A Large Lift-off Laser-Electromagnetic Ultrasonic Resonance Method with Magnetic Flux Concentration

औद्योगिक दुनिया में, धातु की संरचनाओं को सुरक्षित रखना समय, गर्मी और कंपन के विरुद्ध एक निरंतर संघर्ष है। विमान के इंजनों से लेकर तेल रिफाइनरियों के पाइपों तक, धातु के घटक लगातार दबाव में रहते हैं, जिससे अक्सर क्षरण (corrosion) के कारण दीवारों का पतला होना या छिपी हुई दरारें आ जाती हैं। इन समस्याओं को विफलता का कारण बनने से पहले पकड़ने के लिए, इंजीनियरों को बिना छुए धातु की मोटाई मापने की आवश्यकता होती है, विशेष रूप से तब जब वह धातु इतनी गर्म हो कि उसे छूना मुश्किल हो या इतनी अधिक कंपन कर रही हो कि एक मानक सेंसर अपनी जगह पर स्थिर न रह सके। दशकों से, वैज्ञानिक 'इलेक्ट्रोमैग्नेटिक एकोस्टिक ट्रांसड्यूसर' (EMAT) नामक एक तकनीक पर भरोसा करते आए हैं, जो धातु के भीतर ध्वनि तरंगें उत्पन्न करने के लिए चुंबक और बिजली का उपयोग करता है। पारंपरिक सेंसरों के विपरीत, जिन्हें सतह से चिपकाने या दबाने की आवश्यकता होती है, EMAT कम दूरी से काम कर सकते हैं। हालाँकि, यह दूरी हमेशा एक बड़ी सीमा रही है; यदि सेंसर धातु से बहुत दूर है, तो सिग्नल इतना कमजोर हो जाता है कि उसे पढ़ा नहीं जा सकता, और यह विधि विफल हो जाती है। यह सबसे चरम वातावरण में महत्वपूर्ण मशीनरी के निरीक्षण करने की हमारी क्षमता में एक खतरनाक अंतर छोड़ देता है।

नान्चांग हांगकोंग यूनिवर्सिटी और सेंट्रल साउथ यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस अंतर को पाटने का एक नया तरीका विकसित किया है। उन्होंने EMAT सेंसर का एक उन्नत संस्करण बनाया है जो पहले की तुलना में बहुत अधिक दूरी तक "देख" सकता है, जिससे यह धातु के पतले होने का पता तब भी लगा सकता है जब सेंसर को कुछ सेंटीमीटर की दूरी पर रखा गया हो। उनकी नवाचार का मूल एक सरल लेकिन चतुर जुड़ाव है: एक चुंबकीय संकेंद्रक (magnetic concentrator)। सेंसर द्वारा उपयोग किए जाने वाले चुंबकीय क्षेत्र को प्रकाश की किरण की तरह कल्पना करें। एक मानक सेटअप में, यह किरण फैल जाती है और धातु से दूर जाते ही तेजी से फीकी पड़ जाती है। शोधकर्ताओं ने सेंसर और धातु के बीच एक विशेष आकार का चुंबकीय पदार्थ रखा है जो एक लेंस की तरह कार्य करता है, जो बिखरे हुए चुंबकीय बल को इकट्ठा करता है और उसे धातु की सतह पर मजबूती से केंद्रित करता है। ऊर्जा का यह संकेंद्रण धातु के भीतर उत्पन्न ध्वनि तरंगों को बहुत अधिक शक्तिशाली बनाता है और सेंसर को बहुत अधिक दूरी से वापस आने वाली गूँज (echoes) को पकड़ने में सक्षम बनाता है।

इस चुंबकीय लेंस के लिए सही आकार खोजने के लिए, शोधकर्ता केवल अनुमान पर निर्भर नहीं रहे। उन्होंने संकेंद्रक के लिए दो अलग-अलग डिज़ाइन बनाए: एक रिंग (वलय) के आकार का और दूसरा सीढ़ी (staircase) के आकार का। इसके बाद उन्होंने सैकड़ों कंप्यूटर सिमुलेशन चलाए, जिसमें इन डिज़ाइनों के प्रत्येक भाग की चौड़ाई, ऊंचाई और स्थिति को व्यवस्थित रूप से बदला ताकि यह देखा जा सके कि किस संयोजन से सबसे मजबूत चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न होता है। सिमुलेशन से पता चला कि चुंबकीय घटकों का आकार और माप अत्यंत महत्वपूर्ण था। रिंग-आकार के डिज़ाइन के लिए, केंद्रीय भाग की ऊंचाई सबसे महत्वपूर्ण कारक थी, जबकि सीढ़ी के आकार के डिज़ाइन के लिए, संकेंद्रक और धातु की सतह के बीच की दूरी सबसे महत्वपूर्ण चर (variable) थी। इन चरों का एक विशिष्ट, संगठित तरीके से परीक्षण करके, उन्होंने उन सटीक आयामों की पहचान की जो धातु तक पहुँचने वाले चुंबकीय बल को अधिकतम करेंगे।

