Radiation damage and recovery of SiPMs exposed to low-momentum muon beams for innovative scintillation-based muon beam monitors
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि विभिन्न निर्माताओं के आठ SiPM मॉडल उच्च-तीव्रता वाले 29 MeV/c मयून बीमों के संपर्क में आने के बाद थर्मल एनीलिंग के पश्चात परिचालन स्थिरता बनाए रखते हैं और इष्टतम प्रदर्शन प्राप्त करते हैं, जो अभिनव स्किंटिलेशन-आधारित निम्न-संवेग मयून बीम मॉनिटरों के लिए उनकी उपयुक्तता की पुष्टि करता है।
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कण भौतिकी (पार्टिकल फिजिक्स) की दुनिया में, वैज्ञानिकों को अक्सर ब्रह्मांड कैसे बना है यह समझने के लिए उप-परमाणु कणों की अदृश्य धाराओं को ट्रैक करने की आवश्यकता होती है। ऐसा ही एक कण म्यूऑन (muon) है, जो इलेक्ट्रॉन का एक भारी संबंधी है जो अंतरिक्ष से हम पर बरसता है या शक्तिशाली मशीनों में उत्पन्न होता है। इन क्षणिक आगंतुकों को पकड़ने के लिए, शोधकर्ता ऐसे डिटेक्टरों का उपयोग करते हैं जो म्यूऑन के गुजरने पर चमक उठते हैं, इस प्रक्रिया को 'सिंटिलेशन' (scintillation) कहा जाता है। इस चमक से निकलने वाले प्रकाश को पकड़ा और गिना जाना चाहिए, और दशकों से, इस काम के लिए मानक उपकरण के रूप में 'सिलिकॉन फोटोमल्टीप्लायर' (SiPM) नामक उपकरण का उपयोग किया जाता रहा है। इसे एक अत्यधिक संवेदनशील इलेक्ट्रॉनिक आँख के रूप में समझें जो प्रकाश की एकल चमक को भी देख सकती है। हालाँकि, ये उपकरण नाजुक होते हैं। जब इन्हें अपना काम करने के लिए सीधे कण पुंज (बीम) के मार्ग में रखा जाता है, तो वे उन्हीं कणों द्वारा क्षतिग्रस्त किए जा सकते हैं जिन्हें वे मापने की कोशिश कर रहे होते हैं। यह क्षति एक प्रकार का इलेक्ट्रॉनिक शोर (नॉइज़) पैदा करती है, जिससे उपकरण कम विश्वसनीय हो जाता है। वैज्ञानिकों के लिए चुनौती ऐसे डिटेक्टरों को डिजाइन करने की है जो इस कठोर वातावरण में जीवित रह सकें, या कम से कम, उनसे उबर सकें, ताकि वे पदार्थ विज्ञान और मौलिक भौतिकी के प्रयोगों के लिए स्पष्ट डेटा प्रदान करना जारी रख सकें।
यूनाइटेड किंगडम में 'आइसिस न्यूट्रॉन एंड म्यूऑन सोर्स' (ISIS Neutron and Muon Source) में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह परीक्षण करने के लिए हाथ आजमाया कि जब इन इलेक्ट्रॉनिक आँखों को एक विशिष्ट, तीव्र प्रकार के म्यूऑन बीम के संपर्क में लाया जाता है, तो वे कितनी अच्छी तरह टिक पाती हैं। वे विशेष रूप से कम-मोमेंटम (low-momentum) वाले म्यूऑन्स में रुचि रखते थे, जो अपेक्षाकृत धीरे चलते हैं और रुकते समय बड़ी मात्रा में ऊर्जा जमा करते हैं। ये धीमे म्यूऑन्स सामग्रियों के अध्ययन के लिए मूल्यवान हैं, लेकिन उनके उच्च ऊर्जा जमाव से उनके मार्ग में रखे गए सेंसरों के लिए महत्वपूर्ण जोखिम पैदा होता है। टीम ने विभिन्न निर्माताओं के आठ अलग-अलग SiPM मॉडल एकत्र किए और उन्हें 29 MeV/c के मोमेंटम पर चलते धनात्मक म्यूऑन्स की एक बीम के संपर्क में लाया। यह एक्सपोजर तीव्र था, जो लगभग एक मिलियन म्यूऑन्स प्रति सेकंड की स्थिर धारा के साथ 13 घंटों तक चला। लक्ष्य यह देखना था कि क्या सेंसर स्थायी रूप से बर्बाद हो जाएंगे या क्या उन्हें ठीक किया जा सकता है।
