Time projection chamber
ભૌતિકશાસ્ત્રમાં, ટાઇમ પ્રોજેક્શન ચેમ્બર (ટી. પી. સી.) એ કણ શોધકનો એક પ્રકાર છે જે કણની ગતિ અથવા ક્રિયાપ્રતિક્રિયાનું ત્રિ-પરિમાણીય પુનર્નિર્માણ કરવા માટે ગેસ અથવા પ્રવાહીના સંવેદનશીલ જથ્થા સાથે વિદ્યુત ક્ષેત્રો અને ચુંબકીય ક્ષેત્રોના સંયોજનનો ઉપયોગ કરે છે. મૂળ ડિઝાઇન મૂળ ટી. પી. સી. ની શોધ અમેરિકન ભૌતિકશાસ્ત્રી ડેવિડ આર. ન્યગ્રેન દ્વારા 1970 ના દાયકાના અંતમાં લોરેન્સ બર્કલે લેબોરેટરીમાં કરવામાં આવી હતી. તેનો પ્રથમ મુખ્ય ઉપયોગ પી. ઈ. પી.-4 ડિટેક્ટરમાં હતો, જેણે એસ. એલ. એ. સી. ખાતે પી. ઈ. પી. સંગ્રહ રિંગ ખાતે 29 જી. ઈ. વી. ઇલેક્ટ્રોન-પોઝિટ્રોન અથડામણોનો અભ્યાસ કર્યો હતો. સમય પ્રક્ષેપણ ચેમ્બરમાં સ્થિતિ-સંવેદનશીલ ઇલેક્ટ્રોન સંગ્રહ પ્રણાલી સાથે વિદ્યુત ક્ષેત્રમાં ગેસથી ભરેલા શોધ વોલ્યુમનો સમાવેશ થાય છે. મૂળ ડિઝાઇન (અને સૌથી વધુ ઉપયોગમાં લેવાતી) એક નળાકાર ચેમ્બર છે જેમાં બહુ-તાર પ્રમાણસર ચેમ્બર (એમડબલ્યુપીસી) એન્ડપ્લેટ્સ તરીકે છે. તેની લંબાઈ સાથે, ચેમ્બરને કેન્દ્રીય ઉચ્ચ-વોલ્ટેજ ઇલેક્ટ્રોડ ડિસ્ક દ્વારા અર્ધભાગમાં વહેંચવામાં આવે છે, જે કેન્દ્ર અને અંતિમ પ્લેટ વચ્ચે વિદ્યુત ક્ષેત્ર સ્થાપિત કરે છે. વધુમાં, ગેસના આયનીકરણમાંથી આવતા ઇલેક્ટ્રોનના ફેલાવાને ઘટાડવા માટે, વિદ્યુત ક્ષેત્રની સમાંતર, નળાકારની લંબાઈ સાથે ઘણીવાર ચુંબકીય ક્ષેત્ર લાગુ કરવામાં આવે છે. ડિટેક્ટર ગેસમાંથી પસાર થતાં, એક કણ તેના માર્ગ સાથે પ્રાથમિક આયનીકરણ ઉત્પન્ન કરશે. ઝેડ કોઓર્ડિનેટ (સિલિન્ડર અક્ષ સાથે) અંતમાં આયનીકરણ ઘટનાથી એમડબલ્યુપીસી સુધીના પ્રવાહ સમયને માપવા દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે. આ ડ્રિફ્ટ ચેમ્બરની સામાન્ય તકનીકનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવે છે. અંતમાં એમડબલ્યુપીસીને એઝીમુથલ દિશામાં એનોડ વાયર સાથે ગોઠવવામાં આવે છે, θ, જે રેડિયલ કોઓર્ડિનેટ પર માહિતી પૂરી પાડે છે, r. એઝીમુથલ દિશા મેળવવા માટે, દરેક કેથોડ પ્લેનને રેડિયલ દિશામાં સ્ટ્રીપ્સમાં વહેંચવામાં આવે છે. તાજેતરના