همه چیز درباره اجزای کوانتومتر + [کاربرد]

برای تعیین کمیت عناصر موجود در یک نمونه از دستگاهی به نام کوانتومتر یا اسپکترومتر استفاده می شود. بدیهی است که هر دستگاه دارای اجزای مختلفی می باشد که هر کدام از این اجزا کاربرد و وظیفه خاصی را بر عهده دارند. از این رو ما در این مقاله در خصوص اجزای کوانتومتر مطالبی را ذکر خواهیم کرد.

اجزای کوانتومتر و کاربرد هر کدام

دستگاه کوانتومتر با عناوینی مانند طیف سنج اتمی، جرمی و پلاسمای جفت شده القایی نیز شناخته می شود. همانطور که ذکر شد این دستگاه برای اندازه گیری عناصر در یک نمونه در آزمایشگاه ها و صنایع کاربرد دارد. اندازه گیری طول موج ها بر اساس شدت نور ساطع شده در کوانتومتر متفاوت است. این دستگاه دارای انواع مختلف مانند کوانتومتر XRF می باشد. اجزای کوانتومتر عبارتند از:

1. منبع تحریک کوانتومتر

منبع تحریک (Excitation Source) می تواند انرژی مورد نیاز را برای بر انگیختن اتم در نمونه، تامین کند. برانگیخته شدن اتم موجب می شود که اتم ها نور هایی با طول موج خاص را از خود ساطع کنند. باید گفت که منابع تحریک عناصر در دستگاه های کوانتومتر مختلف، متفاوت هستند. از این رو به انواع رایج آن در این بخش اشاره خواهیم کرد:

• پلاسمای جفت شده القایی (ICP): منظور از پلاسمای جفت شده القایی، گاز یونیزه شده با دمای بالا است که از آن بیشتر برای تجزیه و تحلیل نمونه مایع و گاز استفاده می شود. این نوع منبع تحریک دقت و حساسیت بالایی دارد.
• قوس الکتریکی (Arc): به منظور تخلیه الکتریکی بین دو الکترود از منبع تحریکی با نام قوس الکتریکی استفاده می شود. این نوع منبع تحریک در کوانتومتر برای نمونه های جامد کاربرد دارد.
• جرقه الکتریکی (Spark): به منظور تجزیه و تحلیل نمونه های جامد به صورت مستقیم و تخلیه الکتریکی با انرژی بالا و زمان کوتاه از جرقه الکتریکی استفاده می شود.

2. سیستم نمونه ‌برداری

سیستم نمونه‌ برداری (Sample Introduction System) از اجزای کوانتونتر است که برای ورود منبع تحریک به نمونه به کار می رود. سیستم نمونه برداری نیز دارای انواع مختلفی است که عبارتند از:

• نبولایزر (Nebulizer): یکی از انواع سیستم نمونه برداری، نبولایزر است که برای تبدیل نمونه های مایع به شکل ذرات ریز به کار می رود.
• محفظه اسپری (Spray Chamber): از انواع دیگر این اجزای کوانتومتر، محفظه اسپری است که با حذف ذرات بزرگتر آئروسل موجب یکنواختی ذرات در هنگام ورود به پلاسما می شود.
• الکترود (Electrode): هنگامی که نمونه مورد نظر جامد باشد باید به عنوان الکترود استفاده شود. در این صورت یک قوس یا جرقه ایجاد می شود و با این روند، اتم ها تحریک خواهند شد.

3. سیستم نوری

از دیگر اجزای کوانتومتر، سیستم نوری (Optical System) است که وظیفه جمع آوری نور ساطع شده را از نمونه بر عهده دارد. این نور باید به صورت متمرکز به طیف سنج وارد شود. اجزای سیستم نوری در کوانتومتر عبارتند از:

• لنز و آینه: برای متمرکز کردن نور و جمع آوری آن کاربرد دارد.
• فیبر نوری: فیبر نوری می تواند نور را به طیف سنج انتقال دهد.

