Time projection chamber
भौतिकी में, एक समय प्रक्षेपण कक्ष (टी. पी. सी.) एक प्रकार का कण डिटेक्टर है जो एक कण प्रक्षेपवक्र या अंतःक्रिया का त्रि-आयामी पुनर्निर्माण करने के लिए गैस या तरल की संवेदनशील मात्रा के साथ विद्युत क्षेत्रों और चुंबकीय क्षेत्रों के संयोजन का उपयोग करता है। मूल डिजाइन मूल टी. पी. सी. का आविष्कार 1970 के दशक के अंत में लॉरेंस बर्कले प्रयोगशाला में एक अमेरिकी भौतिक विज्ञानी डेविड आर. निग्रेन द्वारा किया गया था। इसका पहला प्रमुख अनुप्रयोग पी. ई. पी.-4 डिटेक्टर में था, जिसने एस. एल. ए. सी. में पी. ई. पी. भंडारण रिंग में 29 जी. ई. वी. इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन टकरावों का अध्ययन किया। एक समय प्रक्षेपण कक्ष में एक स्थिति-संवेदनशील इलेक्ट्रॉन संग्रह प्रणाली के साथ एक विद्युत क्षेत्र में गैस से भरी हुई पहचान मात्रा होती है। मूल डिजाइन (और सबसे अधिक उपयोग किया जाने वाला) एक बेलनाकार कक्ष है जिसमें बहु-तार आनुपातिक कक्ष (एम. डब्ल्यू. पी. सी.) अंतफलक के रूप में हैं। इसकी लंबाई के साथ, कक्ष को एक केंद्रीय उच्च-वोल्टेज इलेक्ट्रोड डिस्क के माध्यम से आधे में विभाजित किया जाता है, जो केंद्र और अंतिम प्लेटों के बीच एक विद्युत क्षेत्र स्थापित करता है। इसके अलावा, गैस के आयनीकरण से आने वाले इलेक्ट्रॉनों के प्रसार को कम करने के लिए, विद्युत क्षेत्र के समानांतर, सिलेंडर की लंबाई के साथ अक्सर एक चुंबकीय क्षेत्र लगाया जाता है। डिटेक्टर गैस से गुजरने पर, एक कण अपने मार्ग के साथ प्राथमिक आयनीकरण का उत्पादन करेगा। जेड निर्देशांक (सिलेंडर अक्ष के साथ) आयनीकरण घटना से अंत में एम. डब्ल्यू. पी. सी. तक बहाव समय को मापकर निर्धारित किया जाता है। यह एक ड्रिफ्ट चैम्बर की सामान्य तकनीक का उपयोग करके किया जाता है। अंत में एम. डब्ल्यू. पी. सी. को एज़िमुथल दिशा में एनोड तारों के साथ व्यवस्थित किया जाता है, θ, जो रेडियल निर्देशांक पर जानकारी प्रदान करता है, r. एज़िमुथल दिशा प्राप्त करने के लिए, प्रत्येक कैथोड तल को रेडियल दिशा के साथ पट्टियों में विभाजित किया जाता है। हाल के वर्षों में स्थिति-संवेदनशील इलेक्ट्रॉन प्रवर्धन और पहचान के अन्य साधन अधिक व्यापक रूप से उपयोग किए जाने लगे हैं, विशेष रूप से परमाणु भौतिकी में समय प्रक्षेपण कक्षों के बढ़ते अनुप्रयोग के संयोजन में। ये आमतौर पर एक खंडित एनोड प्लेट को या तो केवल एक फ्रिस्च ग्रिड या गैस इलेक्ट्रॉन गुणक जैसे सक्रिय इलेक्ट्रॉन-गुणन तत्व के साथ जोड़ते हैं। ये नए टी. पी. सी. भी एक अक्षीय क्षेत्र के साथ एक सिलेंडर की पारंपरिक ज्यामिति से एक सपाट ज्यामिति या एक रेडियल क्षेत्र के साथ एक सिलेंडर के पक्ष में प्रस्थान करते हैं। कण भौतिकी में पहले के शोधकर्ता भी आम तौर पर बीम लाइन के ऊपर या नीचे सीधे व्यवस्थित एक अधिक सरल बॉक्स के आकार की ज्यामिति का उपयोग करते थे, जैसे कि CERN NA49 और NA35 प्रयोगों में। लिक्विड आर्गन टाइम प्रोजेक्शन चैंबर (एल. ए. आर. टी. पी. सी.) 