مقياس الطيف
مقياس الطيف (السبكترومتر) spectrometer وراسم الطيف spectrograph جهازان يقومان بتبديد الضوء 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.
| مقياس الطيف | |
|---|---|
 | |
| أسماء أخرى | راسم الطيف |
| أشياء ذات صلة | Mass spectrograph |
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
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.
بفرض أن عرض شق الدخول صغير جداً، فإن صورته على الصفيحة الحساسة للضوء سيكون لها بعداً معيناً بسبب الانعراج 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، فإن قدرة فصل الراسم تعطى بالعلاقة ، حيث e هو عرض قاعدة الموشور، و هو مشتق قرينة انكسار الموشور بالنسبة إلى طول الموجة.
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 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 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 المگنزيوم لتستخدم في المجال 100-200 نانومتر. وتستخدم شبكات محفورة على البلاتين لأطوال موجية تراوح بين 50 و100 نانومتر.
خصائص مقاييس الطيف
يمثل 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.
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. 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.[1]
استخدامات
تستخدم مقاييس الطيف لفحص مجال واسع من المواد. فعلماء الكيمياء الصناعية يستخدمون هذه الآلات للكشف عن الشوائب في الفولاذ و السبائك الفلزية الأخرى. وتساعد مقاييس الطيف علماء الفلك في دراسة التركيب الكيميائي للنجوم. وتستخدم كذلك في تمييز المواد الكيميائية التي يتم العثور عليها في مسرح أي جريمة، وللكشف عن أي ملونات مائية أو هوائية.
يحفظ مقياس الطيف النموذجي في وعاء يحجب الضوء الذي لا ترغب دراسته. ويدخل الضوء عن طريق فتحة دخول ضيقة ويمر عبر عدسة متسامتة أو عدسة تسديد. وتحول هذه العدسة الضوء إلى حزمة من الأشعة الضوئية المتوازية. ويمر الضوء المتوازي بعد ذلك من خلال منشور حيث يتم تفريقه إلى ألوان الطيف. وتركز عدسة أخرى الضوء في فتحة الخروج. ولا يمكن لأكثر من لون واحد للضوء المرور عبر هذه الفتحة في وقت واحد. ولهذا فإن المنشور (الموشور) يجب أن يدار لجلب مزيد من الألوان لتخرج من الفتحة حتى يتم فحص ألوان الطيف بأكملها. ويسجل مقياس دائري زاوية المنشور الذي يمكن بوساطته تحديد طول موجة الضوء.
وبعض مقاييس الطيف بها مرآة مسطحة تسمى محززة أو مصبعة الحيود بدلاً من المنشور. وسطح المحززة به خطوط لآلاف من الحيود الضيقة المتوازية. وعند اصطدام الضوء بالمحززة تنتشر الحزمة المتوازية للضوء على شكل ألوان الطيف.انظر: الحيود.
الأنواع
وتوجد أنواع عديدة من مقاييس الطيف. فالمطياف (منظار الطيف) به تلسكوب للمشاهدة العينية للطيف. ويصور مرسمة الطيف بتسجيل صورته على لوح تصويري مصقول. ويفحص المضواء الطيفي الطيف ويقيس لمعان كل لون من ألوانه. والكثير من مقاييس الطيف بها أنبوب مضاعف الضوء الذي يحول الضوء إلى إشارات كهربائية.
أنظر أيضاً
- List of light sources
- Photometry (optics) Main Photometry/Radiometry article - explains technical terms
- Spectroscopy
- Mass spectrometer
المصادر
قائمة المراجع
- J. F. James and R. S. Sternberg (1969), The Design of Optical Spectrometers (Chapman and Hall Ltd)
- James, John (2007), Spectrograph Design Fundamentals (Cambridge University Press) ISBN 0521864631
- Browning, John (1882), How to work with the spectroscope : a manual of practical manipulation with spectroscopes of all kinds
- Palmer, Christopher, Diffraction Grating Handbook, 6th edition, Newport Corporation (2005). [1]
وصلات خارجية
- Grating Monochromator and Spectrographs
- Optical systems using plane gratings
- Optical systems using concave gratings
- The Optics of Spectroscopy Tutorial
- How to design a spectroscope
- A CD spectrometer Build from CD and cereal box - Spectrographs of common light sources
- Supplement: Build Yourself a Simple Hand-Held Spectrograph Sample spectra
- SPECTROSCOPY FOR THE SCHOOL Build a simple spectroscope from a CD
- CD spectrometer CD + cardboard tube or cereal box
- Building a simple spectroscope. Construction photos, razor-blade slit
- MiniSpectroscopy displays a visual representation (a "spectroscope view") of a sample spectrum simultaneously with a graphical (intensity vs. wavelength) representation.
- ^ محمد بهاء الصوص. "مقياس الطيف وراسم". الموسوعة العربية.