4. طیف‌ سنج

طیف‌سنج (Spectrometer) برای جداسازی نور بر طبق طول موج کاربرد دارد. در کوانتومتر های مختلف از طیف سنج های مختلفی استفاده می شود که عبارتند از:

• تک رنگ ‌ساز (Monochromator): در برخی از کوانتومتر ها از طیف سنج های تک رنگ ساز استفاده می شود که از منشور برای جداسازی طول موج ها استفاده می کنند.
• چند رنگ ‌ساز (Polychromator): در دستگاه کوانتومتر، چند رنگ ساز به عنوان طیف سنج می تواند به صورت همزمان طول موج ها را به آشکار ساز ها هدایت کند.

5. آشکار ساز

آشکار ساز (Detector) در کوانتومتر می تواند نسبت به اندازه گیری شدت نور هر طول موج اقدام کند. با این کار این امکان فراهم می شود که با توجه به شدت نور، سیگنال الکتریکی تولید شود. انواع مختلفی از آشکار ساز ها در کوانتومتر های مختلف به کار می روند که عبارتند از:

• لامپ تکثیر کننده نوری (Photomultiplier Tube – PMT): برای اندازه گیری شدت نور کم از لامپ تکثیر کننده نوری استفاده می شود که دارای حساسیت بالایی است.
• آرایه دیودی (Diode Array) کوانتومتر: اندازه گیری همزمان شدت نور در طول موج های مختلف از مزایای استفاده از این نوع آشکارساز در کوانتومتر است.
• دستگاه بار جفت ‌شده (Charge-Coupled Device – CCD): برای کاربرد های پیشرفته و حرفه ای از دستگاه بار جفت شده در کوانتومتر استفاده می شود که حساسیت و رزولیشن بالایی دارد.

6. سیستم پردازش داده

سیستم پردازش داده (Data Processing System) یکی دیگر از اجزای کوانتومتر است که برای پردازش سیگنال های الکتریکی ناشی از آشکار ساز کاربرد دارد. از این طریق امکان محاسبه غلظت نمونه وجود دارد. در نتیجه می توان نتایج را به صورت بهتری ارائه کرد. اجزای سیستم پردازش عبارتند از:

• کامپیوتر: به منظور کنترل دستگاه، جمع آوری داده و پردازش آن ها از کامپیوتر استفاده می شود.
• نرم افزار: تنظیم پارامتر ها، کالیبراسیون کوانتومتر و پردازش داده ها و در نهایت گزارش گیری از نرم افزار باید استفاده شود.

کوانتومتر چه کاربردی دارد؟

همانطور که می دانید اصلی ترین کاربرد کوانتومتر، آنالیز عناصر می باشد. فلزات و آلیاژهای مختلف از طریق کوانتومتر مورد بررسی قرار می گیرند تا عناصر آنها مشخص شود. در ادامه بحث اجزای کوانتومتر به کاربرد های آن نیز اشاره خواهیم کرد:

• تجزیه و تحلیل فلزات و آلیاژها: تعیین ترکیب شیمیایی فلزات و آلیاژها در صنایع مختلف مانند فولاد سازی، خودرو سازی و هو افضا
• محیط زیست: اندازه ‌گیری غلظت فلزات سنگین و آلاینده‌ ها در آب، خاک و هوا
• صنایع غذایی: تعیین عناصر معدنی در مواد غذایی و نوشیدنی ‌ها
• پزشکی: اندازه ‌گیری عناصر در نمونه‌ های بیولوژیکی مانند خون و ادرار
• زمین ‌شناسی: تجزیه و تحلیل مواد معدنی و سنگ ‌ها

نتیجه گیری

هر دستگاهی که در صنایع و آزمایشگاه ها مورد استفاده قرار می گیرد، دارای اجزای مختلفی است. اجزای کوانتومتر مانند منبع تحریک، سیستم نمونه برداری، سیستم نوری، آشکار ساز و …هستند که هر کدام دارای انواع مختلفی هستند. به عنوان مثال سیستم های نمونه برداری به عنوان اجزای اصلی کوانتومتر دارای انواع مختلفی مانند نبولایزر، محفظه اسپری و الکترود هستند.

از طریق آشنایی با اجزای این دستگاه می توان در رابطه با کاربرد آن به مفاهیم بیشتری دست پیدا کرد. کاربرد کوانتومتر با توجه به اجزای آن عبارتند از آنالیز فلزات، صنایع غذایی و … که در این مقاله به آنها اشاره شد.