नई ऑप्टिकल तकनीक खतरनाक गैस रिसाव का प्रभावी ढंग से पता लगाती है

कल्पना कीजिए कि आप रंगहीन, गंधहीन गैस लीक को "देख" पा रहे हैं जो पर्यावरणीय जोखिम और सुरक्षा खतरे पैदा कर सकते हैं। ऑप्टिकल गैस इमेजिंग (ओजीआई) तकनीक इस कल्पना को संभव बनाती है, जो अन्यथा अदृश्य गैस उत्सर्जन को दृश्यमान बनाती है। विज्ञान कथा से बहुत दूर, कठोर वैज्ञानिक सिद्धांतों पर आधारित यह उन्नत इंजीनियरिंग समाधान औद्योगिक सुरक्षा और पर्यावरण संरक्षण के लिए एक अपरिहार्य उपकरण बनता जा रहा है।

अपने मूल में, ओजीआई कैमरे इन्फ्रारेड या थर्मल इमेजिंग कैमरों के अत्यधिक विशिष्ट संस्करण हैं। उनके मूल घटकों में लेंस, डिटेक्टर, सिग्नल प्रोसेसिंग इलेक्ट्रॉनिक्स और छवि प्रदर्शन के लिए व्यूफाइंडर या स्क्रीन शामिल हैं। उन्हें पारंपरिक इन्फ्रारेड कैमरों से अलग करने वाली बात यह है कि वे विशिष्ट गैस अवशोषण तरंग दैर्ध्य के प्रति संवेदनशील क्वांटम डिटेक्टरों का उपयोग करते हैं, जो अद्वितीय ऑप्टिकल फ़िल्टरिंग तकनीक के साथ मिलकर उन्हें गैस लीक को "कैप्चर" करने में सक्षम बनाता है।

ओजीआई कैमरे क्वांटम डिटेक्टरों का उपयोग करते हैं जिन्हें बेहद कम तापमान पर संचालित करना चाहिए—आमतौर पर लगभग 70 केल्विन (-203°C)। यह आवश्यकता मौलिक भौतिकी से उत्पन्न होती है: कमरे के तापमान पर, डिटेक्टर सामग्री में इलेक्ट्रॉन चालन बैंड में कूदने के लिए पर्याप्त ऊर्जा होती है, जिससे सामग्री प्रवाहकीय हो जाती है। जब क्रायोजेनिक तापमान पर ठंडा किया जाता है, तो इलेक्ट्रॉन इस गतिशीलता को खो देते हैं, जिससे सामग्री गैर-प्रवाहकीय हो जाती है। इस स्थिति में, जब विशिष्ट ऊर्जा के फोटॉन डिटेक्टर से टकराते हैं, तो वे वैलेंस बैंड से चालन बैंड तक इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित करते हैं, जिससे आपतित विकिरण तीव्रता के समानुपाती एक फोटोकरंट उत्पन्न होता है।

लक्ष्य गैस के आधार पर, ओजीआई कैमरे आमतौर पर दो प्रकार के क्वांटम डिटेक्टरों का उपयोग करते हैं:

• मध्य-तरंग इन्फ्रारेड (MWIR) कैमरे: मीथेन और इसी तरह की गैसों का पता लगाने के लिए उपयोग किया जाता है, जो इंडियम एंटीमोनाइड (InSb) डिटेक्टरों के साथ 3-5 माइक्रोमीटर रेंज में काम करते हैं, जिन्हें 173K (-100°C) से नीचे ठंडा करने की आवश्यकता होती है।
• लंबी-तरंग इन्फ्रारेड (LWIR) कैमरे: सल्फर हेक्साफ्लोराइड जैसी गैसों के लिए डिज़ाइन किया गया है, जो क्वांटम वेल इन्फ्रारेड फोटोडेटेक्टर (QWIPs) का उपयोग करके 8-12 माइक्रोमीटर रेंज में काम करता है, जिसके लिए और भी कम तापमान (70K/-203°C या उससे कम) की आवश्यकता होती है।

