Kosmiko: From CMOS Imaging Sensors to Pixel-Calibrated Particle Instruments
यह शोध पत्र कोस्मिको (Kosmiko) प्रस्तुत करता है, जो प्राकृतिक वातावरण में आयनकारी विकिरण घटनाओं का पता लगाने और उन्हें फ़िल्टर करने के लिए रास्पबेरी पाई-नियंत्रित सीमॉस (CMOS) सेंसरों का उपयोग करने वाली एक कम लागत वाली, पुनरुत्पादनीय कार्यप्रणाली है, जो वास्तविक समय के पिक्सेल अंशांकन (pixel calibration) के माध्यम से विशिष्ट कण प्रजातियों की पहचान किए बिना घटना दरों की दीर्घकालिक निगरानी और तुलनात्मक विश्लेषण को सक्षम बनाती है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (https://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
हमारे ऊपर का आकाश कभी वास्तव में खाली नहीं होता। एक साफ, धूप वाले दिन में भी, गहरे अंतरिक्ष से और पृथ्वी के भीतर प्राकृतिक तत्वों के क्षय से आने वाले अदृश्य कणों की एक निरंतर वर्षा हर चीज़ से होकर गुजर रही होती है। ये कॉस्मिक किरणें (cosmic rays) और आयनकारी विकिरण (ionizing radiation) के अन्य रूप हैं। जब वे पदार्थ से टकराते हैं, तो वे ऊर्जा का एक धुंधला निशान छोड़ जाते हैं, एक सूक्ष्म चमक जिसे यदि कोई जानता हो कि कहाँ देखना है, तो पहचाना जा सकता है। दशकों से, वैज्ञानिक इस अदृश्य वर्षा को मापने के लिए महंगे, विशिष्ट उपकरणों का उपयोग करते आए हैं, लेकिन ऐसे उपकरण भारी, खर्चीले और बड़ी संख्या में तैनात करने में कठिन होते हैं। प्रश्न लंबे समय से यह रहा है कि क्या हमारी जेबों में मौजूद या हमारी छतों पर लगे कैमरों को इसी विकिरण को देखने के लिए प्रेरित किया जा सकता है, जिससे रोजमर्रा के उपकरणों को सेंसर के एक विशाल, वितरित नेटवर्क में बदला जा सके।
फ्रांस के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नई, कम लागत वाली प्रणाली के साथ इस प्रश्न का उत्तर दिया है जिसे वे 'कोस्मिको' (Kosmiko) कहते हैं। एक जटिल मशीन को शून्य से बनाने के बजाय, उन्होंने एक छोटे, किफायती कंप्यूटर बोर्ड और दो मानक कैमरा मॉड्यूल का उपयोग करके एक डिटेक्टर बनाया, जो अक्सर उच्च-गुणवत्ता वाले वीडियो के लिए उपयोग किए जाते हैं। उन्होंने इन कैमरों को पूर्ण अंधकार में रखा, उनके लेंस और फिल्टर हटा दिए, और उन्हें घंटों तक शून्य की ओर ताकने के लिए प्रोग्राम किया। लक्ष्य दुनिया की तस्वीरें लेना नहीं था, बल्कि उन सूक्ष्म विद्युत स्पार्क्स (sparks) को सुनना था जो विकिरण के एक अकेले कण के कैमरा के सिलिकॉन सेंसर से टकराने पर उत्पन्न होते हैं। प्रत्येक छोटे बिंदु को एक स्वतंत्र डिटेक्टर के रूप में मानकर, टीम ने कैमरे के अपने आंतरिक शोर (noise) से अभिभूत हुए बिना इन घटनाओं को पहचानने की एक विधि विकसित की।
प्रक्रिया एक सावधानीपूर्वक अंशांकन (calibration) से शुरू होती है। इससे पहले कि कैमरे अपनी लंबी निगरानी शुरू करें, वे अंधेरे में हजारों तस्वीरें लेते हैं ताकि यह सीख सकें कि "सामान्य" क्या दिखता है। यह प्रणाली को प्रत्येक पिक्सेल के अद्वितीय बैकग्राउंड हम (background hum) को समझने में मदद करता है, जिससे एक यादृच्छिक इलेक्ट्रॉनिक गड़बड़ी और किसी कण के वास्तविक प्रहार के बीच अंतर किया जा सके। एक बार जब कैमरे तैयार हो जाते हैं, तो वे बारह घंटे का रन शुरू करते हैं, लगभग प्रति सेकंड एक छवि कैप्चर करते हुए। छोटे कंप्यूटर बोर्ड पर चलने वाला सॉफ्टवेयर प्रत्येक फ्रेम में प्रत्येक पिक्सेल की उसके अपने व्यक्तिगत थ्रेशोल्ड (threshold) के विरुद्ध जांच करता है। यदि कोई पिक्सेल अचानक अपने सामान्य अंधेरे राज्य की तुलना में अधिक चमकदार हो जाता है, तो सिस्टम उसे एक संभावित घटना के रूप में चिह्नित करता है। महत्वपूर्ण बात यह है कि सिस्टम पूरी छवि को सहेजता नहीं है, जिससे मेमोरी कार्ड मिनटों में भर जाएगा। इसके बजाय, यह केवल उन पिक्सेल के निर्देशांक (coordinates) और चमक को सहेजता है जो सक्रिय हुए, साथ ही उनके सक्रिय होने का समय भी। डेटा की यह भारी कमी डिवाइस को दिनों या हफ्तों तक चलने, खाली तस्वीरों के पहाड़ के बजाय घटनाओं की एक धारा एकत्र करने की अनुमति देती है।
