A compact low-frequency optomechanical triaxial inertial sensor

एक प्रयोगशाला की शांत गूँज में, वैज्ञानिक अक्सर ब्रह्मांड की सबसे सूक्ष्म फुसफुसाहटों को सुनने की कोशिश करते हैं। ऐसा करने के लिए, वे ऐसे उपकरण बनाते हैं जो अत्यंत सूक्ष्म हलचल का पता लगा सकें, जैसे कि टेक्टोनिक प्लेटों की धीमी गति से लेकर गुजरने वाली गुरुत्वाकर्षण तरंगों के सूक्ष्म खिंचाव तक। ये उपकरण, जिन्हें एक्सेलेरोमीटर (accelerometers) कहा जाता है, यह मापते हैं कि कोई वस्तु कितनी तेज़ी से अपनी गति या दिशा बदलती है। दशकों से, इन उपकरणों के सबसे संवेदनशील संस्करण भारी, महंगे और नाजुक रहे हैं, जिन्हें अक्सर जटिल विद्युत प्रणालियों की आवश्यकता होती है जो चुंबकीय क्षेत्रों द्वारा आसानी से बाधित हो सकती हैं। इसने उन्हें विशेष प्रयोगशालाओं के बाहर या उपग्रहों पर उपयोग करना कठिन बना दिया है जहाँ वजन और शक्ति बहुत महत्वपूर्ण होती है। शोधकर्ताओं का लक्ष्य लंबे समय से एक ऐसा सेंसर बनाना रहा है जो इतना छोटा हो कि एक बैकपैक में समा सके, इतना हल्का हो कि अंतरिक्ष में भेजा जा सके, और इतना संवेदनशील हो कि पृथ्वी की सांसों को महसूस कर सके।

एरिजोना विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस लक्ष्य की ओर एक महत्वपूर्ण कदम उठाते हुए एक कॉम्पैक्ट, तीन-आयामी (three-dimensional) सेंसर बनाया है जो गति को मापने के लिए प्रकाश का उपयोग करता है। गति को महसूस करने के लिए बिजली पर निर्भर रहने के बजाय, उन्होंने एक ऐसा उपकरण बनाया है जहाँ कांच का एक छोटा सा ब्लॉक, नाजुक कांच की स्प्रिंग्स द्वारा लटका हुआ, हिलने पर चलता है। फिर उन्होंने इस हलचल को अत्यधिक सटीकता के साथ देखने के लिए एक लेजर का उपयोग किया। परिणाम स्वरूप एक ऐसा सेंसर प्राप्त हुआ जो तीन अलग-अलग दिशाओं में पृथ्वी की प्राकृतिक पृष्ठभूमि की गूँज, जिसे भूकंपीय शोर (seismic noise) कहा जाता है, जितनी सूक्ष्म कंपन का भी पता लगा सकता है। यह उपलब्धि बताती है कि भविष्य के उपग्रह इन छोटे, मजबूत उपकरणों को पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण का मानचित्र बनाने या बिना भारी, बिजली की अधिक खपत करने वाले इलेक्ट्रॉनिक्स के अंतरिक्ष में नेविगेट करने के लिए ले जा सकते हैं।