વર્ષોમાં સ્થિતિ-સંવેદનશીલ ઇલેક્ટ્રોન એમ્પ્લીફિકેશન અને ડિટેક્શનના અન્ય માધ્યમોનો વધુ વ્યાપક ઉપયોગ થઈ રહ્યો છે, ખાસ કરીને પરમાણુ ભૌતિકશાસ્ત્રમાં સમય પ્રક્ષેપણ ચેમ્બરના વધતા ઉપયોગ સાથે. આ સામાન્ય રીતે વિભાજિત એનોડ પ્લેટને માત્ર ફ્રિશ ગ્રીડ અથવા ગેસ ઇલેક્ટ્રોન ગુણક જેવા સક્રિય ઇલેક્ટ્રોન-ગુણાકાર તત્વ સાથે જોડે છે. આ નવા ટી. પી. સી. એ નળાકારની પરંપરાગત ભૂમિતિથી પણ સપાટ ભૂમિતિ અથવા ત્રિજ્યા ક્ષેત્ર સાથેના નળાકારની તરફેણમાં અક્ષીય ક્ષેત્ર સાથે પ્રસ્થાન કરે છે. કણ ભૌતિકશાસ્ત્રના અગાઉના સંશોધકોએ પણ સામાન્ય રીતે બીમ લાઇનની ઉપર અથવા નીચે સીધી ગોઠવાયેલી વધુ સરળ બોક્સ આકારની ભૂમિતિઓનો ઉપયોગ કર્યો હતો, જેમ કે CERN NA49 અને NA35 પ્રયોગોમાં. લિક્વિડ આર્ગોન ટાઇમ પ્રોજેક્શન ચેમ્બર (એલ. એ. આર. ટી. પી. સી.) 1974માં, વિલિયમ જે. વિલિસ અને વેલ્કો રાડેકાએ દર્શાવ્યું હતું કે પ્રવાહી આર્ગોન ડિટેક્ટર્સમાં કુલ શોષણ કેલરીમેટ્રી એ એમ્પ્લીફિકેશન વિના શક્ય છે જે સામાન્ય રીતે વાયુયુક્ત આયનીકરણ ડિટેક્ટરમાં થાય છે. આ નિર્ણાયક તકનીકીએ ન્યગ્રેનની મૂળ રચના પર આધારિત ટાઇમ પ્રોજેક્શન ચેમ્બરની શક્યતાને સક્ષમ કરી, પરંતુ ગેસને બદલે સંવેદનશીલ માધ્યમ તરીકે પ્રવાહી આર્ગોનનો ઉપયોગ કર્યો. 1 9 76 માં, હર્બર્ટ એચ. ચેન, યુનિવર્સિટી ઓફ કેલિફોર્નિયા, ઇર્વિન અને કેલિફોર્નિયા ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઓફ ટેક્નોલોજીના સહયોગીઓ સાથે, ટાઇમ પ્રોજેક્શન ચેમ્બર (એલએઆરટીપીસી) માં પ્રવાહી આર્ગોનના પ્રારંભિક ઉપયોગોમાંથી એકનો પ્રસ્તાવ મૂક્યો. આવા ડિટેક્ટર સાથેના ચેનના પ્રારંભિક લક્ષ્યાંકો ન્યુટ્રિનો-ઇલેક્ટ્રોન સ્કેટરિંગનો અભ્યાસ કરવાના હતા, પરંતુ લક્ષ્યાંકો સૌર અથવા કોસ્મિક ન્યુટ્રિનો અથવા પ્રોટોન ક્ષયને માપવા માટે વિકસિત થયા હતા. 