This site is not complete. The work to converting the volumes of സര്‍വ്വവിജ്ഞാനകോശം is on progress. Please bear with us
Please contact webmastersiep@yahoo.com for any queries regarding this website.
Reading Problems? see Enabling Malayalam
ക്രയോജനികം
സര്‍വ്വവിജ്ഞാനകോശം സംരംഭത്തില്‍ നിന്ന്
ക്രയോജനികം
Cryogenics
വളരെ താഴ്ന്ന ഊഷ്മാവുകളുടെ ഉത്പാദനം, പരിരക്ഷ, അതിശൈത്യാവസ്ഥകളില്‍ പദാര്‍ഥങ്ങളിലുണ്ടാകുന്ന ഭൗതിക രാസ വ്യതിയാനങ്ങളെക്കുറിച്ചുള്ള പഠനം എന്നിവ ഉള്‍ക്കൊള്ളുന്ന ശാസ്ത്രശാഖ. 'തണുത്ത' എന്നര്‍ഥമുള്ള ക്രയോസ് (Kryos) എന്ന ഗ്രീക്കു പദത്തില്‍ നിന്നാണ് ഈ പേരിന്റെ ഉദ്ഭവം. ഇപ്പോള്‍ അതിശൈത്യാവസ്ഥയെ സൂചിപ്പിക്കുന്നതിനായി പദങ്ങള്‍ക്കു മുമ്പില്‍ 'ക്രയോ' എന്ന പദം കൂടി ചേര്‍ത്തു പ്രയോഗിക്കാറുണ്ട്. -150°C-നു താഴെ കേവലപൂജ്യം (പൂജ്യം ഡിഗ്രി കെല്‍വിന്‍ അഥവാ -273.15°C) വരെയുള്ള താപനിലകളാണ് ഈ ശാഖയുടെ പരിധിക്കുള്ളില്‍ ഉള്‍പ്പെടുക. ഇത്തരം ക്രയോജനിക ഊഷ്മാവുകളെ സാധാരണയായി കെല്‍വിന്‍ സ്കെയിലിലാണ് പരാമര്‍ശിക്കുന്നത് കേവലപൂജ്യത്തോടടുത്ത താപനിലകളില്‍ വൈദ്യുത-കാന്ത-താപീയ ഗുണങ്ങള്‍ക്ക് സാരമായ വ്യതിയാനം സംഭവിക്കുന്നതായി കാണാം. ഇതില്‍ ഏറ്റവും പ്രധാനപ്പെട്ടവയാണ് അതിചാലകതയും (Superconductivity) അതിദ്രവതയും (Superfluidity). ചില ലോഹങ്ങളെ ഒരു നിശ്ചിത ഊഷ്മ പരിധിക്കു താഴെ തണുപ്പിക്കുമ്പോള്‍ അവയുടെ വൈദ്യുതരോധം (electrical resistance) അപ്രത്യക്ഷമാകുന്നു എന്നതാണ് അതിചാലകതയുടെ അടിസ്ഥാനതത്ത്വം. അതുപോലെ ശ്യാനതയുടെ (viscocity) അഭാവം അതിദ്രവതയ്ക്കും കാരണമാകുന്നു.
