التصنيف: كيف تعمل الأشياء

مع تطور أجهزة التكبير أصبح بالإمكان رؤية المواد على المستوى الذري مما فتح المجال لتكنولوجيا النانو لتتطور وتنتشر. جهاز الميكروسكوب الالكتروني النافذ والذي يعرف بالاسم Transmission electron microscopy ويختصر في (TEM) هو أحد أهم أجهزة التكبير. من خلال اسمه يمكننا التنبؤ بالتقنية التي يعمل بها الميكروسكوب الالكتروني حيث ينفذ شعاع من الالكترونات من عينة رقيقة جدا، ويتفاعل معها. تتكون الصورة من تفاعل الالكترونات النافذة من العينة حيث يمكن أن تكبر الصورة وتركز على شاشة فلوريسنت أو على طبقة من فيلم فوتوجرافي، أو أن ترصد بواسطة كاميرا فيديو CCD.

يستطيع الميكروسكوب الالكتروني النافذ أن يكون صور بدقة تحليلية عالية جدا اكبر بكثير من تلك التي يمكن أن نحصل عليها من الميكروسوب الضوئي التقليدي والسبب في ذلك يعود إلى الطول الموجي القصير المصاحب للالكترونات (موجة دبرولي de Broglie). وهذا يجعلنا نستخدم هذه الأداة لرؤية تفاصيل دقيقة تصل في دقتها إلى رؤية صف من الذرات. هذه الدقة جعلت جهاز الميكروسكوب الالكتروني النافذ أداة تحليلية هامة تستخدم في العديد من المجالات العلمية في الفيزياء والبيولوجي بالإضافة إلى تطبيقاتها في أبحاث السرطان وعلم الفيروسات وفي علوم المواد materials science مثل بحوث أشباه الموصلات والنانوتكنولوجي.

كما يمكن استخدام أنماط تشغيل مختلفة في جهاز الميكروسكوب الالكتروني النافذ TEM للتعرف على التراكيب الكيميائية للعينة والتركيب البلوري والالكتروني أيضا.

في هذا المقال من كيف تعمل الأشياء سوف نتعرف على الاجزاء الرئيسية لجهاز الميكروسكوب الالكتروني النافذ الذي لا يستغني عنه كل من يعمل في مجال تكنولوجيا النانو وعلم المواد والاغشية الرقيقة ونوضح ايضا انماط التشغيل المخلفة للحصول على معلومات متنوعة عن العينة بتفاصيل دقيقة.

صورة توضح فيروس بوليو polio virus المسبب لشلل الأطفال حجمه 30nm

نبذة تاريخية عن جهاز الميكروسكوب الالكتروني النافذ TEM

أول ميكروسكوب الكتروني نافذ TEM تم تركيبه في I. G Farben-Werke والآن هو في متحف في مدينة ميونخ بألمانيا

مخطط لأول ميكروسكوب الكتروني تم الحصول عليه من دفتر العالم Ruska في العام 1931 كان قادرا على التكبير 16 مرة فقط

البداية: افترض العالم Ernst Abbe إن القدرة التحليلية لأي ميكروسكوب تعتمد على الطول الموجي للضوء المستخدم وبالتالي فان الميكروسكوبات التقليدية المعتمدة على الضوء المرئي سوف يكون لها حد أقصى للقدرة التحليلية لا يمكن أن تتجاوزه بأي حال من الأحوال ولهذا طور العالم Koehler جهاز ميكروسكوب يعمل بالأشعة الفوق بنفسجية وبالرغم من أن ذلك زاد القدرة التحليلية إلا أن اعتماد هذا الميكروسكوب على استخدام بصريات مصنعة من الكوارتز ،لان الزجاج العادي يمتص الأشعة فوق البنفسجية، جعل سعره مرتفعا جدا. عند هذه المرحلة أصبح واضحا لدى العلماء أن الحصول على صور دقيقة بحجم أجزاء من الميكرون مستحيلا نظرا لقيود الطول الموجي للضوء المستخدم.

مع المزيد من الاكتشافات التي بدأت في العام 1858 بواسطة العالم Plücker الذي استطاع التحكم في أشعة الكاثود (وهي حزمة من الالكترونات ولكن لم يكن ذلك معروفا إلا بعد تجارب العالم ج ج طومسون) بواسطة المجالات المغناطيسية. تمكن العالم Riecke في العام 1891 من تبئير أشعة الكاثود بواسطة المجالات المغناطيسية مما يعني انه استطاع تصميم عدسة مغناطيسية بسيطة.

في العام 1928 في الجامعة التكنولوجية في برلين قام العالم Max Knoll برئاسة فريق بحثي بتطوير عدسات للتحكم في أشعة الكاثود لاستخدامها في الحصول على صور مكبرة. وبعد ثلاثة أعوام من الأبحاث والتجارب تمكن العالم Max Knoll وفريقه من الحصول على أول صورة مكبرة لشبكة وضعت فوق فتحة الانود وكان هذا في العام 1931. في نفس العام تمكن العالم Reinhold Rudenberg في شركة سيمينز Siemens company من الحصول على براءة اختراع للعدسة الكهروستاتيكية في الميكروسكوب الالكتروني.