1977માં, કાર્લો રુબિયાએ સ્વતંત્ર રીતે, અને લગભગ એક સાથે, દુર્લભ ઘટના કણ ભૌતિકશાસ્ત્ર પ્રયોગો માટે સીઇઆરએન ખાતે એલએઆરટીપીસી બનાવવાની દરખાસ્ત કરી હતી. ડિટેક્ટર ડિઝાઇન અને ગુણધર્મો લિક્વિડ આર્ગોન ઘણા કારણોસર સંવેદનશીલ માધ્યમ તરીકે ફાયદાકારક છે. હકીકત એ છે કે આર્ગોન એક ઉમદા તત્વ છે અને તેથી તેમાં અદ્રશ્ય થતી ઇલેક્ટ્રોનગેટિવિટી છે તેનો અર્થ એ છે કે આયનીકરણ કિરણોત્સર્ગ દ્વારા ઉત્પાદિત ઇલેક્ટ્રોન શોષાઈ શકશે નહીં કારણ કે તેઓ ડિટેક્ટર રીડઆઉટ તરફ આગળ વધશે. જ્યારે ઊર્જાસભર ચાર્જ કરેલો કણ પસાર થાય છે ત્યારે આર્ગોન પણ ચમકવા લાગે છે, જે સંખ્યાબંધ ચમકતા ફોટોનને મુક્ત કરે છે જે પસાર થતા કણ દ્વારા આર્ગોનમાં જમા થયેલી ઊર્જાના પ્રમાણસર હોય છે. લિક્વિડ આર્ગોન પણ પ્રમાણમાં સસ્તું છે, જે મોટા પાયે પ્રોજેક્ટ્સને આર્થિક રીતે શક્ય બનાવે છે. જો કે, સંવેદનશીલ માધ્યમ તરીકે પ્રવાહી આર્ગોનનો ઉપયોગ કરવા માટેની પ્રાથમિક પ્રેરણાઓમાંની એક તેની ઘનતા છે. લિક્વિડ આર્ગોન ન્યગ્રેનની ટી. પી. સી. ડિઝાઇનમાં ઉપયોગમાં લેવાતા ગેસ કરતાં લગભગ એક હજાર ગણો ગાઢ છે, જે લગભગ એક હજારના પરિબળ દ્વારા ડિટેક્ટરમાં ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરતા કણની સંભાવના વધારે છે. આ લક્ષણ ખાસ કરીને ન્યુટ્રિનો ભૌતિકશાસ્ત્રમાં ઉપયોગી છે, જ્યાં ન્યુટ્રિનો-ન્યુક્લિયોન ક્રિયાપ્રતિક્રિયા ક્રોસ સેક્શન નાના હોય છે. લાક્ષણિક એલ. એ. આર. ટી. પી. સી. નો મુખ્ય ભાગ ત્રણ ભાગોથી બનેલો હોય છે. ડિટેક્ટરની એક બાજુએ હાઇ-વોલ્ટેજ કેથોડ પ્લેન હોય છે, જેનો ઉપયોગ ટી. પી. સી. માં ડ્રિફ્ટ વિદ્યુત ક્ષેત્ર સ્થાપિત કરવા માટે થાય છે. જો કે ચોક્કસ વિદ્યુત ક્ષમતા કે જેના પર આ સેટ કરવામાં આવે છે તે ડિટેક્ટરની ભૂમિતિ પર આધારિત છે, આ ઉચ્ચ-વોલ્ટેજ કેથોડ સામાન્ય રીતે ડિટેક્ટરમાં 500 વી/સે. મી. નું પ્રવાહ ક્ષેત્ર ઉત્પન્ન કરે છે. કેથોડ સમતલની વિરુદ્ધ બાજુએ કેથોડ કરતાં ઘણી વધારે (ઓછી નકારાત્મક) સંભવિતતા પર સેટ કરેલ એનોડ વાયર વિમાનોનો સમૂહ છે. દરેક વિમાન તેના પડોશીઓથી નાના અંતર દ્વારા અલગ પડે છે, સામાન્ય રીતે 1 સે. મી. ના ક્રમમાં. પ્લેનમાં થોડા મિલીમીટરના અંતરે ઘણા સમાંતર વાહક વાયર હોય છે, અને જે ખૂણા પર વાયર ઊભી દિશામાં હોય છે તે પ્લેનથી પ્લેનમાં બદલાય છે. એકસાથે, આ વિમાનો ડ્રિફ્ટ ઇલેક્ટ્રોનમાંથી