19-ാം ശതകത്തിന്റെ ഉത്തരാര്‍ധത്തില്‍ ഹൈഡ്രജന്‍ വാതകത്തെ ദ്രവീകരിക്കാന്‍ കഴിഞ്ഞതോടെ ക്രയോജനികശാസ്ത്രം ആരംഭിച്ചതായി കരുതപ്പെടുന്നു. സര്‍ ജയിംസ് ഡിവാര്‍ (Sir James Dewar), എച്ച്.കാമര്‍ലിങ് ഓണ്‍സ് (H.Kamerlingh Onnes) എന്നിവരായിരുന്നു ഇതിന്റെ പ്രണേതാക്കള്‍. വാതക ദ്രവീകരണത്തിനും അതിനോടനുബന്ധിച്ചുള്ള മറ്റു പ്രക്രിയകള്‍ക്കും ഒട്ടേറെ സമയവും പണച്ചെലവും വേണ്ടിയിരുന്നതിനാല്‍ വളരെ താഴ്ന്ന ഊഷ്മാവുകളെക്കുറിച്ചുള്ള പഠനം ആദ്യകാലത്തു തുലോം പരിമിതമായിരുന്നു. എന്നാല്‍ രണ്ടാം ലോകയുദ്ധത്തിനുശേഷം ശാസ്ത്രസാങ്കേതിക വ്യാവസായിക മേഖലകളില്‍ ക്രയോജനിക രംഗത്തെ നേട്ടങ്ങള്‍ വളരെയധികം പ്രയോജനപ്പെടുത്തി തുടങ്ങി. ക്രയോടോണ്‍, ക്രയോസ്റ്റാറ്റുകള്‍, ക്രയോപമ്പുകള്‍ അതിചാലകതയെ അടിസ്ഥാനപ്പെടുത്തിയുള്ള നിരവധി ഉപകരണങ്ങള്‍, അതിചാലക കാന്തങ്ങള്‍, ബഹിരാകാശ വാഹനങ്ങളുടെ വാതക പ്രൊപ്പലന്റുകള്‍, ലേസറുകളും മേസറുകളും, ഇന്‍ഫ്രാറെഡ് ഡിറ്റക്റ്ററുകള്‍ എന്നിവയുടെയെല്ലാം നിര്‍മിതിക്ക് ഈ ശാഖയുമായി ബന്ധമുണ്ട്. വളരെ താഴ്ന്ന ഊഷ്മാവസ്ഥകളിലെ ജീവകോശ സംരക്ഷണം ക്രയോബയോളജി രംഗത്ത് ഒട്ടേറെ നേട്ടങ്ങള്‍ കൈവരിക്കാന്‍ സഹായകമായിട്ടുണ്ട്.
താഴ്ന്ന ഊഷ്മാവുകളുടെ ഉത്പാദനം. ക്രയോറഫ്രിജറേറ്ററുകള്‍ ഉപയോഗിച്ചാണ് പദാര്‍ഥങ്ങളെ സാധാരണയായി 120 K-നു താഴെയുള്ള ശീതീകരണത്തിനു വിധേയമാക്കുക. കേവലപൂജ്യത്തോട് അടുത്ത ഊഷ്മാവുകളിലേക്കുള്ള ശീതീകരണം പലഘട്ടങ്ങളായിട്ടു മാത്രമേ നടത്താന്‍ കഴിയൂ. കാരണം ഒരൊറ്റ പ്രക്രിയയിലൂടെ ഒരു നിശ്ചിത ഊഷ്മാവിനപ്പുറം താഴ്ത്തുക പ്രായോഗികമല്ല.
അന്തരീക്ഷ ഊഷ്മാവു മുതല്‍ ഏകദേശം 4 K-വരെയുള്ള ശീതീകരണമാണ് ഒന്നാം ഘട്ടത്തില്‍ നടത്തുന്നത്. ഇതിനായി ശീതികരിക്കേണ്ട പദാര്‍ഥം സ്ഥിര മര്‍ദത്തിലുള്ള ദ്രവിതവാതകം കൊണ്ടുള്ള ടെമ്പറേച്ചര്‍ ബാത്തില്‍ നിമജ്ജനം ചെയ്തു താപീയ സമ്പര്‍ക്കത്തില്‍ വയ്ക്കുന്നു. ദ്രവീഭവിക്കപ്പെട്ട ഒരു വാതകത്തിന് താത്ത്വികമായി, അതിന്റെ ട്രിപ്പിള്‍ പോയിന്റ് മുതല്‍ ക്രിട്ടിക്കല്‍ പോയിന്റുവരെയുള്ള ഊഷ്മാവുകളില്‍ സ്ഥിരതാപനില നല്കുന്ന ഒരു ബാത്ത് ആയി പ്രവര്‍ത്തിക്കാന്‍ കഴിയും. നൈട്രജന്‍, ഓക്സിജന്‍, ഹീലിയം മുതലായവ ഇത്തരം ശീതീകരണത്തിനുപയോഗിക്കുന്ന വാതകങ്ങളാണ്. ഈ പ്രക്രിയയില്‍ശീതീകരിക്കേണ്ട പദാര്‍ഥത്തില്‍ നിന്നു മാറ്റപ്പെടുന്ന താപോര്‍ജം ബാഷ്പീകരിക്കുന്ന ദ്രാവകത്തിന്റെ ലീനതാപമായി ഉപയോഗിക്കപ്പെടുന്നു.
