क्रायोजेनिक कण डिटेक्टर

क्रायोजेनिक कण डिटेक्टर बहुत कम तापमान पर काम करते हैं, आमतौर पर पूर्ण शून्य से कुछ डिग्री ऊपर। ये सेंसर एक ऊर्जावान प्राथमिक कण (जैसे एक फोटॉन) के साथ बातचीत करते हैं और एक संकेत देते हैं जो कि कण के प्रकार और बातचीत की प्रकृति से संबंधित हो सकता है। जबकि कई प्रकार के कण डिटेक्टरों को क्रायोजेनिक्स तापमान पर बेहतर प्रदर्शन के साथ संचालित किया जा सकता है, यह शब्द आम तौर पर उन प्रकारों को संदर्भित करता है जो केवल कम तापमान पर होने वाले विशेष प्रभावों या गुणों का लाभ उठाते हैं।

परिचय

किसी भी सेंसर को कम तापमान पर संचालित करने का सबसे सामान्य कारण थर्मल शोर में कमी है, जो पूर्ण तापमान के वर्गमूल के समानुपाती होता है। हालांकि, बहुत कम तापमान पर, कुछ भौतिक गुण संवेदक के माध्यम से उनके मार्ग में कणों द्वारा जमा ऊर्जा के प्रति बहुत संवेदनशील हो जाते हैं, और इन परिवर्तनों से लाभ थर्मल शोर में कमी से भी अधिक हो सकता है। आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले ऐसे दो गुण हैं ताप क्षमता और विद्युत प्रतिरोधकता, विशेष रूप से अतिचालकता; अन्य डिजाइन सुपरकंडक्टिंग सुरंग जंक्शन , quisiparticle ट्रैपिंग, superfluid में रोटन, चुंबकीय बोलोमीटर और अन्य सिद्धांतों पर आधारित हैं।

मूल रूप से, खगोल विज्ञान ने ऑप्टिकल और इन्फ्रारेड विकिरण के लिए क्रायोजेनिक डिटेक्टरों के विकास को आगे बढ़ाया। बाद में, कण भौतिकी और ब्रह्माण्ड विज्ञान ने ज्ञात और अनुमानित कणों जैसे कि न्युट्रीनो , अक्ष, और कमजोर रूप से परस्पर क्रिया करने वाले बड़े कणों (WIMPs) के संवेदन के लिए क्रायोजेनिक डिटेक्टर विकास को प्रेरित किया।

क्रायोजेनिक कण डिटेक्टरों के प्रकार

कैलोरीमेट्रिक कण पहचान

कैलोरीमीटर एक उपकरण है जो सामग्री 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 पदार्थ (जैसे सिलिकॉन) के डेबाई तापमान के नीचे, ताप क्षमता निरपेक्ष तापमान के घन के विपरीत घट जाती है। यह बहुत छोटा हो जाता है, जिससे कि किसी दिए गए ताप इनपुट के लिए तापमान में नमूना की वृद्धि अपेक्षाकृत बड़ी हो सकती है। यह एक कैलोरीमीटर बनाने के लिए व्यावहारिक बनाता है जिसमें गर्मी इनपुट की थोड़ी मात्रा के लिए एक बहुत बड़ा तापमान भ्रमण होता है, जैसे कि गुजरने वाले कण द्वारा जमा किया जाता है। तापमान वृद्धि को एक मानक प्रकार के अवरोध से मापा जा सकता है, जैसा कि शास्त्रीय कैलोरीमीटर में होता है। सामान्य तौर पर, इस विधि द्वारा संवेदनशील कण डिटेक्टर बनाने के लिए छोटे नमूना आकार और बहुत संवेदनशील [[ thermistors ]] की आवश्यकता होती है।

सिद्धांत रूप में, कई प्रकार के थर्मिस्टर्स 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 अक्सर आवश्यक संवेदनशीलता प्राप्त करने का एकमात्र तरीका होता है।

