logo

logo

logo

logo

logo

الأشعة تحت الحمراء

اشعه تحت حمراء

Infrared rays - Rayons infrarouges

 الأشعة تحت الحمراء

الأشعة تحت الحمراء

كواشف الأشعة تحت الحمراء
مطيافية الأشعة تحت الحمراءinfrared spectroscopy
مُصوِّرات الأشعة تحت الحمراء المحمولة

 

 

الأشعة تحت الحمراء infrared rays هي إشعاعات كهرطيسية تقع أطوال أمواجها بين نحو 1 مكرومتر و1 مليمتر، فهي ذات أطوال أمواج أكبر من أطوال أمواج الضوء المرئي، ولا يمكن رؤيتها بالعين المجردة. وقد اكتشفها ويليام هرشل William Herschel عام 1800 في أثناء قياس درجة حرارة الألوان المختلفة للطيف المرئي باستعمال موشورٍ لكسر refracte ضوء الشمس على مقياس حرارة زئبقي (الشكل1)؛ إذ لاحظ ازدياد درجة حرارة مقياس الحرارة عند تحريكه من الأزرق نحو الأحمر، وعندما وضع مقياس الحرارة - من غير قصد - بعد منطقة الطرف الأحمر للطيف المرئي؛ لاحظ ازدياد درجة الحرارة أيضاً، وأطلق على هذا الضوء اللامرئي اسم «تحت الأحمر».

الشكل(1): تجربة ويليام هرشل التي أدت إلى اكتشاف الأشعة تحت الحمراء

بما أن التقنيات والمواد المُستعملة لتجميع الأشعة تحت الحمراء ومحرقتها وكشفها وإظهارها مختلفة عن تلك المُستعملة في الضوء المرئي؛ ولأن تطبيقات الأشعة تحت الحمراء مختلفة تماماً فقدظهرت تقنية خاصة بهذه الأشعة infrared technique.

تُقسم الأشعة تحت الحمراء إلى ثلاث مناطق وفقاً للسويات الطاقية الذرية والجزيئية التي يمكن دراستها وللتقنيات التجريبية، وهي:

المنطقة الأولى: هي منطقة تحت الأحمر القريب near-infrared ، من4000 حتى 12500 cm-1 (أطوال أمواجها بين 0.8mm و2.5mm)، وفيها يُمكِن للأشعة أن تثير الاهتزازات الجزيئية في الجزيئات والبلورات؛ إضافةً إلى الانتقالات الإلكترونية صغيرة الطاقة. وتُستعمل مصابيح التنغستين-هالوجين ذات الغلاف الكوارتزي لتوليد هذه الأشعة.

المنطقة الثانية: هي منطقة تحت الأحمر المتوسط mid-infrared ، من200 حتى 4000 cm-1 (أطوال أمواجها بين 2.5mm و50mm)، وفيها تظهر معظم اهتزازات الشد stretching والانحناء bending الأساسية في الجزيئات. وتُستعمل منابع الجسم الأسود لتوليد هذه الأشعة.

المنطقة الثالثة: هي منطقة تحت الأحمر البعيد far-infrared، من10 حتى 200 cm-1 (أطوال أمواجها بين 50mm و1000mm وهي توافق الانتقالات الدورانية في الجزيئات الغازية، وتظهر فيها بعض اهتزازات الانحناء والفتل منخفضة التردد وأنماط الشبكة lattice modes في الأجسام الصلبة. أما المنبع الذي يولد هذه الأشعة عادةً فهو إصدار البلازما من قوس زئبقية عالية الضغط.

كواشف الأشعة تحت الحمراء

لا تفيد أفلام التصوير العادية في معظم طيف الأشعة تحت الحمراء، لأن استجابة هاليد الفضة في الفيلم - حتى عند معالجته معالجةً خاصةً - حساسة حتى قرابة 1.2 mm، لذا تستعمل أنظمة الأشعة تحت الحمراء كواشف عنصرية elemental أو مصفوفات array منها، ويمكن تصنيف كواشف الأشعة تحت الحمراء هذه في صنفين: كواشف حرارية تعتمد على الأثر الحراري للإشعاع: مثل كواشف الإشعاع الحراري bolometers والمزدوجات الكهرحرارية للإشعاع، وكواشف ضوئية (كمومية) تعتمد على التفاعل (فوتون-إلكترون)؛ وهي الخلايا الناقلة ضوئياً photoconductive cells والفوتوڤولطائية (الثنائيات الضوئية).

