Characterization of Next Generation Power Over Fiber Systems under Cryogenic Conditions for Advanced Physics Instrumentation

परमाणु भौतिकी के प्रयोगों के विशाल, शांत हॉलों में, जमीन के बहुत नीचे, वैज्ञानिक न्यूट्रिनो की रहस्यमयी फुसफुसाहट को पकड़ने के लिए डिटेक्टर बना रहे हैं। ये कण शायद ही कभी पदार्थ के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, इसलिए उन्हें पकड़ने के लिए, शोधकर्ता विशाल टैंकों को लिक्विड आर्गन से भरते हैं, जिसे प्लूटो की सतह से भी कहीं अधिक ठंडे तापमान तक ठंडा किया जाता है। इस जमी हुई अंधेरी दुनिया के भीतर, संवेदनशील कैमरों और इलेक्ट्रॉनिक्स को उस हल्की रोशनी को रिकॉर्ड करने के लिए काम करना चाहिए जो तब उत्पन्न होती है जब एक न्यूट्रिनो किसी परमाणु से टकराता है। हालाँकि, इन इलेक्ट्रॉनिक्स को बिजली पहुँचाना एक अनूठी पहेली पेश करता है। मानक विद्युत तारों को अंदर लाना खतरनाक है क्योंकि डिटेक्टर को चलाने के लिए आवश्यक उच्च वोल्टेज तरल में एक विनाशकारी शॉर्ट सर्किट पैदा कर सकता है। इसके अलावा, अत्यधिक ठंड मानक केबलों को भंगुर और विफल होने के प्रति संवेदनशील बना देती है। वर्षों से, वैज्ञानिक 'पावर-ओवर-फाइबर' नामक एक चतुर वर्कअराउंड का उपयोग करते आए हैं, जहाँ प्रकाश स्वयं उस ऊर्जा को ले जाता है जिसकी आवश्यकता इलेक्ट्रॉनिक्स को चलाने के लिए होती है, जो एक कांच के धागे (स्ट्रैंड) के माध्यम से यात्रा करता है जो विद्युत हस्तक्षेप से मुक्त है। लेकिन जैसे-जैसे ये प्रयोग बड़े और अधिक संवेदनशील होते जा रहे हैं, पुराने तरीके एक दीवार से टकरा रहे हैं। पिछले सिस्टमों में उपयोग किया जाने वाला प्रकाश केबलों से बाहर निकल रहा था और संवेदनशील कैमरों को भ्रमित कर रहा था, जबकि ठंड गंतव्य तक पहुँचने से पहले बहुत अधिक ऊर्जा चुरा रही थी।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने लिक्विड आर्गन के गहरे जमाव में काम करने के लिए डिज़ाइन किए गए पावर-ओवर-फाइबर सिस्टम की नई पीढ़ी का परीक्षण करके इन समस्याओं को हल करने के लिए हाथ मिलाया। अतीत के छोटे, लाल रंग के प्रकाश तरंगों का उपयोग करने के बजाय, उन्होंने लंबे, इन्फ्रारेड तरंग दैर्ध्य (वेवलेंथ) की ओर रुख किया जो मानवीय आंखों के लिए अदृश्य हैं और संवेदनशील डिटेक्टरों को बाधित करने की कम संभावना रखते हैं। उन्होंने इस अदृश्य प्रकाश के दो विशिष्ट रंगों का परीक्षण किया, एक 1470 नैनोमीटर पर और दूसरा 1550 नैनोमीटर पर, यह देखने के लिए कि क्या वे पहले की तुलना में अधिक कुशलता से और शांति से बिजली पहुंचा सकते हैं। टीम ने केवल सिस्टम का निर्माण नहीं किया; उन्होंने प्रत्येक घटक को सूक्ष्मता से मापा ताकि यह समझा जा सके कि तरल नाइट्रोजन (जो वास्तविक प्रयोगों में उपयोग किए जाने वाले लिक्विड आर्गन का एक प्रतिनिधि है) में डूबे होने पर यह कैसे व्यवहार करता है। वे ठीक से जानना चाहते थे कि लेजर कितनी शक्ति उत्पन्न कर सकते हैं, तापमान गिरने पर कांच के रेशों (फाइबर्स) को कितनी ऊर्जा का नुकसान होगा, और विशेष सौर-सेल जैसे उपकरण उस प्रकाश को वापस बिजली में कितनी अच्छी तरह बदल सकते हैं।

