क्रायोजेनिक कण डिटेक्टर

क्रायोजेनिक कण संसूचक बहुत कम तापमान पर काम करते हैं, सामान्यतः निरपेक्ष शून्य (थर्मोडायनामिक तापमान पैमाने की सबसे निचली सीमा) से कुछ डिग्री ऊपर। ये संवेदक एक ऊर्जावान प्राथमिक कण (जैसे एक फोटॉन) के साथ अंत:क्रिया करते हैं और एक संकेत देते हैं जो कि कण के प्रकार और अंतःक्रिया की प्रकृति से संबंधित हो सकता है। जबकि क्रायोजेनिक्स तापमान पर कई प्रकार के कण संसूचको को बेहतर प्रदर्शन के साथ संचालित किया जा सकता है, यह संबंध सामान्यतः उन प्रकारों को संदर्भित करता है जो केवल कम तापमान पर होने वाले विशेष प्रभावों या गुणों का लाभ उठाते हैं।

परिचय

किसी भी संवेदक को कम तापमान पर संचालित करने का सबसे सामान्य कारण थर्मल शोर (इलेक्ट्रॉनिक शोर) में कमी है, जो निरपेक्ष तापमान के वर्गमूल के समानुपाती होता है। चूंकि, बहुत कम तापमान पर, कुछ भौतिक गुण संवेदको के माध्यम से अपने मार्ग में कणों द्वारा जमा ऊर्जा के प्रति बहुत संवेदनशील हो जाते हैं, और इन परिवर्तनों से होने वाला लाभ थर्मल शोर (इलेक्ट्रॉनिक शोर) में कमी से भी अधिक हो सकता है। सामान्यतः उपयोग किए जाने वाले ऐसे दो गुण हैं ऊष्मा क्षमता और विद्युत प्रतिरोधकता, विशेष रूप से अतिचालकता; अन्य डिजाइन अतिचालक सुरंग जंक्शन , क्वासिपार्टिकल्स, ट्रैपिंग, सुपरफ्लुइड्स में रोटन, चुंबकीय बोलोमीटर और अन्य सिद्धांतों पर आधारित हैं।

मूल रूप से, खगोल विज्ञान ने ऑप्टिकल और अवरक्त विकिरण के लिए क्रायोजेनिक संसूचकों के विकास को आगे बढ़ाया। पश्चात में, कण भौतिकी और ब्रह्माण्ड विज्ञान ने ज्ञात और अनुमानित कणों जैसे कि न्युट्रीनो , एक्सियन (काल्पनिक प्राथमिक कण ), और कमजोर रूप से परस्पर क्रिया करने वाले बड़े कणों (डब्ल्यूआईएमपीस) के लिए क्रायोजेनिक संसूचक विकास को प्रेरित किया।

क्रायोजेनिक कण संसूचकों के प्रकार

कैलोरीमेट्रिक कण पहचान

कैलोरीमीटर एक उपकरण है जो पदार्थ के नमूने में जमा गर्मी की मात्रा को मापता है। एक कैलोरीमीटर एक बोलोमीटर से भिन्न होता है जिसमें एक कैलोरीमीटर ऊर्जा को मापता है, जबकि एक बोलोमीटर शक्ति (भौतिकी) को मापता है।

एक क्रिस्टलीय ढांकता हुआ (एक विद्युत इन्सुलेटर होता है) पदार्थ (जैसे सिलिकॉन) के डेबाई तापमान के नीचे, निरपेक्ष तापमान के घन के रूप में ताप क्षमता व्युत्क्रमानुपाती घट जाती है। यह बहुत छोटा हो जाता है, जिससे कि दिए गए ताप इनपुट के लिए तापमान में नमूने की वृद्धि अपेक्षाकृत बड़ी हो सके। यह एक कैलोरीमीटर बनाने के लिए व्यावहारिक बनाता है जिसमें गर्मी इनपुट की थोड़ी मात्रा के लिए एक बहुत बड़ा तापमान भ्रमण करता है, यथा गुजरने वाले कण द्वारा निक्षेपित किया जाता है। तापमान वृद्धि को एक मानक प्रकार के प्रतिरोधक से मापा जा सकता है, जैसा कि उत्कृष्ट कैलोरीमीटर में होता है। सामान्यतः, इस विधि द्वारा संवेदनशील कण संसूचक बनाने के लिए छोटे नमूना आकार और बहुत संवेदनशील प्रतिरोधक की आवश्यकता होती है।

सिद्धांत रूप में, कई प्रकार के प्रतिरोधक का उपयोग किया जा सकता है। ऊर्जा जमाव के प्रति संवेदनशीलता की सीमा प्रतिरोध उतार-चढ़ाव के परिमाण द्वारा निर्धारित की जाती है, जो बदले में थर्मल उतार-चढ़ाव द्वारा निर्धारित होती है। चूँकि सभी प्रतिरोधक वोल्टेज में उतार-चढ़ाव प्रदर्शित करते हैं जो उनके तापमान के समानुपाती होते हैं, एक प्रभाव जिसे जॉनसन शोर के रूप में जाना जाता है, तापमान में कमी अधिकांशतः आवश्यक संवेदनशीलता प्राप्त करने की एकमात्र विधि होती है।