वास्तविक समय में क्षति की निगरानी करने के लिए, शोधकर्ताओं ने सेंसरों के "डार्क करंट" (dark current) पर नज़र रखी, जो वह विद्युत संकेत है जो प्रकाश की अनुपस्थिति में भी बहता है। जैसे-जैसे म्यूऑन्स उपकरणों पर बमबारी कर रहे थे, उनका बैकग्राउंड शोर बढ़ रहा था, जो इस बात का संकेत था कि सिलिकॉन की आंतरिक संरचना परिवर्तित हो रही थी। म्यूऑन्स सिलिकॉन के क्रिस्टल लैटिस (lattice) में सूक्ष्म दोष पैदा कर रहे थे, जो अनिवार्य रूप से इलेक्ट्रॉनों को बाधित कर रहे थे और उन्हें गलत संकेत उत्पन्न करने के लिए मजबूर कर रहे थे। हालाँकि, टीम को संदेह था कि यह क्षति स्थायी नहीं हो सकती है। जिस तरह एक टूटी हुई हड्डी ठीक हो सकती है, शोधकर्ताओं ने परिकल्पना की कि सिलिकॉन को गर्म करने से परमाणु संरचना को स्वयं की मरम्मत करने में मदद मिल सकती है, जिसे 'थर्मल एनीलिंग' (thermal annealing) नामक प्रक्रिया कहा जाता है।
इस तीव्र बमबारी के बाद, टीम ने क्षतिग्रस्त सेंसरों को 24 घंटों के लिए 125 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया। यह कोई रैंडम अनुमान नहीं था बल्कि एक सावधानीपूर्वक चुना गया तापमान था जिसे सिलिकॉन परमाणुओं को उपकरण को पिघलाए या नष्ट किए बिना दोषों को पुनर्गठित करने और ठीक करने के लिए प्रोत्साहित करने हेतु डिज़ाइन किया गया था। परिणाम उत्साहजनक थे। एक बार जब सेंसर ठंडे हो गए, तो उनका फिर से परीक्षण किया गया, और विद्युत शोर काफी कम हो गया था। हालाँकि डिवाइस अपनी बिल्कुल मूल स्थिति में नहीं लौटे, लेकिन वे इतना रिकवर हो गए कि उन्हें स्थिर और क्रियाशील माना जा सके। ब्रेकडाउन वोल्टेज, जो सेंसर को कार्य करने के लिए आवश्यक विशिष्ट विद्युत दबाव है, काफी हद तक अपरिवर्तित रहा, जो यह दर्शाता है कि प्रकाश का पता लगाने की सेंसर की मौलिक क्षमता बरकरार है। शोधकर्ताओं ने इस वोल्टेज में एक छोटा, व्यवस्थित बदलाव भी देखा, जिसके बारे में उनका संदेह है कि यह बीम में मौजूद न्यूट्रॉन की एक सूक्ष्म मात्रा के कारण हो सकता है, लेकिन प्राथमिक निष्कर्ष स्पष्ट था: हीट ट्रीटमेंट ने अधिकांश रेडिएशन क्षति को सफलतापूर्वक उलट दिया।
यह कार्य कम-मोमेंटम म्यूऑन्स के लिए नए प्रकार के बीम मॉनिटर बनाने के एक बड़े प्रयास का हिस्सा है। वर्तमान डिटेक्टर अक्सर सामग्री की मोटी परतों या जटिल व्यवस्थाओं का उपयोग करते हैं जो बीम को रोक सकते हैं या प्रयोग में हस्तक्षेप कर सकते हैं। टीम एक बहुत सरल डिज़ाइन विकसित कर रही है: एक पतली सिंटिलेटिंग शीट की एक परत जिसे SiPMs के एक फ्लैट ग्रिड द्वारा पढ़ा जाता है। यह डिज़ाइन उच्च सटीकता प्रदान करता है लेकिन इसके लिए सेंसरों को सीधे बीम में बैठना आवश्यक है। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि प्रत्यक्ष एक्सपोजर संभव है, बशर्ते सेंसरों को थर्मल एनीलिंग के माध्यम से ठीक होने का अवसर दिया जाए। यह सिद्ध करके कि ये उपकरण म्यूऑन बीम की कठोरता को झेल सकते हैं और अपने प्रदर्शन को पुनः प्राप्त कर सकते हैं, शोधकर्ताओं ने अधिक कॉम्पैक्ट और कुशल डिटेक्टरों का मार्ग प्रशस्त किया है। ये नए उपकरण वैज्ञानिकों को पदार्थों की परमाणु संरचना को अधिक स्पष्टता के साथ देखने की अनुमति देंगे, यह सुनिश्चित करते हुए कि पदार्थ के निर्माण खंडों को समझने की खोज में सेंसर स्वयं बाधा न बनें।
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