Fabrication and Characterization of Variable-Thickness 94,98,100 Mo targets for Heavy-Ion Fusion Experiments

परमाणु टकरावों के लिए अदृश्य मंच

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल, उच्च-दांव वाला बिलियर्ड टेबल है जहाँ गेंदें वास्तव में छोटे परमाणु हैं। परमाणु भौतिकी का अध्ययन करने वाले वैज्ञानिक कुशल 'ट्रिक-शॉट' खिलाड़ियों की तरह होते हैं; वे इन परमाणु गेंदों को अविश्वसनीय रूप से सटीक गति से आपस में टकराना चाहते हैं ताकि यह देख सकें कि टकराव के समय क्या होता है। कभी-कभी वे टकराकर वापस आ जाती हैं, कभी वे आपस में चिपक जाती हैं, और कभी-कभी वे नए, विलक्षण टुकड़ों में टूट जाती हैं। ऐसा करने के लिए, उन्हें एक "लक्ष्य" (टारगेट) की आवश्यकता होती है—एक पतला, पूरी तरह से सपाट पदार्थ का टुकड़ा जिस पर वे अपने परमाणु तोप का निशाना साध सकें।

लेकिन यहाँ एक पेच है: लक्ष्यों को अविश्वसनीय रूप से शुद्ध और एकसमान होना चाहिए, जैसे कांच की एक ऐसी चिकनी शीट जिस पर आप बिना डगमगाए एक सिक्का खिसका सकें। यदि लक्ष्य बहुत मोटा है, तो परमाणु गेंदें केंद्र से टकराने से पहले ही अपनी ऊर्जा खो देती हैं। यदि यह बहुत पतला है, तो यह टकराव की गर्मी के कारण फट सकता है। इस कहानी में वैज्ञानिक जिन विशिष्ट परमाणुओं में रुचि रखते हैं, वे मोलिब्डेनम (Molybdenum) के दुर्लभ, महंगे संस्करण हैं, जो एक धातु है जो चांदी की तरह दिखती है लेकिन बहुत भारी होती है। क्योंकि ये विशेष परमाणु इतने दुर्लभ और महंगे हैं, वैज्ञानिकों को अपने लक्ष्य बनाते समय उनके एक भी कण को बर्बाद न करने के लिए अविश्वसनीय रूप से सावधान रहना पड़ा। यह शोध पत्र बताता है कि उन्होंने गर्मी, वैक्यूम चैंबर और धातु को पूरी तरह से अलग करने के लिए एक गुप्त सामग्री के चतुराई भरे मिश्रण का उपयोग करके इन नाजुक, कस्टम-मेड परमाणु मंचों को कैसे बनाया।

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छिलने वाली धातु की कहानी

आंध्र विश्वविद्यालय और नई दिल्ली स्थित इंटर यूनिवर्सिटी एक्सेलेरेटर सेंटर (IUAC) के वैज्ञानिकों को एक कठिन पहेली का सामना करना पड़ा। उन्हें भारी आयनों (heavy ions) से जुड़े प्रयोगों के लिए तीन विशिष्ट, दुर्लभ प्रकार के मोलिब्डेनम (जिन्हें 94, 98 और 100 लेबल किया गया है) से बने लक्ष्यों की आवश्यकता थी। उन्हें ये लक्ष्य दो बहुत अलग आकारों में चाहिए थे: कुछ को अत्यंत पतला (लगभग 90 µg/cm²) होना था ताकि यह मापा जा सके कि परमाणु आपस में कैसे टकराते हैं, जबकि अन्य को अधिक प्रतिक्रिया उत्पादों को पकड़ने के लिए मोटा (600 µg/cm² तक) होना था।

सबसे बड़ी समस्या यह थी कि ये दुर्लभ मोलिब्डेनम आइसोटोप अविश्वसनीय रूप से दुर्लभ और महंगे हैं। आप इन्हें बस एक थैले की तरह नहीं खरीद सकते; आपको बहुत कम मात्रा के साथ काम करना पड़ता है। टीम का लक्ष्य कीमती धातु को बर्बाद किए बिना एक ही बार में लक्ष्यों का एक पूरा बैच बनाना था।

