फ़्यूज़्ड क्वार्टज़

Not to be confused with Shocked quartz.

इस जुड़े हुए क्वार्ट्ज गोले का निर्माण गुरुत्वाकर्षण जांच बी ी प्रयोग में जाइरोस्कोप में उपयोग के लिए किया गया था। यह अब तक निर्मित सबसे सटीक गोले में से एक है, जो एक आदर्श गोले से 40 से अधिक परमाणुओं की मोटाई से विचलित नहीं होता है।

फ़्यूज़्ड क्वार्ट्ज़, फ़्यूज़्ड सिलिका या क्वार्ट्ज़ काँच एक ग्लास है जिसमें लगभग शुद्ध सिलिकॉन डाइऑक्साइड (सिलिकॉन डाइऑक्साइड, SiO) होता है₂) अनाकार ठोस (गैर-क्रिस्टलीय) रूप में। यह अन्य सभी वाणिज्यिक सोडा लाइम गिलास से भिन्न है जिसमें अन्य सामग्री मिलाई जाती है जो ग्लास के ऑप्टिकल और भौतिक गुणों को बदल देती है, जैसे पिघले हुए तापमान को कम करना। इसलिए, फ़्यूज़्ड क्वार्ट्ज़ में उच्च कार्यशील और पिघलने वाला तापमान होता है, जो इसे अधिकांश सामान्य अनुप्रयोगों के लिए कम वांछनीय बनाता है।

फ़्यूज़्ड क्वार्ट्ज़ और फ़्यूज़्ड सिलिका शब्द का उपयोग परस्पर विनिमय के लिए किया जाता है, लेकिन जैसा कि नीचे बताया गया है, ये विभिन्न विनिर्माण तकनीकों को संदर्भित कर सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप अलग-अलग ट्रेस अशुद्धियाँ होती हैं। हालाँकि, फ़्यूज्ड क्वार्ट्ज़, अनाकार ठोस में होने के कारण, क्रिस्टलीय क्वार्ट्ज़ की तुलना में काफी भिन्न भौतिक गुण रखता है। उदाहरण के लिए, इसके भौतिक गुणों के कारण अर्धचालक निर्माण और प्रयोगशाला उपकरणों में इसका विशेष उपयोग होता है।

अन्य सामान्य चश्मे की तुलना में, शुद्ध सिलिका का ऑप्टिकल ट्रांसमिशन पराबैंगनी और अवरक्त तरंग दैर्ध्य में अच्छी तरह से फैलता है, इसलिए इन तरंग दैर्ध्य के लिए लेंस (ऑप्टिक्स) और अन्य प्रकाशिकी बनाने के लिए उपयोग किया जाता है। विनिर्माण प्रक्रियाओं के आधार पर, अशुद्धियाँ ऑप्टिकल ट्रांसमिशन को प्रतिबंधित कर देंगी, जिसके परिणामस्वरूप इन्फ्रारेड में उपयोग के लिए अनुकूलित फ्यूज्ड क्वार्ट्ज के व्यावसायिक ग्रेड, या पराबैंगनी में (जिसे अक्सर फ्यूज्ड सिलिका के रूप में जाना जाता है) तैयार किया जाएगा। फ़्यूज्ड क्वार्ट्ज़ के थर्मल विस्तार का कम गुणांक इसे सटीक दर्पण सब्सट्रेट्स के लिए एक उपयोगी सामग्री बनाता है।

निर्माण

फ़्यूज़्ड क्वार्ट्ज का उत्पादन उच्च शुद्धता वाले सिलिका रेत को पिघलाकर किया जाता है, जिसमें क्वार्ट्ज क्रिस्टल होते हैं। वाणिज्यिक सिलिका ग्लास के चार बुनियादी प्रकार हैं:

