वक प्रदर्शित किया। विशिष्ट hfs ट्रांजिशन के साथ लेजर को रेजोनेंस पर सेट करके, टीम ने प्रत्येक अवस्था के क्षय की विशिष्ट $\gamma$ -किरण ट्रांजिशन देखी। उदाहरण के लिए, जब ग्राउंड स्टेट चुनी गई थी, तब $^{106}$ Cd की उच्च-स्पिन अवस्थाओं को डिपॉपुलेट करने वाले ट्रांजिशन देखे गए, जबकि जब आइसोमेरिक स्टेट चुनी गई थी, तब लो-स्पिन अवस्थाओं की ओर जाने वाले ट्रांजिशन देखे गए।
$\gamma$ -किरण दक्षता: HPGe डिटेक्टरों की कुल फोटोपीक दक्षता 200 keV पर 7% मापी गई, जो पिछले डिजाइनों की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार है।

महत्व और दावे
यह पेपर दावा करता है कि ये अपग्रेड शुद्ध आइसोमेरिक बीमों पर लेजर-असिस्टेड डिके स्पेक्ट्रोस्कोपी (LADS) को सक्षम करते हैं, जो ओवरलैपिंग hfs वाली अवस्थाओं के लिए पहले अप्राप्य था। प्राथमिक महत्व विशिष्ट ग्राउंड और आइसोमेरिक अवस्थाओं के क्षय द्वारा पोषित नाभिकीय संरचनाओं (जैसे $^{106}$ In के क्षय द्वारा पोषित $^{106}$ Cd की संरचना) को अलग करने की क्षमता में निहित है।

लेखक नोट करते हैं कि जबकि पारंपरिक आयन काउंटिंग से डिके-असिस्टेड लेजर स्पेक्ट्रोस्कोपी (DALS) में संक्रमण में लगभग 3:50 का लॉस फैक्टर शामिल है (ट्रांसमिशन और डिटेक्शन दक्षता के कारण), यह विधि उच्च आइसोबारिक या आइसोमेरिक संदूषण वाले बीमों के लिए सिग्नल-टू-बैकग्राउंड प्रदर्शन में पर्याप्त सुधार प्रदान करती है। इस सिस्टम की योजना अब $^{78}$ Ni क्षेत्र के पास शेप कोएक्सिस्टेंस (shape coexistence) के अध्ययन के लिए, विशेष रूप से $^{79}$ Zn और $^{80}$ Ge में उपयोग करने के लिए बनाई गई है। लेख का निष्कर्ष है कि नया DSS अपने पूर्ववर्तियों की वैक्यूम और डिटेक्शन सीमाओं को सफलतापूर्वक पार कर लेता है, जो उच्च-रिज़ॉल्यूशन क्षय स्पेक्ट्रोस्कोपी के लिए एक मजबूत मंच प्रदान करता है।

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