સંકેતો વાંચે છે. એન એનોડ વાયર પ્લેનવાળા ડિટેક્ટર માટે, આંતરિક એન-1 પ્લેનને ઇન્ડક્શન પ્લેન કહેવામાં આવે છે. આ બાહ્ય સમતલ કરતાં ઓછી (વધુ નકારાત્મક) સંભવિતતા પર સેટ કરવામાં આવે છે, જે પ્રવાહ ઇલેક્ટ્રોનને તેમાંથી પસાર થવા દે છે, જે ઘટના પુનર્નિર્માણ માટે ઉપયોગમાં લેવાતા સંકેતોને પ્રેરિત કરે છે. બાહ્ય સપાટીને સંગ્રહ સપાટી કહેવામાં આવે છે કારણ કે આ વાયર પર ડ્રિફ્ટ ઇલેક્ટ્રોન એકત્રિત કરવામાં આવે છે, જે વધારાના સંકેતો ઉત્પન્ન કરે છે. વિવિધ વાયર ઓરિએન્ટેશન સાથે બહુવિધ પ્લેન રાખવાથી દ્વિ-પરિમાણીય ઘટના પુનર્નિર્માણની મંજૂરી મળે છે, જ્યારે ત્રીજું પરિમાણ ઇલેક્ટ્રોન ડ્રિફ્ટ સમયમાંથી જોવા મળે છે. ત્રીજો ભાગ કેથોડ અને એનોડ વચ્ચેનું ક્ષેત્ર પાંજરું છે. આ ફિલ્ડ કેજ કેથોડ અને એનોડ વચ્ચે એક સમાન વિદ્યુત ક્ષેત્ર જાળવે છે, જેથી ડ્રિફ્ટ ઇલેક્ટ્રોન ટ્રેજેક્ટરીઝ આયનીકરણના બિંદુ અને એનોડ પ્લેન વચ્ચેના ટૂંકા માર્ગથી શક્ય તેટલી ઓછી વિચલિત થાય છે. આનો હેતુ ઘટના પુનર્નિર્માણ દરમિયાન કણોના માર્ગની વિકૃતિને અટકાવવાનો છે. પ્રકાશ-સંગ્રહ પ્રણાલી ઘણીવાર સિન્ટિલેશન લાઇટ દ્વારા ઘટનામાંથી વધુ માહિતી કાઢવાના સાધન તરીકે મૂળભૂત એલ. એ. આર. ટી. પી. સી. સાથે આવે છે. તે ટ્રિગર કરવામાં પણ મહત્વની ભૂમિકા ભજવી શકે છે, કારણ કે તે ડિટેક્ટરમાંથી કણ પસાર થયા પછી માત્ર નેનોસેકન્ડ્સમાં જ સિન્ટિલેશન પ્રકાશ એકત્રિત કરે છે. આ તુલનાત્મક રીતે (1000 ગણા ક્રમમાં) મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન દ્વારા વાયર પ્લેન તરફ જવા માટેના સમય કરતાં ઓછો છે, તેથી તે ઘણીવાર ઘટના માટે ટ્રિગર ટાઇમ (t0) તરીકે સિન્ટિલેશન ફોટોનના સંગ્રહ સમયનું સીમાંકન કરવા માટે પૂરતું છે. આ ટ્રિગર સમય સાથે, પછી કોઈ વ્યક્તિ ઇલેક્ટ્રોન ડ્રિફ્ટ સમય શોધી શકે છે, જે ઘટનાના ત્રિ-પરિમાણીય પુનર્નિર્માણને સક્ષમ કરે છે. જ્યારે આવી પ્રણાલીઓ એકમાત્ર સાધન નથી કે જેના દ્વારા એલ. એ. આર. ટી. પી. સી. ટ્રિગર સમયને ઓળખી શકે છે, તે સુપરનોવા અને પ્રોટોન ક્ષય જેવી ઘટનાઓનો અભ્યાસ કરવા માટે જરૂરી છે, જ્યાં