Time projection chamber
পদার্থবিজ্ঞানে, টাইম প্রজেকশন চেম্বার (টিপিসি) হল এক ধরনের কণা আবিষ্কারক যা কণার গতিপথ বা মিথস্ক্রিয়ার ত্রিমাত্রিক পুনর্গঠন সম্পাদনের জন্য গ্যাস বা তরলের সংবেদনশীল আয়তনের সাথে বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র এবং চৌম্বক ক্ষেত্রের সংমিশ্রণ ব্যবহার করে। মূল নকশাটি 1970-এর দশকের শেষের দিকে লরেন্স বার্কলে গবেষণাগারে মার্কিন পদার্থবিজ্ঞানী ডেভিড আর. নাইগ্রেন উদ্ভাবন করেছিলেন। এর প্রথম প্রধান প্রয়োগ ছিল পিইপি-4 ডিটেক্টরে, যা এসএলএসি-তে পিইপি স্টোরেজ রিংয়ে 29টি জিইভি ইলেক্ট্রন-পজিট্রন সংঘর্ষ অধ্যয়ন করেছিল। একটি সময় প্রজেকশন চেম্বার একটি অবস্থান-সংবেদনশীল ইলেক্ট্রন সংগ্রহ ব্যবস্থা সহ একটি বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রে একটি গ্যাস-ভরা সনাক্তকরণ ভলিউম নিয়ে গঠিত। মূল নকশাটি (এবং সবচেয়ে বেশি ব্যবহৃত) একটি নলাকার চেম্বার যার এন্ডপ্লেট হিসাবে মাল্টি-ওয়্যার প্রপোর্শনাল চেম্বার (এমডব্লিউপিসি) রয়েছে। এর দৈর্ঘ্য বরাবর, চেম্বারটি একটি কেন্দ্রীয় উচ্চ-ভোল্টেজ বিদ্যুদ্বাহক ডিস্কের মাধ্যমে অর্ধেকে বিভক্ত করা হয়, যা কেন্দ্র এবং শেষ প্লেটগুলির মধ্যে একটি বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র স্থাপন করে। উপরন্তু, একটি চৌম্বক ক্ষেত্র প্রায়শই সিলিন্ডারের দৈর্ঘ্য বরাবর বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রের সমান্তরালে প্রয়োগ করা হয়, যাতে গ্যাসের আয়নীকরণ থেকে আসা ইলেকট্রনগুলির বিস্তার হ্রাস করা যায়। ডিটেক্টর গ্যাসের মধ্য দিয়ে যাওয়ার পরে, একটি কণা তার পথ বরাবর প্রাথমিক আয়নীকরণ তৈরি করবে। z স্থানাঙ্ক (সিলিন্ডার অক্ষ বরাবর) আয়নীকরণ ঘটনা থেকে শেষে এমডব্লিউপিসি-তে প্রবাহ সময় পরিমাপ করে নির্ধারিত হয়। এটি একটি ড্রিফ্ট চেম্বারের স্বাভাবিক কৌশল ব্যবহার করে করা হয়। শেষে এমডব্লিউপিসি অ্যাজিমুথাল দিকে অ্যানোড তারের সাথে সাজানো হয়, θ, যা রেডিয়াল স্থানাঙ্ক সম্পর্কে তথ্য সরবরাহ করে, r। অ্যাজিমুথাল দিক পেতে, প্রতিটি ক্যাথোড সমতল রেডিয়াল দিক বরাবর স্ট্রিপগুলিতে বিভক্ত করা হয়। সাম্প্রতিক বছরগুলিতে অবস্থান-সংবেদনশীল ইলেক্ট্রন পরিবর্ধন এবং সনাক্তকরণের অন্যান্য উপায়গুলি আরও ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়েছে, বিশেষত পারমাণবিক পদার্থবিজ্ঞানে সময় অভিক্ষেপ কক্ষগুলির বর্ধিত প্রয়োগের সাথে। এগুলি সাধারণত একটি খণ্ডিত অ্যানোড প্লেটকে