مقياس الطيف وراسم الطيف

مقياس طيف راسم طيف

Spectrometer and spectrograph - Spectromètre et spectographe

مقياس الطيف وراسم

مقياس الطيف spectrometer وراسم الطيف spectrograph جهازان يقومان بتبديد الضوء[ر: تبدد الضوء وامتصاصه] للحصول على طيفه وتسجيله. تُستخدم هذه الأجهزة لتحصيل معلومات متنوعة عن مصدر الضوء أو عن خصائص الطريق الذي يسلكه وذلك بتسجيل تفاصيل التوزع الطيفي للضوء، وتسمح هذه المعلومات بتحديد شدة إصدار منبع ضوئي أو امتصاص مادة وفق أطوال الموجات الضوئية الممتصة. يتمثل المستقبِل في راسم الطيف بصفيحة تصوير حساسة للضوء تتناسب استجابتها مع توزع الإضاءة الواردة، في حين يكون المستقبِل في مقياس الطيف كاشفاً كهرضوئياً.

من أهم ما يميز محلل الطيف قدرته على التمييز بين طولين موجيين متجاورين، يُرمز بـ Δλ لأصغر فرق بين طولين موجيين يمكن التمييز بينهما، وتعرّف قدرة فصل الجهاز (أو مَيْزه) resolution عند الطول الموجي λ بالمقدار:

ينبغي أن يتحسس مقياس الطيف أو راسم الطيف لخطوط طيفية منخفضة الشدة، وتتميز هذه الأجهزة بالإضاءة luminosity، وهي مقدار يتناسب طرداً مع استضاءة صفيحة التصوير الحساسة في حالة راسم الطيف، أو مع التدفق الفوتوني الوارد على الكاشف في حالة مقياس الطيف.

تترافق الإشارة في مثل هذه الأجهزة مع الضجيج، ويكون منشأ الضجيج من الإشارة الضوئية الواردة أو من الكاشف المستخدم في الجهاز، ويجب أن تكون نسبة الإشارة إلى الضجيج أكبر ما يمكن. وترتبط مميزات رواسم الطيف - كقدرة الفصل والإضاءة وزمن الاستجابة ونسبة الإشارة إلى الضجيج - بعضها ببعضها الآخر، وهي غير مستقلة ذاتياً إذ إن تحسين إحدى هذه المميزات قد يكون على حساب خسارة في واحدة أو أكثر من المميزات الأخرى.

خصائص رواسم الطيف

يمثل الشكل (1) مخططاً لراسم الطيف. يدخل الضوء إلى الراسم من شق الدخول، ثم تقوم عدسة موجِّهة أو عدة عدسات بجعل الحزمة الضوئية متوازية ليتمكن الوسط المبدد (المؤلف من موشور أو مجموعة مواشير أو شبكة انعراج) من تبديد الضوء على النحو الأنسب، ثم تقوم عدسة جسمية بتبئير الضوء وتشكيل الطيف على صفيحة حساسة للضوء.

