A seven-parameter optical fiber sensor based on surface plasmon resonance (SPR) for simultaneous detection of temperature, magnetic field, methane, relative humidity, voltage, hydrogen and hydrogen sulfide

गहरे, अंधेरे वातावरण में जहाँ तेल और गैस का निष्कर्षण किया जाता है, वहाँ की हवा अक्सर अदृश्य खतरों का एक मिश्रण होती है। हाइड्रोजन सल्फाइड और मीथेन जैसी जहरीली गैसें एक अकेली चिंगारी से भी भड़क सकती हैं, जबकि तापमान, आर्द्रता या विद्युत वोल्टेज में अचानक बदलाव किसी आसन्न आपदा का संकेत दे सकते हैं। दशकों से, इंजीनियर इन अस्थिर स्थलों की निगरानी के लिए विद्युत सेंसरों पर भरोसा करते आए हैं, लेकिन बिजली स्वयं ऐसे विस्फोटक वातावरण में एक खतरा है। प्रकाश के रूप में एक सुरक्षित विकल्प लंबे समय से खोजा जा रहा है। ऑप्टिकल फाइबर, कांच के वे पतले धागे जो प्रकाश की तरंगों के रूप में सूचना ले जाते हैं, बिना किसी चिंगारी के जोखिम के दुनिया को महसूस करने का एक तरीका प्रदान करते हैं। इन रेशों को आँख और कान में बदलने के सबसे आशाजनक तरीकों में से एक 'सरफेस प्लाज्मन रेजोनेंस' (surface plasmon resonance) नामक घटना है। सरल शब्दों में, यह तब होता है जब फाइबर के भीतर यात्रा करने वाला प्रकाश इसकी सतह पर धातु की एक पतली परत के साथ परस्पर क्रिया करता है, जिससे एक विशिष्ट संकेत उत्पन्न होता है जो फाइबर के आसपास के वातावरण में बदलाव होने पर बदल जाता है। हालाँकि वैज्ञानिक इन खतरनाक कारकों में से एक या दो को एक समय में पहचानने वाले सेंसर बनाने में सफल रहे हैं, लेकिन तेल के कुओं की जटिल वास्तविकता के लिए एक ऐसे एकल उपकरण की आवश्यकता है जो सब कुछ एक साथ देख सके।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक ऐसा फाइबर ऑप्टिक सेंसर डिजाइन किया है जो ठीक यही करने में सक्षम है, जो सबसे खतरनाक औद्योगिक वातावरण के लिए एक 'सात-इन-वन' संरक्षक के रूप में कार्य करता है। हाल ही में प्रकाशित एक अध्ययन में, इस कार्य का वर्णन किया गया है जो तापमान, चुंबकीय क्षेत्र, मीथेन, आर्द्रता, वोल्टेज, हाइड्रोजन और हाइड्रोजन सल्फाइड को एक साथ पता लगाने में सक्षम है। शोधकर्ताओं ने इस विशिष्ट शोध पत्र के लिए कोई भौतिक प्रोटोटाइप नहीं बनाया; इसके बजाय, उन्होंने सेंसर की संरचना को डिजाइन करने और परीक्षण करने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। यह मॉडल करके कि जब प्रकाश विभिन्न सामग्रियों के संपर्क में आता है तो फाइबर के भीतर व्यवहार कैसे करता है, उन्होंने प्रदर्शित किया कि कांच का एक सावधानीपूर्वक तैयार किया गया धागा सात अलग-अलग भौतिक परिवर्तनों के प्रति प्रतिक्रिया कर सकता है, जिनमें से प्रत्येक प्रकाश संकेत पर एक अनूठा प्रभाव छोड़ता है।

इस नए सेंसर का केंद्र एक ऑप्टिकल फाइबर का टुकड़ा है जिसे इसके सुरक्षात्मक आवरण से हटा दिया गया है और सात अलग-अलग तरफ से पॉलिश किया गया है, जिससे एक तारे जैसा क्रॉस-सेक्शन बनता है। इन सात सपाट सतहों में से प्रत्येक पर, शोधकर्ताओं ने एक अलग, अत्यंत पतली संवेदनशील सामग्री की परत रखी। एक तरफ एक विशेष जेल है जो गर्मी के प्रति प्रतिक्रिया करता है; दूसरी तरफ एक चुंबकीय तरल है जो चुंबकीय क्षेत्रों के साथ बदलता है; अन्य सतहों को उन रसायनों से उपचारित किया गया है जो मीथेन या हाइड्रोजन सल्फाइड जैसी विशिष्ट गैसों के संपर्क में आने पर अपने गुण बदलते हैं। जब प्रकाश फाइबर के माध्यम से यात्रा करता है, तो वह इन सात परतों को छूता है। यदि तापमान बढ़ता है, चुंबकीय क्षेत्र मजबूत होता है, या जहरीली गैस लीक होती है, तो उस परिवर्तन के लिए डिज़ाइन की गई विशिष्ट परत प्रकाश की गति को बदल देती है। इससे प्रकाश एक बहुत ही विशिष्ट रंग, या तरंग दैर्ध्य (wavelength) पर अपनी ऊर्जा खो देता है, जिससे सिग्नल में एक गिरावट आती है। क्योंकि प्रत्येक सात परत सात अलग-अलग खतरों के प्रति प्रतिक्रिया करती है, इसलिए सेंसर प्रकाश स्पेक्ट्रम में सात अलग-अलग गिरावट पैदा करता है, जिससे एक कंप्यूटर यह पढ़ सकता है कि वातावरण में वास्तव में क्या हो रहा है।