शोधकर्ताओं ने उन लेजरों का लक्षण वर्णन करना शुरू किया जो बिजली के स्रोत के रूप में काम करेंगे। उन्होंने 1470 और 1550 नैनोमीटर पर प्रकाश छोड़ने में सक्षम ऑफ-द-शेल्फ लेजर ट्रांसमीटरों का परीक्षण किया। इन उपकरणों में डाली गई बिजली और निकलने वाले प्रकाश को सावधानीपूर्वक मापकर, उन्होंने पाया कि ये उपकरण काफी कुशल थे, जो 1470 नैनोमीटर पर लगभग 24 प्रतिशत और 1550 नैनोमीटर पर लगभग 28 प्रतिशत विद्युत ऊर्जा को प्रकाश में परिवर्तित करते हैं। उन्होंने इन लेयर्स को नियंत्रित करने के लिए एक कस्टम ड्राइवर भी बनाया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि यह केवल मामूली उतार-चढ़ाव के साथ एक घंटे तक लगातार चल सकता है। यह एक महत्वपूर्ण पहला कदम था, यह सुनिश्चित करना कि सिस्टम का हृदय इस कठोर वातावरण में विश्वसनीय रूप से धड़क सके।

इसके बाद, टीम ने अपना ध्यान कांच के रेशों (फाइबर्स) की ओर लगाया, जो वे नसें हैं जिनसे बिजली यात्रा करेगी। उन्होंने मापा कि कमरे के तापमान पर रेशों के माध्यम से यात्रा करते समय कितना प्रकाश नष्ट होता है और फिर रेशों को तरल नाइट्रोजन में डुबोने के बाद प्रयोग को दोहराया। ठंड ने अतिरिक्त नुकसान पैदा किया, लेकिन टीम ने पाया कि 1550-नैनोमीटर वाला प्रकाश लंबी दूरी के लिए 1470-नैनोमीटर वाले प्रकाश की तुलना में बेहतर प्रदर्शन करता है। कमरे के तापमान पर, 1550-नैनोमीटर सिग्नल बहुत कम ऊर्जा खोता है, लेकिन जमने पर, इसे थोड़ा कठिन संघर्ष करना पड़ता है। 1470-नैनोमीटर सिग्नल, हालांकि ठंड में अधिक ऊर्जा खो देता है, फिर भी एक व्यवहार्य मार्ग प्रदान करता है। इन मापों को जोड़कर, शोधकर्ता सटीक भविष्यवाणी कर सकते थे कि 50 मीटर या उससे अधिक की यात्रा में कितनी शक्ति जीवित बचेगी, जो भविष्य के विशाल डिटेक्टरों के लिए प्रासंगिक दूरी है।

सबसे महत्वपूर्ण घटक रिसीवर था, एक उपकरण जिसे 'ऑप्टिकल पावर कन्वर्टर' कहा जाता है, जो लेजर लाइट के लिए सौर सेल की तरह कार्य करता है। टीम ने इन कन्वर्टर्स का क्रायोजेनिक तापमान पर परीक्षण किया ताकि यह देखा जा सके कि वे आने वाले प्रकाश को वापस बिजली में कितनी अच्छी तरह बदल सकते हैं। परिणाम चौंकाने वाले थे। 1470-नैनोमीटर प्रकाश के लिए डिज़ाइन किए गए कन्वर्टर ने लगभग 64 प्रतिशत की दक्षता हासिल की, जिसका अर्थ है कि इसने आने वाले प्रकाश के लगभग दो-तिहाई हिस्से को उपयोगी विद्युत शक्ति में बदल दिया। यह पुराने सिस्टमों की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार था जो 808-नमीटर प्रकाश का उपयोग करते थे, जो आमतौर पर ठंड में केवल लगभग 50 से 55 प्रतिशत दक्षता तक ही पहुँच पाते थे। 1550-नैनोमीटर प्रकाश के लिए कन्वर्टर कम कुशल था, जो लगभग 22 प्रतिशत तक पहुँच सका, लेकिन गहरे जमाव में उच्च शक्ति प्रदान करने के लिए 1470-नometer वाला सिस्टम स्पष्ट विजेता के रूप में उभरा।