التطور: في ذلك الوقت كان السلوك المزدوج للالكترونات معروفا من خلال الفرضية التي وضعها العالم دي برولي De Broglie hypothesis وهي أن كل جسيم له سلوك موجي وبالتالي وجد أن الإلكترون يسلك سلوك موجي بالإضافة إلى سلوكه الجسيمي مثله مثل الضوء تماما وبالرغم من أن فرضية دبرولي وضعت في العام 1927 إلا أن الفريق البحثي المكلف بتطوير قدرة الميكروسكوب لم يكن يعلم بهذه الفرضية حتى العام 1932 (لم يكن لديهم شبكة انترنت في ذلك الوقت) وبمجرد أن وصلتهم تلك الفرضية والتجارب التي أكدت صحتها لاحظ العلماء انه بالإمكان استخدام الموجة المصاحبة للإلكترون في عملية التكبير في الميكروسكوبات لان هذه الموجة اصغر كثيرا من الطول الموجي للضوء المرئي (الطول الموجي المتوسط للضوء 5000 انجستروم في حين إن الطول الموجي المصاحب للإلكترون في حدود 1 انجستروم) وبالتالي يمكن تطوير أجهزة تكبر الأشياء على المستوى الذري. في العام 1933 تم الحصول على أول نجاح للحصول على صور مكبرة لعينة من ألياف القطن قبل أن تصاب العينة بالضرر نتيجة لاصطدام الالكترونات بها.

بعد هذا النجاح ازداد الاهتمام بالميكروسكوب الالكتروني من قبل العديد من المجموعات البحثية لتطويره واستمر التطوير ايضا في شركة سيمينز للحصول على صور لعينات بيولوجية وفي العام 1938 تم بناء أول جهاز TEM.

مزيدا من التطورات: بعد الحرب العالمية الثانية استمر العالم Ruska في شركة سيمينز بتطوير الميكروسكوب الالكتروني ليحصل على تكبير وصل إلى 100,000 مرة. وللعلم فان تصميمه هذا لازال مستخدما في الاجهزة الحديثة حالياً. وقد عقدت العديد من المؤتمرات العلمية المتخصصة حول هذا الجهاز تحت اسم مؤتمر الميكروسكوب الالكتروني بدأت في العام 1942 والثاني في 1950 وبعدها في العام 1954.

بتطوير جهاز TEM تم تطوير تقنيات أخرى منها الميكروسكوب الالكتروني الماسح النافذ والذي يعرف باسم scanning transmission electron microscopy والذي يختصر بـ (STEM) وتم تطوير هذا الجهاز في السبعينات من القرن الماضي بواسطة العالم Albert Crewe في جامعة شيكاغو بعد تصميم المدفع الالكتروني الذي يعمل بالمجال الكهربي field emission gun وتحسين العدسات المغناطيسية. وهذا الجهاز استخدم لرؤية ذرات الكربون في غشاء رقيق مرسب على شريحة.

الأجزاء الأساسية في الميكروسكوب الالكتروني النافذ TEM

يتكون جهاز TEM من أجزاء رئيسية عديدة تشمل نظام مفرغة الهواء vacuum system والذي يوفر الفراغ في داخل الجهاز ليسهل على الالكترونات الوصول إلى العينة بدون أن تصطدم في الغازات داخله، وكذلك يوجد العديد من العدسات الكهرومغناطيسية، وألواح التوجيه الكهروستاتيكية، وهذه تمكن المستخدم من التحكم في الشعاع الالكتروني. كما يوجد أيضا غرفة العينة التي يمكن التحكم بموضعها في الجهاز لتحريك العينة داخل الجهاز تحت الشعاع الالكتروني. كما توجد أجهزة عرض الصورة المتكونة من الالكترونات التي نفذت من العينة. ولمزيد من التفصيل سوف نشرح هذه الأجزاء الأساسية بمزيد من التفصيل.

مخطط يوضح الأجزاء الأساسية في جهاز TEM

مصدر الالكترونات في أعلى الجهاز حيث تعمل العدسات (4 و7 و 8) على تركيز الشعاع الالكتروني على العينة وتنفذ من العينة على شاشة العرض (10). وأزرار التحكم بالشعاع الالكتروني على اليمين (13 و14).

مصدر الالكترونات المدفع الالكتروني Electron Gun

الجزء الأساسي في الجهاز هو مصدر الالكترونات والذي يعرف باسم المدفع الالكتروني والذي يكون في أعلى الجهاز ويتكون من فتيلة من التنجسيتن في شكل فتيلة ذات طرف حاد او من عنصر lanthanum hexaboride (LaB6) في صورة بلورة مفردة. يتم توصيل الفتيلة في مصدر فرق جهد عالي يتراوح بين 100 الى 300 الف فولت يولد تيار كافي ليعطي انبعاث الكتروني اما بطريقة الانبعاث الحراري thermionic او بطريقة الانبعاث بواسطة المجال الكهربي field electron emission.

