الفلاتر

الفلتر  

Filters

الآن يأتي دور الفلتر حيث أن الضوء بعد خروجه من الناخب يمر عبر مجموعة بصرية مؤلفة من عدسات وفلاتر وعواكس شقية من أجل تحديد أكثر لطول الحزمة , تأبير الحزمة وتركيزها قبل اسقاطها على العينة , لا يمتلك مشغل جهاز تحليل الطيف اللوني التحكم كثيرا بالحزمة الضوئية  ماعدا تحديد نوع الفلتر ( أي عرض الحزمة ) في حال كان الجهاز يحوي مجموعة من الفلاتر .يجب أن نتذكر أن وظيفة جهاز تحليل الطيف هي قياس كمية الضوء الممتصة من قبل العينة . ي تحدد كمية الضوء هذه من طريق قانون بيير  المشرزح سابقا , نسبة الناقلية الضوئية هي كمية الضوء المارة بوجود العينة على كمية الضوء المارة بدون وجود العينة , نقول نظريا بأنه على جهاز تحليل الطيف قياس هذه النسبة دون الحاجة إلى فلاتر , ولكن الضوء المار عبر العينة  يجب فلترته حتى نحصل على دقة أكبر عند قياس نسبة الناقلية .   نجمل الإستخدام الأساسي لوجود الفلاتر بأمرين إثنين , الأول :الفلاتر التي تحدد حزمة الأطوال الموجية التي ستعبر إلى العينة وتسمى بالفلاتر ماقبل العينة , والثاني هو الفلتر الذي سيقوم بالتقاط حزمة الضوء النافذة من العينة ,حيث يقوم بجمع الحزمة وتحليلها إلى طيف واسع من خلال موشور يقوم بتحليل الطيف إلى حزم رئيسية ستسقط على كواشف متعددة تقوم بقياس شدة الإضاءة لكل منها, وهذا يسمى بفلتر بعد العينة.

فلاتر ماقبل العينة 

 Pre-Sample Filters (Bender, 1987) 

تقسم إلى قسمين : فلاتر الإمتصاص وفلاتر التداخل.

 فلاتر الإمتصاص : 

 تقوم بامتصاص جميع الأطياف الضوئية ماعدا مجال الطيف المطلوب الذي  سوف يسمح له بالمرور إلى حجرة العينة . تتكون من مجموعة من العدسات الزجاجية. مثلا من اجل مجموعة تحوي عدسة تسمح بمرور جميع الأطياف الضوئية التي طول موجتها اكبر من 400 nm وعدسة ثانية تسمح بمرور جميع الأطياف الضوئية التي طول موجتها أقل من 600 nm  فإن الضوء المار عبر هاتين الزجاجتين المتعاقبتين سيخرج بحزمة محدودة الطيف 400-600 nm وبقمة عظمى عند 500 nm . لذلك عند العودة إلى اجهزة تحليل الطيفالقديمة الصنع نجد مجموعة من الفلاتر المتوضعة على أقراص دائرية الشكل وملونة بواسطة لصاصات بلاستيكية تسمح بمرور الضوء بحيث يكون كل لون متناسب مع مجال الطيف المسموح بمروره , مثلا في حال اختيار الفلتر الأخضر فإن مجال طيف هذا الفلتر سيكون 30-50 nm .رغم ان مجال الطيف المسموح بمروره باستخدام الفلاتر الإمتصاص الأولية يبقى عريضا بعض الشيء ولكنه مناسب جدا من أجل قياس تركيز المركب المطلوب في العينة .

فلاتر التداخل : 

يدخل الضوء إلى حجرة مصنعة من فلورايد المغنسيوم التي تم تغطية سطحها الداخلي بمرايا مكروية الحجم كما هو موضح في الشكل ,يدخل الضوء من الشقوق المتساوية الأبعاد الموجودة في جسم الحجرة ,(فقط الضوء الذي يدخل من الشقوق هو الذي سيتابع بينما يمص جسم الحجرة بقية الحزم الضوئية )يدخل الضوء من الفتحة a الى داخل الحجرة وفق زاوية مع المحور الشاقولي لها , ليصطدم بالجدار الداخلي ويرتد إلى السطح المقابل , إذا كان طول المسار ab  مساو لـ bc وكان طول موجة الضوء المطلوب(أو مضاعفاتها) مساو لطول المسار هذا  عند ذلك سيتداخل الضوء القادم من الخارج ( الذ سيكون على نفس طور وطول الضوء المرتد من b ) عبر الفتحة c مع الضوء القادم من المحور bc ليتضاعف الضوء ويرتد عبر المحور cd إلى النقطة d  في السطح المقابل , تتكر العملية حتى يخرج الضوء من الشق f أو h ( وهو الضوء ذو طول الموجة المطلوب والمعزز طاقيا)

العلاقة التي تجمع بين طول موجة الضوء المطلوب L ( المعزز ضمن الحجرة) ,زاوية دخول الضوء q , معامل الإنعكاس R لـ MgF2 (1.38) والمسافة d (عرض الحجرة ) هي :

ML = 2dRsin(q)

حيث M هو أي عدد صحيح,

 تبرهن هذه المعادلة على انه من اجل عرض حجرة d فإن جميع الأطوال الموجية التي هي من مضاعفات L سوف تنتقل عبر هذا الفلتر ( في حال فرضاM =1  فإن طول الموجة هو L ) ولذلك نحن بحاجة أيضا لفلاتر أخرى لعزل هذه الحزم المضاعفة من خلال استخدام فلاتر أخرى تربط بشكل متسلسل مع هذا الفلتر ( مثلا فلاتر الإمتصاص ).