कंप्यूटर पर सर्वोत्तम डिज़ाइनों की पहचान होने के बाद, टीम ने यह सिद्ध करने के लिए कि यह अवधारणा वास्तविक दुनिया में काम करती है, भौतिक प्रोटोटाइप बनाए। उन्होंने एल्युमीनियम मिश्र धातु के एक ब्लॉक में प्रारंभिक ध्वनि तरंगें बनाने के लिए एक शक्तिशाली लेजर का उपयोग किया, जो उच्च-तापमान निरीक्षणों में उपयोग किए जाने वाले गैर-संपर्क उत्पादन की नकल करता है। लेजर पल्स ने धातु के एक छोटे से बिंदु को इतनी तेज़ी से गर्म किया कि वह फैल गया और एक कंपन पैदा हुआ, जिससे सामग्री के माध्यम से एक ध्वनि तरंग भेजी गई। नए सेंसर को, जो अनुकूलित चुंबकीय संकेंद्रक से लैस है, लहर की गूँज को पकड़ने के लिए धातु के ऊपर रखा गया था। परिणाम आश्चर्यजनक थे। रिंग-आकार के सेंसर के सबसे अच्छे संस्करण ने 26 मिलीमीटर की दूरी से धातु का पता लगाया, जबकि सीढ़ी-आकार के सबसे अच्छे सेंसर ने 30 मिलीमीटर तक की दूरी तक पहुँच बनाई। इसे समझने के लिए, इस प्रकार के मानक सेंसर आमतौर पर कुछ मिलीमीटर की दूरी से अधिक काम करने में संघर्ष करते हैं।

शोधकर्ताओं ने यह भी परीक्षण किया कि उनके नए सेंसर पुराने संस्करणों (बिना चुंबकीय संकेंद्रक वाले) की तुलना में कितने बेहतर प्रदर्शन करते हैं। सुधार नाटकीय था। अनुकूलित सेंसरों ने गैर-अनुकूलित संस्करणों की तुलना में सैकड़ों प्रतिशत अधिक मजबूत और स्पष्ट सिग्नल उत्पन्न किए। एक परीक्षण में, सीढ़ी वाले डिज़ाइन ने अपने सबसे खराब प्रदर्शन करने वाले विन्यास की तुलना में लगभग दस गुना अधिक मजबूत सिग्नल दिया। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि इन बड़े दूरियों पर भी सेंसरों ने एक स्पष्ट सिग्नल बनाए रखा, जो क्षरण के कारण पतली होती धातु जैसे दोषों का पता लगाने के लिए महत्वपूर्ण है। टीम ने सत्यापित किया कि वे त्रुटि के बहुत कम मार्जिन के साथ स्टील और निकल मिश्र धातुओं सहित धातु के नमूनों की मोटाई को सटीक रूप से माप सकते हैं। उन्होंने पाया कि यह विधि धातु और सेंसर के बीच की दूरी बदलने पर भी विश्वसनीय रूप से काम करती है, जो यह सिद्ध करता है कि चुंबकीय संकेंद्रक ने सिग्नल को सफलतापूर्वक स्थिर कर दिया है।

यह कार्य सुझाव देता है कि कठोर वातावरण में गैर-संपर्क निरीक्षण की सीमाएं उतनी निश्चित नहीं हैं जितनी पहले मानी जाती थीं। चुंबकीय ऊर्जा को अधिक प्रभावी ढंग से केंद्रित करके, शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि धातु के घटकों का एक सुरक्षित दूरी से निरीक्षण करना संभव है, भले ही वे घटक कंपन कर रहे हों या छूने के लिए बहुत गर्म हों। अध्ययन इस बात की पुष्टि करता है कि चुंबकीय संकेंद्रक की ज्यामिति इस क्षमता को अनलॉक करने की कुंजी है, जिसमें सीढ़ी वाला डिज़ाइन सबसे अधिक पहुंच प्रदान करता है। हालांकि वर्तमान में अनुसंधान एल्युमीनियम और विशिष्ट स्टील मिश्र धातुओं पर केंद्रित है, लेकिन यहाँ प्रदर्शित सिद्धांत को अंततः निरीक्षणों की एक विस्तृत श्रृंखला में लागू किया जा सकता है। बिना संपर्क के 30 मिलीमीटर की दूरी से धातु की मोटाई मापने की क्षमता महत्वपूर्ण बुनियादी ढांचे की वास्तविक समय में निगरानी का मार्ग खोलती है, जो विशेष रूप से एयरोस्पेस और ऊर्जा क्षेत्रों में सुरक्षा के लिए अत्यंत आवश्यक है जहाँ सुरक्षा सर्वोपरि है। आगे का रास्ता इन मॉडलों को और अधिक परिष्कृत करने और यह देखने के लिए मशीन लर्निंग का उपयोग करने का अन्वेषण करना है कि क्या यह विभिन्न सामग्रियों और तापमानों के लिए सेंसरों को स्वचालित रूप से समायोजित करने में मदद कर सकता है, लेकिन इसकी नींव मजबूती से रखी जा चुकी है।