প্রাথমিক-কণা ডিটেক্টর, 3 ডি মুদ্রিত | সায়েন্সডেইলি

বৃহত কণা পদার্থবিজ্ঞানের পরীক্ষাগুলির আবিষ্কারের সক্ষমতাগুলি এগিয়ে নিতে এই ধরণের ডিটেক্টর আপগ্রেডগুলি গুরুত্বপূর্ণ এবং তবুও এটি জিজ্ঞাসা করা ন্যায়সঙ্গত: স্তরটির পরে কিউব এবং স্তর পরে কিউব, 2 মিলিয়ন পিএস কিউবকে একটি কার্যকরী কণা ডিটেক্টর হিসাবে একত্রিত করতে কী লাগে? উচ্চ-শক্তি পদার্থবিজ্ঞানের বৃহত আকারের ডিটেক্টরগুলি কি আলাদাভাবে নির্মিত হতে পারে? এগুলি এমন প্রশ্ন যা কণা পদার্থবিজ্ঞান এবং অ্যাস্ট্রো ফিজিক্স ইনস্টিটিউটে অধ্যাপকদের ডেভিড স্যাগালাবেরনা এবং আন্দ্রে রুবিয়ার এক লাইনের কাজকে অনুপ্রাণিত করে। ইটিএইচ জুরিখ, সিইআরএন, দ্য হেস-সো, দ্য হেইগ-ভিডি, কোমেটেক-অ্যাডিপোল এবং ইনস্টিটিউট ফর ইউক্রেন, স্যাগালাবেরনা এবং রাব্বিয়ার সহকর্মীদের সাথে একসাথে জার্নালে সবেমাত্র জার্নালে একটি গবেষণা পত্র প্রকাশ করেছে যোগাযোগ ইঞ্জিনিয়ারিং যেখানে তারা প্রাথমিক কণাগুলির জন্য একটি সম্পূর্ণ অ্যাডিটিভ-উত্পাদিত প্লাস্টিক স্কিনটিলেটর ডিটেক্টর উপস্থাপন করে। লেখকরা 3 ডি প্রিন্টেড ডিটেক্টর (3 ডিইটি) সহযোগিতার অংশ, যা ডাঃ উমুত কোসেসের প্রযুক্তিগত সমন্বয় নিয়ে স্যাগালাবার্নার নেতৃত্বে রয়েছে। দলটি বিশ্বাস করে যে তাদের বিক্ষোভকে ভবিষ্যতের বৃহত আকারের কণা ডিটেক্টর তৈরির সময় এবং ব্যয়বহুল উপায়গুলির দিকনির্দেশের একটি গুরুত্বপূর্ণ পদক্ষেপ বলে বিশ্বাস করে।

একটি ইঞ্জিনিয়ারিং সমস্যা

পিএস ডিটেক্টরগুলি পাথগুলি ট্র্যাক করা এবং দ্রুত অস্থায়ী প্রতিক্রিয়া সহ সিন্টিলেটর উপাদানের মধ্য দিয়ে যাওয়া চার্জযুক্ত কণাগুলির শক্তি হ্রাস পরিমাপ করা সম্ভব করে তোলে। এই বৈশিষ্ট্যগুলি 1950 এর দশকে প্রস্তাবিত হওয়ার পর থেকে তাদের ক্রমবর্ধমান সাফল্য নির্ধারণ করেছে। একটি পিএস -তে, ফ্লুরোসেন্ট এমিটারগুলি ফ্লুরস নামে পরিচিত একটি শক্ত পলিমার ম্যাট্রিক্সে প্রবর্তিত হয়। একটি চার্জযুক্ত কণা যা উপাদানের মাধ্যমে প্রচার করে পলিমার ম্যাট্রিক্সকে উত্তেজিত করে: একটি অ-রেডিয়েটিভ ডিপোল-ডিপোল ইন্টারঅ্যাকশন উত্তেজনার শক্তিটিকে ফ্লোরগুলিতে স্থানান্তর করে, যা কয়েকটি ন্যানোসেকেন্ডের মধ্যে নিকট-উল্ট্রাভিওলেট আলো নির্গত করে ডি-প্রেরণে। নির্গত আলোর তরঙ্গদৈর্ঘ্য স্থানান্তর করতে এবং সিন্টিলিটর উপাদানগুলিতে শোষণ এড়াতে প্রায়শই পলিমারে একটি দ্বিতীয় ধরণের ফ্লুর যুক্ত করা হয়। অপটিকাল ফাইবারগুলি একটি পিএস দ্বারা উত্পাদিত আলোটি তার তরঙ্গদৈর্ঘ্যকে দৃশ্যমান বর্ণালীটির সবুজ অংশে স্থানান্তরিত করে সংগ্রহ করে, নির্গত আলোকে ফাঁদে ফেলে এবং এর মনোযোগের দৈর্ঘ্য বাড়িয়ে তোলে।

