તાપાયનિક પ્રયુક્તિઓ

તાપાયનિક પ્રયુક્તિઓ (thermionic devices) : તાપાયનિક ઉત્સર્જનની પ્રક્રિયા દ્વારા ઉષ્માનું સીધેસીધું વિદ્યુતમાં રૂપાંતર કરવાની પ્રયુક્તિ. આવી પ્રયુક્તિનો કોઈ પણ ઘટક ગતિ કરતો નથી. શૂન્યાવકાશ પ્રણાલીમાં રાખેલા વિદ્યુતવાહકને ગરમ કરવાથી તેની સપાટીમાંથી ઇલેક્ટ્રૉન ઉત્સર્જિત થવાની ઘટનાને તાપાયનિક ઉત્સર્જન કહે છે. ઇલેક્ટ્રૉન ટ્યૂબના કૅથોડ તરીકે તાપાયનિક ઉત્સર્જક (emitters)નો ઉપયોગ થાય છે. આમ, તેનું તકનીકી અને વૈજ્ઞાનિક મહત્વ છે. વાસ્તવમાં બધા જ વાહકો તાપાયનિક ઉત્સર્જકો છે; પરંતુ વ્યવહારમાં કેટલીક ધાતુઓ જ આ માટે મહત્વની છે. ટંગસ્ટન એક મહત્વની ધાતુ છે; જે વ્યવહારમાં સારા તાપાયનિક ઉત્સર્જકની ગરજ સારે છે ઇલેક્ટ્રૉન-ટ્યૂબમાં ઑક્સાઇડના પડવાળા ટંગસ્ટનનો તાર વપરાય છે, ડાયોડ, ટ્રાયોડ, ટેટ્રોડ અને પેન્ટોડ વગેરેનો સમાવેશ શૂન્યાવકાશ કરેલી ઇલેક્ટ્રૉન-ટ્યૂબમાં થાય છે. ડાયોડનો દિશકારક (rectifier) તરીકે અને ટ્રાયોડનો દોલક (oscilator) તરીકે ઉપયોગ થાય છે. ટેટ્રોડ અને પેન્ટોડને ટ્રાયોડની સુધારેલી અને વધારેલી આવૃત્તિ ગણી શકાય.

સામાન્ય તાપાયનિક યુક્તિ અથવા પરિવર્તક (converter) આકૃતિ 1માં દર્શાવી છે. તેમાં ઊંચું તાપમાન ધરાવતો ધાતુનો ઉત્સર્જક અને નીચું તાપમાન ધરાવતો સંગ્રાહક (collector) હોય છે. તેમને વિદ્યુતરોધક (insulator) વડે અલગ કરેલા હોય છે. આ બે વિદ્યુતધ્રુવો (electrodes) ઉત્સર્જક તથા સંગ્રાહકની વચ્ચે, મિલીમીટરથી પણ ઓછું અંતર હોય છે. અવાત બંધ (hermetically sealed) પાત્રમાં શૂન્યાવકાશ અથવા  વિદ્યુત વહન કરે તેવો, સિઝિયમ-બાષ્પ જેવો વાયુ ભરવામાં આવે છે.

ઉત્સર્જકમાંથી મુક્ત થતા ઇલેક્ટ્રૉન ખાલી જગા ઓળંગીને સંગ્રાહક ઉપર જમા થાય છે, જ્યાંથી આકૃતિ 1માં દર્શાવ્યા પ્રમાણે બોજપરિપથ દ્વારા તેઓ પાછા ઉત્સર્જક ઉપર આવે છે. તાપાયનિક પાવર-જનિત્ર વાસ્તવમાં તો ઉષ્મા-યંત્ર છે. આવા જનિત્રમાં કાર્યકારી પદાર્થ તરીકે ઇલેક્ટ્રૉન-વાયુનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. અહીં ઉત્સર્જક અને સંગ્રાહક વચ્ચેનો તાપમાનનો તફાવત, ઇલેક્ટ્રૉનને બોજમાંથી પસાર થવા માટેની જરૂરી ઊર્જા પૂરી પાડે છે.