• टाइप I का उत्पादन निर्वात या निष्क्रिय वातावरण में प्राकृतिक क्वार्ट्ज को पिघलाकर किया जाता है।
• टाइप II का उत्पादन उच्च तापमान वाली लौ में क्वार्ट्ज क्रिस्टल पाउडर को मिलाकर किया जाता है।
• टाइप III सिलिकॉन टेट्राक्लोराइड|SiCl को जलाने से उत्पन्न होता है₄हाइड्रोजन-ऑक्सीजन लौ में.
• टाइप IV SiCl को जलाने से उत्पन्न होता है₄ जलवाष्प रहित प्लाज्मा लौ में।क्वार्ट्ज में केवल सिलिकॉन और ऑक्सीजन होते हैं, हालांकि वाणिज्यिक क्वार्ट्ज ग्लास में अक्सर अशुद्धियाँ होती हैं। दो प्रमुख अशुद्धियाँ अल्युमीनियम और टाइटेनियम हैं जो पराबैंगनी तरंग दैर्ध्य पर ऑप्टिकल ट्रांसमिशन को प्रभावित करते हैं। यदि निर्माण प्रक्रिया में पानी मौजूद है, तो हाइड्रॉकसिल (ओएच) समूह एम्बेडेड हो सकते हैं जो इन्फ्रारेड में संचरण को कम करता है।

फ्यूजन

पिघलने को लगभग 2200°C (4000°F) पर या तो विद्युत रूप से गर्म भट्टी (विद्युत रूप से जुड़े हुए) या गैस/ऑक्सीजन-ईंधन वाले भट्ठी (लौ-फ्यूज्ड) का उपयोग करके प्रभावित किया जाता है। फ़्यूज्ड सिलिका को लगभग किसी भी सिलिकॉन-समृद्ध रासायनिक अग्रदूत से बनाया जा सकता है, आमतौर पर एक सतत प्रक्रिया का उपयोग करके जिसमें अस्थिर सिलिकॉन यौगिकों का सिलिकॉन डाइऑक्साइड में ज्वाला ऑक्सीकरण और परिणामी धूल का थर्मल संलयन शामिल होता है (हालांकि वैकल्पिक प्रक्रियाओं का उपयोग किया जाता है)। इसके परिणामस्वरूप अल्ट्रा-हाई शुद्धता और गहरे पराबैंगनी में बेहतर ऑप्टिकल ट्रांसमिशन वाला पारदर्शी ग्लास प्राप्त होता है। एक सामान्य विधि में हाइड्रोजन-ऑक्सीजन लौ में सिलिकॉन टेट्राक्लोराइड जोड़ना शामिल है।

उत्पाद की गुणवत्ता

फ़्यूज़्ड क्वार्ट्ज़ सामान्यतः पारदर्शी होता है। हालाँकि, अगर छोटे हवा के बुलबुले को अंदर फँसने दिया जाए तो सामग्री पारभासी हो सकती है। फ़्यूज्ड क्वार्ट्ज़ की जल सामग्री (और इसलिए इन्फ्रारेड ट्रांसमिशन) विनिर्माण प्रक्रिया द्वारा निर्धारित की जाती है। भट्ठी को ईंधन देने वाले हाइड्रोकार्बन और ऑक्सीजन के संयोजन के कारण ज्वाला-फ्यूज्ड सामग्री में हमेशा पानी की मात्रा अधिक होती है, जिससे सामग्री के भीतर हाइड्रॉक्सिल [ओएच] समूह बनते हैं। आईआर ग्रेड सामग्री में आमतौर पर 10 पीपीएम से कम [ओएच] सामग्री होती है।

अनुप्रयोग

फ़्यूज्ड क्वार्ट्ज़ के कई ऑप्टिकल अनुप्रयोग इसकी विस्तृत पारदर्शिता सीमा का फायदा उठाते हैं, जो पराबैंगनी और निकट-मध्य अवरक्त में अच्छी तरह से विस्तारित हो सकती है। फ़्यूज़्ड क्वार्ट्ज प्रकाशित तंतु के लिए प्रमुख प्रारंभिक सामग्री है, जिसका उपयोग दूरसंचार के लिए किया जाता है।