প্রাথমিক কণাগুলির সর্বোত্তম ট্র্যাকিংয়ের জন্য, তথাকথিত গ্রানুলার 3 ডি স্কিন্টিলটিং ডিটেক্টরগুলি অনেকগুলি ছোট ভলিউম থেকে একত্রিত করা হয়েছে, যেমন সুপারএফজিডিতে পিএস কিউবস। এই দৃশ্যে, এটি অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ যে ছোট ইউনিটগুলি স্বাধীনভাবে বিভিন্ন চার্জযুক্ত কণাগুলি ট্র্যাক করতে অপটিকভাবে বিচ্ছিন্ন করা হয়। 3 ডিইটি সহযোগিতা এই একত্রিত ডিটেক্টরগুলির সাথে পরিচিত: স্যাগালাবেরনা সুপারফজিডি কল্পনা করেছিলেন এবং টি 2 কে সহযোগিতার সদস্য হিসাবে এর উন্নয়ন এবং নির্মাণের নেতৃত্ব দিয়েছেন। ল্যাপটপ বা স্মার্টফোনের 2 ডি স্ক্রিনটি যেমন একক ফ্লুরোসেসিং পিক্সেল দিয়ে তৈরি, একইভাবে, একটি দানাদার 3 ডি কণা ডিটেক্টরকে সিন্টিলাইটিং ভক্সেলের সংগ্রহ হিসাবে দেখা যেতে পারে। সমস্ত ভক্সেলকে অবশ্যই উচ্চমানের ডেটা সরবরাহ করতে একসাথে কাজ করতে হবে: প্রতিটি ভক্সেল বিচ্ছিন্ন তবে একটি বড় পুরো অংশের অংশ।

কাগজে প্রকাশিত বিক্ষোভ সম্পর্কে প্রথম লেখক টিম ওয়েবার বলেছেন, “এটি সত্যিই একটি ইঞ্জিনিয়ারিংয়ের সমস্যা।” ইটিএইচ জুরিখের যান্ত্রিক প্রকৌশলী হিসাবে প্রশিক্ষিত, ওয়েবার তিন বছর আগে পদার্থবিজ্ঞান বিভাগ এবং থ্রিডেট সহযোগিতা বিভাগের বহিরাগত পদার্থ এবং নিউট্রিনো ফিজিক্স গ্রুপে যোগ দিয়েছিলেন এবং অ্যাডেটিভ ম্যানুফ্যাকচারিং (এএম) এর সাথে তাঁর বিচিত্র অভিজ্ঞতা নিয়ে এসেছিলেন, সাধারণত 3 ডি প্রিন্টিং হিসাবে পরিচিত। তিনি বিষয়টি সম্পর্কে একটি বাস্তববাদী দৃষ্টিভঙ্গি নিতে পছন্দ করেন: যদি লক্ষ্যটি দুর্দান্ত ট্র্যাকিং রেজোলিউশন সহ আরও বৃহত্তর কণা ডিটেক্টর তৈরি করা হয় তবে উত্পাদনের সময় এবং ব্যয় হ্রাস করতে হবে। এটি এমন সমাধানের জন্য কল করে যা কণা ডিটেক্টরের গুণমান এবং কার্য সম্পাদনের সাথে আপস না করে উত্পাদনের গতির গ্যারান্টি দেয়।