രണ്ടാം ഘട്ടത്തില്‍ 4K-നു താഴെ 1K-ന്റെ ചെറിയൊരംശം വരെയുള്ള ശീതീകരണമാണു നടത്തുക. ഉദാ. ഹീലിയമാണ് ശീതീകാരി ആയി ഉപയോഗിക്കുന്നതെങ്കില്‍ ദ്രാവകഹീലിയം ചേംബര്‍ ഒരു വാക്വം പമ്പിലേക്കു ഘടിപ്പിച്ചു ഹീലിയത്തിനു മുകളിലുള്ള ബാഷ്പം മുഴുവന്‍ മാറ്റുന്നു. ബാഷ്പത്തിലെ ഹീലിയം ആറ്റങ്ങളുടെ കുറവു നികത്താനായി ബാഷ്പീകരണം വീണ്ടും തുടരുന്നു. ഇതിനാവശ്യമായ താപം ദ്രാവകത്തില്‍ നിന്ന് എടുക്കുന്നതിനാല്‍ ദ്രാവകം വീണ്ടും തണുക്കുന്നു. ഇപ്രകാരം He3 ഉപയോഗിച്ച് 0.3K വരെ ഊഷ്മാവു താഴ്ത്താന്‍ കഴിയും.
0.01K-നോടു സമീപസ്ഥമായ ഊഷ്മാവസ്ഥകളിലേക്കുള്ള ശീതീകരണ പ്രക്രിയയാണ് മൂന്നാം ഘട്ടത്തിലേത്. ഇതിനായി രണ്ടു രീതികള്‍ അവലംബിക്കാറുണ്ട്.
i.ഒരു ഡൈലൂഷന്‍ റെഫ്രിജറേറ്ററില്‍ നിശ്ചിത അളവില്‍ He3-യും He4-ഉം കലര്‍ത്തിയ ചേംബറുമായി പദാര്‍ഥം സമ്പര്‍ക്കത്തില്‍ വയ്ക്കുക. He3 താരതമ്യേന വേഗത്തില്‍ ബാഷ്പീകരിച്ച് ശീതീകരണം നടത്തുന്നു. 0.005K വരെ താപനിലകള്‍ താഴ്ത്താന്‍ ഈ രീതി സ്വീകരിക്കാവുന്നതാണ്.
ii.ദ്രുതകാന്തനാശനം (adiabatic demagnetisation) വഴിയുള്ള ശീതീകരണം ഇവിടെ അനുയോജ്യതോതിലുള്ള കാന്തമണ്ഡലത്തില്‍ പാരാമാഗ്നറ്റികവസ്തുക്കളുടെ എന്‍ട്രോപ്പിയില്‍ വ്യതിയാനം വരുത്തിയാണ് ശീതീകരണം സാധ്യമാക്കുന്നത്. ഈ മാര്‍ഗമുപയോഗിച്ച് 0.001 K വരെ താപനില താഴ്ത്താന്‍ കഴിയും.
മേല്‍ സൂചിപ്പിച്ച ഊഷ്മാവുകളിലും താപനിലയെക്കാള്‍ താഴ്ന്ന താപനിലയില്‍ അതിശീതീകരണം ആവശ്യമായി വന്നാല്‍ പദാര്‍ഥത്തിന്റെ ന്യൂക്ലിയസ്സുകളെത്തന്നെ തണുപ്പിക്കുന്ന ന്യൂക്ലിയര്‍ അഡിയാബറ്റിക് ഡിമാഗ്നറ്റൈസേഷന്‍രീതി (Nuclear adiabatic demagnetisation method) ഉപയോഗപ്പെടുത്തുകയാണു പതിവ്. ഇപ്രകാരം 2.0 X 10-7 K വരെ സൃഷ്ടിക്കാന്‍ കഴിഞ്ഞിട്ടുണ്ട്.