يمكن للاضطرابات الحرارية للشبكة البلورية أن تولِّد إصداراتٍ تلقائية في مجال الأشعة تحت الحمراء، لذلك تُبرَّد معظم كواشف الأشعة تحت الحمراء إلى درجات حرارة تقع بين 10K إلى 100K. لا يؤثر ذلك في سرعة استجابة الكواشف الضوئية، ولكنها تُبطئ الكواشف الحرارية، وهذه الأخيرة تُبرَّد أحياناً لأنها تستجيب عموماً للتغير النسبي في درجة الحرارة، إذ يؤدي تغير مطلق طفيف إلى تغير نسبي كبير في درجات الحرارة المنخفضة، كما أن الضجيج الحراري يكون أصغر في درجات الحرارة المنخفضة. ومنذ أواسط الثمانينيات - ومع تطور الدارات المتكاملة - أصبح ممكناً إنتاج مصفوفات من كواشف الأشعة تحت الحمراء، وتتكون هذه المصفوفات حالياً من 2048x2048 عنصراً (4 ملايين كاشف في عنصر واحد).

المشكلة الرئيسة في الكواشف الحرارية هي استجابتها لأي منبع حراري وليس فقط للأشعة الكهرطيسية المراد قياسها؛ مما يجعل تصميمها وبناءها واستعمالها صعباً.

-العنصر الأساسي في الكاشف الحراري هو شريحة من مادة لها خاصَّة كهربائية تتغير مع درجة الحرارة، وغالباً ما تكون المقاومة الكهربائية. وعندما تمتص الشريحة طاقة الأشعة الواردة، فإن درجة حرارتها ترتفع ومن ثم تتغير مقاومتها الكهربائية. تُحوِّل دارة كهربائية هذا التغير في المقاومة إلى تغيرٍ في الڤولطية، يُمكن تضخيمه وقراءته باستعمال أجهزة مختلفة؛ تقليدية في غالب الأحيان. يستجيب كاشف الإشعاع الحراري للإشعاع في مجالٍ طيفي واسع؛ لأنه يستعمل الأثر الحراري للفوتونات.

اخترع لانغلي S. P. Langley هذا الكاشف عام 1880، وقد استعمل شريطاً رقيقاً من البلاتين المُسَوَّد blackened عنصراً حسَّاساً، وما زالت تستعمل أشرطة مماثلة وأسلاك رقيقة حتى اليوم، ولكن الحاجة إلى تحسين الأداء استدعى استعمال مواد ذات معامل درجة حرارة أكبر مثل أنصاف النواقل وخلائط من أكاسيد النيكل والكوبالت والمنغنيز (مواد المقاومات الحرارية thermistors)؛ والجرمانيوم المشوب بالغاليوم Ge:Ga أو الإنديوم Ge:In ؛ وأنتموان الإنديوم InSb . تستعمل هذه الكواشف في مجال تحت الأحمر القريب.

ويمكن أن يكون الكاشف مزدوجات كهرحرارية خاصة للإشعاع radiation thermocouples موصولة على التسلسل، فيتولّد ڤولطية نتيجة امتصاص الأشعة الواردة على نصف الوصلات فقط، مما يسبب ارتفاع درجة حرارتها؛ ومن ثمَّ نشوء ڤولطية بين الوصلات الباردة والساخنة لهذه المزدوجات. تستعمل هذه الكواشف في مجال تحت الأحمر المتوسط والبعيد.

أما الكواشف الضوئية (الكمومية) فإنها تُصنَّع من أنصاف النواقل، تعتمد على تحريض الإلكترونات من قطاع (عصابة) التكافؤ إلى قطاع الناقلية لتصبح حرة الحركة. يُحدِّد فرق الطاقة بين هذين القطاعين، الطاقة الدنيا للفوتون الوارد اللازمة لتحريض الإلكترونات. يُسمى هذا الفعل الأثر الكهرضوئي الداخلي. تُسمى المواد التي لها بنية قطاعات طبيعية ملائمة «ذاتية» intrinsic، في حين تُسمى المواد التي تُطَعَّم بالشوائب للحصول على سويات أو قطاعات طاقية ملائمة «لاذاتية» extrinsic. يُعطى أكبر طول موجة يمكن كشفه بالعلاقة (1):

الوصف: الوصف: الوصف: 11126.jpg

حيث Eexcit طاقة التحريض بالإلكترون ڤولط. يبين الجدول (1) مميزات بعض مواد الكواشف.