इसकी ताकत और उच्च गलनांक (साधारण कांच की तुलना में) के कारण, फ़्यूज्ड क्वार्ट्ज का उपयोग हलोजन लैंप और उच्च-तीव्रता वाले डिस्चार्ज लैंप के लिए एक आवरण के रूप में किया जाता है, जिन्हें उच्च चमक और लंबे जीवन के संयोजन को प्राप्त करने के लिए उच्च आवरण तापमान पर काम करना चाहिए। . कुछ उच्च-शक्ति वाले वेक्यूम - ट्यूब ों में सिलिका लिफाफे का उपयोग किया जाता है, जिनके अवरक्त तरंग दैर्ध्य पर अच्छे संचरण से उनके वैक्यूम ट्यूब के विकिरण शीतलन # ताप उत्पादन और शीतलन की सुविधा मिलती है।

इसकी भौतिक ताकत के कारण, फ़्यूज्ड क्वार्ट्ज़ का उपयोग गहरे गोताखोरी वाले जहाजों जैसे कि बाथिस्फेयर और बेन्थोस्कोप और अंतरिक्ष शटल और अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन सहित चालक दल के अंतरिक्ष यान की खिड़कियों में किया जाता था।

सेमीकंडक्टर उद्योग में, इसकी ताकत, थर्मल स्थिरता और यूवी पारदर्शिता का संयोजन इसे फोटोलिथोग्राफी के लिए प्रक्षेपण मास्क के लिए एक उत्कृष्ट सब्सट्रेट बनाता है।.

पैकेज के शीर्ष में फ़्यूज्ड क्वार्ट्ज़ विंडो वाला एक EPROM

इसकी यूवी पारदर्शिता का उपयोग ईपीरोम (इरेज़ेबल प्रोग्रामेबल केवल पढ़ने के लिये मेमोरी ) पर विंडोज़ के रूप में भी किया जाता है, जो एक प्रकार का गैर-वाष्पशील मेमोरी एकीकृत परिपथ है जो मजबूत पराबैंगनी प्रकाश के संपर्क में आने से मिट जाता है। ईपीरोम को पारदर्शी फ्यूज्ड क्वार्ट्ज (हालांकि कुछ बाद के मॉडल यूवी-पारदर्शी राल का उपयोग करते हैं) विंडो द्वारा पहचाना जा सकता है जो पैकेज के शीर्ष पर बैठता है, जिसके माध्यम से सिलिकॉन चिप दिखाई देती है, और जो मिटाने के लिए यूवी प्रकाश संचारित करती है।

थर्मल स्थिरता और संरचना के कारण, इसका उपयोग 5D ऑप्टिकल डेटा भंडारण में किया जाता है और अर्धचालक निर्माण भट्टियों में। फ़्यूज़्ड क्वार्ट्ज़ में पहली सतह के दर्पण बनाने के लिए लगभग आदर्श गुण होते हैं, जैसे कि दूरबीनों में उपयोग किए जाने वाले दर्पण। सामग्री पूर्वानुमानित तरीके से व्यवहार करती है और ऑप्टिकल फैब्रिकेटर को सतह पर बहुत चिकनी पॉलिश लगाने और कम परीक्षण पुनरावृत्तियों के साथ वांछित आंकड़ा उत्पन्न करने की अनुमति देती है। कुछ उदाहरणों में, फ़्यूज्ड क्वार्ट्ज के एक उच्च-शुद्धता वाले यूवी ग्रेड का उपयोग विशेष प्रयोजन लेंस के कई अलग-अलग अनकोटेड लेंस तत्वों को बनाने के लिए किया गया है, जिसमें ज़ीस 105 मिमी एफ/4.3 यूवी सोनार, एक लेंस जो पहले हैसलब्लैड कैमरे के लिए बनाया गया था, शामिल है। और Nikon UV-Nikkor 105 mm f/4.5 (वर्तमान में Nikon PF10545MF-UV के रूप में बेचा जाता है) लेंस। इन लेंसों का उपयोग यूवी फोटोग्राफी के लिए किया जाता है, क्योंकि क्वार्ट्ज ग्लास अधिक सामान्य चकमक पत्थर का कांच या क्राउन ग्लास (ऑप्टिक्स) ग्लास फॉर्मूलों से बने लेंसों की तुलना में बहुत कम तरंग दैर्ध्य पर पारदर्शी हो सकता है।