അതിശൈത്യാവസ്ഥയുടെസംരക്ഷണം. പദാര്‍ഥം വേണ്ടത്ര അളവില്‍ ശീതീകരിക്കപ്പെട്ടുകഴിഞ്ഞാല്‍ ആ താപനിലയുടെ പരിരക്ഷയ്ക്കായി ബാഹ്യഭാഗത്തുനിന്ന് ഉള്ളിലേക്കുള്ള എല്ലാവിധ താപപ്രവാഹവും തടയേണ്ടതുണ്ട്. അതിനു തക്ക നിയന്ത്രിത സാഹചര്യങ്ങളോടെ, അതിശൈത്യാവസ്ഥയെ പരിരക്ഷിക്കാനുതകുന്ന ഉപാധികളാണ് ക്രയോസ്റ്റാറ്റുകള്‍. താപച്ചോര്‍ച്ചയ്ക്കു സാധ്യതയുള്ള മൂന്നു വഴികളും-വികിരണം, സംവഹനം, ചാലനം എന്നിവ-കഴിയുന്നത്ര കുറയ്ക്കാനുള്ള സംവിധാനം ഇവയിലുണ്ടായിരിക്കും. ഇതിനായി സ്വീകരിക്കാറുള്ള പ്രധാനരീതികള്‍.
a)വികിരണം വഴിയുള്ള താപനഷ്ടം കുറയ്ക്കാന്‍
i.ഏറ്റവും കുറഞ്ഞ വികിരണശക്തി (emissivity) ഉള്ള പദാര്‍ഥം കൊണ്ട് ശീതീകരിക്കപ്പെട്ട ഭാഗം പൊതിയുക.
ii.വികിരണ കവചങ്ങള്‍ (radiation shields) ഉപയോഗിക്കുക.
iii.താരതമ്യേന ചെലവുകുറഞ്ഞ ശീതികാരി (refrigerent) ഉപയോഗിച്ച് ചൂടുപ്രതലത്തെ തണുപ്പിക്കുക.
b)സംവഹനം മൂലമുണ്ടാകുന്ന താപച്ചോര്‍ച്ച തടയാന്‍:
i.ചൂടും തണുപ്പും പ്രതലങ്ങള്‍ക്കിടയില്‍ കഴിയുന്നത്ര ഉയര്‍ന്ന വാക്വം സൃഷ്ടിക്കുക.
ii.ഒരു രോധക പദാര്‍ഥം (linsulating material) കൊണ്ട് മേല്പറഞ്ഞ ഭാഗം പൊതിയുക.
c.ചാലനം വഴിയുള്ള താപനഷ്ടം കുറയ്ക്കാനായി, ചൂടും തണുപ്പും പ്രതലങ്ങളെ തമ്മില്‍ ബന്ധിപ്പിക്കുന്ന എല്ലാ വസ്തുക്കള്‍ക്കും താഴെപ്പറയുന്ന പ്രത്യേകതകള്‍ ഉണ്ടായിരിക്കണം:
i.കുറഞ്ഞ താപസംവഹന ക്ഷമത.
ii.കുറഞ്ഞ ഛേദതല വിസ്തീര്‍ണം.
iii.കൂടിയ നീളം.
ഈവിധ മൂന്നു താപച്ചോര്‍ച്ചാസാധ്യതകളെയും ഫലപ്രദമായി തടയത്തക്ക സംവിധാനങ്ങളോടെ നിര്‍മിച്ചിട്ടുള്ള ഒരു ഉപകരണമാണ് ഡിവാര്‍വെസ്സല്‍. തെര്‍മോസ് ബോട്ടിലെന്നും ഇതിനും പേരുണ്ട്. ക്രയോജനിക ദ്രാവകബാത്ത് ഉള്‍ക്കൊള്ളുന്ന ഒന്നോ അതിലധികമോ ഡിവാര്‍വെസ്സലുകള്‍ സംയോജിപ്പിച്ചു ക്രയോസ്റ്റാറ്റുകള്‍ നിര്‍മിക്കാറുണ്ട്.
ഇന്ന് നിത്യജീവിതത്തിന്റെ പല തുറകളിലും ക്രയോജനിക മേഖലയിലെ കണ്ടുപിടിത്തങ്ങള്‍ ഉപയോഗപ്പെടുത്തുന്നുണ്ട്. ഇതുമായി ബന്ധപ്പെട്ട ചില സവിശേഷശാസ്ത്രശാഖകള്‍ തന്നെ രൂപം കൊണ്ടിട്ടുമുണ്ട്. നോ. ക്രയോജനിക് എന്‍ജിനീയറിങ്; ക്രയോബയോളജി
(പ്രൊഫ. എസ്.ജി.എസ്. ശര്‍മ; സ.പ.)