আদর্শ উত্পাদন ব্যবস্থা হাজার হাজার সিন্টিলেটিং ভক্সেলকে একচেটিয়া ব্লকে তৈরি করতে পারে। 3 ডিইটি সহযোগিতা এবং অন্যরা ইতিমধ্যে পিএস ডিটেক্টর প্রোটোটাইপগুলির জন্য এএম এর সাথে কাজ করেছে; তারা যে প্রাথমিক কয়েকটি চ্যালেঞ্জের মুখোমুখি হয়েছিল – বিশেষত ডিটেক্টর পারফরম্যান্সের ক্ষেত্রে – দুটি গুরুত্বপূর্ণ সিদ্ধান্তের বিষয়গুলি হাইলাইট করেছে: উপকরণগুলির পছন্দ এবং ডিটেক্টর উত্পাদন করতে ব্যবহৃত এএম প্রক্রিয়াগুলির ধরণ। উদাহরণস্বরূপ, পিএস দ্বারা পুনরায় সংশ্লেষিত না হওয়ার জন্য সিন্টিলেশন লাইটের জন্য প্রয়োজনীয় উপাদান স্বচ্ছতা অর্জন করার সময় এএম সাধারণত একাধিক উপকরণ পরিচালনা করার ক্ষেত্রে দুর্দান্ত নয়। অতিরিক্তভাবে, সমস্ত এএম প্রক্রিয়াগুলি ফাঁকা কাঠামো উত্পাদন করতে পারে না। পরবর্তী সমস্যাটি প্রায়শই বিয়োগমূলক হস্তক্ষেপের দিকে পরিচালিত করে-উদাহরণস্বরূপ তরঙ্গদৈর্ঘ্য-স্থানান্তরকারী ফাইবারগুলির জন্য ভক্সেলগুলিতে ড্রিলিং গর্তগুলি-যা বানোয়াট পদ্ধতিটিকে স্বয়ংক্রিয় করতে জটিল করে তোলে।

কাস্টম-তৈরি সমাধান

ওয়েবার, স্যাগালাবেরনা এবং সহকর্মীরা জানতেন যে তাদের সম্পূর্ণ কাস্টমাইজড এএম সেটআপের প্রয়োজন। তাদের নতুন উত্পাদন প্রক্রিয়া, যাকে ফিউজড ইনজেকশন মডেলিং (এফআইএম) বলা হয়, দুটি পরিচিত পদ্ধতির মিশ্রণ, যথা ফিউজড ডিপোজিশন মডেলিং (এফডিএম) এবং ইনজেকশন ছাঁচনির্মাণ। এএম ফ্যাব্রিকেশন প্রক্রিয়াটি তিনটি পদক্ষেপ গণনা করে: প্রথমত, অপটিক্যালি রিফ্লেকটিভ ফ্রেমের একটি 5 × 5 স্তর যা পিএসের জন্য ছাঁচ তৈরি করে-অর্থাৎ 25 টি খালি কিউব, শীর্ষ-ওপেনড এবং হোয়াইট-প্রলিপ্ত-সমর্থন কাঠামো ছাড়াই অপটিক্যাল ফাইবারগুলির জন্য গর্ত সহ এফডিএম দিয়ে উত্পাদিত হয়। এখানে, ফ্রেমের জন্য নির্বাচিত পলিমার স্ট্রিংটি এক্সট্রুশন হিসাবে পরিচিত একটি প্রক্রিয়াতে একটি অগ্রভাগের মাধ্যমে ধাক্কা দেওয়া হয়। একবার এই 5 × 5 ছাঁচটি প্রস্তুত হয়ে গেলে, তন্তুগুলির জন্য স্থান তৈরি করতে ধাতব রডগুলি গর্তগুলিতে serted োকানো হয়। তারপরে এফডিএম এক্সট্রুশন সিস্টেমটি একটি দীর্ঘায়িত অগ্রভাগের সাথে প্রতিস্থাপন করা হয় যা প্রতিটি খালি ঘনক্ষেত্রে নীচে থেকে শীর্ষে চলে যায় এবং গলিত উপাদানটিকে সমানভাবে ছড়িয়ে দিতে দেয়। তৃতীয় ধাপে, একটি উত্তপ্ত পাঞ্চ পরবর্তী 5 × 5 ম্যাট্রিক্স স্তরের জন্য প্রস্তুত একটি বিমানের শীর্ষ পৃষ্ঠটি নিশ্চিত করতে ব্যবহৃত হয়।