उच्च परिशुद्धता वाले माइक्रोवेव सर्किट के लिए सब्सट्रेट के रूप में उपयोग के लिए फ़्यूज्ड क्वार्ट्ज को धातुकृत और नक़्क़ाशीदार बनाया जा सकता है, थर्मल स्थिरता इसे नैरोबैंड फ़िल्टर और समान मांग वाले अनुप्रयोगों के लिए एक अच्छा विकल्प बनाती है। एल्यूमिना की तुलना में कम ढांकता हुआ स्थिरांक उच्च प्रतिबाधा ट्रैक या पतले सब्सट्रेट की अनुमति देता है।

दुर्दम्य सामग्री अनुप्रयोग

एक औद्योगिक कच्चे माल के रूप में फ़्यूज़्ड क्वार्ट्ज का उपयोग इस्पात निर्माण , निवेश कास्टिंग और ग्लास निर्माण सहित कई उच्च तापमान थर्मल प्रक्रियाओं के लिए क्रूसिबल, ट्रे, कफ़न और रोलर्स जैसे विभिन्न दुर्दम्य आकार बनाने के लिए किया जाता है। फ़्यूज्ड क्वार्ट्ज़ से बनी दुर्दम्य आकृतियों में उत्कृष्ट थर्मल शॉक प्रतिरोध होता है और अधिकांश तत्वों और यौगिकों के लिए रासायनिक रूप से निष्क्रिय होते हैं, जिनमें एकाग्रता की परवाह किए बिना लगभग सभी एसिड शामिल होते हैं, हाइड्रोफ्लुओरिक अम्ल को छोड़कर, जो काफी कम सांद्रता में भी बहुत प्रतिक्रियाशील होता है। पारभासी फ़्यूज्ड-क्वार्टज़ ट्यूबों का उपयोग आमतौर पर क्वार्ट्ज़ हीटर, औद्योगिक भट्टियों और अन्य समान अनुप्रयोगों में किया जाता है।

सामान्य तापमान पर इसके कम यांत्रिक अवमंदन के कारण, इसका उपयोग क्यू कारक |हाई-क्यू रेज़ोनेटर के लिए किया जाता है, विशेष रूप से, कंपन संरचना जाइरोस्कोप#वाइन-ग्लास रेज़ोनेटर|हेमिस्फेरिकल रेज़ोनेटर जाइरो के वाइन-ग्लास रेज़ोनेटर के लिए। इसी कारण से फ्यूज्ड क्वार्ट्ज आधुनिक ग्लास उपकरणों जैसे ग्लास वीणा और verrophone के लिए भी उपयोग की जाने वाली सामग्री है, और ऐतिहासिक ग्लास हारमोनिका के नए निर्माण के लिए भी इसका उपयोग किया जाता है, जिससे इन उपकरणों को अधिक गतिशील रेंज और एक स्पष्ट ध्वनि मिलती है। ऐतिहासिक रूप से प्रयुक्त सीसा क्रिस्टल।

क्वार्ट्ज ग्लासवेयर का उपयोग कभी-कभी रसायन विज्ञान प्रयोगशालाओं में किया जाता है जब मानक बोरोसिल ग्लास उच्च तापमान का सामना नहीं कर सकता है या जब उच्च यूवी संचरण की आवश्यकता होती है। उत्पादन की लागत काफी अधिक है, जिससे इसका उपयोग सीमित हो गया है; यह आमतौर पर एक ही मूल तत्व के रूप में पाया जाता है, जैसे भट्ठी में एक ट्यूब, या फ्लास्क के रूप में, गर्मी के सीधे संपर्क में आने वाले तत्व।