इस नए सेंसर का मूल आधार एक चतुर डिज़ाइन है जो पूरी तरह से फ्यूज्ड सिलिका (fused silica) के एक ही टुकड़े से बना है, जो एक प्रकार का कांच है जो अपनी शुद्धता और स्थिरता के लिए जाना जाता है। कल्पना कीजिए कि इस कांच की एक सपाट प्लेट की, जो लगभग एक बड़े कोस्टर के आकार की है, जिससे शोधकर्ताओं ने एक छोटा, लटका हुआ परीक्षण द्रव्यमान (test mass) तराशा है। इस द्रव्यमान को बहुत पतली, लचीली भुजाओं द्वारा अपनी जगह पर रखा गया है जो स्प्रिंग्स की तरह काम करती हैं। जब सेंसर हिलता है, तो जड़त्व (inertia) के कारण परीक्षण द्रव्यमान थोड़ा पीछे रह जाता है, जिससे ये कांच की स्प्रिंग्स खिंच जाती हैं। इस सूक्ष्म खिंचाव को मापने के लिए, शोधकर्ता इस द्रव्यमान पर एक लेजर बीम डालते हैं। लेजर को विभाजित करके और चलते हुए द्रव्यमान से परावर्तित होने वाले प्रकाश की तुलना स्थिर दर्पण से परावर्तित होने वाले प्रकाश से करके, वे परमाणु की चौड़ाई से भी कम स्थिति परिवर्तन का पता लगा सकते हैं। यह विधि, जिसे इंटरफेरोमेट्री (interferometry) कहा जाता है, उन्हें कांच के द्रव्यमान की भौतिक गति को त्वरण (acceleration) के स्पष्ट संकेत में बदलने की अनुमति देती है।

टीम ने तीन ऐसे सेंसरों के साथ एक प्रणाली बनाई है जिन्हें X, Y और Z दिशाओं में गति मापने के लिए व्यवस्थित किया गया है, जो प्रभावी रूप से गति का एक पूर्ण तीन-आयामी दृश्य बनाता है। उन्होंने पूरे असेंबली को एक वैक्यूम चैंबर के अंदर रखा ताकि हवा के अणुओं के हस्तक्षेप को हटाया जा सके, जो उन नाजुक कंपनों को कम कर सकते हैं जिन्हें वे मापने की कोशिश कर रहे हैं। यह परीक्षण करने के लिए कि यह कितनी अच्छी तरह काम करता है, उन्होंने इस उपकरण को एक मानक, उच्च-स्तरीय वाणिज्यिक सिस्मोमीटर (seismometer) के बगल में रखा, जो भूवैज्ञानिकों द्वारा भूकंप का अध्ययन करने के लिए उपयोग किया जाने वाला एक उपकरण है। फिर उन्होंने टक्सन, एरिजोना में जमीन की हलचल को रिकॉर्ड किया, जो सामान्य पृष्ठभूमि कंपनों वाला एक क्षेत्र है। शोधकर्ताओं ने पाया कि उनका नया कांच आधारित सेंसर उसी जमीनी हलचल को ट्रैक कर सकता है जिसे एक बड़े वाणिज्यिक उपकरण द्वारा ट्रैक किया जाता है, जो बहुत कम आवृत्तियों से लेकर आठ चक्र प्रति सेकंड तक के रीडिंग से मेल खाता है। इस सहमति ने सिद्ध किया कि उनका छोटा, कांच-आधारित उपकरण पृथ्वी के प्राकृतिक कंपनों को सुनने के लिए पर्याप्त संवेदनशील था।

हालाँकि, सेंसर का प्रदर्शन तीनों दिशाओं में एक समान नहीं था। पार्श्व गति (side-to-side motion) को मापने वाले सेंसरों ने, यानी X और Y अक्षों ने, असाधारण रूप से प्रदर्शन किया, जो एक हर्ट्ज़ पर 60 पिको-जी प्रति वर्ग रूट हर्ट्ज़ (pico-g per square root of a hertz) के शोर स्तर तक पहुँच गए। इसका अर्थ है कि वे अविश्वसनीय रूप से सूक्ष्म त्वरण का पता लगा सकते हैं। तीसरा सेंसर, जो ज़ेड (Z) अक्ष के साथ ऊपर-नीचे की गति को मापता है, जमीन पर रखे जाने पर अलग व्यवहार करता है। पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण द्वारा कांच की स्प्रिंग्स पर नीचे की ओर खिंचाव के कारण, Z-अक्ष का सेंसर सख्त हो गया, जिससे यह ऊर्ध्वाधर (vertical) गतिविधियों के प्रति कम संवेदनशील हो गया। इसकी अनुनाद आवृत्ति (resonant frequency) गुरुत्वाकर्षण के भार के तहत लगभग 11 हर्ट्ज़ से बदलकर 44 हर्ट्ज़ हो गई, जिससे पार्श्व सेंसरों की तुलना में धीमी, कोमल गतियों का पता लगाने की इसकी क्षमता कम हो गई।

