হিমবিজ্ঞান

পদার্থবিজ্ঞানে, হিমবিজ্ঞান হল অনেক কম তাপমাত্রায় পদার্থের উৎপাদন এবং আচরণ।
রেফ্রিজারেশনের ১৩ তম আইআইআর ইন্টারন্যাশনাল কংগ্রেস (১৯৭১ সালে ওয়াশিংটন ডিসিতে অনুষ্ঠিত) ১২০ কে (বা -১৫৩ °C) এর একটি থ্রেশহোল্ড গ্রহণ করে "ক্রায়োজেনিক" এবং "ক্রায়োজেনিক" এর একটি সর্বজনীন সংজ্ঞা অনুমোদন করেছে। প্রচলিত রেফ্রিজারেশন থেকে এই পদগুলোকে আলাদা করতে। এটি একটি যৌক্তিক বিভাজন রেখা, যেহেতু তথাকথিত স্থায়ী গ্যাসের স্বাভাবিক স্ফুটনাঙ্ক (যেমন হিলিয়াম, হাইড্রোজেন, নিয়ন, নাইট্রোজেন, অক্সিজেন এবং স্বাভাবিক বায়ু) ১২০ K এর নিচে থাকে, যখন ফ্রিন রেফ্রিজারেন্ট, হাইড্রোকার্বন এবং অন্যান্য সাধারণ রেফ্রিজারেন্টের স্ফুটনাঙ্ক ১২০ K এর উপরে থাকে। ইউএস ন্যাশনাল ইনস্টিটিউট অফ স্ট্যান্ডার্ডস অ্যান্ড টেকনোলজি ক্রায়োজেনিক্‌সের ক্ষেত্রটিকে -১৫৩ °C (১২০ K; -২৪৩.৪ ফারেনহাইট) এর নিচে তাপমাত্রা জড়িত বলে বিবেচনা করে
নাইট্রোজেনের উচ্চ স্ফুটনাঙ্কের উল্লেখযোগ্যভাবে ক্রিটিক্যাল তাপমাত্রা সহ অতিপরিবাহী পদার্থের আবিষ্কার উচ্চ তাপমাত্রা ক্রায়োজেনিক রেফ্রিজারেশন উৎপাদনের নির্ভরযোগ্য, কম খরচের পদ্ধতিতে নতুন আগ্রহ তৈরি করেছে। "উচ্চ তাপমাত্রা ক্রায়োজেনিক" শব্দটি তরল নাইট্রোজেনের স্ফুটনাঙ্কের উপরে থেকে তাপমাত্রাকে বর্ণনা করে, , পর্যন্ত। অতিপরিবাহী বৈশিষ্ট্যের আবিষ্কারটি প্রথম ১০ জুলাই, ১৯০৮-এ হেইক কামেরলিং ওনেসকে দায়ী করা হয়। ২ K এর তাপমাত্রায় পৌঁছানোর ক্ষমতার পরে এই আবিষ্কারটি হয়েছিল। এই প্রথম অতিপরিবাহী বৈশিষ্ট্যগুলো ৪.২ K তাপমাত্রায় পারদের মধ্যে পরিলক্ষিত হয়েছে।
ক্রায়োজেনিসিস্টরা কেলভিন বা র‍্যাঙ্কাইন তাপমাত্রা স্কেল ব্যবহার করেন, উভয়ই পরম শূন্য থেকে পরিমাপ করে, বরং সাধারণ স্কেল যেমন সেলসিয়াস যা সমুদ্রপৃষ্ঠে জলের হিমাঙ্ক থেকে পরিমাপ করে বা ফারেনহাইট যা হিমাঙ্ক থেকে সমুদ্রপৃষ্ঠে একটি নির্দিষ্ট লবণের দ্রবণ পরিমাপ করে।
"ক্রায়োজেনিক্‌স" শব্দটি গ্রীক "κρύος (ক্রায়োস)" – "ঠাণ্ডা" + "γενής (জেনিস)" – "উৎপাদন" থেকে এসেছে।
কেলভিন এবং ডিগ্রি সেলসিয়াসে তাদের স্ফুটনাঙ্ক সহ ক্রায়োজেনিক তরল।
তরল গ্যাস, যেমন তরল নাইট্রোজেন এবং তরল হিলিয়াম ইত্যাদি অনেক ক্রায়োজেনিক প্রয়োগে ব্যবহৃত হয়। তরল নাইট্রোজেন ক্রায়োজেনিক্‌সে সবচেয়ে বেশি ব্যবহৃত উপাদান এবং সারা বিশ্বে বৈধভাবে ক্রয়যোগ্য। তরল হিলিয়ামও সাধারণভাবে ব্যবহৃত হয় এবং সর্বনিম্ন অর্জনযোগ্য তাপমাত্রায় পৌঁছানোর সুবিধা দেয়।