الجدول (1)

المادة

درجة حرارة العمل (K)

λ cutoff (mm)

Si

295

1.11

Ge

295

1.85

InSb

77

5.4

HgCdTe *

77

2.5

Si:As

5

23

Ge:Ga

-

115

Ge:Ga(مُجهَد stressed)

-

>200

كلما كانت الفجوة الطاقية أصغر (λ cutoff أكبر)؛ يزداد احتمال توليد إلكترونات حرة بالتحريض الحراري أكبر، لذلك يجب زيادة تبريد كواشف الأشعة الحمراء التي تعمل في مجال الأطوال الموجية الأكبر عن تلك التي تعمل في مجال الأطوال الموجية الأصغر، كما هو مبين في الجدول (1).

يمكن تعديل الفجوة الطاقية لـ HgCdTe في مجالٍ واسع بتغيير تركيبه.

تتميز الكواشف بمردودها الكمومي (نسبة عدد الإلكترونات المتولدة ضوئياً التي جرى تجميعها إلى عدد الفوتونات الواردة) وخطيَّتها وزمن استجابتها وتيار الظلام.

يمكن أن تسبب الإلكترونات المحررّة تغير الناقلية الكهربائية لمادة الناقل الضوئي بسبب تعرضها للضوء؛ نتيجة التفاعل (إلكترون- فوتون) في مادة الكاشف، ومن ثمَّ يُحوَّل هذا التغير إلى تغيرٍ في الڤولطية. وتسمى الأداة التي تستعمل هذه الخاصة الخلية الناقلة ضوئياً photoconductive cell.

توصل الخلية عند تشغيلها على التسلسل مع منبع كهربائي ومقياس للتيار، أو على التسلسل مع منبع كهربائي ومقاومة. تكون شدة التيار في الحالة الأولى، وهبوط الڤولطية عبر المقاومة التسلسلية في الحالة الثانية؛ مقياساً لشدة الفوتونات. من سلبيات هذا النوع من الكواشف؛ الحاجة إلى تمرير تيار فيها، مما يؤدي إلى نشوء ضجيج يتغير طيف استطاعته بمثل 1/f حيث f تردد القياس. يُسمى هذا النوع من الضجيج flicker أو ضجيج 1/f، ويمكن تقليله باختيار مناسب لنوع التماس وتقنية اللحام، لأنه يظهر عندما تتلامس السطوح بعضها مع بعض.

تُصنع الخلايا الناقلة ضوئياً من عددٍ من المواد نصف الناقلة البلورية أو متعددة البلورات. قد تكون هذه المواد عنصرية مثل الجرمانيوم، أو ثنائية مثل كبريت الرصاص، أو ثلاثية مثل تلورايد الكادميوم والزئبق HgCdTe .... عند تطعيم هذه المواد تُختار الشوائب بحيث تُولِّد سويات أو قطاعات طاقية تحت قطاع الناقلية عند سويةٍ ملائمة لمجالٍ معينٍ من طاقات الفوتونات تحت الحمراء. تستعمل هذه الكواشف لكشف الأشعة تحت الحمراء التي يزيد طول موجتها على 5mm. يتعلق اختيار الشوائب أيضاً بامتصاصية المُركَّب عند طول الموجة المراد كشفها وبتيار الظلام الحراري الذي تولده.