ક્ષય અથવા ક્રિયાપ્રતિક્રિયામાંથી પસાર થતા કણો માનવ નિર્મિત પ્રવેગકમાં ઉત્પન્ન થતા નથી અને તેથી કણોના કિરણનો સમય જાણી શકાતો નથી. ફોટોમલ્ટીપ્લાયર ટ્યુબ, લાઇટ ગાઈડ્સ અને સિલિકોન ફોટોમલ્ટીપ્લાયર આ પ્રકાશને એકત્રિત કરવા માટે ઉપયોગમાં લેવાતા સાધનોના ઉદાહરણો છે. આ સામાન્ય રીતે ડ્રિફ્ટ વોલ્યુમની બહાર સ્થિત હોય છે. સિગ્નલ રીડઆઉટ લાક્ષણિક એલ. એ. આર. ટી. પી. સી. માં, દરેક એનોડ પ્લેનમાં દરેક વાયર આર. સી. સર્કિટનો ભાગ હોય છે, જેમાં વાયર પોતે રેઝિસ્ટર અને કેપેસિટર વચ્ચે સ્થિત હોય છે. રેઝિસ્ટરનો બીજો છેડો બાયસ વોલ્ટેજ સાથે જોડાયેલો હોય છે અને કેપેસિટરનો બીજો છેડો ફ્રન્ટ-એન્ડ ઇલેક્ટ્રોનિક્સ સાથે જોડાયેલો હોય છે. ફ્રન્ટ-એન્ડ ઇલેક્ટ્રોનિક્સ સર્કિટમાં કરંટને વિસ્તૃત કરે છે અને ડિજિટાઇઝ કરે છે. સમયના કાર્ય તરીકે આ વિસ્તૃત અને ડિજિટાઇઝ્ડ કરંટ એ "સિગ્નલ" છે જે ઇવેન્ટ પુનર્નિર્માણમાં પસાર થાય છે. આપેલ એનોડ પ્લેન વાયર માટે, ઉત્પાદિત સિગ્નલનું ચોક્કસ સ્વરૂપ હશે જે તેના પર આધાર રાખે છે કે વાયર ઇન્ડક્શન પ્લેનમાં સ્થિત છે કે કલેક્શન પ્લેનમાં. જેમ જેમ ડ્રિફ્ટ ઇલેક્ટ્રોન ઇન્ડક્શન પ્લેનમાં વાયર તરફ આગળ વધે છે, તે વાયરમાં કરંટને પ્રેરિત કરે છે, આઉટપુટ કરંટમાં "બમ્પ" ઉત્પન્ન કરે છે. જેમ જેમ ઇલેક્ટ્રોન વાયરથી દૂર જાય છે, તે વિરુદ્ધ દિશામાં પ્રવાહને પ્રેરિત કરે છે, જે પ્રથમ તરીકે વિરુદ્ધ ચિહ્નનું આઉટપુટ "બમ્પ" ઉત્પન્ન કરે છે. પરિણામ દ્વિધ્રુવી સંકેત છે. તેનાથી વિપરીત, સંગ્રહ સમતલ વાયર માટેના સંકેતો એકધ્રુવીય હોય છે, કારણ કે ઇલેક્ટ્રોન વાયર દ્વારા પસાર થતા નથી પરંતુ તેના બદલે તેના દ્વારા "એકત્રિત" થાય છે. આ બંને ભૂમિતિઓ માટે, મોટા સંકેત કંપનવિસ્તાર સૂચવે છે કે વધુ પ્રવાહ ઇલેક્ટ્રોન કાં તો વાયર (ઇન્ડક્શન પ્લેન માટે) દ્વારા પસાર થાય છે અથવા તેના દ્વારા (સંગ્રહ પ્લેન માટે) એકત્રિત કરવામાં આવ્યા હતા. આપેલ એનોડ પ્લેનમાં તમામ વાયરના સિગ્નલ રીડઆઉટને કણની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાના 2D ચિત્રમાં ગોઠવી શકાય છે. આવા ચિત્ર