"छीलने और चिपकाने" (Peel-and-Stick) की तकनीक
इन लक्ष्यों को बनाने के लिए, टीम ने फिजिकल वेपर डिपोजिशन (physical vapor deposition) नामक तकनीक का उपयोग किया। इसे एक बहुत ही फैंसी, हाई-टेक पेंट की परत बनाने जैसा समझें। उन्होंने मोलिब्डेनम को तब तक गर्म किया जब जब तक कि वह वाष्प में नहीं बदल गया, जो फिर एक वैक्यूम चैंबर में तैरता हुआ आया और एक कांच की स्लाइड पर जम गया।

लेकिन एक पेच था: यदि वे धातु को कांच पर बस ठंडा होने देते, तो यह हमेशा के लिए चिपक जाता, और वे इसे मुक्त रूप से तैरते हुए लक्ष्य के रूप में उपयोग नहीं कर पाते। उन्हें एक ऐसा तरीका चाहिए था जिससे धातु कांच से एक स्टिकर की तरह "छिलकर अलग" हो सके।

अतीत में, अन्य वैज्ञानिकों ने विभिन्न "रिलीज़ एजेंट" (जैसे कि नॉन-स्टिक परत) का उपयोग करने की कोशिश की थी, जैसे कि नमक (NaCl) या बेरियम क्लोराइड। टीम ने इन्हें आजमाया, लेकिन जब वे इन्हें पानी में तैराने की कोशिश करते, तो धातु की परतें टूट जातीं और फट जाती थीं। यह एक ऐसे स्टिकर को छीलने की कोशिश करने जैसा था जिसे सुपर-स्ट्रॉन्ग ग्लू से चिपकाया गया हो; स्टिकर उतरने से पहले ही फट जाता था।

फिर, उन्हें जीतने वाली सामग्री मिल गई: पोटेशियम क्लोराइड (KCl)। यह नमक का एक प्रकार है जो आपके किचन में मिलने वाले नमक जैसा ही है, लेकिन यहाँ इसका उपयोग एक वैज्ञानिक "रिलीज़ एजेंट" के रूप में किया गया है।

यहाँ जादू कैसे हुआ:

1. आधार परत (The Base Layer): उन्होंने सबसे पहले एक कांच की स्लाइड पर KCl की एक पतली परत को वाष्पित किया।
2. धातु की परत (The Metal Layer): वैक्यूम को तोड़े बिना (सब कुछ साफ रखने के लिए), उन्होंने कीमती मोलिब्डेनम को नमक के ऊपर वाष्पित किया।
3. तनाव राहत (The Stress Relief): धातु की फिल्म बहुत अधिक तनाव में थी, जैसे कि बहुत कसकर खींचा गया रबर बैंड। इसे ठीक करने के लिए, उन्होंने स्लाइड्स को एक भट्टी में एक घंटे के लिए 235°C पर पकाया। इस "एनीलिंग" (annealing) प्रक्रिया ने धातु को ढीला कर दिया, जिससे बाद में इसके मुड़ने या फटने की संभावना रुक गई।
4. महान तैलाव (The Great Float): अंत में, उन्होंने कांच की स्लाइड को गर्म आसुत जल (distilled water) में डाल दिया। KCl नमक की परत तुरंत घुल गई, और मोलिब्डेनम की फिल्म कांच से तैरकर अलग हो गई, जो पकड़े जाने और उपयोग किए जाने के लिए तैयार थी।

"एक-रन" का चमत्कार
टीम की एक सख्त सीमा थी: उनके पास काम करने के लिए केवल 100 मिलीग्राम दुर्लभ समृद्ध (enriched) मोलिब्डेनम था। उन्हें अलग-अलग मोटाई ( 90 µg/cm² से 600 µg/cm² तक की रेंज में) के दस अलग-अलग लक्ष्य बनाने थे। आमतौर पर, अलग-अलग मोटाई बनाने के लिए कई बार प्रक्रिया को दोहराना पड़ता, जिससे हर बार शुरू करने और रोकने पर सामग्री बर्बाद होती।