نستطيع باستخدام التقنية السابقة الحصول على طيف ضوئي (أقرب مايكون احادي طول الموجة - إلى حد ما) وبالتالي لا تقدم هذه التقنية لنا حرية الإختيار للحصول على أكثر من طيف واحد حتى نغطي قياس المقادير المختلفة ضمن العينة والتي كل منها قد يحتاج إلى لون طيف معين لقياس التركيز. لذلك يجب تطوير هذه التقنية من أجل استحصال حزم الأطياف الضوئية ,

شبكات الإنعراج:

تم توظيف مبدأ آخر من مبادىء الضوء وهو مبدأ حيود الضوء light diffraction كما هو موضح في الشكل التالي :

بفرض أننا ادخلنا ضوء أحادي طول الموجة عبر شقين ضيقين إلى داخل الحجرة ( لايوجد MgF2 كما هو في التقنية السابقة ) فإن الضوء سوف يحيد خلف الشق ويتداخل الضوئين معا كما هو في الشكل وفق زوايا الحيود المختلفة ,تسقط حزم الضوء المتداخلة مما يكون لدينا قطاعات مضاءة وقطاعات عاتمة على السطح المقابل للشقين . تنتج القطاعات المضاءة من تراكب الموجات الضوئية مع بعضها البعض بينما تنتج القطاعات المعتمة من التداخلات المتخربة للحزم الضوئية مع بعضها البعض.يعتمد مكان والمسافات بين هذه القطاعات على طول موجة الضوء الداخل من الشقين وزوايا الحيود المختلفة,وبالتالي تحدد أماكن القطاعات المضيئة عند زاوية حيود ما من خلال  طول موجة الضوء الداخل ,يتم وضع فتحات عند اماكن القطاعات المضيئة مما يعطينا خروج لحزم ضوئية من طيف محدد فقط عند القطاعات المضيئة.يمكن تعزيز طاقة الطيف الضوئي المنتخب من طريق وضع تسلسل متتالي من الشقوق (سن المنشار) مما يعطي تداخل اكبر للحزم عند القطاعات المضيئة.الأن, بفرض دخول ضوء متعدد الطياف الموجية إلى هذه الحجرة عبر الشقوق الموجودة على سطحها فإن الحزم الضوئي سو تتداخل مع بعضها وتحطم إحداها الخرى ماعدى الحزم التي تمتلك نفس طول الموجة  أو من مضاعفاته والتي تتراكب مع بعضها وفق نفس الطور لتنتج قطاعات مضيئة , وبوجود الفتحات المقابلة للشقوق عند القطاعات المضيئة سوف يخرج منها حزم ضوئية متعددة كل منها هو وحيد طول الموجة وفقا للمعادلة :

 ML=d sin(q)

حيث d = المسافة بين شقي الدخول.

من اجل مسافة d ثابتة, وزاوية انحياد q فإن نتيجة المعادلة تملك مجموعة من النتائج,

 مثلا: إذا كان طول موجة الضوء المطلوب الحصول عليه هو, أي انه من اجل 800= d sin(q) فالحل هو :

من أجل M=1   و L= 800 nm 

من أجل M=2 و L= 400 nm  

من اجل M=3 و L= 266.67 nm .....

وكما ذكرنا سابقا عند مناقشة تقنية فلاتر التداخل سابقا باستخدام حجرة MgF2 فإن هذه الأطياف المتعددة الأضعاف يمكن فلترتها باستخدام عدسات زجاجية أو فلاتر اخرى.

تسمح التقنية المشروحة في الأعلى المعتمدة على مبدأ حيود الضوء بتأمين مجال طيف متعدد من الأطوال الموجية من اجل قياس عدة تراكيز مركبات في العينة وذلك يتم من خلال توظيف الية الكترونية ميكانيكية تقوم بتغيير طول موجة الضوء الصادر وذلك بتغيير موقع فتحة خروج الضوء عند القطاعات المضاءة أو من خلال التحكم بزاوية دخول الضوء إلى الحجرة ( وبالتالي تغير في زوايا الحيود عند الشقوق ) من خلال توظيف آلية ميكانيكية تقوم بتمييل الحجرة بزاوية مع محور الضوء الساقط.تسمى الفلاتر التي تعتمد هذه التقنية بالفلاتر الناخبة لطور موجة وحيد monochromators .تقدم التقنيتان المشروحتان لفلاتر MgF2 و فلاتر ناخبة الطور الوحيد من أجل حزمة خرج ضوئية ما قمة ضوء أساسي بعرض 1.5 % من حزمة الخرج .

فلاتر ما بعد العينة  

Post-Sample Filters

يمكن تمرير ضوء كامل الطيف الموجي إلى العينة ووضع الفلاتر بعد خروج الضوء من العينة ليتم إلى تحليل الطيف من خلال وضع الفلتر المناسب بعد العينة . نقوم بتمرير الضوء على موشور فيتحلل عندها إلى الطيف الموجي وذلك وفق خاصية الإنكسار لمادة الموشور.تعتمد طاقة التشتت على معامل الإنكسار لكل طول موجة . يتم تسليط كل حزمة طيفية على حساس ضوئي خاص بكل نوع من الأطوال الموجية يقوم بقياس طاقة الحزمة.يقوم الحساس بقياس طاقة الحزمة بوجود العينة وذلك بعد ان قام بقياس طاقة الحزمة بدون وجود العينة ليتم مقارنة النتائج في مرحلة معالجة الإشارة لاحقا .نستعمل مصفوفة من الحساسات الضوئية التي تستقبل الفوتونات القادمة فتثير الكترونات سطحها المعدني فتتحول الطاقة عندها من طاقة ضوئية إلى تيار كهربائي .