शोधकर्ता समझ गए थे कि यह कठोरता पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण के कारण होने वाली एक अस्थायी समस्या थी। उन्होंने तर्क दिया कि यदि इस सेंसर को अंतरिक्ष में ले जाया जाए, जहाँ गुरुत्वाकर्षण प्रभावी रूप से अनुपस्थित है, तो स्प्रिंग्स ढीली हो जाएंगी, और Z-अक्ष का सेंसर अन्य सेंसरों के समान ही प्रदर्शन करेगा। इसकी पुष्टि करने के लिए, उन्होंने Z-अक्ष सेंसर का परीक्षण एक ऐसी कॉन्फ़िगरेशन में किया जो एक भारहीन वातावरण का अनुकरण करता है, जिसमें इसे इस तरह घुमाया गया कि गुरुत्वाकर्षण नीचे के बजाय बगल की ओर खिंचाव पैदा करे। इस सेटअप में, इसकी आवृत्ति गिरकर वापस 11 हर्ट्ज़ हो गई, और इसकी संवेदनशीलता नाटकीय रूप से सुधर गई, जो पार्श्व सेंसरों के प्रदर्शन से मेल खाती है। इसने पुष्टि की कि यह उपकरण कक्षा में होने पर तीन-आयामी गति को समान सटीकता के साथ मापने में पूरी तरह सक्षम है।

टीम ने अंतिम असेंबल की गई इकाई में प्रकाश को ऊपर-नीचे वाले सेंसर की ओर निर्देशित करने के तरीके में एक विशिष्ट खामी की भी पहचान की। उपकरण के भीतर सीमित स्थान के कारण, लेजर बीम को संदर्भ दर्पण तक पहुँचने के लिए अधिक दूरी तय करनी पड़ी, जिससे थोड़ी अतिरिक्त शोर उत्पन्न हुई। एक स्टैंडअलोन Z-अक्ष सेंसर का अधिक खुले ऑप्टिकल लेआउट के साथ परीक्षण करके, उन्होंने दिखाया कि इस शोर को दस गुना कम किया जा सकता है। यह निष्कर्ष अंतिम डिज़ाइन को सुधारने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है, यह सुनिश्चित करता है कि ऊपर-नीचे वाला सेंसर भी अन्य सेंसरों की तरह शांत होगा जब इस उपकरण को अंतरिक्ष में उड़ाया जाएगा।

यह कार्य प्रदर्शित करता है कि एक पूर्ण, तीन-अक्षीय जड़त्व सेंसर (inertial sensor) बनाना संभव है जो छोटा, हल्का और अंतरिक्ष मिशनों के लिए पर्याप्त शक्तिशाली है। पूरा उपकरण एक बॉक्स में फिट होता है जिसका आकार मात्र 156 x 156 x 65 मिलीमीटर है, जो उस स्तर की संवेदनशीलता के लिए उल्लेखनीय रूप से कॉम्पैक्ट है जिसे यह प्राप्त करता है। यह सिद्ध करके कि ये सेंसर बड़े, स्थापित उपकरणों के समान जमीनी हलचल का पता लगा सकते हैं, शोधकर्ताओं ने त्वरण को मापने के एक नए दृष्टिकोण को मान्य किया है। यह तकनीक जल्द ही उपग्रहों को अधिक सटीक रूप से नेविगेट करने, पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र का अधिक विस्तार से मानचित्रण करने, या यहाँ तक कि दूर के ब्रह्मांडीय आयोजनों के कारण उत्पन्न स्पेस-टाइम की सूक्ष्म लहरों का पता लगाने में मदद कर सकती है, और यह सब वर्तमान में संभव चीज़ों की तुलना में बहुत छोटे और अधिक कुशल पेलोड के साथ किया जा सकता है।