1974 में, विलियम जे. विलिस और वेल्जको राडेका ने प्रदर्शित किया कि तरल आर्गन डिटेक्टरों में कुल अवशोषण कैलोरीमेट्री उस प्रवर्धन के बिना संभव थी जो आम तौर पर एक गैसीय आयनीकरण डिटेक्टर में होती है। इस महत्वपूर्ण तकनीक ने निग्रेन के मूल डिजाइन के आधार पर एक समय प्रक्षेपण कक्ष की संभावना को सक्षम किया, लेकिन गैस के बजाय संवेदनशील माध्यम के रूप में तरल आर्गन का उपयोग किया। 1976 में, हर्बर्ट एच. चेन ने कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, इरविन और कैलिफोर्निया प्रौद्योगिकी संस्थान के सहयोगियों के साथ, एक समय प्रक्षेपण कक्ष (एलएआरटीपीसी) में तरल आर्गन के शुरुआती उपयोगों में से एक का प्रस्ताव रखा। इस तरह के डिटेक्टर के साथ चेन के प्रारंभिक लक्ष्य न्यूट्रिनो-इलेक्ट्रॉन प्रकीर्णन का अध्ययन करना था, लेकिन लक्ष्य सौर या ब्रह्मांडीय न्यूट्रिनो या प्रोटॉन क्षय को मापने के लिए विकसित हुए। 1977 में, कार्लो रुबिया ने स्वतंत्र रूप से, और लगभग एक साथ, दुर्लभ घटना कण भौतिकी प्रयोगों के लिए सीईआरएन में एक एलएआरटीपीसी के निर्माण का प्रस्ताव रखा। डिटेक्टर डिजाइन और गुण तरल आर्गन कई कारणों से एक संवेदनशील माध्यम के रूप में फायदेमंद है। तथ्य यह है कि आर्गन एक उत्कृष्ट तत्व है और इसलिए एक लुप्त होती इलेक्ट्रोनगेटिविटी का मतलब है कि आयनीकरण विकिरण द्वारा उत्पादित इलेक्ट्रॉनों को अवशोषित नहीं किया जाएगा क्योंकि वे डिटेक्टर रीडआउट की ओर बहते हैं। आर्गन तब भी चमकता है जब एक ऊर्जावान आवेशित कण गुजरता है, जिससे कई चमक फोटॉन निकलते हैं जो गुजरने वाले कण द्वारा आर्गन में जमा ऊर्जा के समानुपाती होते हैं। तरल आर्गन भी अपेक्षाकृत सस्ता है, जो बड़े पैमाने पर परियोजनाओं को आर्थिक रूप से व्यवहार्य बनाता है। हालांकि, एक संवेदनशील माध्यम के रूप में तरल आर्गन का उपयोग करने के लिए प्राथमिक प्रेरणाओं में से एक इसका घनत्व है। तरल आर्गन निग्रेन के टी. पी. सी. डिजाइन में उपयोग की जाने वाली गैस की तुलना में लगभग एक हजार गुना घना होता है, जो लगभग एक हजार के कारक द्वारा डिटेक्टर में एक कण के परस्पर क्रिया करने की संभावना को बढ़ाता है। यह विशेषता न्यूट्रिनो भौतिकी में विशेष रूप से उपयोगी है, जहां न्यूट्रिनो-न्यूक्लियन अंतःक्रिया क्रॉस सेक्शन छोटे होते हैं। एक विशिष्ट एल. ए. आर. टी. पी. सी. का मुख्य भाग तीन भागों से बना होता है। डिटेक्टर के एक तरफ एक उच्च-वोल्टेज कैथोड तल होता है, जिसका उपयोग टी. पी. सी. के पार एक बहाव विद्युत क्षेत्र स्थापित करने के लिए किया जाता है। यद्यपि सटीक विद्युत क्षमता जिस पर यह सेट किया गया है, वह डिटेक्टर ज्यामिति पर निर्भर करता है, यह उच्च-वोल्टेज कैथोड आमतौर पर डिटेक्टर के पार 500 वी/सेमी का बहाव क्षेत्र उत्पन्न करता है। कैथोड तल के विपरीत दिशा में कैथोड की तुलना में बहुत अधिक (कम नकारात्मक) क्षमता पर सेट किए गए एनोड तार तलों का एक समूह होता है। प्रत्येक तल को अपने पड़ोसियों से एक छोटे से अंतराल से अलग किया जाता है, आमतौर पर 1 सेमी के क्रम पर। एक तल में कुछ मिलीमीटर की दूरी पर कई समानांतर संवाहक तार होते हैं, और जिस कोण पर तार ऊर्ध्वाधर के सापेक्ष उन्मुख होते हैं, वह समतल से समतल में