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अतिचालक पदार्थों और अतिचालक विकिरण डिटेक्टर तत्वों पर अनुसंधान
V-Ti मिश्रधातु सुपरकंडक्टरों के संरचनात्मक, विद्युतीय और ऊष्मचुंबकीय गुण:
V-Ti मिश्र धातुओं में रुचि इस तथ्य में निहित है कि वे उच्च चुंबकीय क्षेत्र अनुप्रयोगों के लिए Nb-आधारित सुपरकंडक्टरों के आशाजनक विकल्प हैं। इनमें उत्कृष्ट यांत्रिक गुण होते हैं और ये न्यूट्रॉन विकिरण वातावरण के लिए उपयुक्त हैं। हालांकि, विभिन्न चुंबकीय क्षेत्रों में V-Ti मिश्र धातुओं की हानिरहित धारा वहन क्षमता (क्रांतिक धारा घनत्व, Jc के संदर्भ में मापी गई) व्यावसायिक सुपरकंडक्टरों की तुलना में लगभग 2-3 गुना कम है, जिसे एफईएल एंड यूएस के शोधकर्ताओं ने हाल के वर्षों में सुधारा है। किसी सुपरकंडक्टर की हानिरहित धारा वहन क्षमता फ्लक्स लाइन पिनिंग गुणों पर निर्भर करती है, जो बदले में विकार प्रोफ़ाइल पर निर्भर करती है। विभिन्न प्रकार के विकारों की विभिन्न चुंबकीय क्षेत्र व्यवस्थाओं में फ्लक्स लाइन पिनिंग की दक्षता भिन्न होती है, और विकारों का योजनाबद्ध चयन सुपरकंडक्टर की धारा वहन क्षमता में सुधार की कुंजी है। हालांकि, विकार इसके यांत्रिक गुणों को भी खराब कर देते है, जहां शोधकर्ता को अनुकूलन करना होता है।
एफईएल एंड यूएस के शोधकर्ताओं ने ध्यान से चुने गए V-Ti अलॉय कंपोज़िशन में अलग-अलग एटॉमिक अनुपात में रेयर अर्थ तत्व (Y, Ce, Nd, Dy, Gd) मिलाए और V-Ti अलॉय के सुपरकंडक्टिंग और नॉर्मल स्टेट गुणों पर इसके असर का अध्ययन किया। इन अध्ययनों से पता चलता है कि Y, V-T अलॉय में घुलनशील नहीं है, और पिघलने के बाद ठोसकरण के दौरान अलग-अलग आकार के प्रेसिपिटेट बनाता है। यह पाया गया कि 2 at.% Y से कम होने पर, ठोसकरण (पिघलने से) के दौरान महीन Y-रिच प्रेसिपिटेट बनते हैं, जो समरूप V-Ti-Y लिक्विड के सॉलिड β-V-Ti अलॉय और Y-रिच लिक्विड में फेज़ सेपरेशन के कारण होता है। ज़्यादा Y कंटेंट के लिए Y-रिच प्रेसिपिटेट का साइज़ लिक्विड के घुलनशील न होने के कारण बढ़ जाता है, और इससे बड़ी संख्या में लाइन डिफेक्ट भी पैदा होते हैं। यह पाया गया कि Y मिलाने से V-Ti मैट्रिक्स में Y के ऑक्सीजन-स्कैवेंजिंग प्रभाव के कारण सुपरकंडक्टिंग संक्रमण तापमान में मामूली बढ़ोतरी होती है। Y मिलाने से पैदा हुए डिफेक्ट फ्लक्स लाइनों को पिन करने में प्रभावी थे और इस तरह करंट ले जाने की क्षमता में सुधार हुआ। एफईएल एंड यूएस के शोधकर्ताओं ने 7 T तक के उच्च चुंबकीय क्षेत्रों में बने रहने वाले एक उच्च क्षेत्र पैरामैग्नेटिक मीस्नर प्रभाव की खोज की, जो Y मिलाने से बने डिफेक्ट के कारण उत्पन्न होता है। सुपरकंडक्टिंग अवस्था में संरचनात्मक, सूक्ष्म संरचनात्मक और फ्लक्स लाइन पिनिंग गुणों को सहसंबंधित करते हुए, इन अवलोकनों