يمكن أن تسبب الإلكترونات المحررّة تياراً كهربائياً - نتيجة التفاعل (إلكترون- فوتون) في مادة الكاشف - قابلاً للقياس باستعمال ثنائيات المساري الضوئية photodiodes. وقد استعملت هذه التقنية - بعد تطوير تقانة السليكون المستوية planar في الإلكترونيات الصغرية (المكروية) microelectronics - لتصنيع ثنائيات مساري ضوئية مستوية تعتمد على الأثر الكهرضوئي الداخلي في السليكون وغيره من المواد نصف الناقلة (الشكل2). تتولد في هذه العناصر أزواج من الإلكترونات والثقوب نتيجة امتصاص الأشعة، ثم يجري فصلها بوساطة الحقل الداخلي الموجود في الوصلة بين المنطقتين +p وn، مما يؤدي إلى توليد تيار كهربائي عند وجود حمل بين المسريين الكهربائيين أو عند قصرهما. تتميز هذه الكواشف بتكلفتها المنخفضة وبحساسيتها العالية التي تُمكِّنها من قياس شدَّات منخفضة للإشعاع (ما عدا الشدَّات الضعيفة جداً التي تتطلب استعمال المُضاعفات الضوئية photomultipliers). يُفضل تشغيل هذه الكواشف من دون تطبيق أي جهد - في دارة تغذية خلفية feedback - لتجنب الضجيج 1/f، وعموماً فإن الكواشف المُكوَّنة من عنصر واحد محدودة بمميزات ضجيج دخل ترانزستورات الأثر الحقلي التي تُضخِّم إشاراتها. وعادةً يُحصل على أداء ضجيج أفضل باستعمال مصفوفات من الكواشف بدلاً من الكواشف العنصرية، والسبب الرئيس في ذلك أن العناصر في المصفوفة أصغر أبعاداً، ومن ثمَّ لها سعة كهربائية صغيرة، مما يُعطي جهد خرج أكبر لكل إلكترون؛ يتغلب على ضجيج الإظهار readout.

الشكل (2): مبدأ عمل ثنائي المساري الضوئي: يؤدي فصل أزواج الإلكترونات والثقوب التي تولدها الفوتونات بوساطة الحقل الداخلي للوصلة pn إلى جريان تيار كهربائي في الدارة الخارجية عبر مسريي الثنائي.

التطبيقات الصناعية والعلمية

تُستعمل تقنية الأشعة تحت الحمراء في التطبيقات العسكرية والطبية والصناعية والزراعية والكيميائية وفي الأرصاد الجوية وغيرها، كما يزداد استعمال هذه التقنية في تطبيقات الحياة اليومية مثل التحكم عن بعد بأجهزة التلفاز والڤيديو وتبادل المعطيات بين الهواتف الخَلوية وفي الحواسيب.

مطيافية الأشعة تحت الحمراء infrared spectroscopy

هي الدراسة الطيفية لتفاعل المادة مع الأشعة تحت الحمراء. تعتمد هذه التقنية على اهتزازات الذرات والجزيئات. ويُحصل عادةً على طيف امتصاص الأشعة تحت الحمراء لمادةٍ ما بتمرير هذه الأشعة خلال العينة، ومن ثم تحديد قمم الامتصاص من الأشعة الواردة عند طاقات (طول موجة) مُحدَّدة. وتقابل الطاقة التي تظهر عندها أي قمة في طيف الامتصاص تردد اهتزاز جزء من جزيئة العينة. يعدّ طيف الامتصاص «بصمة» للمادة، لذلك تستعمل هذه التقنية أداة أساسية في التحليل الكيميائي سواء كانت المادة سائلة أم صلبة أم غازية. تكمن المشكلة الرئيسة في إيجاد طيف المادة الذي يوائم matche المادة المجهولة. وقد استُعمِلت العناصر المُبدِّدة (مثل شبكات الانعراج) للحصول على طيف الأشعة تحت الحمراء. ومنذ عقود بدأ استعمال طريقة مختلفةٍ تماماً للحصول على هذا الطيف، حلَّت محل العناصر المُبدِّدة، ونشأ ما يُسمى مطياف تحت الأحمر بمحوّلة فورييه Fourier transform infrared spectrometer (FTIR)؛ الذي يعتمد تداخل حزمتين من الإشعاع مما يؤدي إلى مخطط انعراج interferogram. ينتج هذا الأخير بسبب فرق المسير بين الحزمتين. يمكن التحويل من فضاء المسافات إلى فضاء الترددات - والعكس صحيح - بطريقة رياضية هي تحويل فورييه. وعلى سبيل المثال فإن الشكل (3) يبيّن طيف امتصاص الأشعة تحت الحمراء لحمض اللبن.

الشكل (3): طيف امتصاص الأشعة تحت الحمراء لحمض اللبن.

