ఎలిమెంటరీ-పార్టికల్ డిటెక్టర్లు, 3 డి ప్రింటెడ్ | సైన్స్డైలీ

పెద్ద కణ భౌతిక ప్రయోగాల యొక్క ఆవిష్కరణ సామర్థ్యాలను ముందుకు తీసుకెళ్లడానికి ఈ రకమైన డిటెక్టర్ నవీకరణలు కీలకం, ఇంకా అడగడం చాలా సరైంది: సమీకరించటానికి, క్యూబ్ మరియు పొర తర్వాత పొర తర్వాత క్యూబ్, 2 మిలియన్ పిఎస్ క్యూబ్స్ పనిచేసే కణ డిటెక్టర్‌లోకి ఏమి పడుతుంది? అధిక శక్తి భౌతిక శాస్త్రంలో పెద్ద ఎత్తున డిటెక్టర్లను భిన్నంగా నిర్మించవచ్చా? ఇన్స్టిట్యూట్ ఫర్ పార్టికల్ ఫిజిక్స్ అండ్ ఆస్ట్రోఫిజిక్స్లో ప్రొఫెసర్లు డేవిడ్ సలాబెర్నా మరియు ఆండ్రే రబ్బీల యొక్క ఒక పంక్తిని ప్రేరేపించే ప్రశ్నలు ఇవి. ETH జూరిచ్, సెర్న్, ది హెస్-సో, ది హీగ్-విడి, కోమాటెక్-అడిపోల్ మరియు ఇన్స్టిట్యూట్ ఫర్ సింటిలేషన్ మెటీరియల్స్ నుండి ఉక్రెయిన్, సగాబెర్నా మరియు రబ్బీల సహచరులతో కలిసి జర్నల్‌లో ఒక పరిశోధనా పత్రాన్ని ప్రచురించారు కమ్యూనికేషన్స్ ఇంజనీరింగ్ ఇక్కడ వారు ప్రాథమిక కణాల కోసం పూర్తిగా సంకలిత-తయారీ చేసిన ప్లాస్టిక్ సింటిలేటర్ డిటెక్టర్‌ను ప్రదర్శిస్తారు. రచయితలు అందరూ 3 డి ప్రింటెడ్ డిటెక్టర్ (3DET) సహకారంలో భాగం, దీనిని డాక్టర్ ఉముట్ కోస్ యొక్క సాంకేతిక సమన్వయంతో సగాబెర్నా నాయకత్వం వహిస్తారు. భవిష్యత్ పెద్ద-స్థాయి కణ డిటెక్టర్లను నిర్మించడానికి సమయం మరియు ఖర్చుతో కూడుకున్న మార్గాల దిశలో వారి ప్రదర్శన ఒక ముఖ్యమైన దశ అని బృందం నమ్ముతుంది.

ఇంజనీరింగ్ సమస్య

పిఎస్ డిటెక్టర్లు మార్గాలను ట్రాక్ చేయడం మరియు సింటిలేటర్ మెటీరియల్ గుండా వెళుతున్న చార్జ్డ్ కణాల శక్తి నష్టాన్ని వేగంగా తాత్కాలిక ప్రతిస్పందనతో కొలవడం సాధ్యపడుతుంది. ఈ లక్షణాలు 1950 లలో ప్రతిపాదించబడినప్పటి నుండి వాటి పెరుగుతున్న విజయాన్ని నిర్ణయించాయి. ఒక PS లో, ఫ్లోవర్స్ అని పిలువబడే ఫ్లోరోసెంట్ ఉద్గారాలను ఘన పాలిమర్ మాతృకలో ప్రవేశపెట్టారు. పదార్థం ద్వారా ప్రచారం చేసే చార్జ్డ్ కణం పాలిమర్ మాతృకను ఉత్తేజపరుస్తుంది: నాన్-రేడియేటివ్ డైపోల్-డిపోల్ ఇంటరాక్షన్ ఉత్తేజిత శక్తిని ఫ్లోవర్లకు బదిలీ చేస్తుంది, ఇది కొన్ని నానోసెకన్లలో సమీపంలో-పలికారాటి కాంతిని విడుదల చేయడం ద్వారా డి-ఎక్సైట్ చేస్తుంది. విడుదలయ్యే కాంతి యొక్క తరంగదైర్ఘ్యాన్ని మార్చడానికి మరియు సింటిలేటర్ పదార్థంలో శోషణను నివారించడానికి రెండవ రకం ఫ్లోర్ తరచుగా పాలిమర్‌కు జోడించబడుతుంది. ఆప్టికల్ ఫైబర్స్ దాని తరంగదైర్ఘ్యాన్ని కనిపించే స్పెక్ట్రం యొక్క ఆకుపచ్చ భాగానికి మార్చడం ద్వారా పిఎస్ చేత ఉత్పత్తి చేయబడిన కాంతిని సేకరిస్తాయి, దీనివల్ల ఉద్గార కాంతిని ట్రాప్ చేయడం మరియు దాని అటెన్యుయేషన్ పొడవును పెంచడం సాధ్యపడుతుంది.

