ક્ષેત્રગલન (zone melting) અને ક્ષેત્રશુદ્ધીકરણ (zone refining)

ક્ષેત્રગલન (zone melting) અને ક્ષેત્રશુદ્ધીકરણ (zone refining) : તત્વ અથવા સંયોજનને શુદ્ધ કરવા અથવા તેના સંઘટનનું ગલનની ક્રિયા દ્વારા નિયંત્રણ કરવા માટે વપરાતી કાર્યપદ્ધતિ. તેમાં ઘન પદાર્થના એક છેડા તરફના થોડા ભાગને (ક્ષેત્રને) પિગાળવામાં આવે છે. આથી ઘનમાં રહેલી અશુદ્ધિઓનું ઘન-પ્રવાહી ધાર આગળ પુનર્વિતરણ થાય છે કારણ કે પ્રવાહી અને ઘન વચ્ચે અશુદ્ધિના વિતરણનું પ્રમાણ તેના વિતરણ સહગુણાંક (distribution coefficient) ઉપર આધાર રાખે છે. પદાર્થમાં અશુદ્ધિ ભળવાને લીધે તેનું ગ.બિં. નીચું જતું હોવાથી સામાન્ય રીતે પ્રવાહીમાં અશુદ્ધિનું પ્રમાણ વધારે રહે છે. હવે ઘનને એવી રીતે ગરમી આપવામાં આવે છે કે પ્રવાહી વિસ્તાર એક છેડેથી ખસતો ખસતો બીજા છેડે પહોંચે અને ક્રિયા દરમિયાન પ્રવાહીમાં અશુદ્ધિ વધારે ને વધારે ઓગળતી જાય, જ્યારે ઠરીને ઘન સ્વરૂપમાં ફેરવાતાં જતાં પાછળના ભાગમાં અશુદ્ધિઓનું પ્રમાણ ઘટતું જાય. અશુદ્ધિઓનું આ વિતરણ શરૂઆતમાં લીધેલા પદાર્થના જથ્થા અને અશુદ્ધિઓની ઘન અને પ્રવાહી અવસ્થા (phase) વચ્ચેના વિતરણ સહગુણાંક k, ઉપર તેમજ ઝોનના આમાપ (size), સંખ્યા અને તેમના વહનની દિશા ઉપર આધાર રાખે છે. આમ ક્ષેત્રગલનને અશુદ્ધિઓ દૂર કરવા માટે ઠારણની ક્રિયાના ઉપયોગ તરીકે ગણાવી શકાય. તેમાં ઠારણથી મળતો સ્ફટિક તેના સંપર્કમાંના પ્રવાહી કરતાં અલગ સંઘટન ધરાવે છે તે ઘટનાને, લાંબા ઘનમાંથી નાના પ્રવાહી ક્ષેત્રને પસાર કરવાના ખ્યાલ સાથે સાંકળી લેવામાં આવેલ છે.

ક્ષેત્રશુદ્ધીકરણ (zone refining) : ક્ષેત્રગલન પ્રવિધિઓ પૈકીની સૌથી અગત્યની ક્ષેત્રશુદ્ધીકરણની છે. તેનો ઉપયોગ ઊંચી શુદ્ધિવાળા અથવા સીમિત માત્રામાં અશુદ્ધિ ધરાવતા પદાર્થો (દા.ત., ટ્રાન્ઝિસ્ટર માટેની ધાતુ) મેળવવામાં થાય છે. ક્ષેત્રશુદ્ધીકરણનો પ્રથમ ખ્યાલ અમેરિકન વૈજ્ઞાનિક ફેનને આવ્યો હતો અને 1950માં ટ્રાન્ઝિસ્ટર માટેની જર્મેનિયમ (Ge) ધાતુને શુદ્ધ કરવા તેનો ઉપયોગ થયો હતો. આ પદ્ધતિ દ્વારા મળેલા Geની શુદ્ધિમાત્રા 10⁹ ભાગમાં અશુદ્ધિ એક ભાગ જેટલી – અત્યંત અલ્પ હતી.