فتيلة بلورة LaB6

فتيلة التنجستن

شكل يوضح المدفع الالكتروني

العدسات Lenses

مثل الميكروسكوب الضوئي فان جهاز TEM يستخدم عدسات لإظهار صور دقيقة ومفصلة. والعدسات في هذه الأجهزة تعمل بشكل مختلف تماما. فهي ليست مصنوعة من الزجاج بل هي عدسات مصنوعة من مغناطيسات قادرة على توجيه مسار الالكترونات. وبفعل ذلك تقوم هذه العدسات بتوجيه الالكترونات والتحكم في مسارها، مما يضمن أن تصل الالكترونات إلى المكان المطلوب بدقة.

نظام العدسات المستخدم يتكون من ثلاثة مراحل وهي العدسات المجمعة condensor lenses والعدسات الشيئية objective lenses وعدسات الإسقاط projector lenses. ووظيفة العدسات المجمعة هو التحكم في شكل الشعاع الالكتروني في حين أن وظيفة العدسات الشيئية هو تركيز الشعاع الالكتروني على العينة. اما عدسات الإسقاط فهي التي تستخدم لتوسعة الشعاع وعرضه على كامل شاشة العرض الفلوريسنت لإظهار الصورة. وهذه العدسات هي المسؤلة عن التكبير حيث ان التكبير يعتمد على النسبة بين المسافات بين العدسة العينة والعدسة الشيئية ومستوى الصورة المتكونة. كما قد توجد أيضا عدسات إضافية تقوم بتحسين جودة الصورة وتصحيح الزيغ الذي قد ينتج بسبب عدم التماثل في الشعاع الالكتروني والذي يعرف باسم (astigmatism).

موجهات الشعاع الالكتروني Electron Beam Manipulation

يتم التحكم في الشعاع الالكتروني من خلال تفاعل الالكترونات مع المجال المغناطيسي حيث يؤثر المجال المغناطيسي على الالكترونات المتحركة بسرعة معينة بقوة مغناطيسية يمكن من خلالها توجه الشعاع الالكتروني داخل الميكروسكوب الالكتروني النافذ TEM. كذلك يستخدم المجال الكهربي الاستاتيكي لتوجيه مسار الشعاع الالكتروني بزاوية معينة. وباستخدام هذين المجالين معا يتم تشغيل الجهاز بنظام STEM.

شاشة العرض Display Screen

يتكون نظام العرض في جهاز TEM من شاشة فسفورية، مصنوعة من كبريتيد الزنك لتمكن المستخدم من الحصول على صور مباشرة. كما يمكن أن يحتوي الجهاز على شاشة متصلة بشريحة الكترونية تعرف CCD وهي التي تستخدم في الكاميرات الرقمية وكاميرات الفيديو للحصول على صور رقمية.

مفرغة الهواء Vacuum system

لكي تنطلق الالكترونات من الفتيلة وتصل الى العينة فان جهاز TEM يعمل عند ضغط منخفض يصل الى 10-4Pa وذلك من خلال سحب الهواء بواسطة مفرغة الهواء فنحصل على وسط تتحرك فيه الالكترونات بحرية بدون تصادمات مع ذرات الهواء تعيق وصولها للعينة وكذلك لمنع حدوث أي تفريغ كهربي عند تطبيق فرق جهد عالي لتعجيل الالكترونات داخل الجهاز.

يتكون نظام تفريغ الهواء في الجهاز من عدة مراحل المرحلة الاولى تبدأ باستخدام مضخة هواء دورانية تعرف باسم rotary pump لتصل بالضغط في داخل الجهاز إلى قيمة معينة لتبدأ بعدها المضخة الثانية في العمل وهي مضخة الانتشار والتي تعرف بالاسم diffusion pump كما يمكن استخدام مضخة التيربوا turbomolecular pumps للحصول على ضغط منخفض في حدود 10−7 – 10−9 Pa يسمح بتشغيل الجهاز عند فرق جهد عالي بدون حدوث تفريغ كهربي. وهذه المضخات متصلة بالجهاز ويمكن التحكم بها من خلال الصمامات المتوفرة لفصل وتوصيل المضخات في الجهاز.

حامل العينة Specimen stage

يجب أن يسمح تصميم حامل العينة بان يوضع في داخل الجهاز بدون إحداث زيادة في الضغط. وحامل العينة يتكون من شبكة دائرية بقطر 3 سم وهو الحجم القياسي ويمكن أن يوجد في حالات نادرة حامل بقطر 2.3 سم وذلك في حالة الحاجة إلى إمالة العينة أثناء الفحص مثل فحص شيء معدني حيث يتطلب فحص العينة من عدة زوايا حيث تخترق الالكترونات عينة بسمك 100nm ويمكن التحكم بسمك الاختراق من خلال فرق جهد تعجيل الالكترونات.