अतिचालक ट्रांजिशन-एज संवेदक

ट्रांजिशन-एज संवेदक (टीईएस) के रूप में जाना जाने वाला एक बहुत ही संवेदनशील कैलोरीमेट्रिक संवेदक अतिचालकता(भौतिक गुणों का एक सेट) का लाभ उठाता है। अधिकांश शुद्ध अतिचालक में कुछ कम तापमान पर सामान्य प्रतिरोधकता से अतिचालकता तक बहुत तेज संक्रमण होता है। अतिचालक चरण संक्रमण पर काम करके, एक कण के साथ अन्योन्य क्रिया के परिणामस्वरूप तापमान में बहुत कम परिवर्तन के परिणामस्वरूप प्रतिरोध में एक महत्वपूर्ण परिवर्तन होता है।

अतिचालक सुरंग जंक्शन

अतिचालक सुरंग जंक्शन (एसटीजे) में अतिचालक पदार्थ के दो टुकड़े होते हैं जो एक बहुत पतली (~नैनोमीटर) विद्युत इन्सुलेटर परत से अलग होते हैं। इसे सुपरकंडक्टर-इन्सुलेटर-सुपरकंडक्टर सुरंग जंक्शन (एसआईएस) के रूप में भी जाना जाता है और यह एक प्रकार का जोसेफसन जंक्शन है। कूपर जोड़े इंसुलेटिंग बाधा के पार क्वांटम टनलिंग कर सकते हैं, एक घटना जिसे जोसेफसन प्रभाव के रूप में जाना जाता है। क्वासिपार्टिकल्स बाधा के पार भी सुरंग बना सकते हैं, चूंकि अतिचालक ऊर्जा अंतर के दोगुने से कम वोल्टेज के लिए क्वासिपार्टिकल धारा को दबा दिया जाता है। एसटीजे के एक तरफ अवशोषित एक फोटॉन कूपर जोड़े को तोड़ता है और क्वासिपार्टिकल्स बनाता है। जंक्शन के पार एक लागू वोल्टेज की उपस्थिति में, जंक्शन के पार क्वासिपार्टिकल्स टनल, और परिणामी टनलिंग धारा फोटॉन ऊर्जा के समानुपाती होता है। एसटीजे का उपयोग गैर-रैखिक धारा-वोल्टेज विशेषता में परिवर्तन का शोषण करके हेटेरोडाइन संसूचक के रूप में भी किया जा सकता है, जो फोटॉन-सहायता प्राप्त सुरंगन से उत्पन्न होता है। एसटीजे 100 गीगाहर्ट्ज़ - 1 टेराहर्ट्ज़ (इकाई) आवृत्ति सीमा के लिए उपलब्ध सबसे संवेदनशील हेटेरोडाइन संसूचक हैं और इन आवृत्ति पर खगोलीय अवलोकन के लिए कार्यरत हैं।

गतिज अधिष्ठापन संसूचक

गतिज अधिष्ठापन संसूचक (केआईडी) अतिचालक पदार्थ की एक पतली पट्टी में फोटॉनों के अवशोषण के कारण गतिज अधिष्ठापन में परिवर्तन को मापने पर आधारित है। अधिष्ठापन में परिवर्तन को सामान्यतः एक माइक्रोवेव अनुनादक के गुंजयमान आवृत्ति में परिवर्तन के रूप में मापा जाता है, और इसलिए इन संसूचकों को माइक्रोवेव गतिज अधिष्ठापन संसूचकों (एमकेआईडी) के रूप में भी जाना जाता है।

अतिचालक कणिकाएँ

अतिचालक ट्रांज़िशन अकेले पासिंग कण के कारण होने वाले ताप को सीधे मापने के लिए प्रयोग किया जा सकता है। एक चुंबकीय क्षेत्र में टाइप-I अतिचालक ग्रेन पूर्ण प्रतिचुंबकत्व प्रदर्शित करता है और क्षेत्र को इसके आंतरिक भाग से पूरी तरह से बाहर कर देता है। यदि इसे संक्रमण तापमान से थोड़ा नीचे रखा जाता है, तो कण विकिरण द्वारा गर्म करने पर अतिचालकता लुप्त हो जाती है, और क्षेत्र अचानक आंतरिक भाग में प्रवेश कर जाता है। इस क्षेत्र परिवर्तन का पता आसपास के कॉइल द्वारा लगाया जा सकता है। जब ग्रेन फिर से ठंडा हो जाता है तो परिवर्तन प्रतिवर्ती होता है। व्यवहार में ग्रेन बहुत छोटा होना चाहिए और सावधानी से बनाया जाना चाहिए, और सावधानी से कॉइल से जोड़ा जाना चाहिए।

चुंबकीय कैलोरीमीटर

अनुचुंबकत्व दुर्लभ-पृथ्वी तत्व (आरईई) को कम ताप-क्षमता वाले पदार्थ में अवशोषित गर्मी से प्रेरित अनुचुंबकीय परमाणुओं के स्पिन फ्लिप को संवेदन द्वारा कण सेंसर के रूप में उपयोग किया जा रहा है। आयनों का उपयोग चुंबकीय ताप-मापक यंत्र के रूप में किया जाता है।

अन्य विधि

फोनॉन कण का पता लगाना

कैलोरीमीटर मानते हैं कि नमूना थर्मल संतुलन में है या प्राय ऐसा ही है। बहुत कम तापमान पर क्रिस्टलीय पदार्थ में यह जरूरी नहीं है। अंतःक्रियात्मक कण के कारण क्रिस्टल जाली, या फोनन के प्राथमिक उत्तेजना को मापकर एक अच्छी डील अधिक जानकारी प्राप्त की जा सकती है। यह अतिचालक संक्रमण बढ़त संवेदक सहित कई विधियो से किया जा सकता है।

अतिचालक नैनोवायर सिंगल-फोटॉन संसूचक

अतिचालक नैनोवायर सिंगल-फोटॉन संसूचक (एसएनएसपीडी) एक अतिचालक वायर पर आधारित है जो अतिचालक संक्रमण तापमान से काफी नीचे ठंडा होता है और एक डीसी विद्युत प्रवाह के साथ पक्षपाती होता है जो अतिचालक क्रिटिकल धारा के निकट होता है लेकिन उससे कम होता है। एसएनएसपीडी सामान्यतः ≈ 5 एनएम मोटी नाइओबियम नाइट्राइड फिल्मों से बनाया जाता है जो संकीर्ण नैनोवायर (100 एनएम की सामान्य चौड़ाई के साथ) के रूप में प्रतिरूपित होते हैं। एक फोटॉन का अवशोषण कूपर जोड़े को तोड़ता है और बायस करंट के नीचे महत्वपूर्ण धारा को कम करता है। नैनोवायर की चौड़ाई में एक छोटा नॉन-अतिचालक अनुभाग बनता है। यह प्रतिरोधी गैर-अतिचालक अनुभाग तब प्राय 1 नैनोसेकेंड की अवधि के एक पता लगाने योग्य वोल्टेज पल्स की ओर जाता है। इस प्रकार के फोटॉन संसूचक का मुख्य लाभ इसकी उच्च गति (2 गीगाहर्ट्ज की अधिकतम गणना दर उन्हें सबसे तेज़ उपलब्ध कराती है) और इसकी कम डार्क काउंट दर है। मुख्य नुकसान आंतरिक ऊर्जा संकल्प की कमी है।

रोटन संसूचक

अति तरलता हीलियम-4 में प्राथमिक सामूहिक उत्तेजन फोनन और रोटन हैं। इस अति तरलता में एक इलेक्ट्रॉन या नाभिक से टकराने वाला एक कण रोटन का उत्पादन कर सकता है, जिसे बोलोमीट्रिक रूप से या वाष्पीकरण द्वारा पता लगाया जा सकता है। हीलियम-4 आंतरिक रूप से बहुत शुद्ध है इसलिए रोटन बैलिस्टिक रूप से यात्रा करते हैं और स्थिर होते हैं, जिससे कि बड़ी मात्रा में द्रव का उपयोग किया जा सके।

सुपरफ्लुइड हीलियम -3 में क्वासिपार्टिकल्स

बी चरण में, 0.001 K से नीचे, अतितरल हीलियम -3 एक अतिचालक के समान कार्य करता है। परमाणुओं के जोड़े 100 नैनोइलेक्ट्रॉनवोल्ट के क्रम के एक बहुत छोटे ऊर्जा अंतराल के साथ कूपर जोड़े के समान क्वासिपार्टिकल्स के रूप में बंधे होते हैं। यह एक अतिचालक सुरंग संसूचक के अनुरूप एक संसूचक बनाने की अनुमति देता है।

लाभ यह है कि कई (~109) जोड़े एक ही अंतःक्रिया द्वारा निर्मित किए जा सकते हैं, लेकिन कठिनाइयाँ यह हैं कि सामान्य हीलियम -3 परमाणुओं की अधिकता को मापना और इतने कम तापमान पर बहुत अधिक अतितरल तैयार करना और बनाए रखना कठिन है।

संदर्भ

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यह भी देखें

• बोलोमीटर
• डिटेक्टर
• डोमेन दीवार (चुंबकत्व)
• फ्लक्स पिनिंग
• गिन्ज़बर्ग-लैंडौ सिद्धांत
• हुसिमी क्यू प्रतिनिधित्व
• जोसेफसन प्रभाव
• मीस्नर प्रभाव
• माइक्रोबोलोमीटर
• अतिचालक
• क्रायोजेनिक डार्क मैटर सर्च

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