के पीछे का स्पष्टीकरण पाया गया। यह देखा गया कि Gd के चुंबकीय होने के बावजूद, और Gd-युक्त कई V-Ti अलॉय के सामान्य अवस्था में फेरोमैग्नेटिक होने के बावजूद, Gd मिलाने से V-Ti अलॉय की करंट ले जाने की क्षमता बढ़ाने में यह कहीं अधिक प्रभावी है। इस प्रभाव को समझने के लिए Ce, Nd, Dy जैसे अन्य चुंबकीय दुर्लभ पृथ्वी तत्वों को मिलाने से V-Ti अलॉय के सुपरकंडक्टिंग और सामान्य अवस्था गुणों पर पड़ने वाले प्रभावों का भी अध्ययन किया जा रहा है। यह अनुमान लगाया गया है कि V-Ti मैट्रिक्स में दुर्लभ पृथ्वी तत्वों (या उनके ऑक्साइड) का अवक्षेपण एक सामान्य विशेषता है, और यह अक्सर सुपरकंडक्टिंग संक्रमण तापमान को बढ़ाता है। हालांकि इस प्रक्रिया में करंट ले जाने की क्षमता भी बढ़ जाती है, लेकिन तन्य शक्ति में भारी कमी आती है। लगातार कोल्ड वर्किंग और एनीलिंग से करंट ले जाने की क्षमता और बढ़ जाती है, खासकर उच्च चुंबकीय क्षेत्र वाले क्षेत्रों में। V0.60Ti0.40 अलॉय में लगातार कोल्ड वर्किंग और एनीलिंग (SCA) की प्रक्रिया के माध्यम से Jc में वृद्धि को चित्र-13 में दर्शाया गया हैं। यह निम्नलिखित प्रोटोकॉल में किया गया था:
CW3 = C → A → C → A → C,
Ann3 = C → A → C → A → C → A,
यहाँ C = हर बार मोटाई को 50% तक कम करने के लिए कोल्ड वर्किंग, और A = 350, 450 या 550 या 650 C पर 5 घंटे के लिए एनीलिंग (फेज़ डायग्राम के आधार पर)। इन तीन अलग-अलग एनीलिंग तापमानों में से, 450 C पर एनीलिंग Jc को बढ़ाने में अब तक सबसे ज़्यादा असरदार पाई गई है, खासकर हाई मैग्नेटिक फील्ड में। 7 T फील्ड में Jc > 109 A/m2 हासिल किया गया है, जो कमर्शियल Nb-Ti सुपरकंडक्टर के करीब है। आगे और सुधार की संभावना पर अभी रिसर्च की जा रही है।
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चित्र 13: रेयर अर्थ मिलाने और लगातार कोल्ड वर्किंग और एनीलिंग (450 C) से V0.60Ti0.40 अलॉय की क्रिटिकल करंट डेंसिटी (4 K) में बढ़ोतरी, और व्यावसायिक
Nb-Ti के साथ तुलना। यहाँ AC का मतलब 'जैसा ढाला गया' है और Ce1, Gd1, वगैरह अलॉय में 1 एटॉमिक % Ce या Gd की मात्रा को दिखाते हैं।
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यह भी पाया गया कि लगातार कोल्ड वर्किंग और एनीलिंग से बड़ी मात्रा में सेकेंडरी फेज़ बनता है, जिससे टेन्साइल स्ट्रेंथ 3.5 गुना बढ़ जाती है। इसके अलावा, Gd-मिले V-Ti अलॉय की नॉर्मल स्टेट प्रॉपर्टीज़ का अध्ययन करने पर इस बात का सबूत मिला कि इन अलॉय के सुपरकंडक्टिंग गुण
फेरोमैग्नेटिक Gd प्रेसिपिटेट्स द्वारा स्पिन फ्लक्चुएशन (जो V-Ti सिस्टम में स्वाभाविक होते हैं) की कोहेरेंस को दबाने के कारण बेहतर हो गईं। इन स्पिन फ्लक्चुएशन पर एक विस्तृत अध्ययन अभी चल रहा है।
आईआर-एफईएल वेवलेंथ रेंज में सुपरकंडक्टिंग रेडिएशन डिटेक्टरों के विकास पर अनुसंधान:
