Cryogenic performance of Silicon Photo-Multipliers at LN temperature and at 3 K in the RES-NOVA cryostat
यह शोध पत्र RES-NOVA क्रायोस्टेट के भीतर 77 K और 3 K के क्रायोजेनिक तापमान पर हमामत्सु (Hamamatsu) S13360-1350CS सिलिकॉन फोटो-मल्टीप्लायर के ब्रेकडाउन वोल्टेज और गेन प्रदर्शन के मापन प्रस्तुत करता है, जो सुपरनोवा न्यूट्रिनो अध्ययनों के लिए रेडियोप्योर PbWO क्रिस्टल से निकलने वाले स्किंटिलेशन प्रकाश का पता लगाने में उनके अनुप्रयोग का समर्थन करता है।
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तारों के हृदय में गहराई में, सुपरनोवा नामक हिंसक विस्फोट न्यूट्रिनो नामक भूतिया कणों की एक बाढ़ छोड़ते हैं। ये कण इतने मायावी हैं कि वे पृथ्वी और हमारे शरीरों के माध्यम से बिना किसी चीज़ को छुए निकल जाते हैं, जिससे उन्हें पकड़ना अविश्वसनीय रूप से कठिन हो जाता है। इनका अध्ययन करने के लिए, वैज्ञानिक विशाल, अत्यंत संवेदनशील डिटेक्टर बनाते हैं जो उस ऊर्जा की सबसे मंद फुसफुसाहट को सुनने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं जब एक न्यूट्रिनो अंततः एक परमाणु के साथ परस्पर क्रिया करता है। एक आशाजनक दृष्टिकोण में लेड टंगस्टेट से बने क्रिस्टल का उपयोग करना शामिल है, जो एक ऐसी सामग्री है जो इन कणों से टकराने पर चमकती है। हालाँकि, यह चमक बहुत शर्मीली है; मानव कमरे के आरामदायक तापमान पर, क्रिस्टल लगभग शांत रहते हैं। वे केवल तभी चमकना शुरू करते हैं जब उन्हें पृथ्वी के किसी भी शीतकालीन मौसम से कहीं अधिक ठंडे तापमान तक ठंडा किया जाता है, जो ब्रह्मांड के परम शून्य (एब्सोल्यूट जीरो) के करीब होता है। इस मंद प्रकाश को सुनने के लिए, शोधकर्ताओं को एक विशेष प्रकार की आँख की आवश्यकता होती है, एक ऐसा सेंसर जो जमा देने वाली ठंड में एकल फोटॉन को देख सके, और उन्हें यह सुनिश्चित करना होगा कि यह सेंसर इतनी अत्यधिक ठंड में पूरी तरह से काम करता है।
इटली की एक टीम ने एक विशेष प्रकार के सेंसर, जिसे सिलिकॉन फोटो-मल्टीप्लायरर के रूप में जाना जाता है, का परीक्षण करने के लिए एक सेटअप तैयार किया, ताकि यह देखा जा सके कि क्या यह RES-NOVA प्रयोग के लिए वह 'आँख' बन सकता है। ये सेंसर छोटे, मजबूत चिप्स हैं जो उच्च सटीकता के साथ प्रकाश का पता लगा सकते हैं, लेकिन तापमान गिरने पर उनका व्यवहार नाटकीय रूप रूप से बदल जाता है। टीम जानना चाहती थी कि ये चिप्स तब कैसा प्रदर्शन करेंगे जब उन्हें तरल नाइट्रोजन और उससे भी नीचे, तीन केल्विन के निकट-परम शीत का स्तर दिया जाए। उन्होंने एक विशेष मशीन के भीतर इन दो सेंसरों को रखने के लिए एक कस्टम सेटअप बनाया, जिसे डाइल्यूशन रेफ्रिजरेटर कहा जाता है, जो परम शून्य से दस हजारवें अंश तक के तापमान तक पहुँच सकता है। लक्ष्य यह मानचित्रित करना था कि तापमान गहरा होने के साथ सेंसरों की प्रकाश का पता लगाने की क्षमता और उनके आंतरिक विद्युत गुण कैसे बदले, जिससे यह सुनिश्चित हो सके कि वे सुपरनोवा से आने वाले मंद संकेतों को पकड़ने के लिए विश्वसनीय उपकरण होंगे।