शोधकर्ताओं ने पाया कि यह डिजाइन तेल और गैस संचालन के विशिष्ट दायरे के भीतर उल्लेखनीय सटीकता के साथ काम करता है। अपने सिमुलेशन में, सेंसर तापमान में अंश मात्र के बदलाव, चुंबकीय क्षेत्र के उतार-चढ़ाव और हाइड्रोजन सल्फाइड की सूक्ष्म मात्रा से लेकर मीथेन के महत्वपूर्ण स्तर तक की गैस सांद्रता का पता लगा सका। महत्वपूर्ण रूप से, यह अध्ययन मल्टी-सेंसर उपकरणों की एक आम समस्या को संबोधित करता है: 'क्रॉस-टॉक'। आमतौर पर, जब एक कारक बदलता है, तो यह अन्य रीडिंग को भ्रमित कर देता है। उदाहरण के लिए, तापमान में वृद्धि गैस सेंसर को यह सोचने पर मजबूर कर सकती है कि गैस का स्तर बदल गया है। हालाँकि, क्योंकि इस उपकरण में सात अलग-अलग संकेत हैं, शोधकर्ताओं ने इस उलझन को सुलझाने के लिए एक गणितीय विधि विकसित की। यह देखकर कि कैसे सातों संकेत एक साथ बदलते हैं, सिस्टम प्रत्येक कारक के सटीक मान की गणना कर सकता है, जिससे भ्रम प्रभावी रूप से समाप्त हो जाता है और वातावरण की एक स्पष्ट, सटीक तस्वीर मिलती है।

सेंसर की संरचना को मजबूत और निर्माण में अपेक्षाकृत सरल बनाया गया है। टीम ने पाया कि संवेदनशील परतों की सटीक मोटाई को काम करने के लिए एकदम सटीक होने की आवश्यकता नहीं है, जिसका अर्थ है कि कोटिंग प्रक्रिया के दौरान छोटी त्रुटियां भी सेंसर के प्रदर्शन को खराब नहीं करेंगी। उन्होंने यह भी पाया कि सभी सात अलग-अलग संकेत उत्पन्न करने के लिए फाइबर का एक विशिष्ट व्यास होना आवश्यक है; यदि फाइबर बहुत मोटा होता, तो संकेत आपस में मिल जाते, और यदि बहुत पतला होता, तो वे गायब हो जाते। 89 माइक्रोमीटर के व्यास और 35 नैनोमीटर की गोल्ड कोटिंग के साथ, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी संरचना बनाई जिसने सातों मापदंडों के लिए स्पष्ट और मजबूत संकेत उत्पन्न किए। उपयोग की जाने वाली सामग्रियां, जैसे कि हाइड्रोजन सल्फाइड का पता लगाने के लिए जिंक ऑक्साइड और वोल्टेज को मापने के लिए एक विशेष लिक्विड क्रिस्टल, प्रतिवर्ती (reversible) हैं, जिसका अर्थ है कि गैसों के छंट जाने और स्थितियाँ सामान्य होने पर सेंसर का पुन: उपयोग किया जा सकता है।

यह कार्य सेंसिंग तकनीक के एकीकरण की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है। जबकि पिछले उपकरण एक समय में केवल कुछ ही चरों की निगरानी कर सकते थे, यह सात-पैरामीटर वाला सेंसर तेल और गैस निष्कर्षण के सबसे महत्वपूर्ण जोखिमों की निगरानी को एक ही, संक्षिप्त उपकरण में समेकित करता है। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि हालांकि वर्तमान परिणाम कंप्यूटर मॉडलिंग पर आधारित हैं, लेकिन उपयोग की जाने वाली सामग्रियां और निर्माण तकनीकें, जैसे कि लेजर पॉलिशिंग और केमिकल कोटिंग, अच्छी तरह से स्थापित हैं और वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोग के लिए तैयार हैं। यदि इसे क्षेत्र में बनाया और परीक्षण किया जाता है, तो यह सेंसर औद्योगिक स्थलों पर निरंतर, बिना चिंगारी वाला पहरेदार प्रदान कर सकता है, जो सुरक्षा और डेटा स्पष्टता का एक ऐसा स्तर प्रदान करेगा जो पहले एक एकल उपकरण के साथ प्राप्त करना असंभव था।