ప్రాథమిక కణాల యొక్క సరైన ట్రాకింగ్ కోసం, గ్రాన్యులర్ 3 డి సింటిలేటింగ్ డిటెక్టర్లు అని పిలవబడేవి సూపర్ఎఫ్జిడిలోని పిఎస్ క్యూబ్స్ వంటి అనేక చిన్న వాల్యూమ్ల నుండి సమావేశమయ్యాయి. ఈ దృష్టాంతంలో, వేర్వేరు చార్జ్డ్ కణాలను స్వతంత్రంగా ట్రాక్ చేయడానికి చిన్న యూనిట్లు ఆప్టికల్‌గా వేరుచేయబడటం చాలా కీలకం. 3DET సహకారం ఈ సమావేశమైన డిటెక్టర్లతో సుపరిచితం: సగాబెర్నా సూపర్ఎఫ్జిడిని రూపొందించింది మరియు టి 2 కె సహకారంలో సభ్యురాలిగా దాని అభివృద్ధి మరియు నిర్మాణానికి నాయకత్వం వహించింది. ల్యాప్‌టాప్ లేదా స్మార్ట్‌ఫోన్ యొక్క 2 డి స్క్రీన్ సింగిల్ ఫ్లోరోసింగ్ పిక్సెల్‌లతో తయారు చేయబడిన విధంగానే, గ్రాన్యులర్ 3 డి పార్టికల్ డిటెక్టర్‌ను మెరిసే వోక్సెల్‌ల సేకరణగా చూడవచ్చు. అధిక-నాణ్యత డేటాను అందించడానికి అన్ని వోక్సెల్‌లు కలిసి పనిచేయాలి: ప్రతి వోక్సెల్ వేరుచేయబడుతుంది కాని పెద్ద మొత్తంలో భాగం.

“ఇది నిజంగా ఇంజనీరింగ్ సమస్య” అని మొదటి రచయిత టిమ్ వెబెర్ పేపర్‌లో నివేదించిన ప్రదర్శన గురించి చెప్పారు. ETH జూరిచ్‌లో మెకానికల్ ఇంజనీర్‌గా శిక్షణ పొందిన వెబెర్, భౌతిక విభాగంలో అన్యదేశ పదార్థం మరియు న్యూట్రినో ఫిజిక్స్ గ్రూపులో మరియు మూడు సంవత్సరాల క్రితం 3DET సహకారంలో చేరాడు మరియు సంకలిత తయారీ (AM) తో అతని విభిన్న అనుభవాన్ని తీసుకువచ్చాడు, దీనిని సాధారణంగా 3D ప్రింటింగ్ అని పిలుస్తారు. అతను ఈ విషయంపై ఆచరణాత్మక అభిప్రాయాన్ని తీసుకోవటానికి ఇష్టపడతాడు: అద్భుతమైన ట్రాకింగ్ రిజల్యూషన్‌తో పెద్ద కణ డిటెక్టర్లను నిర్మించడమే లక్ష్యం అయితే, ఉత్పత్తి సమయం మరియు ఖర్చులను తగ్గించాలి. పార్టికల్ డిటెక్టర్ యొక్క నాణ్యత మరియు పనితీరుపై రాజీ పడకుండా ఉత్పత్తి వేగానికి హామీ ఇచ్చే పరిష్కారాలను ఇది పిలుస్తుంది.