भिन्न होता है। एक साथ, ये विमान प्रवाह इलेक्ट्रॉनों से संकेतों को पढ़ते हैं। एन एनोड तार विमानों वाले डिटेक्टर के लिए, आंतरिक एन-1 विमानों को प्रेरण विमान कहा जाता है। ये बाहरी तल की तुलना में कम (अधिक नकारात्मक) क्षमता पर सेट किए जाते हैं, जिससे बहाव इलेक्ट्रॉनों को उनके माध्यम से गुजरने की अनुमति मिलती है, जिससे संकेत प्रेरित होते हैं जिनका उपयोग घटना पुनर्निर्माण के लिए किया जाता है। बाहरी तल को संग्रह तल कहा जाता है क्योंकि इन तारों पर ड्रिफ्ट इलेक्ट्रॉन एकत्र किए जाते हैं, जिससे अतिरिक्त संकेत उत्पन्न होते हैं। अलग-अलग तार अभिविन्यास के साथ कई विमान होने से द्वि-आयामी घटना पुनर्निर्माण की अनुमति मिलती है, जबकि तीसरा आयाम इलेक्ट्रॉन प्रवाह समय से पाया जाता है। तीसरा भाग कैथोड और एनोड के बीच एक क्षेत्र पिंजरा है। यह क्षेत्र पिंजरा कैथोड और एनोड के बीच एक समान विद्युत क्षेत्र बनाए रखता है, ताकि बहाव इलेक्ट्रॉन प्रक्षेपवक्र आयनीकरण के बिंदु और एनोड तल के बीच के सबसे छोटे मार्ग से जितना संभव हो उतना कम विचलित हो। इसका उद्देश्य घटना पुनर्निर्माण के दौरान कण प्रक्षेपवक्र की विकृति को रोकना है। एक प्रकाश-संग्रह प्रणाली अक्सर मूल एल. ए. आर. टी. पी. सी. के साथ चमकती रोशनी द्वारा एक घटना से अधिक जानकारी निकालने के साधन के रूप में होती है। यह ट्रिगर करने में भी महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकता है, क्योंकि यह डिटेक्टर के माध्यम से कण के गुजरने के बाद केवल नैनोसेकंड में चमक प्रकाश एकत्र करता है। यह तुलनात्मक रूप से (1000 गुना के क्रम पर) मुक्त इलेक्ट्रॉनों द्वारा तार के तल पर जाने में लगने वाले समय से कम है, इसलिए यह अक्सर एक घटना के लिए ट्रिगर समय (t0) के रूप में चमक फोटॉनों के संग्रह समय का सीमांकन करने के लिए पर्याप्त होता है। इस ट्रिगर समय के साथ, कोई भी तब इलेक्ट्रॉन ड्रिफ्ट समय पा सकता है, जो किसी घटना के त्रि-आयामी पुनर्निर्माण को सक्षम बनाता है। जबकि ऐसी प्रणालियाँ एकमात्र साधन नहीं हैं जिनके द्वारा एक एल. ए. आर. टी. पी. सी. एक ट्रिगर समय की पहचान कर सकता है, वे सुपरनोवा और प्रोटॉन क्षय जैसी घटनाओं का अध्ययन करने के लिए आवश्यक हैं, जहां क्षय या बातचीत से गुजरने वाले कण मानव निर्मित त्वरक में उत्पन्न नहीं होते हैं और इसलिए कणों की किरण का समय ज्ञात नहीं है। फोटोमल्टीप्लायर ट्यूब, लाइट गाइड और सिलिकॉन फोटोमल्टिप्लायर इस प्रकाश को इकट्ठा करने के लिए उपयोग किए जाने वाले उपकरणों के उदाहरण हैं। ये आम तौर पर बहाव मात्रा के ठीक बाहर स्थित होते हैं। सिग्नल रीडआउट एक विशिष्ट एल. ए. आर. टी. पी. सी. में, प्रत्येक एनोड तल में प्रत्येक तार एक आर. सी. परिपथ का हिस्सा होता है, जिसमें तार स्वयं प्रतिरोधक और संधारित्र के बीच स्थित होता है। प्रतिरोधक के दूसरे छोर को बायस वोल्टेज से तारबद्ध किया जाता है, और संधारित्र के दूसरे छोर को फ्रंट-एंड इलेक्ट्रॉनिक्स से तारबद्ध किया जाता है। फ्रंट-एंड इलेक्ट्रॉनिक्स परिपथ में धारा को बढ़ाते हैं और डिजिटल करते हैं। समय के एक कार्य के रूप में यह प्रवर्धित