كما يسمح تصميم حامل العينة بتحريك العينة وهي داخل الجهاز وذلك لفحص مناطق محددة من العينة وعملية التحكم بالعينة تحت الفحص عملية معقدة وقد مرت بالكثير من التطويرات والتحديثات، وحاليا استخدم فيها الكمبيوتر مع الموتور الناقل ليعطيه التعليمات الدقيقة لتحديد مكان العينة بالنسبة للشعاع الالكتروني وكذلك تحريك العينة بسرعة قد تصل إلى بضع نانومترات لكل دقيقة.

حامل العينة وهي عبارة عن شبكة

طرق تكوين الصورة Imaging methods

طرق تكوين الصورة في جهاز TEM تستخدم المعلومات التي تكون في الأمواج المصاحبة للالكترونات والناتجة من تفاعلها مع العينة. وتسمح عدسات الإسقاط بتوجيه أمواج الالكترونات وتوزيعها على شاشة العرض. وتعبر شدة الإضاءة التي تظهر على شاشة العرض عن متوسط سعة الدوال الموجية للالكترونات النافذة من العينة.

وبالتالي تم استخدام عدة طرق للحصول على الصورة لتحسين امواج الالكترونات التي تنفذ من العينة والحصول منها على معلومات مفيدة. تعتمد الصور المتكونة على سعة الشعاع الالكتروني وكذلك على طور هذه الالكترونات التي تستخدم في حالة التكبير لدرجات عالية. التحليل العالي للعينة يتطلب ان تكون العينة رقيقة للغاية لتنفذ منها الالكترونات بطاقة عالية، وعندها لا تمتص العينية أية الكترونات تذكر وبالتالي لن تغير من سعة الموجة الالكترونية ولكن تعدل من طورها. ومن هنا نستنتج ان الصور تتكون اما من خلال التغير الناتج على سعة موجة الالكترونات عند نفاذها من العينة او من التغير في طور هذه الامواج.

إظهار التباين Contrast formation

إظهار التبيان في جهاز TEM يعتمد بشكل اساسي على نمط تشغيل الجهاز. تقنيات معقدة لاظهار الصورة تعتمد على تغير قوة العدسة وكل نمط تشغيل له اعدادات خاصة بقوة العدسات المستخدمة. انماط التشغيل المختلفة هذه تستخدم في تميز المعلومات التي نحصل عليها من الفحص وهذا يعتمد على اهتمام الباحث والنتائج التي يرغب في الحصول عليها.

نمط التشغيل الـ Bright field

يعتبر هذا النمط الاكثر استخداما في جهاز TEM وهو نمط صور المجال الساطع. في هذا النمط تتكون الصورة من خلال امتصاص الالكترونات في العينة. المناطق السميكة من العينة او المناطق التي تحتوي على عدد ذري كبير تظهر معتمة في حين المناطق الاقل سمكا او التي تحتوي على عدد ذري قليل تظهر مضئية، ومن هنا جاء اسم هذا النمط.

نمط التشغيل Diffraction contrast

صور TEM لعيب في الشبكة البلورية على المستوى الذري

تظهر العينات حيود في التباين حيث يتعرض شعاع الالكترونات إلى تشتت براج Bragg scattering، وفي هذه الحالة فان العينة البلورية تشتت الالكترونات في مواقع منفصلة في مستوى البؤرة الخلفي. وبوضع فتحة aperture في مستوى البؤرة الخلفي يمكن اختيار تشتت براج المطلوب وهذا يعني ان اجزاء محددة من العينة هي المسؤلة عن تشتت الالكترونات وهي التي يتم رصدها لتكوين الصورة.

اذا كانت الانعكاسات التي تم اختيارها بواسطة الفتحة لا تحتوي على شعاع متشتت فان الصورة سوف تظهر معتمة حيث لا يوجد تشتت من العينة عند هذا الموضع

اجهزة TEM الحديثة تكون مجهزة بحامل للعينة يمكن امالته بزاوية معينة للحصول على شروط حيود معينة والفتحة المثبتة على العينة تسمح للمستخدم باختيار الالكترونات التي تحيد في اتجاه معين بعد ان تنفذ من العينة.

يستخدم هذا النمط من التشغيل في التعرف على عيوب الشبكة البلورية lattice defects في البلورات. وبالتحكم الدقيق في اتجاه العينة فانه يمكن تحديد مكان العيوب بدقة وكذلك نوعها. وذلك من خلال توجيه العينة ومراقبة حيود براج والتغير في تباين شدته يمكن تحديد المستوى البلوري الذي حدثت فيه العيوب في الشبكة البلورية.

