طريقة صناعة الصابون السائل باحترافية وجودة عالية

أجهزة المطيافية الضوئية | المكونات والأجزاء

• تتشابه المكونات الاساسية لأجهزة التحليل بمطيافية الأصدار والامتصاص والفلورة ، من حيث عملها ومتطلباتها ، إن كانت قد صممت للاشعة فوق البنفسجية او المرئية أو تحت الحمراء ، وتدعى هذه الاجهزة بسبب تشابهها بالاجهزة الضوئية بالرغم من استخدامها في مجالات من الطيف لاتتحسسها العين .
• سنتعرف في هذا المقال على مميزات مكونات جميع الاجهزة الضوئية ، وعلى المواصفات العامة لتصميم الاجهزة وخاصة المستخدمة في مطيافية الامتصاص .

مكونات اجهزة المطيافية

يتالف معظم الاجهزة المطيافية من خمس مكونات :

1. منبع ثابت للطاقة المشعة.
2. منتقي للأطوال الموجية ، يسمح بعزل مجال طول موجي محدد .
3. كاشف أشعة أو لاقط يحول الطاقة المشعة إلى اشارة يمكن قياسها (غالبا كهربائية)
4. معالج إشارة ، ووسيلة قراءة .
5. واحد او اكثر من وعاء العينة.

وسنتحدث عنها بالتفصيل

• نلاحظ في الصورة كيف تتوضع المكونات في أجهزة مطيافية الإصدار والإمتصاص والفلورة ، ونلاحظ ان موضع المكونات 4 و5 هو ذاته لأنواع الاجهزة الثلاثة .
• تختلف أجهزة الاصدار عن النوعين الآخرين بأن المكونين 1 و3 منضمان إلى بعضهما ، حيث أن وعاء العينة هو قوس او شرارة او سطح مسخن او لهب ، فهو يحوي العينة من جانب ويسبب اصدار العينة لأشعة مميزة .
• بالمقابل فإن مطيافية الإمتصاص أو الفلورة تحتاج إل  منبع خارجي للطاقة المشعة ، وخلية كي تحوي العينة .
• نجد في قياسات الامتصاص أن الحزمة تمر من المنبع خلال العينة بعد أجتيازها منتقي الاطوال الموجية (قد يتبادل الموقع في بعض الأجهزة منتقي الاطوال الموجية والعينة ) اما في الفلورة فيقوم المنبع بتحريض العينة كي تصدر أشعة مميزة تقاس على زاوية 90० بالنسبة إلى حزمة المنبع .

نفوذية مختلف مواد مكونات الاجهزة المطيافية

• نلاحظ كما تبين الصورة المرفقة مجالات الشفافية للطيف لمختلف المواد التي تدخل في صناعة النوافذ والعدسات واوعية العينة والمواشير في الاجهزة المطيافية .
• يستخدم زجاج السيليكا العادي بكثرة في اجهزة صممت للأستخدام في المجال المرئي ، بينما وسعت السيليكا المنصهرة و الكوارتز مجال الاجهزة الطيفية حتى 180-200nm في مجال فوق البنفسجي .
• أما مطيافية تحت الحمراء فيلزمها نوافذ وأوعية عينات صنعت من مواد مصقولة مثل كلور الصوديوم وكلور البوتاسيوم او كلور الفضة ، والتي تصبح ضبابية عند أمتصاصها رطوبة الجو ، لذا يجب صقلها بانتظام حتى تصبح صافية مرة أخرى .

أولا - منابع الأجهزة المطيافية

• يلزم مطيافية الإمتصاص والفلورة منبع إشعاعي خارجي تكون شدة أشعته ثابتة وقوية لإجراء الكشف والقياس .
• تتغير شدة إشعاع المنبع أسيا مع الكمون الكهربائي للمزود ، لذا تستخدم منظمات الكمون مع منابع الطيفية .
• يمكن تجنب مشكلة عدم ثبات المنبع بفصم مخرجات المنبع إلى حزمة مرجعية تمر خلال محلول يحوي العينة ، يمكن عندئذ للكاشف أن يلتقط الحزمتين بالتناوب أو يمكن مراقبة الحزمتين في كاشفين متماثلين ، تعطي نسبة شدة الحزمتين معيار تحليلي مستقل عن تذبذبات المنبع .

مصابيح الهيدروجين والديتريوم (المجال فوق البنفسجي)

• ينتج طيف مستمر حقيقي في مجال فوق البنفسجي بالإثارة الكهربائية للديتريوم أوالهيدروجين تحت ضغط منخفض وذلك وفق آلية تتضمن تشكيل جزيئة مثارة (D*2 أو H*2) بامتصاصها لطاقة كهربائية ، وتتفكك هذه الانواع لتعطي ذرتي هيدروجين أو ذرتي ديتريوم بالإضافة إلى فوتون فوق بنفسجي .