जुड़े हुए क्वार्ट्ज के गुण

थर्मल विस्तार का बेहद कम गुणांक, के बारे में 5.5×10⁻⁷/K (20-320 डिग्री सेल्सियस), बिना दरार के बड़े, तीव्र तापमान परिवर्तन से गुजरने की इसकी उल्लेखनीय क्षमता के लिए जिम्मेदार है (थर्मल शॉक देखें)।

170 एनएम पर केंद्रित फ्लैशट्यूब में यूवी प्रकाश की अत्यंत तीव्र पल्स से जुड़े क्वार्ट्ज में फॉस्फोरसेंस

फ़्यूज़्ड क्वार्ट्ज तीव्र यूवी रोशनी के तहत स्फुरदीप्ति और सौर्यीकरण (भौतिकी)भौतिकी) (बैंगनी मलिनकिरण) के लिए प्रवण होता है, जैसा कि अक्सर फ़्लैशट्यूब में देखा जाता है। यूवी ग्रेड सिंथेटिक फ्यूज्ड सिलिका (एचपीएफएस, स्पेक्ट्रोसिल और सुप्रासिल सहित विभिन्न व्यापारिक नामों के तहत बेचा जाता है) में धातु की अशुद्धता की मात्रा बहुत कम होती है जो इसे पराबैंगनी में अधिक पारदर्शी बनाती है। 1 सेमी मोटाई वाले एक ऑप्टिक में 170 एनएम की तरंग दैर्ध्य पर लगभग 50% संप्रेषण होता है, जो 160 एनएम पर केवल कुछ प्रतिशत तक गिर जाता है। हालाँकि, इसका अवरक्त संचरण 2.2 μm और 2.7 μm पर मजबूत जल अवशोषण द्वारा सीमित है।

इन्फ्रारेड ग्रेड फ़्यूज्ड क्वार्ट्ज़ (व्यापार नाम इन्फ़्रासिल, विट्रेओसिल आईआर, और अन्य), जो विद्युत रूप से फ़्यूज्ड है, में धात्विक अशुद्धियों की अधिक उपस्थिति होती है, जो इसकी यूवी संप्रेषण तरंगदैर्घ्य को लगभग 250 एनएम तक सीमित करती है, लेकिन पानी की मात्रा बहुत कम होती है, जिससे उत्कृष्ट इन्फ्रारेड ट्रांसमिशन होता है। 3.6μm तरंगदैर्घ्य तक। पारदर्शी फ्यूज्ड क्वार्ट्ज/फ्यूज्ड सिलिका के सभी ग्रेडों में लगभग समान यांत्रिक गुण होते हैं।

अपवर्तक सूचकांक

फ़्यूज्ड क्वार्ट्ज़ के फैलाव (प्रकाशिकी) का अनुमान निम्नलिखित सेलमीयर समीकरण द्वारा लगाया जा सकता है:

$\varepsilon =n^{2}=1+{\frac {0.6961663\lambda ^{2}}{\lambda ^{2}-0.0684043^{2}}}+{\frac {0.4079426\lambda ^{2}}{\lambda ^{2}-0.1162414^{2}}}+{\frac {0.8974794\lambda ^{2}}{\lambda ^{2}-9.896161^{2}}},$

जहां तरंग दैर्ध्य $\lambda$ माइक्रोमीटर में मापा जाता है. यह समीकरण 0.21 और 3.71 μm के बीच और 20°C पर मान्य है।6.7 μm तक तरंग दैर्ध्य के लिए इसकी वैधता की पुष्टि की गई थी। साहित्य में 30 एनएम से 1000 माइक्रोन तक की वर्णक्रमीय सीमा पर रिपोर्ट किए गए फ्यूज्ड क्वार्ट्ज के जटिल अपवर्तक सूचकांक के वास्तविक (अपवर्तक सूचकांक) और काल्पनिक (अवशोषण सूचकांक) भागों के प्रायोगिक डेटा की समीक्षा कितामुरा एट अल द्वारा की गई है।और ऑनलाइन उपलब्ध हैं।