এই পদ্ধতিটি অনুসরণ করে, দলটি তারা সুপারকিউব হিসাবে যা উল্লেখ করে তা বানোয়াট করে, একটি ডিটেক্টর গণনা করে 125 অপটিকালি বিচ্ছিন্ন ভক্সেলস, 57.2 মিমি (উচ্চতা) দ্বারা 59 মিমি (প্রস্থ এবং দৈর্ঘ্য) এর সামগ্রিক মাত্রা সহ 5 × 5 × 5 কনফিগারেশনে সাজানো, যেখানে প্রতিটি ভক্সেল দুটি অরথোগোনাল ফাইবারের দ্বারা পড়া হয়। একটি ভক্সেলের জন্য উত্পাদন সময়টি প্রায় 6 মিনিটের কাছাকাছি অনুমান করা হয়েছিল: নতুন নকশাকৃত 3 ডি প্রিন্টিং সিস্টেমের জন্য আরও স্বয়ংক্রিয়ভাবে স্বয়ংক্রিয়ভাবে ধন্যবাদ হয়ে গেলে এই সময়টি হ্রাস পাবে বলে আশা করা হচ্ছে।

গবেষকরা মহাজাগতিক-কণা ডেটা দিয়ে তাদের প্রোটোটাইপের কার্যকারিতা চিহ্নিত করেছিলেন, অর্জন করা একক-কিউব সিন্টিলেশন লাইট ফলন এবং ভক্সেলের মধ্যে ক্রসস্টালককে কেন্দ্র করে। তারা সুপারকুবকে কাস্ট পলিমারাইজেশন, একটি প্রচলিত উত্পাদন কৌশল সহ উত্পাদিত একটি সাদৃশ্য সনাক্তকরণ সিস্টেমের সাথে তুলনা করে এবং পারফরম্যান্সে কোনও উল্লেখযোগ্য বিচ্যুতি খুঁজে পায় না। ক্রসস্টালক, যা প্রতিটি ভক্সেলের অপটিক্যাল বিচ্ছিন্নতার উপর নির্ভর করে, এফআইএম এর সাথে কিছুটা বেশি বলে মনে হয় তবে এটি কয়েক শতাংশ স্তরে রয়েছে, যা 3 ডি-তে কণা ট্র্যাকিংয়ের জন্য গ্রহণযোগ্য। “এই প্রথম প্রথমবারের মতো 3 ডি প্রিন্টেড স্কিনটিলেটর ডিটেক্টর চার্জযুক্ত কণাগুলি সনাক্ত করতে সক্ষম হয় যেমন সিআরএন -তে মহাজাগতিক রশ্মি এবং পরীক্ষার বিমগুলি থেকে এবং তাদের ট্র্যাক এবং শক্তি হ্রাস উভয়ই পুনর্গঠন করতে পারে,” স্যাগালাবেরনা বলেছেন।

দলটি ডিটেক্টরের ভক্সেলগুলির অপটিক্যাল বিচ্ছিন্নতা অনুকূলকরণের লক্ষ্য নিয়ে নতুন প্রোটোটাইপগুলি পরীক্ষা করছে। একই সময়ে, ওয়েবার পুরো উত্পাদন ব্যবস্থাটিকে নতুন করে ডিজাইন করার জন্য কাজ করছে: লক্ষ্যটি একটি স্বয়ংক্রিয় প্রিন্টার যা বানোয়াট প্রক্রিয়াটিকে বৃহত্তর ডিটেক্টর ভলিউমে স্কেল করে। স্যাগালাবেরনা নোট হিসাবে, 2 মিলিয়ন ভক্সেল সহ একটি দানাদার ডিটেক্টর থেকে এক মিলিয়ন গণনা করা 10 মিলিয়ন পর্যন্ত যাওয়া টি 2 কে এর মতো পরীক্ষাগুলির জন্য একটি দুর্দান্ত আপগ্রেডের প্রতিনিধিত্ব করবে: ডিটেক্টর ভলিউমটি যত বড় হবে, তত বেশি ইন্টারঅ্যাকশন ইভেন্টগুলি ক্যাপচার করা যেতে পারে। দেখে মনে হচ্ছে 3 ডি প্রিন্টিং সলিউশনগুলি – বেশ আক্ষরিক অর্থে – কণা পদার্থবিজ্ঞানের গবেষকদের বড় ভাবতে সক্ষম করতে পারে।