يكتب تفاعل الهيدروجين على النحو التالي :

H2 + Ee  ⟶ H*2 ⟶ H' + H" + hν

حيث تمثل  Ee الطاقة الكهربائية التي امتصتها الجزيئة وتكون طاقة العملية كلها :

Ee = EH*2 = EH' +EH" +hv

• تحوي معظم مصابيح فوق البنفسجي الحديثة الديتريوم وهي من نوع الكمون المنخفض حيث يتشكل قوس بين فتيل  مغطاة بالأكسيد ومحماة وقطب معدني .
• تنتج الفتيلة المحماة الكترونات للمحافظة على تيار مستمر عند كمون حوالي 40V ، يلزم منظم للكمون من اجل شدات أشعاعات ثابتة .
• تعطي مصابيح الهيدروجين والديتريوم طيفا مستمرا مفيدا في المجال 375 - 160 nm ، لكن شدة مصباح الديتريوم اكبر من تلك للهيدروجين .

مصابيح فتيلة التنغستين (المجال المرئي وقرب تحت الحمراء)

• يعتبر مصباح فتيلة التنغستين أكثر المنابع الشائعة للأشعة المرئية وقرب تحت الحمراء ، ويقارب توزع الطاقة لهذا المنبع ذلك في الجسم الاسود ، فهو يعتمد على درجة الحرارة حيث تكون حرارة الفتيلة في معظم أجهزة الإمتصاص حوالي 2900K لذا تصدر معظم الطاقة في مجال تحت الاحمر .
• يفيد مصباح فتيلة التنغستين في مجال الطول الموجي بين 320 و 2500 nm وقد حددت قيمته الدنيا بسبب امتصاصها بالحافظة الزجاجية للفتيلة .
• يتغير مخرج الطاقة لمصباح التنغستين مع القوة الرابعة للكمون المستخدم ولذا كان من الضروري الضبط الدقيق للكمون المستخدم وذلك باستعمال محولات كمون ثابت أو منظم كهربائي ، ويمكن كبديل استخدام بطارية 6V تعطي كمونا مستقرا اذا حوفظ عليها بشكل جيد .
• يوجد في مصباح تنغستين /هالوجين كمية صغيرة من اليود ضمن حافظة من الكوارتز ، يسمح الكوارتز بتشغيل الفتيلة عند درجة حرا ة حوالي 3500K والتي تؤدي إلى شدات اعلى ، وتوسع مجال المصباح إلى منطقة فوق البنفسجي .
• عمر مصباح تنغستين /هالوجين أكبر من ضعف ذلك لمصباح تنغستين عادي وذلك لان الأخير يحدد حياته تصعيد التنغستين من الفتيلة بينما يؤدي وجود اليود إلى تفاعل التنغستين المتصعد ليعطي جزيئات WI2 والتي تنتشر عائدة إلى الفتيلة الساخنة حيث تتفكك وتتوضع كذرات تنغستين ، لذا تلقى مصابيح تنغستين /هالوجين استخداما متزايدا في أجهزة المطيافية ، بسبب اتساع مجالها للأطوال الموجية وشدتها الكبيرة ، وحياتها الاطول .

منابع تحت الحمراء

• يتم الحصول على أشعة تحت الحمراء المستمرة من مواد صلبة عاطلة ساخنة.
• فيتألف منبع غلوبار من قضيب كربيد السيليكون أبعاده 5×50mm، تصدر أشعة في المجال 1 إلى 40μm عندما يسخن الغلوبار إلى 1500C بإمرار تيار كهربائي .
• بينما متوهج نرنست هو عبارة عن أسطوانة من أكاسيد الزركونيوم والإيتريوم ذات أبعاد 2×20mm تصدر أشعة تحت الحمراء عندما تسخن إلى درجة حرارة عالية بواسطة تيار كهربائي .

ثانيا - منتقي الأطوال الموجية (عزل مجال طول موجي محدد)

• تجهز الأجهزة المطيافية عادة بأداة تحصر الاشعة المقاسة بحزمة طيفية تمتص او تصدر من العينة .
• تزيد مثل هذه الاداة من أنتقائية وحساسية الجهاز بالإضافة إلى أنه في قياسات الأمتصاص يؤدي ضيق عرض الحزمة إلى أنطباق قانون بير ، لكن يجب أن ندرك أنه ليس من منتقي أمواج قادر على إعطاء أشعة ذات طول موجة وحيد بل سيكون مخرج مثل هذه الأداة مجال من الاطوال الموجية المتلاصقة تدعى بالحزمة ، حيث توزع هذه الأطوال الموجية بشكل تناظري نوعا ما حول طول موجة أسمي .كما نلاحظ في هذا الشكل

• يعرف عرض الحزمة الفعال أو عرض الحزمة لمنتقي أطوال موجية بأنه عرض الحزمة مقدرا بواحدات الطول الموجية عند منتصف أرتفاع القمة ، ونلاحظ في الشكل ان المحور y يمثل النسبة المئوية للنفوذية .
• يختلف عرض الحزمة بشكل كبير بين منتقيي الاطوال الموجية ، فمثلا في مفرق ذو نوعية عالية الجودة له عرض حزمة في المجال المرئي حوالي بضعة أعشار من النانومتر أو اقل بينما يكون لمرشح أمتصاص في المجال نفسه عرض حزمة حوالي 200nm أو اكثر .