सुपरकंडक्टिंग ट्रांजिशन-एज सेंसर

ट्रांजिशन-एज सेंसर (टीईएस) के रूप में जाना जाने वाला एक बहुत ही संवेदनशील कैलोरीमेट्रिक सेंसर सुपरकंडक्टिविटी का लाभ उठाता है। अधिकांश शुद्ध सुपरकंडक्टर्स में कुछ कम तापमान पर सामान्य प्रतिरोधकता से सुपरकंडक्टिविटी तक बहुत तेज संक्रमण होता है। सुपरकंडक्टिंग चरण संक्रमण पर काम करके, कण के साथ बातचीत के परिणामस्वरूप तापमान में बहुत छोटा परिवर्तन प्रतिरोध में एक महत्वपूर्ण परिवर्तन का परिणाम है।

अतिचालक सुरंग जंक्शन

सुपरकंडक्टिंग सुरंग जंक्शन (एसटीजे) में सुपरकंडक्टिंग सामग्री के दो टुकड़े होते हैं जो एक बहुत पतली (~नैनोमीटर) इन्सुलेटर (इलेक्ट्रिकल) परत से अलग होते हैं। इसे सुपरकंडक्टर-इन्सुलेटर-सुपरकंडक्टर सुरंग जंक्शन (SIS) के रूप में भी जाना जाता है और यह एक प्रकार का जोसेफसन जंक्शन है। कूपर जोड़े इंसुलेटिंग बैरियर के पार क्वांटम टनलिंग कर सकते हैं, एक घटना जिसे जोसेफसन प्रभाव के रूप में जाना जाता है। क्वासिपार्टिकल्स बैरियर के पार सुरंग भी बना सकते हैं, हालांकि सुपरकंडक्टिंग एनर्जी गैप के दोगुने से कम वोल्टेज के लिए क्वासिपार्टिकल करंट 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 करंट फोटॉन ऊर्जा के समानुपाती होता है। एसटीजे का उपयोग गैर-रैखिक वर्तमान-वोल्टेज विशेषता में परिवर्तन का शोषण करके हेटेरोडाइन डिटेक्टर के रूप में भी किया जा सकता है, जो फोटॉन-सहायता प्राप्त टनलिंग से उत्पन्न होता है। एसटीजे 100 गीगाहर्ट्ज़ - 1 टेराहर्ट्ज़ (इकाई)यूनिट) फ़्रीक्वेंसी रेंज के लिए उपलब्ध सबसे संवेदनशील हेटेरोडाइन डिटेक्टर हैं और इन फ़्रीक्वेंसी पर खगोलीय अवलोकन के लिए नियोजित हैं।

[[गतिज अधिष्ठापन डिटेक्टर]]

काइनेटिक इंडक्शन डिटेक्टर (केआईडी) सुपरकंडक्टिविटी सामग्री की एक पतली पट्टी में फोटॉनों के अवशोषण के कारण गतिज इंडक्शन में परिवर्तन को मापने पर आधारित है। अधिष्ठापन में परिवर्तन को आमतौर पर एक माइक्रोवेव अनुनादक के गुंजयमान आवृत्ति में परिवर्तन के रूप में मापा जाता है, और इसलिए इन डिटेक्टरों को माइक्रोवेव काइनेटिक अधिष्ठापन डिटेक्टरों (MKIDs) के रूप में भी जाना जाता है।

अतिचालक कणिकाएँ

सुपरकंडक्टिंग ट्रांज़िशन अकेले पासिंग कण के कारण होने वाले ताप को सीधे मापने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। एक चुंबकीय क्षेत्र में टाइप-I सुपरकंडक्टिंग 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 गायब हो जाती है, और क्षेत्र अचानक इंटीरियर में प्रवेश कर जाता है। इस क्षेत्र परिवर्तन का पता आसपास के कॉइल द्वारा लगाया जा सकता है। जब अनाज फिर से ठंडा हो जाता है तो परिवर्तन प्रतिवर्ती होता है। व्यवहार में अनाज बहुत छोटा होना चाहिए और सावधानी से बनाया जाना चाहिए, और सावधानी से कॉइल से जोड़ा जाना चाहिए।

चुंबकीय कैलोरीमीटर

अनुचुंबकत्व दुर्लभ-पृथ्वी आयनों को कम ताप-क्षमता वाली सामग्री में अवशोषित गर्मी से प्रेरित अनुचुंबकीय परमाणुओं के स्पिन फ्लिप को महसूस करके कण सेंसर के रूप में उपयोग किया जा रहा है। आयनों का उपयोग चुंबकीय थर्मामीटर के रूप में किया जाता है।