কেবল একটি ফ্রিশ গ্রিড বা গ্যাস ইলেক্ট্রন গুণকের মতো একটি সক্রিয় ইলেক্ট্রন-গুণন উপাদানের সাথে একত্রিত করে। এই নতুন টিপিসিগুলি একটি অক্ষীয় ক্ষেত্র সহ একটি সিলিন্ডারের ঐতিহ্যবাহী জ্যামিতি থেকে একটি সমতল জ্যামিতি বা একটি রেডিয়াল ক্ষেত্র সহ একটি সিলিন্ডারের পক্ষে চলে যায়। কণা পদার্থবিজ্ঞানের পূর্ববর্তী গবেষকরা সাধারণত বিম লাইনের উপরে বা নীচে সরাসরি সাজানো আরও সরলীকৃত বাক্স-আকৃতির জ্যামিতি ব্যবহার করতেন, যেমন সিইআরএন এনএ49 এবং এনএ35 পরীক্ষায়। লিকুইড আর্গন টাইম প্রজেকশন চেম্বার (এল. এ. আর. টি. পি. সি) 1974 সালে, উইলিয়াম জে. উইলিস এবং ভেলজকো রাডেকা প্রদর্শন করেছিলেন যে তরল আর্গন ডিটেক্টরগুলিতে মোট শোষণ ক্যালোরিমেট্রি সম্ভব ছিল যা সাধারণত একটি বায়বীয় আয়নীকরণ ডিটেক্টরে ঘটে। এই সমালোচনামূলক প্রযুক্তি নাইগ্রেনের মূল নকশার উপর ভিত্তি করে একটি সময় প্রজেকশন চেম্বারের সম্ভাবনাকে সক্ষম করেছিল, তবে গ্যাসের পরিবর্তে সংবেদনশীল মাধ্যম হিসাবে তরল আর্গন ব্যবহার করে। 1976 সালে, হারবার্ট এইচ. চেন, ইউনিভার্সিটি অফ ক্যালিফোর্নিয়া, আরভিন এবং ক্যালিফোর্নিয়া ইনস্টিটিউট অফ টেকনোলজির সহযোগীদের সাথে, একটি টাইম প্রজেকশন চেম্বারে (এলএআরটিপিসি) তরল আর্গনের প্রাচীনতম ব্যবহারের প্রস্তাব করেছিলেন। এই ধরনের ডিটেক্টরের সাথে চেনের প্রাথমিক লক্ষ্য ছিল নিউট্রিনো-ইলেক্ট্রন বিচ্ছুরণ অধ্যয়ন করা, তবে লক্ষ্যগুলি সৌর বা মহাজাগতিক নিউট্রিনো বা প্রোটন ক্ষয় পরিমাপ করার জন্য বিকশিত হয়েছিল। 1977 সালে, কার্লো রুব্বিয়া স্বাধীনভাবে, এবং প্রায় একই সময়ে, বিরল ঘটনা কণা পদার্থবিজ্ঞান পরীক্ষার জন্য সিইআরএন-এ একটি এলএআরটিপিসি নির্মাণের প্রস্তাব দেন। সনাক্তকারী নকশা এবং বৈশিষ্ট্য তরল আর্গন বিভিন্ন কারণে একটি সংবেদনশীল মাধ্যম হিসাবে সুবিধাজনক। আর্গন একটি মহৎ উপাদান এবং তাই এর একটি বিলুপ্ত ইলেক্ট্রোনেগেটিভিটি রয়েছে যার অর্থ হল যে আয়নাইজিং বিকিরণ দ্বারা উত্পাদিত ইলেকট্রনগুলি ডিটেক্টর রিডআউটের দিকে প্রবাহিত হওয়ার সাথে সাথে শোষিত হবে না। যখন একটি শক্তিশালী আধানযুক্ত কণা পাশ দিয়ে যায় তখন আর্গন চকচক করে, বেশ কয়েকটি চকচকে ফোটন মুক্ত করে যা পাসিং কণা দ্বারা আর্গনে জমা হওয়া শক্তির আনুপাতিক। তরল আর্গন তুলনামূলকভাবে সস্তা, যা বড় আকারের প্রকল্পগুলিকে অর্থনৈতিকভাবে সম্ভবপর করে তোলে। তবে, তরল আর্গনকে সংবেদনশীল মাধ্যম হিসাবে ব্যবহার করার অন্যতম প্রাথমিক প্রেরণা হল এর ঘনত্ব। তরল আর্গন নাইগ্রেনের