તાપાયનિક જનિત્ર ઊંચા તાપમાને કાર્ય કરે છે. તે વખતે ઉત્સર્જકનું તાપમાન 1600Kથી 2500K અને સંગ્રાહકનું તાપમાન 800Kથી 1100K; નિમ્ન નિર્ગત સ્થિતિમાન 0.5 વોલ્ટ/પરિવર્તક; ઉચ્ચપ્રવાહ ઘનતા 5થી10 ઍમ્પિયર/સેમી. અને ઉચ્ચ સ્થાયી પરિવર્તનક્ષમતા 10 %થી 15 % હોય છે. અવકાશયાનમાં ન્યૂક્લિયર રિએક્ટર અથવા રેડિયોસમસ્થાનિક – ઉષ્માસ્રોત વડે વિદ્યુત-પાવર પેદા કરવા માટે તાપાયનિક જનિત્ર એક આકર્ષક યુક્તિ છે. ઔદ્યોગિક પ્રક્રિયાઓમાં નિમ્ન તાપમાને પાવરની સાથે વિદ્યુત ઉત્પન્ન કરવા માટે પણ આવા જનિત્રનો ઉપયોગ થાય છે.

તાપાયનિક પરિવર્તકની સૈદ્ધાંતિક રચના આકૃતિ 2માં દર્શાવી છે. બે ધ્રુવો વચ્ચે ઇલેક્ટ્રૉનનું સ્થિતવિદ્યુત(electrostatic) દબાણ સ્થાનીય વિચરણ(spatial variation)ના સંદર્ભમાં દર્શાવેલ છે. સંગ્રાહકમાં ઇલેક્ટ્રૉનની સ્થિતિ-ઊર્જા, ઉત્સર્જકમાં રહેલા ઇલેક્ટ્રૉનની સ્થિતિ-ઊર્જા કરતાં વધારે હોય છે. સંગ્રહ પામેલા ઇલેક્ટ્રૉન, વિદ્યુતબોજ મારફતે ઉત્સર્જક ઉપર પાછા આવતાં કાર્ય કરે છે. ઉત્સર્જક અને સંગ્રાહક વચ્ચેના ફર્મી-સ્તરોનો તફાવત નિર્ગત વૉલ્ટેજ Vo આપે છે. ફર્મી-સ્તર એ ઉષ્મીય સમતોલનમાં આવેલા પદાર્થના ઇલેક્ટ્રૉનની લાક્ષણિક ઊર્જા છે. ફર્મી-સ્તર અને સપાટી આગળના સ્થિતવિદ્યુત દબાણનો તફાવત પદાર્થની સપાટીનો ગુણધર્મ છે. તેને કાર્યવિધેય (work function) કહે છે, જે ઇલેક્ટૉનની બાષ્પીભવન ઉષ્મા જેટલું હોય છે. ઉત્સર્જક કાર્યવિધેય (Φ_E) ઉત્સર્જક ફર્મીસ્તર અને ઉત્સર્જકની બહાર આવેલા બિંદુ આગળના સ્થિતિમાન વચ્ચેનો તફાવત છે. તે જ પ્રમાણે સંગ્રાહક કાર્યવિધેય (Φ_C) સંગ્રાહક ફર્મી-સ્તર અને સંગ્રાહકની બહાર આવેલાં બિંદુ આગળના સ્થિતિમાન વચ્ચેનો તફાવત છે.

ઉત્સર્જક અથવા સંગ્રાહક ધ્રુવમાંથી થતું ઇલેક્ટ્રૉનનું ઉત્સર્જન રિચાર્ડસનના નીચેના સૂત્ર વડે મળે છે :

જ્યાં A = અચળાંક છે; R = બોલ્ટ્ઝમેનનો અચળાંક = 1.38 x 10^–23 જૂલ/ અંશ. T = ધ્રુવની સપાટીનું કેલ્વિનમાં તાપમાન છે, અને Φ = ઇલેક્ટ્રૉન વોલ્ટ (eV)માં કાર્યવિધેય છે.