এই তরল ডেয়ার ফ্লাস্কে সংরক্ষণ করা যেতে পারে, যা তরলে তাপ স্থানান্তর কমাতে দেয়ালের মধ্যে উচ্চ শূন্যতা বিশিষ্ট দ্বি-প্রাচীরযুক্ত পাত্র। সাধারণ পরীক্ষাগারের ডেয়ার ফ্লাস্কগুলো গোলাকার, কাচের তৈরি এবং একটি ধাতব বাহ্যিক আবরণের পাত্রে সুরক্ষিত। তরল হিলিয়ামের মতো অত্যন্ত ঠাণ্ডা তরলের জন্য দেবার ফ্লাস্কে তরল নাইট্রোজেন ভরা আরেকটি দ্বি-প্রাচীরযুক্ত পাত্র থাকে। ডেয়ার ফ্লাস্কের নামকরণ করা হয়েছে তাদের উদ্ভাবক জেমস ডেয়ারের নামে, যিনি প্রথম হাইড্রোজেন তরল করেছিলেন। থার্মোস বোতলগুলো একটি প্রতিরক্ষামূলক আবরণে লাগানো ছোট থার্মো ফ্লাস্ক।
ক্রায়োজেনিক বারকোড লেবেলগুলো এই তরলগুলো ধারণকারী দেবার ফ্লাস্কগুলো চিহ্নিত করতে ব্যবহৃত হয় এবং −১৯৫ ডিগ্রি সেলসিয়াস পর্যন্ত তুষারপাত হবে না।
ক্রায়োজেনিক ট্রান্সফার পাম্প হলো এলএনজি ক্যারিয়ার থেকে এলএনজি স্টোরেজ ট্যাঙ্কে তরলীকৃত প্রাকৃতিক গ্যাস স্থানান্তর করার জন্য এলএনজি পিয়ারে ব্যবহৃত বিশেষ পাম্প, যেমন ক্রায়োজেনিক ভালভ।
দ্বিতীয় বিশ্বযুদ্ধের সময় ক্রায়োজেনিক্সের ক্ষেত্রটি অগ্রসর হয়েছিল যখন বিজ্ঞানীরা দেখতে পান যে নিম্ন তাপমাত্রায় হিমায়িত ধাতুগুলো ক্ষয়ের বিরুদ্ধে আরও বেশি প্রতিরোধ দেখায়। ক্রায়োজেনিক হার্ডেনিংয়ের এই তত্ত্বের উপর ভিত্তি করে, বাণিজ্যিক ক্রায়োজেনিক প্রক্রিয়াকরণ শিল্পটি ১৯৬৬ সালে বিল এবং এড বুশ কর্তৃক প্রতিষ্ঠিত হয়েছিল। তাপ চিকিৎসা শিল্পের পটভূমিতে, বুশ ভাইয়েরা ১৯৬৬ সালে ডেট্রয়েটে ক্রাইওটেক নামে একটি কোম্পানি প্রতিষ্ঠা করেন বুশ প্রাথমিকভাবে তাপ চিকিৎসার পরিবর্তে ক্রায়োজেনিক টেম্পারিং ব্যবহার করে ধাতুর সরঞ্জামের আয়ু ২০০% থেকে ৪০০% পর্যন্ত বৃদ্ধি করার সম্ভাবনা নিয়ে পরীক্ষা করেছিলেন। এটি ১৯৯০-এর দশকের শেষের দিকে অন্যান্য অংশের চিকিৎসায় বিকশিত হয়।
ক্রায়োজেন, যেমন তরল নাইট্রোজেন, বিশেষায়িত ঠাণ্ডা এবং হিমায়িত ব্যবহারের জন্য আরও ব্যবহৃত হয়। কিছু রাসায়নিক বিক্রিয়া, যেমন জনপ্রিয় স্ট্যাটিন ওষুধের সক্রিয় উপাদান তৈরি করতে ব্যবহৃত হয়, প্রায় এর জন্য কম তাপমাত্রা দরকার হয়। বিশেষ ক্রায়োজেনিক রাসায়নিক চুল্লি প্রতিক্রিয়া তাপ অপসারণ এবং একটি নিম্ন তাপমাত্রার আবহ তৈরি করতে ব্যবহার করা হয়। খাবার এবং জৈবপ্রযুক্তি পণ্য হিমায়িত করার জন্য, যেমন টিকা, ব্লাস্ট ফ্রিজিং বা নিমজ্জন হিমায়ন পদ্ধতির নাইট্রোজেনের প্রয়োজন হয়। কিছু নরম বা স্থিতিস্থাপক পদার্থ অনেক কম তাপমাত্রায় শক্ত এবং ভঙ্গুর হয়ে যায়, যা ক্রায়োজেনিক মিলিং (ক্রায়োমিলিং)কে এমন কিছু উপাদানের জন্য একটি বিকল্প করে তোলে যা উচ্চ তাপমাত্রায় সহজেই মিলিং করা যায় না।