টিপিসি নকশায় ব্যবহৃত গ্যাসের তুলনায় প্রায় এক হাজার গুণ ঘন, যা প্রায় এক হাজার গুণক দ্বারা একটি ডিটেক্টরে একটি কণার মিথস্ক্রিয়া হওয়ার সম্ভাবনা বাড়ায়। এই বৈশিষ্ট্যটি নিউট্রিনো পদার্থবিজ্ঞানে বিশেষভাবে কার্যকর, যেখানে নিউট্রিনো-নিউক্লিয়ন মিথস্ক্রিয়া ক্রস বিভাগগুলি ছোট। একটি সাধারণ এল. এ. আর. টি. পি. সি-র মূল অংশ তিনটি অংশ নিয়ে গঠিত। ডিটেক্টরের একপাশে একটি উচ্চ-ভোল্টেজ ক্যাথোড সমতল রয়েছে, যা টিপিসি জুড়ে একটি প্রবাহ বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র স্থাপন করতে ব্যবহৃত হয়। যদিও সঠিক বৈদ্যুতিক সম্ভাব্যতা যেখানে এটি সেট করা হয় তা ডিটেক্টর জ্যামিতির উপর নির্ভরশীল, এই উচ্চ-ভোল্টেজ ক্যাথোড সাধারণত ডিটেক্টর জুড়ে 500 ভি/সেন্টিমিটারের একটি প্রবাহ ক্ষেত্র তৈরি করে। ক্যাথোড তলের বিপরীত দিকে ক্যাথোডের তুলনায় অনেক বেশি (কম ঋণাত্মক) সম্ভাব্যতায় সেট করা অ্যানোড তারের তলগুলির একটি সেট থাকে। প্রতিটি সমতল তার প্রতিবেশীদের থেকে একটি ছোট ফাঁক দ্বারা পৃথক করা হয়, সাধারণত 1 সেন্টিমিটার ক্রমে। একটি সমতলে কয়েক মিলিমিটার ব্যবধানের অনেক সমান্তরাল পরিবাহী তার থাকে এবং যে কোণে তারগুলি উল্লম্বের তুলনায় অভিমুখী হয় তা সমতল থেকে সমতলে পরিবর্তিত হয়। একসঙ্গে, এই সমতলগুলি প্রবাহ ইলেকট্রন থেকে সংকেত পাঠ করে। এন অ্যানোড ওয়্যার প্লেন সহ একটি ডিটেক্টরের জন্য, অভ্যন্তরীণ এন-1 প্লেনগুলিকে ইন্ডাকশন প্লেন বলা হয়। এগুলি বাইরের সমতলের তুলনায় কম (আরও নেতিবাচক) সম্ভাব্যতায় সেট করা হয়, যা প্রবাহ ইলেকট্রনগুলিকে তাদের মধ্য দিয়ে যেতে দেয়, যা ইভেন্ট পুনর্গঠনের জন্য ব্যবহৃত সংকেতগুলিকে প্ররোচিত করে। বাইরের সমতলকে সংগ্রহ সমতল বলা হয় কারণ এই তারের উপর প্রবাহ ইলেকট্রনগুলি সংগ্রহ করা হয়, যা অতিরিক্ত সংকেত তৈরি করে। বিভিন্ন তারের অভিমুখীকরণ সহ একাধিক সমতল থাকার ফলে দ্বিমাত্রিক ঘটনা পুনর্গঠনের অনুমতি পাওয়া যায়, যেখানে তৃতীয় মাত্রাটি ইলেকট্রন প্রবাহ সময় থেকে পাওয়া যায়। তৃতীয় অংশটি হল ক্যাথোড এবং অ্যানোডের মধ্যে একটি ক্ষেত্রের খাঁচা। এই ক্ষেত্রের খাঁচাটি ক্যাথোড এবং অ্যানোডের মধ্যে একটি অভিন্ন বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র বজায় রাখে, যাতে প্রবাহ ইলেকট্রন গতিপথগুলি আয়নীকরণ বিন্দু এবং অ্যানোড সমতলের মধ্যে সংক্ষিপ্ততম পথ থেকে যতটা সম্ভব কম বিচ্যুত হয়। ঘটনা পুনর্গঠনের সময় কণার গতিপথের বিকৃতি রোধ করার উদ্দেশ্যে এটি করা