शोधकर्ताओं ने एक नियंत्रित जलवायु कक्ष में सेंसरों का परीक्षण करके अपनी जांच शुरू की, जहाँ वे तापमान को कमरे के तापमान से घटाकर माइनस पचास डिग्री सेल्सियस तक धीरे-धीरे कम कर सकते थे। उन्होंने मापा कि सेंसरों को काम करने के लिए कितने वोल्टेज की आवश्यकता थी और कितने गलत संकेतों, या "शोर" (नॉइज़), को सेंसर ने तब उत्पन्न किया जब कोई प्रकाश मौजूद नहीं था। जैसे-जैसे तापमान गिरा, सेंसर शांत होते गए, जिससे कम गलत अलार्म उत्पन्न हुए, और उन्हें सक्रिय करने के लिए आवश्यक वोल्टेज एक अनुमानित तरीके से बदला। इस प्रारंभिक चरण ने पुष्टि की कि ठंडा होने पर सेंसर उम्मीद के मुताबिक व्यवहार कर रहे थे, जिसने आगे के अधिक चरम परीक्षणों के लिए मंच तैयार किया।
इसके बाद, टीम ने सेंसरों को तरल नाइट्रोजन के स्नान में ले जाकर, उन्हें सतह के मामूली अंतर के साथ ही नहीं बल्कि इकहत्तर (77) केल्विन तक ठंडा किया। यहाँ, उन्होंने सेंसरों के माध्यम से बहने वाली विद्युत धारा को मापा ताकि एक महत्वपूर्ण बिंदु ज्ञात किया जा सके जिसे 'ब्रेकडाउन वोल्टेज' कहा जाता है, जो वह विशिष्ट विद्युत दबाव है जो सेंसर को चालू करने के लिए आवश्यक है। उन्होंने पाया कि कमरे के तापमान की तुलना में यह वोल्टेज काफी कम हो गया, जो एक तर्कसंगत परिणाम है क्योंकि ठंड के कारण सिलिकॉन के भीतर विद्युत आवेशों का चलना और गुणा होना आसान हो जाता है। सेंसर स्थिर रहे, और टीम प्रकाश के प्रति उनकी प्रतिक्रिया में स्पष्ट चरणों को स्पष्ट रूप से देख सकी, जिससे सिद्ध हुआ कि वे और भी ठंडी स्थितियों के लिए तैयार हैं।
अंतिम और सबसे चुनौतीपूर्ण परीक्षण मिलानो-बिकोक्का विश्वविद्यालय में डाइल्यूशन रेफ्रिजरेटर के भीतर किया गया, जहाँ सेंसरों को मात्र तीन केल्विन तक ठंडा किया गया। इस निकट-परम शीत में, शोधकर्ताओं ने अपने विद्युत मापन को दोहराया। आश्चर्यजनक रूप से, उन्होंने पाया कि ब्रेकडाउन वोल्टेज और अधिक नहीं गिरा; यह बिल्कुल वैसा ही रहा जैसा कि तरल नाइट्रोजन के तापमान पर था। यह स्थिरता एक महत्वपूर्ण खोज है। यह सुझाव देता है कि एक बार जब इन सेंसरों को सतह के मामूली अंतर से नीचे 77 केल्विन तक ठंडा कर दिया जाता है, तो उनका मुख्य विद्युत व्यवहार एक स्थिर अवस्था में सेट हो जाता है और तापमान के परम शून्य की ओर गिरने के साथ इसमें और बदलाव नहीं आता है। यह निष्कर्ष वैज्ञानिकों को विश्वास दिलाता है कि जब इन सेंसरों को अंतिम डिटेक्टर में स्थापित किया जाएगा, जो तीन केल्विन से भी अधिक ठंडे तापमान पर संचालित होगा, तो वे विश्वसनीय और अनुमानित रहेंगे।
अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि ये सिलिकॉन सेंसर गहरे ठंडे वातावरण में लेड टंगस्टेट क्रिस्टल की मंद चमक का पता लगाने के कार्य के लिए उपयुक्त हैं। तापमान को कमरे के तापमान से तीन केल्विन तक मानचित्रित करके, शोधकर्ताओं ने एक स्पष्ट मार्ग प्रदान किया है कि ये उपकरण चरम वातावरण में कैसे व्यवहार करते हैं। इस तथ्य ने कि सेंसर इतने कम तापमान पर स्थिर हो जाते हैं, उन्हें दूर के सुपरनोवा से आने वाले न्यूट्रिनो का पता लगाने के प्रयास में वास्तविक संकेतों को पृष्ठभूमि के शोर से अलग करने के लिए भरोसेमंद बनाता है। इस सत्यापन के साथ, अब इन सेंसरों का उपयोग क्रिस्टल की विशेषताओं को समझने के लिए और अंततः, विस्फोट होते सितारों की ब्रह्मांडीय फुसफुसाहट को सुनने के लिए करने का मार्ग प्रशस्त हो गया है।
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