शोधकर्ताओं ने इस पद्धति का परीक्षण विभिन्न स्थानों पर किया ताकि वे देख सकें कि कैमरे क्या पाएंगे। उन्होंने समुद्र तल से शुरुआत की, जहाँ पता चला कि घटनाओं की दर उच्च थी, जैसा कि अपेक्षित था। फिर वे डिवाइस को 1500 मीटर की चट्टान और पानी द्वारा ढके हुए एक प्रयोगशाला में, गहराई में ले गए। उन्होंने अनुमान लगाया था कि घटनाओं की दर नाटकीय रूप रूप से गिर जाएगी, क्योंकि चट्टान अंतरिक्ष से आने वाली अधिकांश कॉस्मिक किरणों को रोक देगी। आश्चर्यजनक रूप से, दर उतनी नहीं गिरी जितनी उन्होंने उम्मीद की थी; कैमरे लगातार हिट्स की एक स्थिर धारा दर्ज करते रहे। इससे टीम को यह जांचने के लिए प्रेरित किया कि अन्य चीजें क्या कारण हो सकती हैं। उन्हें एहसास हुआ कि कैमरा स्वयं, विशेष रूप से कांच का लेंस और सेंसर के ठीक सामने स्थित इन्फ्रारेड फिल्टर, प्राकृतिक रेडियोधर्मी तत्वों की सूक्ष्म मात्रा धारण करता है। ये तत्व क्षय हो रहे थे और सीधे सेंसर में कण छोड़ रहे थे, जिससे एक बैकग्राउंड शोर पैदा हो रहा था जो वास्तविक कॉस्मिक सिग्नल को छिपा रहा था।
जब शोधकर्ताओं ने लेंस और फिल्टर को हटा दिया, जिससे सेंसर खुला रह गया, तो परिणाम तुरंत बदल गए। उनके भूमिगत परीक्षणों में, घटनाओं की दर काफी गिर गई, जिससे पुष्टि हुई कि कैमरे के अपने घटक ही गलत संकेतों का एक प्रमुख स्रोत थे। इन हिस्सों के हटने के बाद, डिवाइस एक बहुत ही स्वच्छ उपकरण बन गया। यह सिद्ध करने के लिए कि शेष सिग्नल वास्तव में विकिरण से थे, टीम ने कैमरों को गामा किरणों और अल्फा कणों के ज्ञात स्रोतों के संपर्क में रखा। कैमरों ने विशिष्ट पैटर्न दिखाए: गामा किरणों ने चमकीले पिक्सेल के छोटे, बिखरे हुए क्लस्टर बनाए, जबकि भारी अल्फा कणों ने बड़े, सघन धब्बे छोड़े। इन पैटर्न को विशिष्ट रूपात्मक वर्गों (morphological classes)—जैसे कि "ट्रैक-लाइक" (track-like) या "कॉम्पैक्ट क्लस्टर" (compact cluster)—के रूप में रिकॉर्ड किया गया, न कि विशिष्ट कण प्रकारों की निश्चित पहचान के रूप में। इसने पुष्टि की कि सिस्टम अपने इच्छित कार्य के अनुरूप काम कर रहा था, जो आयनकारी घटनाओं को उनके द्वारा छोड़े गए क्लस्टरों के आकार और आकृति के आधार पर वर्गीकृत करने में सक्षम था।
अध्ययन के अंतिम चरण में विश्वसनीयता का एक बड़े पैमाने पर परीक्षण शामिल था। टीम ने फ्रांस के छह अलग-अलग स्थानों पर, तट से लेकर ऊंचे पहाड़ी ऊंचाई तक, इन उपकरणों में से बीस डिवाइस, कुल चालीस कैमरों को तैनात किया। उन्होंने पाया कि डिवाइस जहाँ भी रखे गए, वहां उन्होंने सुसंगत परिणाम दिए। एक शहर में एक कैमरा दूसरे शहर में एक समान कैमरे के समान रीडिंग देता था, जो यह सिद्ध करता है कि यह विधि पुनरुत्पादनीय (reproducible) और मजबूत है। हालांकि घटनाओं की सटीक संख्या स्थान के अनुसार भिन्न थी, जो संभवतः ऊंचाई और स्थानीय भूविज्ञान के कारण थी, फिर भी सिस्टम ने एक ऐसे विवरण के साथ अदृश्य विकिरण वातावरण का मानचित्रण करने की क्षमता प्रदर्शित की जो ऐसे कम लागत वाले उपकरणों के लिए पहले असंभव था।
यह कार्य हर विशिष्ट प्रकार के कण की पहचान करने या कॉस्मिक रे फ्लक्स (cosmic ray flux) का सटीक माप प्रदान करने का दावा नहीं करता है। सेंसर इतने पतले हैं कि वे गुजरने वाले हर कण को नहीं पकड़ सकते, और सिस्टम अभी तक सावधानीपूर्वक अंशांकन के बिना एक कॉस्मिक रे और स्थानीय रेडियोधर्मी स्रोत के कण के बीच अंतर नहीं कर सकता है। हालांकि, इस अध्ययन ने प्राकृतिक विकिरण वातावरण को देखने का एक नया तरीका सफलतापूर्वक प्रदर्शित किया है। एक मानक कैमरे को कैलिब्रेटेड कण डिटेक्टर में बदलकर, शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि एक ऐसा नेटवर्क बनाना संभव है जो सस्ता, आसानी से तैनात करने योग्य और वैज्ञानिक रूप से उपयोगी है। यह विधि तकनीक का उपयोग करके, पृथ्वी की सतह से लेकर भूमिगत प्रयोगशालाओं की गहराइयों तक, विविध वातावरणों में विकिरण स्तरों की निगरानी के लिए एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करती है, जो ऐसी तकनीक है जो पहले से ही सभी के पास उपलब्ध है।
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