أنماط تشتت بلوري في الحديد من النوع FCC

كما انه يمكن الحصول على صور لانماط الحيود الذي من خلاله يمكن التعرف على التركيب البلوري للعينة فاذا كانت انماط الحيود عبارة عن نقاط تكون العينة عبارة عن بلورة مفردة single crystal واذا كانت سلسلة من الحلقات تكون العينة متعددة التبلور polycrystalline او امورفية غير متبلورة amorphous. وفي حالة البلورة المفردة فان انماط الحيود تعتمد على اتجاه العينة وتركيبها. وهذه الصور تفيد الباحث في معرفة التماثل وزاوية البلورة بالنسبة للشعاع الالكتروني. وفي العادة يتم الحصول على نتائج الحيود هذه على شريحة فيلم.

نمط التشغيل Electron energy loss

يعتبر هذا نمط تشغيل متطور وحديث فأجهزة TEM الحديثة تكون مزودة بمرشح مغناطيسي ومطياف طاقة لاختيار قيم طاقة معينة مرتبطة مع الالكترونات المتفاعلة مع العينة. فعلى سبيل المثال العناصر المختلفة في العينة تغير من طاقة الالكترونات بعد خروجها من العينة وهذا يسبب في العادة حدوث زيغ في الصورة ولكن التغير في طاقة الالكترونات بعد تفاعلها مع العناصر المختلفة في العينة يمكن الاستفادة منه في الحصول على معلومات عن تركيب العناصر الموجودة في العينة. ويمكن تشغيل مطياف الطاقة ايضا للحصول على صورة

نمط التشغيل Phase contrast

يمكن الحصول على التركيب البلوري للعينة باستخدام نمط التشغيل phase contrast وهذا النمط من التشغيل يعرف ايضا بالميكروسكوب الالكتروني النافذ ذو القدرة التحليلية العالية High Resolution Transmission Electron Microscopy والذي يختصر بـ HRTEM. فعند استخدام مصدر الكتروني بعمل بمجال كهربي بدلا من الانبعاث الحراري تتكون الصورة نتيجة الاختلاف في طور امواج الالكترونات، والذي نتج عن تفاعلها مع العينة. وهنا تكون الصور يتم بطرق معقدة لان الصورة لا تتكون بالاعتماد على شدة الشعاع الالكتروني النافذ (عدد الالكترونات) التي تصطدم بالشاشة وإنما على تفسير التغير في الطور وهذا يتطلب نماذج رياضية يستخدمها الكمبيوتر لتكوين الصورة.

الصور ثلاثية الأبعاد Three dimensional imaging

صورة ثلاثية الأبعاد لفيروس parapoxa

حيث أن حامل العينة يسمح بدوران العينة بزوايا محددة يمكن الحصول على صور للعينة عند زوايا مختلفة على المحور العمودي على الشعاع الالكتروني. وبأخذ عدة صور لعينة عند زوايا مختلفة بمقدار درجة واحدة لكل صورة يتم تجميع مجموعة من الصور يمكن منها تكوين صور ثلاثية الإبعاد تمثل العينة.

تحول مجموعة الصور إلى صور ثلاثية الأبعاد هي عملية معقدة وتتم من خلال مرحلتين المرحلة الأولى هي تحليل الصور للتخلص من الأخطاء والمرحلة الثانية تستخدم تقنية تسمى filtered back projection لتكوين الصور الثلاثية الأبعاد وفي كلا المرحلتين يستخدم برامج كمبيوتر لوغارثميات خاصة لتحليل وبناء الصور.

تجهيز العينة Sample preparation

تعتبر عملية تجهيز العينة معقدة بعض الشيء. فالعينات التي ستفحص بجهاز TEM تتطلب أن تكون بسمك لا يتجاوز بضعة مئات النانومترات، فالجهاز يعتمد على تكوين الصورة بواسطة الالكترونات والتي ليس قدرة كبيرة على الاختراق كأشعة اكس. والعينات ذات الجودة العالية تكون بسمك يساوي مقدار اختراق الالكترونات لها وهذا في حدود بضعة عشرات النانومترات. تحضير العينة يعتمد على نوعها وكذلك على نوع المعلومات المطلوب الحصول عليها من فحصها في الجهاز ولهذا يوجد العديد من طرق التحضير المستخدمة.

المواد التي لها ابعاد صغيرةبحيث ينفذ عبرها الشعاع الالكتروني مثل البودرة والانابيب النانوية يمكن ان تحضر بشكل سريع من خلال تصنيعها على شكل غشاء رقيق. وفي البحوث البيولوجية فان العينة يجب ان تحضر بشكل يجعلها تتحمل الضغط المنخفض والتحكم فيها داخل الجهاز يتم تثبيتها باستخدام مواد تعرف باسم negative staining مثل مادة uranyl acetate او بتغطيتها بطبقة بلاستيكية. كما يمكن ايضا تبريد العينة عند درجة حرارة النيتروجين السائل بعد ان تغطى بغشاء زجاجي. وفي بحوث علوم المواد material science وعلم المعادن فهي عادة ما تتحمل الضغط المنخفض ولكن يجب ان تحضر في صورة اغشية رقيقة او ان توضع بالترسيب على اسطح يمكن للشعاع الالكتروني من اختراقها.