और डिजिटल धारा "संकेत" है जो घटना के पुनर्निर्माण के लिए पारित किया जाता है। किसी दिए गए एनोड समतल तार के लिए, उत्पादित संकेत का एक विशिष्ट रूप होगा जो इस बात पर निर्भर करता है कि तार एक प्रेरण तल में स्थित है या संग्रह तल में। जैसे ही एक ड्रिफ्ट इलेक्ट्रॉन एक प्रेरण तल में एक तार की ओर बढ़ता है, यह तार में एक धारा को प्रेरित करता है, जिससे आउटपुट धारा में "टक्कर" पैदा होती है। जैसे ही इलेक्ट्रॉन एक तार से दूर जाता है, यह विपरीत दिशा में एक धारा को प्रेरित करता है, जिससे पहले के रूप में विपरीत संकेत का एक आउटपुट "टक्कर" उत्पन्न होता है। परिणाम एक द्विध्रुवीय संकेत है। इसके विपरीत, एक संग्रह समतल तार के लिए संकेत एकध्रुवीय होते हैं, क्योंकि इलेक्ट्रॉन तार से नहीं गुजरते हैं, बल्कि इसके द्वारा "एकत्र" किए जाते हैं। इन दोनों ज्यामिति के लिए, एक बड़े संकेत आयाम का तात्पर्य है कि अधिक बहाव इलेक्ट्रॉन या तो तार (प्रेरण विमानों के लिए) से गुजरते हैं या इसके द्वारा (संग्रह विमान के लिए) एकत्र किए जाते हैं। किसी दिए गए एनोड तल में सभी तारों के सिग्नल रीडआउट को एक कण अंतःक्रिया के 2डी चित्र में व्यवस्थित किया जा सकता है। इस तरह की तस्वीर एक 2डी तल पर 3डी कण अंतःक्रिया का एक प्रक्षेपण है जिसका सामान्य सदिश निर्दिष्ट एनोड तल में तारों के समानांतर होता है। प्रत्येक एनोड तल के अनुरूप 2डी प्रक्षेपणों को 3डी अंतःक्रिया को पूरी तरह से फिर से बनाने के लिए जोड़ा जाता है। दोहरे चरण वाली टी. पी. सी. तकनीक को पहली बार 1970 के दशक की शुरुआत में आर्गन का उपयोग करके विकिरण का पता लगाने के लिए विकसित किया गया था। जेड. ई. पी. एल. आई. एन. कार्यक्रम ने डब्ल्यू. आई. एम. पी. खोजों के लिए दो-चरण प्रौद्योगिकी के उपयोग का बीड़ा उठाया। डिटेक्टरों की एक्सएनओएन और एलयूएक्स श्रृंखला भौतिकी में इस उपकरण के अत्याधुनिक कार्यान्वयन का प्रतिनिधित्व करती है। डार्क मैटर टाइम प्रोजेक्शन चैंबर डार्क मैटर टाइम प्रोजेक्शन चैंबर कमजोर बातचीत करने वाले बड़े कणों (डब्ल्यू. आई. एम. पी.) का सीधा पता लगाने के लिए एक प्रयोग है, जो डार्क मैटर के लिए सबसे पसंदीदा उम्मीदवारों में से एक है। प्रयोग संभावित काले पदार्थ की घटनाओं की मूल दिशा को निकालने के लिए एक कम दबाव वाले समय प्रक्षेपण कक्ष का उपयोग करता है। इस सहयोग में मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी (एम. आई. टी.), बोस्टन विश्वविद्यालय (बी. यू.), ब्रैंडेस विश्वविद्यालय और लंदन के रॉयल होलोवे विश्वविद्यालय के भौतिक विज्ञानी शामिल हैं। एम. आई. टी. और बी. यू. की प्रयोगशालाओं में कई प्रोटोटाइप डिटेक्टरों का निर्माण और परीक्षण किया गया है। सहयोग ने अपना पहला डेटा फॉल, 2010 में कार्ल्सबैड, न्यू मैक्सिको के पास अपशिष्ट अलगाव पायलट संयंत्र (डब्ल्यू. आई. पी. पी.) स्थल पर एक भूमिगत प्रयोगशाला में लिया। डार्क मैटर टाइम प्रोजेक्शन चैंबर ने 2010 में एक सतह दौड़ से पहले परिणाम प्रकाशित किए, जिसमें एक स्पिन-निर्भर क्रॉस सेक्शन सीमा निर्धारित की गई। टिप्पणियाँ संदर्भ आगे पढ़ने वाले कण डिटेक्टर