	الشكل (1) مخطط راسم الطيف

بفرض أن عرض شق الدخول صغير جداً، فإن صورته على الصفيحة الحساسة للضوء سيكون لها بعداً معيناً بسبب الانعراج[ر] الناتج من أبعاد الوسط المبدد والعناصر البصرية المختلفة. ولكي يمكن التمييز بين طولين موجيين λ وΔλ+ λ يجب أن يكون البعد الطيفي بينهما Δλ أكبر أو مساوياً للبقعة الناتجة من الانعراج لكل منهما. إن قدرة الفصل R0 نظرية، أما عملياً فعندما يكون عرض شق الدخول في غاية الصغر تكون شدة الضوء الوارد إلى الجهاز شبه معدومة وهذا يؤثر سلباً في إضاءته، وعند زيادة عرض شق الدخول لتحسين الإضاءة تزداد أبعاد صورة شق الدخول على الصفيحة الحساسة فتؤثر سلباً في قدرة فصل الجهاز لتصبح R. ويمكن البرهان حسابياً على أنه يمكن الحصول على الحل الأمثل عندما يكون عرض صورة شق الدخول مساوياً لعرض بقعة الانعراج الناجمة عنه، وتُعطى قدرة الفصل في هذه الحالة بالعلاقة R = 0.78R₀. وعندما يؤخذ بالحسبان أن أبعاد الحبيبات الحساسة للضوء g على الصفيحة الضوئية محدودة تراوح بين عشرة إلى خمسين مكروناً؛ فإن أي تفاصيل للصورة ذات أبعاد أصغر من g ستكون مبهمة المعالم، ولا داعي ليكون عرض صورة شق الدخول أو أبعاد الانعراج الناجمة عنه أصغر من g. لهذا فإن اختيار الفتحة المناسبة للعدسة الجسمية، ( a هو عرض الحزمة الضوئية الصادرة عن المبدد وf هو البعد البؤري (المحرقي) للعدسة الجسمية)، بحيث يكون عرض صورة شق الدخول مماثلاً (أو أصغر قليلاً) من g، هو من أهم تفاصيل تصميم راسم الطيف. في هذه الحالة، يمكن البرهان على أن إضاءة الراسم L تتناسب طرداً مع مربع فتحة العدسة الجسمية، في حين أن قدرة فصله R تتناسب عكساً مع هذه الفتحة. يعد المقدار L x R² أحد المقادير المميزة لراسم الطيف ولا يتعلق إلا بقدرة المبدد أو بأبعاد حبيبات صفيحة التصوير.

عند استخدام الموشور مبدداً، كما في الشكل (2)، فإن قدرة فصل الراسم تعطى بالعلاقة ، حيث e هو عرض قاعدة الموشور، و هو مشتق قرينة انكسار الموشور بالنسبة إلى طول الموجة.

	الشكل (2) راسم الطيف المزود بموشور

يجري اختيار مادة الموشور بحيث يكون   أكبر ما يمكن مع الحفاظ على شفافيته الضوئية. ويستعمل زجاج الفلنت عادة في صنع المواشير المستخدمة في المجالين المرئي وفوق البنفسجي، وهذا النوع من الزجاج شفاف حتى 350 نانومتر. ويمكن استخدام الكوارتز الشفاف حتى 200 نانومتر من أجل الأمواج الضوئية الأقصر، إلا أن مادة الكوارتز[ر] هي مادة مضاعفة الانكسار birefringent وقدرة تبديدها أصغر بأربع مرات من الفلنت. وكذلك تُستخدم مادة الفلورين CaF₂ الشفافة حتى 125 نانومتر، ومادة فلوريد الليثيوم الشفافة حتى 105 نانومتر. تصمَّم المواشير عادة بحيث لا تتجاوز زواياها 70 ْ تخفيف الضياعات الناجمة عن الانعكاس على أسطح الموشور. ولا تتجاوز أبعاد الموشور عادة 10 سم لصعوبة الحصول على حجوم كبيرة متجانسة المادة، ويمكن زيادة قدرة تبديد الجهاز باستخدام مجموعة مواشير متتالية.

تُعطى قدرة الفصل R₀ في حالة راسم الطيف المزود بشبكة انعراج (الشكل 3) بالعلاقة R₀ = k x N حيث N هو عدد حزوز شبكة الانعراج، وk هو مرتبة التداخل المستخدمة. ويمكن أن تُستخدم شبكات الانعراج المطلية بالألمنيوم حتى 200 نانومتر، ويمكن حماية شبكة الألمنيوم بطبقة من فلوريد المغنزيوم لتستخدم في المجال 100-200 نانومتر. وتستخدم شبكات محفورة على البلاتين لأطوال موجية تراوح بين 50 و100 نانومتر.

	الشكل (3) راسم طيف وشبكة انعراج

خصائص مقاييس الطيف

يمثل الشكل (4) مخطّط مقياس الطيف. يُلاحَظ أن الفرق بين مقياس الطيف وراسم الطيف يتمثل بتبديل صفيحة التصوير الحساسة للضوء في الراسم بشق للخروج مع كاشف كهرضوئي في المقياس. فإذا كان عرض شق الخروج مساوياً عرض صورة شق الدخول وفي الوقت نفسه أكبر من بقعة الانعراج الناتجة من الجهاز؛ فإن قدرة فصل الجهاز لا تعتمد في هذه الحالة إلا على عرض الشق. وتكون علاقة الإضاءة L بقدرة الفصل R في حالة مقياس الطيف كالآتي: R x L = ثابت، ويعتمد هذا الثابت على خصائص المبدد وعلى عرض شقي الدخول والخروج وعلى شفافية المنظومة.