وهناك الكثير من الطرق المستخدمة لتجهيز العينات قبل وضعها في الجهاز وهذه الطرق متنوعة حسب نوع العينة والهدف من فحصها ومن هذه الطرق

• فصل الأغشية Tissue sectioning
• تلطيخ العينة Sample staining
• التحفيف الميكانيكي Mechanical milling
• الانتزاع الكيميائي Chemical etching
• الانتزاع الأيوني Ion etching

صورة SEM لعينة تم تجهيزها للفحص بجهاز TEM

عيوب جهاز TEM

كأي جهاز تقني له الكثير من الفوائد يصاحبه بعض العيوب ومن هذه العيوب التي تصاحب جهاز TEM هو طرق تحضير العينة والتي تكون في بعض الأحيان عملية معقدة وصعبة وتستغرق الكثير من الوقت قبل إجراء الفحص. حيث أن العينة يجب أن تكون شفافة أمام شعاع الالكترونات. كما انه من المحتمل أن يحدث بعض التغيرات في العينة أثناء التحضير والإعداد. هذا اضافة الى أن نطاق الفحص في جهاز TEM ضيق بما لا يسمح بفحص كامل العينة. كما أن العينة قد تتعرض للضرر باصطدام الالكترونات بها وخصوصا عن فحص المواد البيولوجية.

نلاحظ ان جهاز TEM جهاز مهم للباحثين والمطورين يسمح برؤية المواد على المستوى الذري ويعتبر هذا الجهاز من الاجهزة التي ساهمت في انتشار علم النانو وتقنية النانوتكنولوجي. وفي النهاية ارجو ان اكون وفقت في شرح فكرة عمل جهاز الميكروسكوب الالكتروني النافذ TEM وقد سبق وان قدمت شرحا مفصلا للميكروسكوب الالكتروني الماسح SEM وكلا هذين الجهازين هما تقنيات تشغيل مختلفة لجهاز الميكروسكوب الالكتروني ويمكن الحصول على جهاز واحد يدمج كلا من SEM و TEM في جهاز واحد وحسب طريقة التشغيل وإعداد العينية يمكنك الحصول على النتائج المطلوبة.

أرجو نشر هذا المقال لتعم الفائدة على الجميع مع العلم بان الأجر والثواب ينالك إذا تم النقل بحفظ حقوق الكاتب والمصدر.

مع خالص التحية والاحترام

دكتور حازم فلاح سكيك

هذه بعض المعلومات في صورة أفلام وثائقية أتمنى أن تكون مفيدة لكم

 

لمزيد من المعلومات يمكنك زيارة المواقع التالية:

• http://en.wikipedia.org/wiki/Transmission_electron_microscopy
• http://nobelprize.org/educational_games/physics/microscopes/tem/index.html
• http://videolectures.net/kolokviji_gloter_tem/
• http://www.unl.edu/CMRAcfem/temoptic.htm

تقنية جديدة تستخدم لصناعة الخلايا الشمسية تعرف باسم dye-sensitized solar cell أي الخلايا الشمسية المصنعة باستخدام الصبغات العضوية والتي تعرف بالاختصار DSSC هي تقنية جديدة تندرج تحت التقنيات المستقبلية لصناعة الخلايا الشمسية بتكلفة قليلة. وتصنع الخلايا من مادة شبه موصلة بين أنود ضوئي والكترولايت (electrolyte ) وهو عبارة عن مادة تحتوي على ايونات تجعل من المادة موصلة للكهرباء. وابتكر هذه التقنية العالمين Michael Grätzel و O’Regan في العام 1991 وتعرف أيضا هذه الخلايا باسم العالم Grätzel أي نطلق عليها خلايا جرازيل Grätzel cells

تعتبر خلية جرازيل مهمة جدا لأنها تصنع من مواد غير مكلفة ولا تتطلب أجهزة معقدة لتصنيعها. وعندما تنتج بشكل كبير يجب أن تكون اقل تكلفة من الخلايا الشمسية المصنعة بالمواد الصلبة. ويمكن أن تصنع في صورة ألواح مرنة وذات قوة ميكانيكية عالية.

وبالرغم من أن كفاءة التحويل conversion efficiency (كفاءة تحويل أشعة الشمس إلى تيار كهربي) اقل من خلايا الأغشية الرقيقة الشمسية إلا أن النسبة بين التكلفة على الأداء تعتبر كبيرة بما فيه الكفاية لتنافس في مجال الطاقة الكهربية المتولدة عن الوقود البترولي. الكثير من التطبيقات التجارية المعتمدة على الخلايا الشمسية الصبغية متوقفة نتيجة لمشاكل متعلقة بالاستقرار الكيميائي لها إلا أن جهود عملية مضنية بذلت للتغلب على هذه المشاكل ويتوقع أن ترى هذه الخلايا النور في العام 2020 بإذن الله تعالى.

وفي هذه المقالة من كيف تعمل الأشياء سوف نقوم بشرح فكرة عمل الخلية الشمسية الصبغية بالمقارنة مع الخلية الشمسية التقليدية وعرض بعض مقاطع الفيديو التي تشرح طريقة تصنيع خلية شمسية صبغية.