ఆదర్శ ఉత్పత్తి వ్యవస్థ వేలాది మెరిసే వోక్సెల్‌లను ఏకశిలా బ్లాక్‌గా నిర్మించగలదు. 3DET సహకారం మరియు ఇతరులు ఇప్పటికే PS డిటెక్టర్ ప్రోటోటైప్‌ల కోసం AM తో కలిసి పనిచేశారు; వారు ఎదుర్కొన్న కొన్ని ప్రారంభ సవాళ్లు – ముఖ్యంగా డిటెక్టర్ పనితీరు పరంగా – రెండు కీలకమైన నిర్ణయం పాయింట్లను హైలైట్ చేశాయి: పదార్థాల ఎంపిక మరియు డిటెక్టర్‌ను ఉత్పత్తి చేయడానికి ఉపయోగించే AM ప్రక్రియల రకం. ఉదాహరణకు, AM సాధారణంగా బహుళ పదార్థాలను నిర్వహించడంలో గొప్పది కాదు, అయితే సింటిలేషన్ కాంతికి అవసరమైన పదార్థ పారదర్శకతను PS చేత తిరిగి గ్రహించకుండా ఉండటానికి. అదనంగా, అన్ని AM ప్రక్రియలు బోలు నిర్మాణాలను ఉత్పత్తి చేయలేవు. తరువాతి సమస్య తరచుగా వ్యవకలన జోక్యాలకు దారితీస్తుంది-ఉదాహరణకు, తరంగదైర్ఘ్యం-బదిలీ ఫైబర్స్ కోసం వోక్సెల్స్‌లో రంధ్రాలు వేయడం-ఇది ఫాబ్రికేషన్ విధానాన్ని ఆటోమేట్ చేయడానికి గమ్మత్తైన చేస్తుంది.

కస్టమ్-మేడ్ సొల్యూషన్స్

వెబెర్, సగాబెర్నా మరియు సహచరులు తమకు పూర్తిగా అనుకూలీకరించిన AM సెటప్ అవసరమని తెలుసు. వారి కొత్త ఉత్పాదక ప్రక్రియ, ఫ్యూజ్డ్ ఇంజెక్షన్ మోడలింగ్ (FIM) అని పిలుస్తారు, ఇది రెండు తెలిసిన విధానాల మిశ్రమం, అవి ఫ్యూజ్డ్ డిపాజిషన్ మోడలింగ్ (FDM) మరియు ఇంజెక్షన్ అచ్చు. AM ఫాబ్రికేషన్ ప్రాసెస్ మూడు దశలను లెక్కిస్తుంది: మొదట, PS కోసం అచ్చును సృష్టించే ఆప్టికల్ రిఫ్లెక్టివ్ ఫ్రేమ్ యొక్క 5 × 5 పొర-అనగా, 25 ఖాళీ క్యూబ్స్, టాప్-ఓపెన్ మరియు వైట్-కోటెడ్-FDM తో ఉత్పత్తి చేయబడుతుంది, ఆప్టికల్ ఫైబర్స్ కోసం రంధ్రాలతో సహా, సహాయక నిర్మాణాలు లేకుండా. ఇక్కడ, ఫ్రేమ్ కోసం ఎంచుకున్న పాలిమర్ స్ట్రింగ్ ఎక్స్‌ట్రషన్ అని పిలువబడే ఒక ప్రక్రియలో నాజిల్ ద్వారా నెట్టబడుతుంది. ఈ 5 × 5 అచ్చు సిద్ధంగా ఉన్న తర్వాత, ఫైబర్స్ కోసం స్థలాన్ని సృష్టించడానికి లోహపు రాడ్లను రంధ్రాలలో చేర్చారు. అప్పుడు FDM ఎక్స్‌ట్రాషన్ సిస్టమ్ పొడుగుచేసిన నాజిల్‌తో భర్తీ చేయబడుతుంది, ఇది సింటిలేషన్ పదార్థాన్ని అచ్చులోకి ప్రవేశిస్తుంది, ప్రతి ఖాళీ క్యూబ్‌లో దిగువ నుండి పైకి కదులుతుంది మరియు కరిగించిన పదార్థం సాధ్యమైనంత సమానంగా వ్యాప్తి చెందుతుంది. మూడవ దశలో, తదుపరి 5 × 5 మాతృక పొరకు సిద్ధంగా ఉన్న విమాన పై ఉపరితలం ఉండేలా వేడిచేసిన పంచ్ ఉపయోగించబడుతుంది.

ఈ విధానాన్ని అనుసరించి, బృందం వారు సూపర్ క్యూబ్ అని సూచించింది, డిటెక్టర్ 125 ఆప్టికల్‌గా వివిక్త వోక్సెల్‌లను లెక్కించే డిటెక్టర్, 5 × 5 × 5 కాన్ఫిగరేషన్‌లో 59 మిమీ (వెడల్పు మరియు పొడవు) మొత్తం కొలతలు 57.2 మిమీ (ఎత్తు) తో అమర్చబడి ఉంటుంది, ఇక్కడ ప్రతి వోక్సెల్ రెండు ఆస్తోగోనల్ వెవ్‌వ్‌ంగ్త్-షిఫింగ్ ఫైబర్స్ ద్వారా చదవబడుతుంది. ఒక వోక్సెల్ కోసం తయారీ సమయం సుమారు 6 నిమిషాలు ఉంటుందని అంచనా: కొత్తగా రూపొందించిన 3 డి ప్రింటింగ్ వ్యవస్థకు ఫాబ్రికేషన్ ప్రక్రియ మరింత ఆటోమేటెడ్ కృతజ్ఞతలు తెలిపిన తర్వాత ఈ సమయం పడిపోతుందని భావిస్తున్నారు.

పరిశోధకులు వారి నమూనా యొక్క పనితీరును కాస్మిక్-పార్టికల్ డేటాతో వర్గీకరించారు, సాధించిన సింగిల్-క్యూబ్ సింటిలేషన్ లైట్ దిగుబడి మరియు వోక్సెల్స్ మధ్య క్రాస్‌స్టాక్‌పై దృష్టి సారించారు. వారు సూపర్ క్యూబ్‌ను కాస్ట్ పాలిమరైజేషన్, సాంప్రదాయిక తయారీ సాంకేతికతతో ఉత్పత్తి చేసిన సారూప్య గుర్తింపు వ్యవస్థతో పోల్చారు మరియు పనితీరులో గణనీయమైన విచలనం కనుగొనబడలేదు. ప్రతి వోక్సెల్ యొక్క ఆప్టికల్ ఐసోలేషన్ మీద ఆధారపడిన క్రాస్‌స్టాక్, FIM తో కొంచెం ఎక్కువగా ఉన్నట్లు కనిపిస్తుంది, కానీ కొన్ని శాతం స్థాయిలో ఉంటుంది, ఇది 3D లో కణ ట్రాకింగ్‌కు ఆమోదయోగ్యమైనది. “3D ప్రింటెడ్ సింటిలేటర్ డిటెక్టర్ CERN వద్ద కాస్మిక్ కిరణాలు మరియు CERN వద్ద పరీక్షా కిరణాలు వంటి ఛార్జ్డ్ కణాలను గుర్తించగల మొదటిసారి, మరియు వారి ట్రాక్‌లు మరియు శక్తి నష్టం రెండింటినీ పునర్నిర్మించడం ఇదే మొదటిసారి” అని సగాబెర్నా చెప్పారు.

డిటెక్టర్ యొక్క వోక్సెల్స్ యొక్క ఆప్టికల్ ఐసోలేషన్‌ను ఆప్టిమైజ్ చేసే లక్ష్యంతో బృందం కొత్త ప్రోటోటైప్‌లను పరీక్షిస్తోంది. అదే సమయంలో, వెబెర్ మొత్తం ఉత్పత్తి వ్యవస్థను పున es రూపకల్పన చేయడానికి పనిలో ఉంది: లక్ష్యం ఆటోమేటెడ్ ప్రింటర్, ఇది ఫాబ్రికేషన్ ప్రక్రియను పెద్ద డిటెక్టర్ వాల్యూమ్‌లకు స్కేల్ చేస్తుంది. సాలబెర్నా చెప్పినట్లుగా, 2 మిలియన్ వోక్సెల్స్ ఉన్న గ్రాన్యులర్ డిటెక్టర్ నుండి 10 మిలియన్లను లెక్కిస్తున్నది T2K వంటి ప్రయోగాలకు విపరీతమైన అప్‌గ్రేడ్‌ను సూచిస్తుంది: పెద్ద డిటెక్టర్ వాల్యూమ్, ఎక్కువ ఇంటరాక్షన్ ఈవెంట్‌లను సంగ్రహించవచ్చు. ఈ విధంగా 3D ప్రింటింగ్ పరిష్కారాలు – చాలా అక్షరాలా – కణ భౌతిక పరిశోధకులు పెద్దగా ఆలోచించటానికి వీలు కల్పిస్తారు.