FTIR स्पेक्ट्रोमीटर में इस्तेमाल होने वाले सेमीकंडक्टर-बेस्ड IR डिटेक्टर आमतौर पर InSb और HgCdTe (MCT) जैसे मटीरियल का इस्तेमाल करते हैं। हालांकि, InSb-बेस्ड डिटेक्टर सिर्फ़ लगभग 5.5 माइक्रोन तक ही सेंसिटिव होते हैं, और Hg1-xCdxTe अलॉय-बेस्ड (MCT) डिटेक्टर लगभग 20 माइक्रोन तक ही सीमित होते हैं। डिटेक्टर एलिमेंट के तौर पर सेमीकंडक्टिंग मटीरियल का इस्तेमाल करने वाले इन डिटेक्टरों में लंबी वेवलेंथ का पता लगाने में कुछ सीमा होती हैं, जहाँ फोटॉन एनर्जी बैंड गैप से कम होती है। इसके अलावा, उनके ज़्यादा परिचालन तापमान से होने वाला थर्मल नॉइज़ भी लंबी वेवलेंथ (जैसे, फार-आईआर) पर उनके इस्तेमाल को सीमित करता है। दूसरी ओर, सुपरकंडक्टर में एनर्जी गैप बहुत छोटे होते हैं और वे बेहतरीन सेंसिटिविटी और एफिशिएंसी के साथ मिड-आईआर वेवलेंथ तक रेडिएशन का पता लगा सकते हैं। इससे भी छोटे एनर्जी गैप वाले सुपरकंडक्टिंग मटीरियल का इस्तेमाल करके सावधानी से डिज़ाइन किए गए डिटेक्टरों का इस्तेमाल इलेक्ट्रोमैग्नेटिक स्पेक्ट्रम की फार-आईआर रेंज में अल्ट्रा-सेंसिटिव रेडिएशन डिटेक्शन के लिए किया जा सकता है। इलेक्ट्रोमैग्नेटिक रेडिएशन के प्रति सुपरकंडक्टर की प्रतिक्रिया के आधार पर, सुपरकंडक्टिंग रेडिएशन डिटेक्टरों में अलग-अलग डिटेक्शन योजना का इस्तेमाल किया जाता है, जैसे, काइनेटिक इंडक्टेंस डिटेक्टर (KIDs), सुपरकंडक्टिंग नैनोवायर सिंगल-फोटॉन डिटेक्टर (SNSPDs), सुपरकंडक्टिंग टनल जंक्शन (STJs), और ट्रांज़िशन एज सेंसर (TESs), आदि। ये डिटेक्टर X-रे से लेकर मिलीमीटर तरंगों तक की एक विस्तृत वेवलेंथ रेंज में बेहतरीन सिंगल-फोटॉन सेंसिटिविटी दिखाते हैं, जिसमें (अल्ट्राफास्ट) इलेक्ट्रॉनिक रिस्पॉन्स टाइम कुछ पिकोसेकंड तक होता है। एफईएल एंड यूएस में यह मौजूदा काम 12 - 50 माइक्रोन वेवलेंथ रेंज (मिड और फार-आईआर) के लिए लम्पड एलिमेंट KIDs (LEKID) के डेवलपमेंट पर केंद्रित है, जहाँ आईआर-एफईएल काम करता है। यह क्षेत्र ज़्यादातर अनछुआ है और इस तरंग दैर्ध्य सीमा में अत्यधिक सेंसिटिव, ब्रॉडबैंड डिटेक्टरों का विकास अनुसंधान का एक खुला क्षेत्र बना हुआ है।
LEKID में एक मियेन्डर संरचना और अंतर्संबद्ध संधारित्र (IDC) होते हैं। ये दोनों भाग क्रमशः प्रेरक और संधारित्र घटक के रूप में कार्य करते हैं और संरचना की ज्यामितीय अनुनाद आवृत्ति निर्धारित करते हैं। LEKID ज्यामिति की प्रकाशीय दक्षता परचालक पदार्थ की सामान्य अवस्था प्रतिरोधकता, सब्सट्रेट के परावैद्युत स्थिरांक, घुमावदार रेखाओं की चौड़ाई और उनके बीच की दूरी पर निर्भर करती है। पदार्थ के गुणों पर प्रायोगिक अध्ययन और विद्युत चुम्बकीय (CST) सिमुलेशन के माध्यम से परचालक तत्व-पदार्थ की पहचान करने के बाद, और फिर ऐसे