وقبل أن نقوم بشرح تفاصيل هذه التقنية الواعدة لنلقي الضوء على تقنية الخلايا الشمسية المعتمدة على أشباه الموصلات والتي تم شرحها في كيف تعمل الأشياء ومدرجة في مراجع هذا المقال،

الخلايا الشمسية بتقنية أشباه الموصلات

باختصار فان الخلايا الشمسية التقليدية المعروفة والتي تعتمد على أشباه الموصلات فإنها تصنع من بلورتين احدهما مطعم بشوائب تجعل البلورة n-type أي تحتوي على عدد من الالكترونات الحرة الإضافية والبلورة الأخرى تطعم بشوائب تجعلها من النوع p-type والتي تفتقد الالكترونات الحرة. وعند توصيل البلورتين مع بعضهما البعض لتشكل وصلة p-n فان بعض الالكترونات في n-type سوف يتدفق إلى p-type لسد العجز في الالكترونات فيه، علما بان الفقد في الالكترونات في p-type يعرف باسم فجوة hole.

وفي النهاية فان عدد كافي من الالكترونات سوف يتدفق عبر الحد الفاصل بين البلورتين ليعمل على مساواة مستويات فيرمي Fermi levels في البلورتين. وتتكون منطقة فاصلة تعرف باسم وصلة p-n (p-n junction)، حيث تستنزف حاملات الشحنة أو تتراكم على كلا جانبي الحد الفاصل. في مادة السليكون فان انتقال الالكترونات سوف يعمل فرق جهد عند الحد الفاصل تتراوح قيمته بين 0.6 إلى 0.7 فولت.

عند تعرض الوصلة الآن لأشعة الشمس فان فوتونات الضوء سوف تصطدم بالالكترونات المرتبطة في n-type وتعطيها المزيد من الطاقة بعملية تعرف باسم الإثارة الضوئية photoexcitation. وفي مادة السليكون، فان أشعة الشمس سوف تزود الالكترونات بالطاقة الكافية لتنتقل الالكترونات من حزمة التكافؤ (مستوى الطاقة المنخفض) إلى حزمة التوصيل (مستوى الطاقة الأعلى). والالكترونات في حزمة التوصيل تكون حرة الحركة. وعند توصيل وصلة p-n في دائرة كهربية فان الالكترونات سوف تتدفق من n-type إلى p-type وتقوم هذه الالكترونات بملء الفراغات في حزمة التكافؤ التي تركت فارغة بدون الكترونات. وبهذه الطريقة تقوم أشعة الشمس بتوصيل التيار الكهربي.

في أي مادة شبه موصلة semiconductor فان فجوة الطاقة band gap تعني أن الفوتونات التي تمتلك نفس قيمة فجوة الطاقة أو أكثر هي تلك التي تساهم في إنتاج التيار الكهربي. وفي حالة مادة السليكون silicon، فان معظم الضوء المرئي من الأحمر وحتى البنفسجي يمتلك الطاقة الكافية ليساهم في إنتاج التيار الكهربي. ولكن لسوء الحظ فان الطاقة الإضافية التي تمتلكها فوتونات الضوء الأزرق والبنفسجي تفقد في شكل حرارة. كما انه لكي نحظى بفرصة معقولة لاقتناص الفوتون في طبقة n-type يجب أن تكون سميكة بشكل مناسب. وهذا أيضا سوف يزيد من فرصة انطلاق إلكترون أخر ليتحد مع فجوة في المادة قبل أن يصل إلى الحد الفاصل لوصلة p-n. هذه التأثيرات تجعل أقصى كفاءة يمكن أن نحصل عليها محدودا في الخلايا الشمسية المصنعة من مادة السليكون، وحاليا فان الكفاءة تتراوح بين 12% إلى 15% في الأنظمة التجارية ويمكن أن تصل إلى 25% في المختبر.

حتى الآن فان المشكلة الأكبر في الخلايا الشمسية التقليدية هي التكلفة العالية لإنتاجها، فالخلايا الشمسية تتطلب طبقة سميكة من السليكون المطعم بالشوائب ليمتلك معدل امتصاص للفوتونات مقبولا، وعملية تصنيع السليكون مكلفة جدا. وقد وجد الكثير من الطرق المختلفة لتقليل التكلفة بما فيها تقنيات إنتاج الأغشية الرقيقة، ولكن حتى يومنا هذا فان تطبيقها لازال محدودا لوجود العديد من المشاكل العملية. ويوجد حاليا خط بحثي جديد نجح في زيادة كفاءة الخلايا الشمسية التقليدية يعتمد على إنتاج وصلات متعددة multi-junction إلا إن إنتاج هذه الخلايا مكلف للغاية ويمكن أن يكون مناسبا فقط لبعض المؤسسات الضخمة. وبصفة عامة فان الخلايا الشمسية المعدة للتثبيت على أسطح المنازل لم تتغير كفاءتها بشكل مناسب للاستخدام العملي بالرغم من انخفاض تكلفة الحصول عليها.