એ 2D સમતલ પર 3D કણોની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાનું પ્રક્ષેપણ છે, જેનું સામાન્ય વેક્ટર નિર્દિષ્ટ એનોડ સમતલમાં વાયરની સમાંતર હોય છે. દરેક એનોડ પ્લેનને અનુરૂપ 2D અંદાજો 3D ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને સંપૂર્ણ રીતે પુનઃનિર્માણ કરવા માટે જોડવામાં આવે છે. દ્વિ-તબક્કાની ટી. પી. સી. આ તકનીક સૌપ્રથમ 1970ના દાયકાની શરૂઆતમાં આર્ગોનનો ઉપયોગ કરીને કિરણોત્સર્ગની તપાસ માટે વિકસાવવામાં આવી હતી. ઝેડઇપીએલઆઇએન કાર્યક્રમએ ડબ્લ્યુઆઇએમપી શોધ માટે બે તબક્કાની તકનીકનો ઉપયોગ કરવાની પહેલ કરી હતી. ડિટેક્ટર્સની XENon અને LUX શ્રેણી ભૌતિકશાસ્ત્રમાં આ સાધનના અત્યાધુનિક અમલીકરણનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે. ડાર્ક મેટર ટાઇમ પ્રોજેક્શન ચેમ્બર ડાર્ક મેટર ટાઇમ પ્રોજેક્શન ચેમ્બર એ નબળા ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરતા મોટા કણો (ડબ્લ્યુઆઇએમપી) ની સીધી શોધ માટેનો એક પ્રયોગ છે, જે શ્યામ દ્રવ્ય માટે સૌથી વધુ તરફેણ કરનારા ઉમેદવારોમાંનો એક છે. આ પ્રયોગ સંભવિત શ્યામ દ્રવ્યની ઘટનાઓની મૂળ દિશા બહાર કાઢવા માટે નીચા દબાણવાળા સમય પ્રક્ષેપણ ખંડનો ઉપયોગ કરે છે. આ સહયોગમાં મેસેચ્યુસેટ્સ ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઓફ ટેકનોલોજી (એમઆઇટી), બોસ્ટન યુનિવર્સિટી (બીયુ), બ્રાન્ડીસ યુનિવર્સિટી અને લંડનની રોયલ હોલોવે યુનિવર્સિટીના ભૌતિકશાસ્ત્રીઓનો સમાવેશ થાય છે. એમ. આઈ. ટી. અને બી. યુ. ખાતે પ્રયોગશાળાઓમાં કેટલાક પ્રોટોટાઇપ ડિટેક્ટર્સ બનાવવામાં આવ્યા છે અને તેનું પરીક્ષણ કરવામાં આવ્યું છે. આ સહયોગે તેની પ્રથમ માહિતી ફોલ, 2010માં ન્યૂ મેક્સિકોના કાર્લ્સબાડ નજીક વેસ્ટ આઇસોલેશન પાયલોટ પ્લાન્ટ (ડબલ્યુ. આઇ. પી. પી.) સાઇટ પર ભૂગર્ભ પ્રયોગશાળામાં લીધી હતી. ડાર્ક મેટર ટાઇમ પ્રોજેક્શન ચેમ્બરે 2010માં સપાટીની દોડમાંથી પ્રથમ પરિણામો પ્રકાશિત કર્યા હતા, જેમાં સ્પિન-આધારિત ક્રોસ સેક્શન મર્યાદા નક્કી કરવામાં આવી હતી. નોંધો સંદર્ભો વધુ વાંચન કણ ડિટેક્ટર્સ