इलेक्ट्रॉन संक्रमणों को ट्रिगर करने के लिए फोटॉन ऊर्जा को डिटेक्टर सामग्री की बैंडगैप ऊर्जा (ΔE) से अधिक होना चाहिए। चूंकि फोटॉन ऊर्जा तरंग दैर्ध्य के विपरीत सहसंबद्ध होती है, इसलिए शॉर्ट/मिड-वेव इन्फ्रारेड डिटेक्टरों को लंबी-तरंग डिटेक्टरों की तुलना में अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है—यह बताता है कि बाद वालों को कम ऑपरेटिंग तापमान की आवश्यकता क्यों होती है।

आवश्यक क्रायोजेनिक वातावरण को बनाए रखने के लिए, अधिकांश ओजीआई कैमरे स्टर्लिंग कूलरों का उपयोग करते हैं। ये उपकरण ठंडे सिरे (डिटेक्टर) से गर्म सिरे तक गर्मी को नष्ट करने के लिए स्टर्लिंग चक्र का उपयोग करते हैं। अत्यधिक कुशल नहीं होने पर, स्टर्लिंग कूलर इन्फ्रारेड कैमरा डिटेक्टर कूलिंग आवश्यकताओं को पर्याप्त रूप से पूरा करते हैं।

चूंकि फोकल प्लेन सरणी (FPA) में प्रत्येक डिटेक्टर लाभ और ऑफसेट में मामूली भिन्नता प्रदर्शित करता है, इसलिए छवियों को कैलिब्रेशन और एकरूपता सुधार की आवश्यकता होती है। यह बहु-चरणीय कैलिब्रेशन प्रक्रिया, जो कैमरा सॉफ़्टवेयर द्वारा स्वचालित रूप से की जाती है, उच्च-गुणवत्ता वाले थर्मल इमेजिंग आउटपुट सुनिश्चित करती है।

ओजीआई कैमरों के गैस-विशिष्ट पहचान की कुंजी उनके स्पेक्ट्रल फ़िल्टरिंग दृष्टिकोण में निहित है। डिटेक्टर के सामने स्थापित एक संकीर्ण बैंड फिल्टर (और विकिरण विनिमय को रोकने के लिए इसके साथ ठंडा किया जाता है) केवल विशिष्ट तरंग दैर्ध्य विकिरण को गुजरने की अनुमति देता है, जिससे एक अत्यंत संकीर्ण ट्रांसमिशन बैंड बनता है—एक तकनीक जिसे स्पेक्ट्रल अनुकूलन कहा जाता है।

अधिकांश गैसीय यौगिक तरंग दैर्ध्य-निर्भर इन्फ्रारेड अवशोषण प्रदर्शित करते हैं। उदाहरण के लिए, प्रोपेन और मीथेन विशिष्ट तरंग दैर्ध्य पर अलग-अलग अवशोषण शिखर दिखाते हैं। ओजीआई कैमरा फिल्टर इन अवशोषण चोटियों के साथ संरेखित होते हैं ताकि लक्ष्य गैसों द्वारा अवशोषित इन्फ्रारेड ऊर्जा का पता लगाया जा सके।

उदाहरण के लिए, अधिकांश हाइड्रोकार्बन 3.3 माइक्रोमीटर के पास ऊर्जा को अवशोषित करते हैं, इसलिए इस तरंग दैर्ध्य पर केंद्रित एक फिल्टर कई गैसों का पता लगा सकता है। एथिलीन जैसे कुछ यौगिकों में कई मजबूत अवशोषण बैंड होते हैं, जिसमें लंबी-तरंग सेंसर अक्सर पहचान के लिए मध्य-तरंग विकल्पों की तुलना में अधिक संवेदनशील साबित होते हैं।

फिल्टर का चयन करके जो केवल उन तरंग दैर्ध्य के भीतर कैमरा संचालन की अनुमति देते हैं जहां लक्ष्य गैसें मजबूत अवशोषण शिखर (या ट्रांसमिशन घाटियों) को प्रदर्शित करती हैं, तकनीक गैस दृश्यता को बढ़ाती है। गैस प्रभावी रूप से इन स्पेक्ट्रल क्षेत्रों में अधिक पृष्ठभूमि विकिरण को "ब्लॉक" करती है।

यांत्रिक दृष्टिकोण से, गैस के अणु स्प्रिंग्स से जुड़े क्षेत्रों के समान होते हैं। परमाणु गणना, आकार, द्रव्यमान और "स्प्रिंग" लोच के आधार पर, अणु विशिष्ट दिशाओं में अनुवाद, अक्षों के साथ कंपन, घुमाव, मोड़, खिंचाव या लड़खड़ा सकते हैं।