इसकी 67.8 की उच्च एब्बे संख्या इसे दृश्यमान तरंग दैर्ध्य पर सबसे कम फैलाव (ऑप्टिक्स) चश्मे में से एक बनाती है, साथ ही दृश्यमान (एन) में असाधारण रूप से कम अपवर्तक सूचकांक रखती है।_d= 1.4585). ध्यान दें कि फ्यूज्ड क्वार्ट्ज में क्रिस्टलीय क्वार्ट्ज की तुलना में बहुत अलग और कम अपवर्तक सूचकांक होता है जो अपवर्तक सूचकांकों के साथ द्विअर्थी होता है।_o= 1.5443 और एन_e= 1.5534 समान तरंगदैर्घ्य पर। हालाँकि इन रूपों का रासायनिक सूत्र एक ही है, लेकिन उनकी अलग-अलग संरचनाओं के परिणामस्वरूप अलग-अलग ऑप्टिकल और अन्य भौतिक गुण होते हैं।

भौतिक गुणों की सूची

• घनत्व: 2.203 ग्राम/सेमी³
• खनिज कठोरता का मोह स्केल: 5.3-6.5 (मोह स्केल), 8.8 पास्कल (इकाई)
• अंतिम तन्यता ताकत: 48.3 पास्कल (इकाई)
• संपीड़न शक्ति: > 1.1 GPa
• बल्क मापांक: ~37 जीपीए
• कतरनी मापांक: 31 जीपीए
• यंग का मापांक: 71.7 जीपीए
• पॉइसन का अनुपात: 0.17
• लेमे पैरामीटर|लैमे लोचदार स्थिरांक: λ = 15.87 जीपीए, μ = 31.26 जीपीए
• थर्मल विस्तार#थर्मल विस्तार का गुणांक: 5.5×10⁻⁷/K (औसत 20–320 °C)
• थर्मल चालकता: 1.3 W/(m·K)
• हीट क्षमता#व्यापक और गहन मात्रा: 45.3 J/(mol·K)
• नरम बिंदु: ≈ 1665 °C
• एनीलिंग (ग्लास): ≈ 1140 °C
• एनीलिंग (ग्लास): 1070°C
• विद्युत प्रतिरोधकता और चालकता: > 10¹⁸Ω·m
• सापेक्ष पारगम्यता: 3.75 20°C 1 मेगाहर्ट्ज पर
• प्रसार स्थिरांक#क्षीणन स्थिरांक: 20°C 1 मेगाहर्ट्ज पर 0.0004 से कम, आमतौर पर 6×10⁻⁵10 गीगाहर्ट्ज़ पर
• ढांकता हुआ ताकत: 20 डिग्री सेल्सियस पर 250-400 केवी/सेमी
• चुंबकीय संवेदनशीलता: −11.28×10^-6 (एसआई, 22 डिग्री सेल्सियस)
• हैमेकर स्थिरांक: ए = 6.5×10⁻²⁰जे.
• सतह तनाव: 1800-2400°C पर 0.300 N/m
• अपवर्तनांक: n_d = 1.4585 (587.6 एनएम पर)
• तापमान के साथ अपवर्तनांक में परिवर्तन: 1.28×10⁻⁵/K (20–30°C)*तनाव-ऑप्टिक गुणांक: पी₁₁ = 0.113, पृ₁₂ = 0.252.
• अब्बे संख्या: वीडी = 67.82

यह भी देखें

• विकोर
• तरल पदार्थ और ग्लास की संरचना
• क्वार्टज़ फाइबर

बाहरी संबंध

• "Frozen Eye to Bring New Worlds into View" Popular Mechanics, June 1931 General Electrics, West Lynn Massachusetts Labs work on large fuzed quartz blocks