ক্রায়োজেনিক প্রক্রিয়াকরণ তাপ চিকিৎসার বিকল্প নয়, বরং তাপ-নিভরণ-টেম্পারিং চক্রের একটি প্রসারণ। সাধারণত, যখন একটি আইটেম নিভরিত হয়, তা চূড়ান্ত তাপমাত্রা পরিবেষ্টিত হয়। এর একমাত্র কারণ হল বেশিরভাগ হিট ট্রিটারে শীতলকারক সরঞ্জাম নেই। পরিবেষ্টিত তাপমাত্রা সম্পর্কে ধাতুবিদ্যায় উল্লেখযোগ্য কিছু নেই। ক্রায়োজেনিক প্রক্রিয়া পরিবেষ্টিত তাপমাত্রা থেকে পর্যন্ত এই ক্রিয়াটি চালিয়ে যায়। বেশিরভাগ ক্ষেত্রে ক্রায়োজেনিক চক্র তাপ টেম্পারিং পদ্ধতি অনুসরণ করে। যেহেতু বিভিন্ন সঙ্কর ধাতুতে বিভিন্ন রাসায়নিক উপাদান থাকে, তাই টেম্পারিং পদ্ধতি উপাদানের রাসায়নিক গঠন, তাপীয় ইতিহাস এবং/অথবা একটি সরঞ্জামের নির্দিষ্ট পরিষেবা প্রয়োগের উপর নির্ভর করে পরিবর্তিত হয়।
পুরো প্রক্রিয়াটি ৩-৪ দিন সময় নেয়।
ক্রায়োজেনিক্‌সের আরেকটি ব্যবহার হল তরল হাইড্রোজেনসহ রকেটের জন্য ক্রায়োজেনিক জ্বালানি হিসেবে। তরল অক্সিজেন (LOX) আরও ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয় তবে অক্সিডাইজার বা জারক হিসাবে, জ্বালানী নয়। নাসার ওয়ার্কহর্স স্পেস শাটলকে কক্ষপথে প্রবেশের প্রাথমিক উপায় হিসেবে ক্রায়োজেনিক হাইড্রোজেন/অক্সিজেন প্রপেলান্ট ব্যবহার করেছে। LOX RP-1 কেরোসিনের, একটি নন-ক্রায়োজেনিক হাইড্রোকার্বন, এর সাথেও ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়, যেমন সের্গেই কোরোলেভের সোভিয়েত স্পেস প্রোগ্রামের জন্য নির্মিত রকেটগুলোতে।
রাশিয়ান বিমান প্রস্তুতকারক টুপলেভ ক্রায়োজেনিক জ্বালানী ব্যবস্থা সহ তার জনপ্রিয় ডিজাইন Tu-154 এর একটি সংস্করণ তৈরি করেছে, যা Tu-155 নামে পরিচিত। বিমানটি তরলীকৃত প্রাকৃতিক গ্যাস (এলএনজি) হিসেবে উল্লেখ করা একটি জ্বালানী ব্যবহার করে এবং ১৯৮৯ সালে এর প্রথম ফ্লাইট ছিল।
ক্রায়োজেনিকের কিছু প্রয়োগ:
ডিভাইস এবং উপাদানগুলোর ক্রায়োজেনিক শীতলকরণ সাধারণত তরল নাইট্রোজেন, তরল হিলিয়াম বা একটি যান্ত্রিক ক্রায়োকুলার (যা উচ্চ-চাপ হিলিয়াম লাইন ব্যবহার করে) ব্যবহারের মাধ্যমে অর্জন করা হয়। গিফোর্ড-ম্যাকম্যাহন ক্রায়োকুলার, পালস টিউব ক্রায়োকুলার এবং স্টারলিং ক্রায়োকুলার ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয় প্রয়োজনীয় ভিত্তি তাপমাত্রা এবং শীতল করার ক্ষমতার ভিত্তিতে নির্বাচন করে। ক্রায়োজেনিক্সের সবচেয়ে সাম্প্রতিক বিকাশ হল পুনরুজ্জীবিতকারীর পাশাপাশি রেফ্রিজারেটর হিসাবে চুম্বকের ব্যবহার। এই ডিভাইসগুলো ম্যাগনেটোক্যালোরিক প্রভাব নামে পরিচিত নীতিতে কাজ করে।
বিভিন্ন ক্রায়োজেনিক সনাক্তকরণযন্ত্র আছে যা কণা সনাক্ত করতে ব্যবহৃত হয়।
ক্রায়োজেনিক তাপমাত্রা পরিমাপের জন্য ৩০ K (কেলভিন), Pt100 সেন্সর, একটি প্রতিরোধের তাপমাত্রা সনাক্তকারী (RTD) ব্যবহার করা হয়। ৩০ K এর কম তাপমাত্রার জন্য, নির্ভুলতার জন্য একটি সিলিকন ডায়োড ব্যবহার করার দরকার হয়।