हीलियम जैसे सरल मोनोएटोमिक अणु केवल ट्रांसलेशनल गति प्रदर्शित करते हैं। होमोन्यूक्लियर डायटोमिक अणु (जैसे, हाइड्रोजन, नाइट्रोजन) घूर्णी गति जोड़ते हैं। जटिल पॉलीएटोमिक अणु (जैसे, कार्बन डाइऑक्साइड, मीथेन) में अधिक यांत्रिक स्वतंत्रता होती है, जो कई घूर्णी और कंपन संक्रमणों को सक्षम करती है जो गर्मी को कुशलता से अवशोषित और उत्सर्जित करते हैं। इनमें से कुछ संक्रमण इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रम के भीतर आते हैं जिन्हें ओजीआई कैमरे द्वारा पता लगाया जा सकता है।

आणविक फोटॉन अवशोषण होने के लिए, अणु में एक द्विध्रुवीय आघूर्ण होना चाहिए जो आपतित फोटॉन की आवृत्ति पर संक्षिप्त रूप से दोलन करने में सक्षम हो। यह क्वांटम यांत्रिक संपर्क फोटॉन की विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा को अणु में स्थानांतरित करने की अनुमति देता है।

ओजीआई कैमरे प्राकृतिक वातावरण में उन्हें दृश्यमान बनाने के लिए कुछ अणुओं की इन्फ्रारेड अवशोषण विशेषताओं का लाभ उठाते हैं। कैमरे का FPA और ऑप्टिकल सिस्टम बेहद संकीर्ण स्पेक्ट्रल बैंड (सैकड़ों नैनोमीटर) के भीतर संचालित करने के लिए विशेष रूप से ट्यून किए गए हैं, जो असाधारण चयनात्मकता प्रदान करते हैं। केवल फिल्टर-परिभाषित इन्फ्रारेड क्षेत्र के भीतर अवशोषित होने वाली गैसें ही पता लगाने योग्य हो जाती हैं।

एक लीक-मुक्त दृश्य की इमेजिंग करते समय, पृष्ठभूमि वस्तुएं कैमरे के लेंस और फिल्टर के माध्यम से इन्फ्रारेड विकिरण का उत्सर्जन और परावर्तन करती हैं। फिल्टर केवल विशिष्ट तरंग दैर्ध्य को डिटेक्टर तक पहुंचाता है, जिससे एक गैर-क्षतिपूर्ति विकिरण तीव्रता छवि बनती है। यदि कैमरा और पृष्ठभूमि के बीच एक गैस बादल मौजूद है—और फिल्टर के पासबैंड के भीतर विकिरण को अवशोषित करता है—तो बादल के माध्यम से कम विकिरण डिटेक्टर तक पहुंचता है।

बादल की दृश्यता के लिए, बादल और पृष्ठभूमि के बीच पर्याप्त विकिरण विपरीतता होनी चाहिए। अनिवार्य रूप से, बादल से निकलने वाला विकिरण उसमें प्रवेश करने वाले विकिरण से भिन्न होना चाहिए। चूंकि बादलों से आणविक विकिरण परावर्तन नगण्य है, इसलिए महत्वपूर्ण कारक बादल और पृष्ठभूमि के बीच स्पष्ट तापमान अंतर बन जाता है।

• लक्ष्य गैस को कैमरे के परिचालन बैंड में इन्फ्रारेड विकिरण को अवशोषित करना चाहिए
• गैस बादल को पृष्ठभूमि के साथ विकिरण विपरीतता प्रदर्शित करनी चाहिए
• बादल का स्पष्ट तापमान पृष्ठभूमि से भिन्न होना चाहिए
• गति बादल की दृश्यता को बढ़ाती है
• ठीक से कैलिब्रेटेड तापमान माप क्षमता डेल्टा टी (स्पष्ट तापमान अंतर) मूल्यांकन में सहायता करती है

अदृश्य गैस लीक को दृश्यमान बनाकर, ऑप्टिकल गैस इमेजिंग तकनीक औद्योगिक सुरक्षा और पर्यावरण संरक्षण में महत्वपूर्ण योगदान देती है—दुर्घटनाओं को रोकने, उत्सर्जन को कम करने और स्वच्छ, सुरक्षित वातावरण बनाने में मदद करती है।