पदार्थों का उपयोग करके प्राप्त LEKID ज्यामिति में प्रकाश अवशोषण का अनुकरण करने के बाद, LEKID संरचनाओं को डिज़ाइन किया जाता है और फिर निर्मित किया जाता है। चित्र 14(a) में एक ऐसी ही अतिचालक Ti40V60 मिश्र धातु की पतली फिल्म संरचना दिखाई गई है, जिसे UHV आधारित पल्स डीसी मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग तकनीक और यूवी-फोटोलिथोग्राफी के संयोजन से आंतरिक रूप से संश्लेषित किया गया है, जिसके बाद लिफ्ट-ऑफ प्रक्रिया (पतली फिल्म को LEKID पैटर्न में जमा करने के लिए) का उपयोग किया गया है। चित्र में, मियेन्डर भाग (मियेन्डर रेखा की चौड़ाई = 6 μm और मियेन्डर पिच = 12 μm) प्रभावी विकिरण-संवेदनशील भाग है, और IDC का उपयोग डिज़ाइन की गई LEKID संरचना की अनुनाद आवृत्ति को ट्यून करने के लिए किया जाता है। निर्मित ज्यामिति में अवशोषण के प्रायोगिक अनुमान के लिए आईआर-एफईएल प्रकाश का उपयोग करके एक साथ संचरण और परावर्तन माप किए गए। संबंधित इंटेंसिटी को पायरोइलेक्ट्रिक डिटेक्टरों का उपयोग करके रिकॉर्ड किया गया, और आईआर-एफईएल प्रकाश की तरंगदैर्ध्य को पोर्ट P-4 पर माइकलसन इंटरफेरोमीटर का उपयोग करके मापा गया। आईआर-एफईएल की लगभग निरंतर तरंगदैर्ध्य ट्यूनेबिलिटी के कारण, इन मापों से LEKID संरचना की तरंगदैर्ध्य-निर्भर अवशोषण विशेषताओं का पता चला। चित्र 14(b) में 14 से 30 माइक्रोन तक की विभिन्न तरंगदैर्ध्यों पर उपरोक्त LEKID संरचना में अवशोषण दिखाया गया है, जिसकी तुलना CST सिमुलेशन के परिणामों और आईआर-एफईएल प्रकाश का उपयोग करके प्रयोगात्मक रूप से मापे गए अवशोषण से की गई है। चित्र 14(c) में पोर्ट P-4 के पास अवशोषण मापन सेटअप का योजनाबद्ध आरेख दिखाया गया है। हालांकि चित्र 14(b) के प्रयोगात्मक वक्र में देखे गए रुझान सिमुलेशन से मेल खाते हैं, फिर भी इन डिटेक्टर संरचनाओं में बैक शॉर्ट डिस्टेंस और रेज़ोनेटर ज्यामिति को उचित रूप से आकार देना देने के लिए आगे के अध्ययन जारी हैं ताकि अंततः 95% से अधिक का उच्च प्रकाश अवशोषण प्राप्त किया जा सके।
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चित्र 14: (a) पल्स्ड DC मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग और UV-फोटोलीथोग्राफी का इस्तेमाल करके बनाया गया सुपरकंडक्टिंग Ti40V60 अलॉय थिन फिल्म आधारित LEKID स्ट्रक्चर। (b) LEKID स्ट्रक्चर में प्रयोगात्मक रूप से मापे गए एब्जॉर्प्शन की तुलना CST सिमुलेशन के नतीजों से, 14 से 30 माइक्रोन तक की अलग-अलग आईआर-एफईएल तरंग दैर्ध्य पर। (c) पोर्ट P-4 पर प्रयोगात्मक स्थापना का योजनाबद्ध आरेख, जिसका इस्तेमाल आईआर-एफईएल ट्रांसमिशन और रिफ्लेक्शन के एक साथ माप के ज़रिए एब्जॉर्प्शन का अनुमान लगाने के लिए किया गया था।
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