બે ધ્રુવો વચ્ચે અંતર 0.01 મિલીમીટર કે તેથી ઓછું હોય ત્યારે સ્થિતિમાનની આદર્શરીતિ આકૃતિ 2(અ)માં દર્શાવ્યા પ્રમાણે મળે છે. ઉત્સર્જક અને સંગ્રાહક વચ્ચે 0.01 ટોર જેટલા નિમ્ન દબાણે સિઝિયમ/બાષ્પનો ઉપયોગ કરવાથી ધ્રુવો વચ્ચેના ઓછા અંતરે ઉદભવતી મુશ્કેલીઓનું નિવારણ થાય છે (એક ટોર દબાણ = 133.322 ન્યૂટન/મીટર²). ધ્રુવની સપાટી આગળ આ બાષ્પનું અધિશોષણ (adsorption) થાય છે. પરિણામે સપાટીનું કાર્ય-વિધેય ઘટે છે. અને સિઝિયમ ધન આયનો પૂરાં પાડે છે, જે અવકાશ વિદ્યુતભાર(space charge)નાં ઇલેક્ટ્રૉનને તટસ્થ (neutralised) કરે છે. આથી, તાપાયનિક પાવર-જનિત્ર, સિઝિયમ-બાષ્પના નિમ્ન દબાણે કાર્યરત બને છે. પરિણામે ઉત્સર્જક અને સંગ્રાહક આગળનો આચ્છદ (sheath) વિભાગ, જ્યાં આયન અને ઇલેક્ટ્રૉનની સંખ્યા સમાન હોય છે ત્યાં તટસ્થ પ્લાઝમાનું, ઇલેક્ટ્રૉન સાથે જોડાણ થાય છે. આ પરિસ્થિતિ આકૃતિ 2(આ)માં દર્શાવી છે. માત્ર બિનજ્વલિત રીતિ (unignited mode)થી ઉત્સર્જકના 2500K જેટલા ઊંચા તાપમાને, જરૂરી ઉચ્ચ પાવર મળે છે. પણ આ વિભાગ માટે જરૂરી ઉષ્મા ઉત્પન્ન કરવા માટેના વ્યાવહારિક સ્રોત જૂજ છે.

ઉત્સર્જકના 600થી 2000K તાપમાને, વ્યવહારમાં પાવર મેળવવા માટે સિઝિયમ બાષ્પનું દબાણ વધારીને 1 ટોર જેટલું કરવામાં આવે તો તેનું અધિશોષણ, કાર્યવિધેયમાં વધુ ઘટાડો  કરે છે. પરિણામે વધુ પ્રવાહ ઘનતા મળે છે. આ પરિસ્થિતિને જ્વલિત રીતિ કહે છે, જે આકૃતિ 2(ઈ)માં દર્શાવી છે. આ રીતિ મેળવવા માટે બિનજ્વલિત લાક્ષણિકતા વક્ર ઉપર, નિર્ગત સ્થિતિમાન ઘટાડવામાં આવે છે.

સંગ્રાહકને ઓળંગીને ઇલેક્ટ્રૉન આગળ વધે ત્યારે તેમનું સિઝિયમ પરમાણુ વડે પ્રકીર્ણન (scattering) થાય છે, જેને કારણે પ્લાઝમામાં અવરોધ વધે છે અને પ્રવાહ ઘટે છે. તદુપરાંત સિઝિયમ પરમાણુનું આયનીકરણ થતાં, ઊર્જાનો ઘટાડો થાય છે. આ બધા પ્રકારના નુકસાનને ચાપ-પાત (arc-drop) Vd કહે છે. જુઓ આકૃતિ 2(ઇ). તેને લઈને નિર્ગત વૉલ્ટેજમાં ઘટાડો થાય છે. અને જ્વલિત રીતિમાં, પરિવર્તક કાર્ય કરતું રહે તે માટે Vd જેટલું જ વોલ્ટેજ, પ્લાઝ્માને પૂરું પાડવું પડે છે. પરિવર્તક સારી રીતે કાર્ય કરે તે માટે Vd અને Φ_Cનું મૂલ્ય શક્ય એટલું ઓછું હોવું જોઈએ.

તાપાયનિક શાસ્ત્રના વિકાસની, સારી એવી પ્રગતિ થઈ છે. ઉત્સર્જકના 1950K તાપમાને વિદ્યુતથી ગરમ કરેલ સંશોધન પરિવર્તક 40,000 કલાક અને 1730K તાપમાને દહન(combustion)થી ગરમ કરેલ પરિવર્તક 12,500 કલાક સુધી કાર્ય કરે છે. રશિયામાં ચાર ટોપાઝ તાપાયનિક રિએક્ટર 5000 કલાક સુધી કાર્યાન્વિત રહેવાની કસોટીમાંથી પાર ઊતર્યા છે.

પ્રહલાદ છ. પટેલ