	الشكل (4) مخطط مقياس الطيف

عند مقارنة مقاييس الطيف المزودة بشبكات انعراج بتلك المزودة بمواشير تكون إضاءة المقياس المزود بشبكة انعراج أكبر منها للمقياس المزود بموشور لدى تساوي قدرة الفصل للجهازين، ويمكن أن تصل النسبة بين إضاءتي الجهازين إلى عشرة؛ يُضاف إلى ذلك أن قدرة فصل المقاييس المزودة بشبكات انعراج تزيد كثيراً على تلك المزودة بمواشير. لهذه الأسباب ولأن تصنيع شبكات الانعراج أصبح سهلاً في الآونة الأخيرة؛ فإن معظم مقاييس الطيف الحديثة تزوّد بشبكات انعراج.

إضافةً إلى المواشير وإلى شبكات الانعراج، يمكن أن تُصنع مقاييس الطيف باستخدام مقاييس التداخل interferometers، لأن ظاهرة التداخل وأبعاد الأهداب الناتجة منها تعتمد على طول الموجة المستخدمة. يتألف مقياس التداخل بيرو - فابري Perot-Fabry المستوي من صفيحتين زجاجيتين متوازيتين لهما قيمة الانعكاسية نفسها. وتعتمد قدرة فصل مقياس الطيف المزود بمقياس التداخل بيرو-فابري على فتحته الضوئية وعلى قيمة انعكاسية صفيحتي مقياس التداخل وعلى دقة تصنيعهما من حيث الاستوائية، ذلك أنه يصعب تصنيع صفيحة زجاجية قطرها 80 مم مستوية بدقة استواء أكبر من . وتتجاوز إضاءة مقياس الطيف المزود بمقياس التداخل بيرو-فابري مئات المرات إضاءة المقياس المزود بشبكة انعراج عند قدرة الفصل نفسها، إلا أن المجال الطيفي للمقياس المزود بمقياس التداخل محدود جداً، ولكن يمكن استخدام عدد من مقاييس التداخل موضوعة على التوالي للحصول على مجال طيفي أوسع.

تتكون مقاييس الطيف التي ذُكرت سابقاً من عدد من العناصر البصرية المتتالية، وتؤثر فتحة كل عنصر منها في إضاءة الجهاز وفي أداء العناصر الأخرى، ولا يصل إلى الكاشف إلا جزء محدود من الحزمة الضوئية الواردة إلى الجهاز، وقد اعتُمدت طريقة تحويل فورييه Fourier في مقاييس الطيف لاستغلال القدر الأكبر من الشدة الضوئية الواردة. يبين الشكل (5) نموذج مقياس الطيف بتحويل فورييه المزود بمقياس تداخل ميكلسون Michelson.

تتحرك المرآة 1 حركة انسحابية منتظمة ويقوم الكاشف الضوئي بتسجيل تغيرات الشدة الصادرة عن المقياس ونقلها إلى الحاسوب لمعالجتها. يمكن البرهان على أن شدة الضوء المقيسة (كتابع للزمن) هي تحويل فورييه للتوزع الطيفي للحزمة الضوئية الواردة. تستخدم هذه الطريقة حالياً في كثير من مقاييس الطيف وخاصة في مجال الأشعة تحت الحمراء فتُسمى Fourier Transform infrared (FTIR)، وهي تسمح بالحصول على دقة فصل عالية جداً باستخدام منابع ضوئية ضعيفة الشدة نسبياً.

محمد بهاء الصوص

الانعراج ـ تبدد الضوء وامتصاصه ـ التداخل ـ الطيف ـ الموشور. 

- W.DEMTRODER, Laser Spectroscopy: Basic Concepts and Instrumentation (Springer 1996).

- A. P. THORNE, Spectrophysics (Chapman & Hall 1974).

التصنيف : الكيمياء و الفيزياء

النوع : علوم

المجلد: المجلد التاسع عشر

رقم الصفحة ضمن المجلد : 304

آخر أخبار الهيئة :

معجم المصطلحات

الأطلس الجغرافي

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية