The scintillating fibre beam monitor for the CHNet-MAXI experiment at ISIS: characterisation of the light collection and detection system

प्राचीन इतिहास के शांत अध्ययन में, सीसा (लेड) एक मूक कथावाचक है। सदियों से, शिल्पकारों ने इस धातु को रोमन पाइपों से लेकर पुनर्जागरणकालीन मूर्तियों तक, हर चीज़ में ढाला है, फिर भी इन वस्तुओं में उपयोग किए गए अयस्क का विशिष्ट मूल अक्सर एक रहस्य बना रहता है। सीसे के परमाणुओं के विभिन्न स्थिर रूप, जिन्हें आइसोटोप कहा जाता है, एक रासायनिक फिंगरप्रिंट की तरह कार्य करते हैं, जो उस खदान का खुलासा करते हैं जहाँ से धातु को पहली बार निकाला गया था। हालाँकि, इस अनमोल कलाकृति को नुकसान पहुँचाए बिना इस फिंगरप्रिंट को पढ़ना लंबे समय से एक चुनौती रही है। म्यूऑन (muons) नामक उप-परमाणु कणों की एक बीम का उपयोग करने वाला एक नया दृष्टिकोण, इन वस्तुओं के भीतर झाँकने का एक तरीका प्रदान करता है जो गैर-विनाशकारी है। जब एक म्यूऑन को सीसे के परमाणु द्वारा पकड़ा जाता है, तो यह ऊर्जा की एक श्रृंखला (कैस्केड) को सक्रिय करता है जो परमाणु की पहचान प्रकट करती है। इस तकनीक को सफल बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को पहले इन क्षणिक कणों को अत्यंत सटीकता के साथ निर्देशित करने और गिनने की कला में महारत हासिल करनी होगी, यह सुनिश्चित करते हुए कि प्रत्येक माप सटीक हो और प्रत्येक कलाकृति अछूती रहे।

यूनाइटेड किंगडम में आईएसआईएस (ISIS) न्यूट्रॉन और म्यूऑन सोर्स में, शोधकर्ताओं की एक टीम CHNet-MAXI नामक एक प्रमुख प्रयोग की तैयारी कर रही है, जिसे सांस्कृतिक विरासत में सीसे के रहस्यों को खोलने के लिए डिज़ाइन किया गया है। प्राचीन कलाकृतियों पर अपना काम शुरू करने से पहले, उन्हें एक विशेष उपकरण बनाना और परीक्षण करना था: एक बीम मॉनिटर। यह उपकरण कण बीम के लिए एक हाई-स्पीड कैमरे के रूप में कार्य करता है, जो ठीक से ट्रैक करता है कि म्यूऑन कहाँ हैं और किसी भी क्षण कितने गुजर रहे हैं। मॉनिटर का निर्माण प्लास्टिक फाइबर की दो सपाट परतों से किया गया है, जिसमें प्रत्येक फाइबर तीन मिलीमीटर चौड़ा और दस सेंटीमीटर लंबा एक छोटा, वर्गाकार ट्यूब है। इन फाइबर्स को एक ग्रिड में व्यवस्थित किया गया है, जिसमें एक परत क्षैतिज स्थिति को मापती है और दूसरी परत ऊर्ध्वाधर स्थिति को मापती है। जब कोई कण एक फाइबर से टकराता है, तो वह प्रकाश की एक चमक पैदा करता है, जिसे सिलिकॉन फोटोमल्टीप्लायर नामक संवेदनशील इलेक्ट्रॉनिक आँखों द्वारा कैप्चर किया जाता है। पूरा संयोजन साठ-चार फाइबर्स का एक नाजुक जाल है, जिनमें से प्रत्येक एक अपने इलेक्ट्रॉनिक सेंसर से जुड़ा है, और सभी को एक कस्टम 3D-प्रिंटेड केस के भीतर रखा गया है।

शोधकर्ता जानते थे कि प्रयोग की सफलता के लिए, इस मॉनिटर का पूर्ण होना आवश्यक था। उन्हें यह समझने की आवश्यकता थी कि प्रकाश फाइबर के माध्यम से कैसे यात्रा करता है और इलेक्ट्रॉनिक सेंसर इसके प्रति कैसे प्रतिक्रिया करते हैं। ऐसा करने के लिए, वे शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन की ओर मुड़े। डिटेक्टर का एक आभासी मॉडल बनाकर, वे देख सकते थे कि म्यूऑन की एक बीम फाइबर्स से गुजरते समय कैसा व्यवहार करेगी। सिमुलेशन ने दिखाया कि प्रयोग के लिए चुनी गई विशिष्ट ऊर्जा स्तर पर, म्यूों की एक बीम फाइबर्स की पहली परत से गुजरेगी और फिर दूसरी परत के भीतर रुक जाएगी, जिससे वे एक अनुमानित तरीके से अपनी ऊर्जा जमा करेंगे। यह कंप्यूटर मॉडलिंग महत्वपूर्ण थी क्योंकि इसने टीम को एक सुधार कारक (करेक्शन फैक्टर) की गणना करने में मदद की, जो कच्चे विद्युत संकेतों को कणों की सटीक गिनती में बदलने के लिए आवश्यक एक गणितीय समायोजन है। सिमुलेशन ने सुझाव दिया कि चूंकि फाइबर बहुत करीब रखे गए हैं, इसलिए लगभग हर म्यूऑन कम से कम एक फाइबर से टकराएगा, जिसका अर्थ है कि सुधार कारक एक के बहुत करीब होगा, जिससे अंतिम गणना काफी सरल हो जाएगी।

सिद्धांत लागू होने के बाद, टीम डिटेक्टर को इटली के एक अलग केंद्र, CNAO केंद्र में ले गई, ताकि प्रोटॉन की एक बीम के साथ इसका परीक्षण किया जा सके। यह एक अलग प्रकार के कण का उपयोग करके किया गया एक पूर्वाभ्यास (ड्रेस रिहर्सल) था, लेकिन इसने उन्हें हार्डवेयर और डेटा संग्रह प्रणालियों की जांच करने की अनुमति दी। उन्होंने डिटेक्टर पर प्रोटॉन की एक बीम छोड़ी और स्क्रीन पर परिणाम देखे। उपकरण ने सफलतापूर्वक काम किया, बीम के आकार को मैप किया और पुष्टि की कि इलेक्ट्रॉनिक्स कार्य को संभालने में सक्षम हैं। हालाँकि, प्रारंभिक डेटा ने एक समस्या का खुलासा किया: प्रतिक्रिया समान नहीं थी। कुछ फाइबर अधिक ऊर्जा के संपर्क में आने पर भी दूसरों की तुलना में अधिक मजबूत संकेत दे रहे थे। यह असमानता प्राचीन कलाकृतियों की अंतिम छवियों को विकृत कर देती, जिससे कुछ हिस्से वास्तव में होने की तुलना में अधिक चमकीले या गहरे दिखाई देते। टीम ने महसूस किया कि वास्तविक म्यूऑन के साथ इस उपकरण पर भरोसा करने से पहले, उन्हें प्रत्येक एकल फाइबर की संवेदनशीलता को संतुलित करना होगा।

इसे ठीक करने के लिए, शोधकर्ताओं ने गामा किरणों के स्रोत का उपयोग करके एक सावधानीपूर्वक अंशांकन (कैलिब्रेशन) किया। उन्होंने डिटेक्टर के ऊपर एक छोटा रेडियोधर्मी स्रोत रखा और साठ-चार फाइबर्स में से प्रत्येक के प्रकाश आउटपुट को मापा। क्योंकि स्रोत एक अनुमानित पैटर्न में विकिरण उत्सर्जित करता है, शोधकर्ता ठीक से जानते थे कि स्रोत से अपनी दूरी के आधार पर प्रत्येक फाइबर को कितना प्रकाश उत्पन्न करना चाहिए। उन्होंने वास्तविक मापों की तुलना इस अपेक्षित पैटर्न से की। जहाँ एक फाइबर बहुत संवेदनशील था, वहाँ उन्होंने एक छोटा कमी कारक लागू किया; जहाँ वह बहुत कमजोर था, वहाँ उन्होंने एक बूस्ट लगाया। यह प्रक्रिया, जिसे इक्वलाइज़ेशन (समानता) कहा जाता है, ने चैनलों के बीच के अंतर को सुधारा। समायोजन के बाद, डिटेक्टर ने बीम की एक साफ, समान छवि बनाई, जिसमें कोई कृत्रिम हॉट या कोल्ड स्पॉट नहीं थे। टीम ने सत्यापित किया कि इस अंशांकन ने बीम के समग्र आकार या स्थिति को नहीं बदला, बल्कि केवल सतह पर सिग्नल की निरंतरता को सुधारा।

अंतिम चरण डिटेक्टर को आईएसआईएस (ISIS) सुविधा में लाना था, जहाँ इसे CHNet-MAXI प्रयोग के लिए बीमलाइन पर लगाया जाएगा। उपकरण अब प्रयोग की आँखें बनने के लिए तैयार है, जो गुजरने वाले प्रत्येक म्यूऑन को गिनता है और यह सुनिश्चित करता है कि प्राचीन सीसे के नमूनों से एकत्र किए गए डेटा को सही ढंग से सामान्यीकृत (नॉर्मलाइज) किया गया है। यह जानकर कि कितने कण नमूने से टकराए हैं, वैज्ञानिक बिना कलाकृति को छुए सटीक रूप से आइसोटोपिक अनुपात निर्धारित कर सकते हैं। इस स्किंटिलेटिंग फाइबर मॉनिटर का सफल परीक्षण और अंशांकन एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर है। यह एक जटिल असेंबली को प्लास्टिक और इलेक्ट्रॉनिक्स से एक विश्वसनीय वैज्ञानिक उपकरण में बदल देता है, जो पुरातत्व विज्ञान में गैर-विनाशकारी विश्लेषण के एक नए युग का मार्ग प्रशस्त करता है। कंप्यूटर सिमुलेशन से अंतिम अंशांकन तक का मार्ग यह सुनिश्चित करता है कि जब पहली प्राचीन वस्तु को स्कैन किया जाएगा, तो परिणाम उतने ही स्पष्ट और सत्य होंगे जितने कि वे इतिहास जिन्हें प्रकट करने के लिए बनाए गए हैं।