হয়। একটি আলোক-সংগ্রহ ব্যবস্থা প্রায়শই মৌলিক এল. এ. আর. টি. পি. সি-র সাথে একটি ঘটনা থেকে চকচকে আলোর মাধ্যমে আরও তথ্য উত্তোলনের উপায় হিসাবে থাকে। এটি ট্রিগার করার ক্ষেত্রেও গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করতে পারে, কারণ কণাটি ডিটেক্টরের মধ্য দিয়ে যাওয়ার পরে এটি কেবল ন্যানোসেকেন্ড আলোক সংগ্রহ করে। এটি তুলনামূলকভাবে (1000 গুণ ক্রমে) মুক্ত ইলেকট্রনগুলি তারের সমতলে প্রবাহিত হতে যে সময় নেয় তার চেয়ে কম, তাই এটি প্রায়শই কোনও ঘটনার জন্য ট্রিগার সময় (টি0) হিসাবে সিন্টিলেশন ফোটনগুলির সংগ্রহের সময়কে চিহ্নিত করার জন্য যথেষ্ট। এই ট্রিগার সময়ের সাথে, কেউ তখন ইলেক্ট্রন প্রবাহ সময় খুঁজে পেতে পারে, যা একটি ঘটনার ত্রিমাত্রিক পুনর্গঠনকে সক্ষম করে। যদিও এই ধরনের সিস্টেমগুলি একমাত্র উপায় নয় যার মাধ্যমে একটি এল. এ. আর. টি. পি. সি একটি ট্রিগার সময় সনাক্ত করতে পারে, তবে সুপারনোভা এবং প্রোটন ক্ষয়ের মতো ঘটনা অধ্যয়নের জন্য এগুলি প্রয়োজনীয়, যেখানে ক্ষয় বা মিথস্ক্রিয়ার মধ্য দিয়ে যাওয়া কণাগুলি মানুষের তৈরি অ্যাক্সিলারেটরে উত্পাদিত হয় না এবং কণার মরীচিটির সময়কাল তাই জানা যায় না। ফটোমল্টিপ্লায়ার টিউব, লাইট গাইড এবং সিলিকন ফটোমল্টিপ্লায়ার হল এই আলো সংগ্রহ করতে ব্যবহৃত যন্ত্রের উদাহরণ। এগুলি সাধারণত ড্রিফ্ট ভলিউমের ঠিক বাইরে অবস্থিত থাকে। সিগন্যাল রিডআউট একটি সাধারণ এল. এ. আর. টি. পি. সি-তে, প্রতিটি অ্যানোড সমতলের প্রতিটি তার একটি আর. সি সার্কিটের অংশ, যার তার নিজেই প্রতিরোধক এবং ক্যাপাসিটরের মধ্যে অবস্থিত। প্রতিরোধকটির অন্য প্রান্তটি একটি বায়াস ভোল্টেজের সাথে তারযুক্ত এবং ক্যাপাসিটরের অন্য প্রান্তটি ফ্রন্ট-এন্ড ইলেকট্রনিক্সের সাথে তারযুক্ত। ফ্রন্ট-এন্ড ইলেকট্রনিক্স সার্কিটের কারেন্টকে প্রশস্ত করে এবং ডিজিটাইজ করে। সময়ের একটি ফাংশন হিসাবে এই পরিবর্ধিত এবং ডিজিটাইজড কারেন্ট হল "সংকেত" যা ইভেন্ট পুনর্গঠনে প্রেরণ করা হয়। একটি প্রদত্ত অ্যানোড সমতল তারের জন্য, উৎপাদিত সংকেতের একটি নির্দিষ্ট রূপ থাকবে যা নির্ভর করে তারটি একটি আনয়ন সমতলে বা একটি সংগ্রহ সমতলে অবস্থিত কিনা তার উপর। একটি প্রবাহ ইলেকট্রন যখন একটি আনয়ন সমতলে একটি তারের দিকে অগ্রসর হয়, তখন এটি তারের মধ্যে একটি তড়িৎ প্রবাহকে প্ররোচিত করে, আউটপুট স্রোতে একটি "বাম্প" তৈরি করে। ইলেক্ট্রনটি যখন একটি তার থেকে দূরে সরে যায়, তখন এটি বিপরীত দিকে একটি বিদ্যুৎ প্রবাহকে