ક્ષેત્રશુદ્ધીકરણમાં એક ઘનમાંથી એક દિશામાં અનેક ગલનક્ષેત્રો પસાર કરીને તેને શુદ્ધ કરવામાં આવે છે. પીગળેલું પ્રત્યેક ક્ષેત્ર ઘન પ્રભાર(charge)ના છેડા સુધી અશુદ્ધિઓના થોડાક અંશને લઈ જાય છે અને એ રીતે બાકીના ભાગને શુદ્ધ કરે છે. (જુઓ આકૃતિ.)

આ ક્ષેત્ર-પાસ (zone-pass) દરમિયાન અશુદ્ધિઓનું જે પુનર્વિતરણ થાય છે તે ધાતુની પ્રવાહી અને ઘન અવસ્થામાં અશુદ્ધિની દ્રાવ્યતાના તફાવત ઉપર આધાર રાખે છે. અત્યંત નીચો ઠારણદર હોય ત્યારે ઘન અને પ્રવાહી અવસ્થામાંની અશુદ્ધિની સાંદ્રતા વિતરણ ગુણાંક k_o વડે દર્શાવાય છે. ઠારણના મોટા ભાગના કિસ્સામાં સંતુલન જળવાતું નથી અને તેથી k_oને બદલે અસરકારક વિતરણ સહગુણાંક ke વપરાય છે. તે વિતરણસ્તરની ગતિ, ઠારણની ઝડપ, અશુદ્ધિઓનું વિતરણ અને ક્ષેત્રની જાડાઈ ઉપર આધાર રાખે છે. સાધારણ ગલનદર (1થી 30 સેમી./કલાક) માટે અસરકારક વિતરણ સહગુણાંક k_o અને એકની વચ્ચેનું મૂલ્ય ધરાવે છે કારણ કે તેનું મૂલ્ય એક કરતાં ઓછું હોય તો અશુદ્ધિ આગળ ખસતા પ્રવાહી સ્તરમાં એકઠી થતી જાય છે. 99.9995 % કરતાં વધુ શુદ્ધ ઍલ્યુમિનિયમ મેળવવા માટે ક્ષેત્રની ઝડપ 2.5 સેમી./કલાક, ક્ષેત્રપાસની સંખ્યા 30 અને ક્ષેત્રની લંબાઈ : પદાર્થની લંબાઈનો ગુણોત્તર 1/10 જેટલો હોય છે.

ધાતુઓ અને અર્ધવાહકોનું ક્ષેત્રશુદ્ધીકરણ હોડી આકારની ક્રુસિબલના ઉપયોગ દ્વારા પ્રથમ મેળવાયું હતું. નીચા ગ.બિં.વાળી Au, Ag, Cu, Al, Zn, Pb, Sn અને Bi જેવી ધાતુઓ માટે આવી ક્રુસિબલનો ઉપયોગ થાય છે. પાછળથી પ્લવનક્ષેત્ર-પ્રવિધિ (floating zone technique) ઉપયોગમાં આવી છે. તેમાં ધાતુના સળિયાને ઊર્ધ્વ સ્થિતિમાં રાખવામાં આવે છે અને પીગળેલા ક્ષેત્રને પૃષ્ઠતાણની મદદથી તેની જગાએ જાળવી રાખવામાં આવે છે. ઉષ્માસ્રોત તરીકે ઇલેક્ટ્રૉન સંઘાત કે પ્રેરણ-ગૂંચળાનો ઉપયોગ થાય છે. સળિયાનો વ્યાસ આશરે 1.5 સેમી. જેટલો રાખવામાં આવે છે. આ વિધિમાં ધાતુ ઘણી શુદ્ધ મળે છે કારણ કે તેને માટે કોઈ પાત્ર વપરાતું નથી. આ પદ્ધતિ ઊંચા ગ.બિં.વાળી ધાતુઓ જેવી કે Ti, Zr, Nb, W, V, Mo વગેરે માટે ઉપયોગી છે.

ક્ષેત્રગલન અને શુદ્ધીકરણ પદાર્થોના અંતિમ શુદ્ધીકરણ માટે ધીમી પણ એકદમ સરળ અને સંદૂષણમુક્ત વપરાતી પ્રક્રિયા છે. અર્ધવાહકો માટેની ધાતુઓ તથા ઘણા કાર્બનિક પદાર્થો ક્ષેત્રગલનથી શુદ્ધ કરાય છે.

જેતલાલ જુનેજા