يوجد نوعان من منتقي الأطوال الموجية : المرشحات والمفرقات وهما يوفران حزما ضيقة من الأشعة ، ويمتاز المفرق بأن طول الموجة الخارجة يمكن تغييره باستمرار على مجال واسع معتبر من الطيف .

المرشحات

تعمل المرشحات على أمتصاص كل الضوء الساقط عليها ماعدا حزمة محددة من الأطوال الموجية الآتية من المنبع المستمر .

ومن أنواعها :

• مرشحات التداخل : التي تستعمل في الاشعة فوق البنفسجية أو المرئية ويمكن أن يصل مجالها حتى 14μ m في مجال تحت الحمراء ، وهي تعتمد على تداخل ضوئي ليعطي حزمة ضيقة من الاشعة .
• مرشحات الامتصاص : ويقتصر استخدامها على المجال المرئي ، وهي أقل كلفة من مرشحات التداخل واكثر تماسكا .

المفرقات

تتشابه مفرقات الاشعة فوق البنفسجي والمرئي وتحت الأحمر في تكوينها ، حيث توظف جميعها عدسات وشقوق ومرايا ونوافذ وأداة تفريق ، تعتمد صناعة هذه المكونات على مواد مناسبة للمجال الطيفي الذي سيتم التعامل معه .

ثالثا - كاشفات الاشعة والمحولات Transducers

 الكاشف هو أداة تشير إلى وجود بعض التغيرات الفيزيائية ، مثل فيلم التصوير الضوئي الذي يبين وجود أشعة كهرطيسية أو مؤشر الميزان الذي يدل على اختلاف الكتلة ، او مستوى الزئبق في ميزان الحرارة الذي يدل على تغير الحرارة .

المحول هو نوع خاص من الكاشف يحول إشارات مثل شدة الضوء وPH والكتلة والحرارة إلى اشارات كهربائية ، يمكن بعد ذلك تضخيمها وتحويلها إلى أرقام تمثل قيمة الإشارة الاصلية .

وللمحولات نوعان :

أحدهما يستجيب للفوتونات وهي تستخدم في مجال أشعة فوق البنفسجي والمرئي وتحت الأحمر القريب واهم كاشفات الفوتون هي :

1. الانبوب الضوئي
2. انبوب المضاعف الضوئي
3. ديود السيليكون الضوئي
4. الخلايا الفولطية

والنوع الآخر يستجيب للحرارة وهي تستخدم في قياس الاشعة تحت الحمراء وتستخدم أربع انواع من كاشفات الحرارة في مطيافية الاشعة تحت الحمراء وهي :

1. البيل الحراري
2. البولومتر
3. كاشف نيوماتيك
4. الكاشفات الكهرحرارية

رابعا - معالج الإشارة والقارئ

• معالج الأشارة هو عادة أداة الكترونية تضخم الإشارة الكهربائية الاتية من الكاشف ، ويمكن ايضا ان تغير الإشارة من dc إلى ac  وبالعكس أو تغير طور الإشارة
• ويمكنها أيضا ترشيح الإشارة لإزالة المكونات غير المرغوبة .
• يمكن لمعالج الإشارة أن يقوم بعمليات حسابية على الإشارة مثل التفاضل او التكامل أو التحويل إلى لوغاريتم .
• توجد عدة انواع من الأجهزة القارئة في الاجهزة الحديثة مثل المقاييس الرقمية ، وتدريجات مقياس الكمون ، والمسجلات ، وأنابيب الاشعة المهبطية ، وشاشات الكمبيوتر .

خامسا - حاويات العينة

• تدعى حاويات العينة بالخلايا ، تصنع جدرانها من مواد شفافة نحو مجال الاشعة المدروس ، فيستخدم الكوارتز أو السيليكا المنصهرة في مجال فوق البنفسجي (تحت 350nm) ، ويمكن ان يستخدم في المجال المرئي وحتى حوالي 3000nm في مجال تحت الاحمر .
• يستخدم الزجاج السيليسي بسبب رخص سعره في المجال 375 - 3000mm ،كما وجدت خلايا البلاستيك استخداما في المجال المرئي .
• واكثر الخلايا شيوعا في المجال تحت الاحمر هو كلور الصوديوم المبلور .
• تعتمد نوعية معطيات المطيافية على مدى الدقة في تماثل الخلايا وصيانتها ، إذ ان بصمات الاصابع والدهون أو اي توضعات على الجدران تغير من نفوذية جدران الخلايا لذا يجب تنظيفها قبل وبعد الاستعمال ، وتجنب لمس الجدران ، ولايجوز تجفيف الخلايا بوضعها في فرن او على لهب إذ يؤدي ذلك إلى تخريب الصفات الفيزيائية للجدران ويسبب تغيرا في طول ممر الضوء .