প্ররোচিত করে, যা প্রথমটির মতো বিপরীত চিহ্নের একটি আউটপুট "বাম্প" তৈরি করে। ফলাফল হল একটি দ্বিমেরু সংকেত। বিপরীতে, একটি সংগ্রহ সমতল তারের জন্য সংকেতগুলি একধ্রুবীয়, কারণ ইলেকট্রনগুলি তারের পাশ দিয়ে যায় না বরং তার দ্বারা "সংগৃহীত" হয়। এই উভয় জ্যামিতির জন্য, একটি বৃহত্তর সংকেত প্রশস্ততা বোঝায় যে আরও বেশি প্রবাহ ইলেকট্রন হয় তারের দ্বারা অতিক্রম করে (প্রবর্তন সমতলের জন্য) বা এটি দ্বারা সংগ্রহ করা হয়েছিল (সংগ্রহ সমতলের জন্য)। একটি প্রদত্ত অ্যানোড সমতলে সমস্ত তারের সিগন্যাল রিডআউট একটি কণার মিথস্ক্রিয়ার 2ডি ছবিতে সংগঠিত করা যেতে পারে। এই ধরনের একটি ছবি একটি 2ডি সমতলে 3ডি কণার মিথস্ক্রিয়ার একটি অভিক্ষেপ যার স্বাভাবিক ভেক্টর নির্দিষ্ট অ্যানোড সমতলে তারের সমান্তরাল। প্রতিটি অ্যানোড সমতলের সাথে সম্পর্কিত 2ডি প্রজেকশনগুলি 3ডি মিথস্ক্রিয়া সম্পূর্ণরূপে পুনর্গঠন করতে একত্রিত করা হয়। দ্বৈত পর্যায়ের টিপিসি কৌশলটি 1970-এর দশকের গোড়ার দিকে আর্গন ব্যবহার করে বিকিরণ সনাক্তকরণের জন্য প্রথম তৈরি করা হয়েছিল। জেডইপিএলআইএন প্রোগ্রামটি ডব্লিউআইএমপি অনুসন্ধানের জন্য দ্বি-পর্যায়ের প্রযুক্তি ব্যবহারের পথপ্রদর্শক। জিনন এবং এলইউএক্স সিরিজের আবিষ্কারক পদার্থবিজ্ঞানে এই যন্ত্রের অত্যাধুনিক প্রয়োগের প্রতিনিধিত্ব করে। ডার্ক ম্যাটার টাইম প্রজেকশন চেম্বার হল দুর্বলভাবে মিথস্ক্রিয়াশীল বিশাল কণাগুলির (ডব্লিউআইএমপি) সরাসরি সনাক্তকরণের জন্য একটি পরীক্ষা, যা ডার্ক ম্যাটারের জন্য সবচেয়ে পছন্দের প্রার্থীদের মধ্যে একটি। পরীক্ষাটি সম্ভাব্য অন্ধকার পদার্থের ঘটনাগুলির মূল দিকটি বের করার জন্য একটি নিম্ন-চাপের সময় অভিক্ষেপ কক্ষ ব্যবহার করে। এই সহযোগিতার মধ্যে রয়েছে ম্যাসাচুসেটস ইনস্টিটিউট অফ টেকনোলজি (এমআইটি), বোস্টন বিশ্ববিদ্যালয় (বিইউ), ব্র্যান্ডিস বিশ্ববিদ্যালয় এবং লন্ডনের রয়্যাল হলওয়ে বিশ্ববিদ্যালয়ের পদার্থবিজ্ঞানীরা। এমআইটি এবং বিইউ-এর পরীক্ষাগারে বেশ কয়েকটি প্রোটোটাইপ ডিটেক্টর তৈরি এবং পরীক্ষা করা হয়েছে। 2010 সালের শরৎকালে নিউ মেক্সিকোর কার্লসবাদের কাছে বর্জ্য বিচ্ছিন্নতা পাইলট প্ল্যান্ট (ডব্লিউ. আই. পি. পি) সাইটে একটি ভূগর্ভস্থ পরীক্ষাগারে এই সহযোগিতার প্রথম তথ্য নেওয়া হয়। ডার্ক ম্যাটার টাইম প্রজেকশন চেম্বার 2010 সালে একটি সারফেস রান থেকে প্রথম ফলাফল প্রকাশ করে, যা একটি স্পিন-নির্ভর ক্রস সেকশন সীমা নির্ধারণ করে। নোটস রেফারেন্স আরও পড়ার পার্টিকল ডিটেক্টর