हालाँकि, बिजली पहुँचाना केवल आधी लड़ाई है; दूसरी आधी लड़ाई यह सुनिश्चित करना है कि प्रकाश बाहर न निकले और उन संवेदनशील कैमरों को अंधा न कर दे जो न्यूट्रिनो की निगरानी कर रहे हैं। शोधकर्ताओं ने यह मापने के लिए एक कठोर परीक्षण स्थापित किया कि रेशों और कन्वर्टर्स से कितना प्रकाश बाहर निकलता है। उन्होंने अत्यधिक संवेदनशील लाइट डिटेक्टरों की एक श्रृंखला का उपयोग किया, जो वास्तविक न्यूट्रिनो प्रयोगों में उपयोग किए जाने वाले डिटेक्टरों के समान हैं, ताकि किसी भी बिखरे हुए फोटॉन को गिना जा सके। जब उन्होंने पुराने 808-नैनोमीटर सिस्टम का परीक्षण किया, तो डिटेक्टर सक्रिय हो गए, जो केबलों से लीक होने वाले प्रकाश के कारण हजारों अतिरिक्त संकेतों को दर्ज कर रहे थे। इसके विपरीत, जब उन्होंने नए 1470 और 1550-नैनोमीटर सिस्टम पर स्विच किया, तो शोर नाटकीय रूप से गिर गया। अतिरिक्त संकेत लगभग दो परिमाण (orders of magnitude) कम हो गए, जिसका अर्थ है कि नया सिस्टम लगभग सौ गुना अधिक शांत था। यहाँ तक कि जब पावर कन्वर्टर खुद भी खुला था, तब भी रिसाव प्रबंधनीय था, लेकिन रेशे (फाइबर्स) अकेले लगभग पूरी तरह से शांत थे। बैकग्राउंड शोर में यह कमी महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह डिटेक्टरों को ब्रह्मांड के सबसे सूक्ष्म संकेतों को देखने की अनुमति देती है बिना बिजली प्रणाली द्वारा बाधित हुए।

इस कार्य के निष्कर्ष भविष्य के न्यूट्रिनो डिटेक्टरों के लिए एक ठोस आधार प्रदान करते हैं, जैसे कि 'डीप अंडरग्राउंड न्यूट्रिनो एक्सपेरिमेंट' के लिए नियोजित किए गए हैं। यह सिद्ध करके कि 1470-नैनोमीटर प्रकाश को लंबी, ठंडी रेशों के माध्यम से न्यूनतम रिसाव के साथ कुशलतापूर्वक पहुँचाया जा सकता है, शोधकर्ताओं ने सेंसरों के विशाल समूहों को संचालित करने का द्वार खोल दिया है जिन्हें पहले सुरक्षित रूप से विद्युतीकृत करना असंभव था। उन्होंने जो डेटा एकत्र किया है कि ठंड में कितनी शक्ति नष्ट होती है और कितनी वापस बिजली में परिवर्तित होती है, वह इंजीनियरों को ऐसे सिस्टम डिजाइन करने की अनुमति देता है जो दशकों तक विश्वसनीय रूप से काम करेंगे। जबकि 1550-नैनोमीटर विकल्प अलग-अलग समझौते (trade-offs) पेश करता है, 1470-नैनोमीटर सिस्टम अत्यधिक परिस्थितियों के लिए एक मजबूत समाधान के रूप में खड़ा है। यह कार्य केवल एक तकनीकी समस्या को हल नहीं करता है; यह सुनिश्चित करता है कि अगली पीढ़ी के प्रयोग ब्रह्मांड की सूक्ष्म फुसफुसाहट को सुनने के लिए अभूतपूर्व स्पष्टता के साथ तैयार हैं, जो उस विद्युत शोर से मुक्त हैं जो कभी उन्हें दबाने का खतरा पैदा करता था।