इसे हल करने के लिए, उन्होंने ज्यामिति (geometry) के साथ रचनात्मकता दिखाई। उन्होंने वैक्यूम चैंबर के भीतर मोलिब्डेनम स्रोत से अलग-अलग दूरियों पर दस कांच की स्लाइडों को व्यवस्थित किया—कुछ पास (5 सेमी) और कुछ दूर (11 सेमी)। जब उन्होंने धातु को वाष्पित करने के लिए इलेक्ट्रॉन बीम चालू की, तो स्रोत के करीब वाली स्लाइडों ने मोटी परत पकड़ी, जबकि दूर वाली स्लाइडों ने पतली परत पकड़ी। एक ही रन में, उन्होंने सफलतापूर्वक दस पूर्ण लक्ष्य बनाए, जिसमें केवल 70 मिलीग्राम कीमती सामग्री का उपयोग हुआ। यह दक्षता की एक बड़ी जीत थी।

गुणवत्ता की जाँच
एक बार लक्ष्य बन जाने के बाद, टीम को यह सुनिश्चित करना था कि वे पूर्ण हों। उन्होंने अपने काम की जाँच करने के लिए दो मुख्य उपकरणों का उपयोग किया:

• रदरफोर्ड बैकस्कैटरिंग स्पेक्ट्रोमेट्री (RBS): उन्होंने लक्ष्यों पर हीलियम आयनों की एक बीम छोड़ी और देखा कि वे कैसे वापस उछलते हैं। इससे पुष्टि हुई कि मोटाई बिल्कुल सही थी (पतले वाले के लिए 90 µg/cm² और मोटे वाले के लिए 600 µg/cm² मापते हुए) और धातु शुद्ध थी, जिसमें कोई अवांछित भारी तत्व मिश्रित नहीं थे।
• एनर्जी डिस्पर्सिव एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी (EDX): इस उपकरण ने रासायनिक संरचना को देखा। इसने पाया कि लक्ष्य लगभग पूरी तरह से मोलिब्डेनम थे, जिसमें केवल ऑक्सीजन (हवा के सतह को छूने से) और कार्बन (बैकिंग सामग्री से) के सूक्ष्म अंश थे। कोई अन्य अशुद्धि नहीं पाई गई।

अंतिम परिणाम
शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि यह विधि काम करती है। उन्होंने सफलतापूर्वक स्व-सहायक (self-supporting) मोलिब्डेनम लक्ष्य और कार्बन-बैक वाले लक्ष्य बनाए जो भारी-आयन बीम को संभालने के लिए पर्याप्त मजबूत हैं। जबकि स्व-सहायक वाले (कार्बन बैक के बिना) थोड़े नाजुक थे और लंबे समय तक नहीं टिक पाए, कार्बन-बैक वाले संस्करण टिकाऊ साबित हुए और आगामी प्रयोगों के लिए तैयार हैं।

KCl रिलीज़ एजेंट, 235°C के विशिष्ट एनीलिंग तापमान और चतुर मल्टी-डिस्टेंस सेटअप का उपयोग करके, टीम ने दुर्लभ और महंगी आइसोटोप की बर्बादी को कम करते हुए भारी-आयन फ्यूजन प्रयोगों के लिए उच्च-गुणवत्ता वाले लक्ष्य बनाने में सफलता प्राप्त की। उन्होंने केवल लक्ष्य ही नहीं बनाए; उन्होंने उन्हें कुशलतापूर्वक बनाया, यह सिद्ध करते हुए कि सही रेसिपी के साथ, सबसे दुर्लभ सामग्रियों को भी परमाणु नाभिक के रहस्यों को खोजने के लिए पूर्ण उपकरण के रूप में आकार दिया जा सकता है।