الأرصاد الجوية

تستعمل سواتل الطقس كاميرات الأشعة تحت الحمراء لرسم خرائط أنماط patterns الغيوم. تُصدر المواد التي تقع درجة حرارتها بين 200 و 300K مقادير كبيرة من الأشعة تحت الحمراء، ولكنها ليست ساخنة إلى درجة تُصدر فيها ضوءاً مرئياً. تبلغ درجة حرارة الأرض 300K تقريباً، في حين تكون الغيوم المرتفعة أبرد (قرابة 250K)، فإذا وضع كاشف للأشعة تحت الحمراء في ساتل متزامن المدار؛ فيمكنه بسهولة تَحسُس هذه الفروقات وإعطاء صورة عن أنماط درجات الحرارة هذه.

التطبيقات العسكرية والفضائية

لعلَّ أكثر التقنيات العسكرية المعروفة هي سايدويندر Sidewinder للصواريخ جو-جو؛ التي تكشف الإشعاع الصادر عن الغازات المنطلقة من الطائرات النفاثة، وكذلك الأنظمة المحمولة جواً التي تكشف من مسافات بعيدة الإشعاع الصادر بكمية كبيرة عن إطلاق الصواريخ العابرة للقارات. كما استعملت أنظمة الأشعة تحت الحمراء لضمان استقرار stabilizing السواتل بتحسُّس الأفق الأرضي، وفي تطبيقات الرؤية الليلية وفي كشف الغازات.

مُصوِّرات الأشعة تحت الحمراء المحمولة

استعملت مُصوِّرات imagers الأشعة تحت الحمراء المحمولة جواً لتحديد مواضع أطراف المناطق المشتعلة في حرائق الغابات؛ فالأشعة ذات الأطوال الموجية الأطول - في طيف الأشعة تحت الحمراء الصادر - أفضل اختراقاً للدخان من الضوء المرئي، ومن ثمَّ يمكن تحديد أطراف الحرائق.

الاتصالات اللاسلكية

في الاتصالات اللاسلكية بالأشعة تحت الحمراء يرسل ثنائي مصدر للضوء LED أو ثنائي ليزري نبضات من الأشعة، يستقبلها كاشف ضوئي، لتتم معالجتها واستخلاص المعلومات التي تتضمنها. فيما يلي بعض تطبيقات الاتصالات اللاسلكية بالأشعة تحت الحمراء:

-أجهزة الاتصالات augmentative.

-أنظمة قفل السيارات car locking.

-الحواسيب ( الفأرة و لوحة المفاتيح).

-أنظمة الملاحة.

تتميز تقانة الأشعة تحت الحمراء بوصفها وسيلة اتصالات لاسلكية بمزايا عديدة ومهمة ، أهمها:

-استهلاك طاقة صغير: فهي بالتالي مثالية للحواسيب المحمولة والهواتف.

-تكلفة الدارات الإلكترونية منخفضة: 2-5$ لكامل دارات الترميز/فك الترميز.

-بساطة الدارات: لا يلزم عتاد hardware خاص أو له حق ملكية، ويمكن تضمينها في الدارة المتكاملة للمنتج.

-أمان أعلى: تمنع اتجاهية directionalityالحزمة تسرب المعطيات إلى الأجهزة القريبة عند إرسالها.

-محمولة.

-مناعة عالية للضجيج: لا يوجد تداخل مع الإشارات الصادرة عن الأجهزة الأخرى.

أما أهم سلبيات هذه التقنية فهي:

-خط النظر: يجب أن تكون المرسلات والمستقبلات متراصفة تقريباً (يمكن أن يرى الواحد منها الآخر).

-صدُّها بالمواد الشائعة: يُمكن للناس والجدران والنباتات.. أن تصُدَّ الإرسال.

-المدى القصير: ينخفض الأداء عند المسافات الطويلة.

-حساسيتها للضوء والطقس: يمكن لضوء الشمس المباشر والمطر والضباب والغبار والتلوث أن يؤثر في الإرسال.

-السرعة: سرعة إرسال المعطيات أقل من الإرسال السلكي العادي.

 

خالد المصري

 

 

مراجع للاستزادة

-Encyclopedia of Science & Technology, McGraw-Hill, volumes 3, 9, 13, 15. 2007.

-I. S. Glass, Handbook of Infrared Astronomy, Cambridge University Press, 1999.

-Barbara Stuart, Infrared Spectroscopy: Fundamentals and Applications, John Wiley & Sons, Ltd., 2004.

 

 

 


التصنيف : الضوء والأطياف
النوع : الضوء والأطياف
المجلد: المجلد الثاني
رقم الصفحة ضمن المجلد :
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 542
الكل : 27461891
اليوم : 71928