अन्य तरीके

फ़ोनॉन कण का पता लगाने

कैलोरीमीटर मानते हैं कि नमूना थर्मल संतुलन में है या लगभग ऐसा ही है। बहुत कम तापमान पर क्रिस्टलीय सामग्री 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 सुपरकंडक्टिंग संक्रमण बढ़त सेंसर सहित कई तरीकों से किया जा सकता है।

सुपरकंडक्टिंग नैनोवायर सिंगल-फोटॉन डिटेक्टर

सुपरकंडक्टिंग नैनोवायर सिंगल-फोटॉन डिटेक्टर (एसएनएसपीडी) एक सुपरकंडक्टिंग वायर पर आधारित है जो सुपरकंडक्टिंग ट्रांजिशन तापमान से काफी नीचे ठंडा होता है और एक डीसी विद्युत प्रवाह के साथ पक्षपाती होता है जो सुपरकंडक्टिंग क्रिटिकल करंट के करीब होता है लेकिन उससे कम होता है। एसएनएसपीडी आमतौर पर ≈ 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-सुपरकंडक्टिंग सेक्शन बनता है। यह प्रतिरोधी गैर-सुपरकंडक्टिंग अनुभाग तब लगभग 1 नैनोसेकेंड की अवधि के एक पता लगाने योग्य वोल्टेज पल्स की ओर जाता है। इस प्रकार के फोटॉन डिटेक्टर के मुख्य लाभ इसकी उच्च गति (2 GHz की अधिकतम गणना दर उन्हें सबसे तेज़ उपलब्ध बनाती है) और इसकी कम डार्क काउंट दर है। मुख्य नुकसान आंतरिक ऊर्जा संकल्प की कमी है।

रोटन डिटेक्टर

सुपरफ्लूड में हीलियम-4|⁴प्राथमिक सामूहिक उत्तेजन फोनन और रोटन हैं। इस सुपरफ्लुइड में एक इलेक्ट्रॉन या न्यूक्लियस पर हमला करने वाला एक कण रोटोन उत्पन्न कर सकता है, जो एक मुक्त सतह पर पहुंचने पर बॉलोमेट्रिक रूप से या हीलियम परमाणुओं के वाष्पीकरण द्वारा पता लगाया जा सकता है। ⁴वह आंतरिक रूप से बहुत शुद्ध है इसलिए रोटन बैलिस्टिक रूप से यात्रा करते हैं और स्थिर होते हैं, ताकि बड़ी मात्रा में द्रव का उपयोग किया जा सके।

सुपरफ्लुइड में क्वासिपार्टिकल्स ³वह

बी चरण में, 0.001 के नीचे, सुपरफ्लुइड हीलियम-3 |³वह एक अतिचालक के समान कार्य करता है। परमाणुओं के जोड़े 100 नैनोइलेक्ट्रॉन वोल्ट के क्रम के एक बहुत छोटे ऊर्जा अंतराल के साथ कूपर जोड़े के समान क्वासिपार्टिकल्स के रूप में बंधे हैं। यह एक डिटेक्टर बनाने की अनुमति देता है एक सुपरकंडक्टिंग टनल डिटेक्टर के समान। फायदा यह है कि कई (~10⁹) जोड़े एक ही अंतःक्रिया द्वारा निर्मित किया जा सकता है, लेकिन कठिनाइयाँ यह हैं कि यह कठिन है सामान्य से अधिक को मापने के लिए ³उन्होंने परमाणु का उत्पादन किया और बहुत कुछ तैयार करने और बनाए रखने के लिए इतने कम तापमान पर सुपरफ्लुइड।

संदर्भ

• Twerenbold, Damian (December 1996). "Cryogenic Particle Detectors". Rep. Prog. Phys. 59 (3): 349–426. Bibcode:1996RPPh...59..349T. doi:10.1088/0034-4885/59/3/002. S2CID 250872972.
• Enss, Christian, ed. (2005). Cryogenic Particle Detection. Springer, Topics in applied physics 99. ISBN 978-3-540-20113-7.

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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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