الخلايا الشمسية الصبغية Dye-sensitized solar cells

تتكون خلايا جرازيل من ساندويش من اثنين من الالكترودات الأول ويسمى الأنود وهو عبارة عن غشاء سميك من جسيمات نانوية من مادة ثاني أكسيد التيتانيوم titanium dioxide توضع على الجهة الموصلة للوح زجاجي شفاف مطلي بمادة موصلة للكهرباء مثل مادة fluorine-doped tin oxide والتي تعرف بالاختصار FTO. تغطي طبقة التيتانيوم اكسيد بطبقة من الصبغة العضوية dye وهي المادة الممتصة لأشعة الشمس، مثل طبقة الكرولوفيل في أوراق النبات. الكاثود يكون عبارة لوح زجاجي شفاف أخر مغطى البلاتين. بين طبقتي الالكترودين يوجد الالكتروليت.

الخلايا الشمسية الصبغية تقوم بعملها على أساس فصل الوظيفتين التي على أساسها تعمل الخلايا الشمسية المصنعة من السليكون. حيث يقوم السليكون بوظيفتين هما توفير الالكترونات الضوئية وكذلك توفير المجال الكهربي الذي يفصل الشحنة التي تنتج التيار الكهربي. ولكن في الخلايا الشمسية الصبغية فان مادة شبه الموصل يستخدم فقط لنقل الشحنة في حين أن الالكترونات الضوئية تتوفر من الصبغة العضوية المستخدمة. فصل الشحنات يحدث عند الأسطح بين الصبغة العضوية وشبه الموصل من جهة والسائل الموصل (الالكترولايت) من جهة أخرى.

جزئيات الصبغة العضوية صغيرة جدا بحجم نانوي وبالتالي لكي يتم اقتناص كمية مناسبة من أشعة الشمس الساقطة على طبقة جزئيات الصبغة العضوية فإنها يجب أن تكون سميكة بقدر كافي أي بسمك اكبر بكثير من سمك الجزئيات نفسها. وللتغلب على هذه المشكلة فان مادة نانوية تستخدم كمنصة لحمل جزيئات الصبغة العضوية في مصفوفة ثلاثية الأبعاد. وفي التصاميم المستخدمة فان المنصة تصنع من مادة شبه موصلة (تيتانيوم اكسيد) وبهذا فهي تقدم خدمتين في الخلية الشمسية الصبغية.

التركيب Construction

في التصميم الأصلي لخلية جريزيل فان الخلية مكونة من ثلاثة أجزاء أساسية. في الأعلى يوجد الانود مصنوع مادة الفلورين F الشفافة المطعم بـ SnO2 وهذه الطبقة توضع على شريحة من الزجاج. على الجانب الخلفي الموصل للشريحة يوجد طبقة رقيقة من ثاني أكسيد التيتانيوم TiO2، والتي تكون عبارة عن تركيب مسامي بمساحة سطحية كبيرة. ثاني أكسيد اليتيانيوم عادة يمتص جزء بسيط من أشعة الشمس الذي يقع في طيف الأشعة فوق البنفسجية فقط. لذا كان لابد من استخدام مادة حساسة للضوء تتداخل بي مسامات التيتانيوم اكسيد.

تغمر الشريحة في خليط من مادة حساسة للضوء هي صبغة عضوية تعرف باسم ruthenium-polypyridine dye وتعرف أيضا بالجزيئات الحساسة (molecular sensitizers). وبعد عملية نقع الشريحة الرقيقة في المحلول الصبغي تتكون طبقة رقيقة من المحلول الصبغي على السطح وقد ارتبطت برابطه تساهمية مع مادة ثاني أكسيد التيتانيوم. بعد ذلك يتم تثبيت طبقة داعمة من الكترولايت الايوديد على شريحة موصلة عادة ما تكون من معدن البلاتين. يتم تثبيت الشريحتين معا بحيث تكون المواد الفعالة للداخل مع استخدام مادة لاصقة قوية على الأطراف لمنع السائل الموصل (الالكترولايت) من التسرب للخارج. وهذا التركيب سهل للغاية بحيث يمكن أن تحصل على علبة بها المكونات وتقوم بتركيبها بنفسك. وبالرغم من اعتمادها على مواد خاصة إلا أنها غير مكلفة بالمقارنة مع السليكون في الخلايا الشمسية التقليدية لأنها لا تتطلب خطوات تصنيع مكلفة. فعلى سبيل المثال مادة ثاني أكسيد التيتانيوم يستخدم بشكل كبير كأساس في الطلاء.

التشغيل Operation

عندما تدخل أشعة الشمس خلال المادة المنفذة في الطبقة الموصلة SnO2:F فإنها تصطدم بالصبغة العضوية على سطح ثاني أكسيد التيتانيوم. الفوتونات التي تمتلك طاقة كافية تمتص بواسطة الصبغة العضوية فتثار الكترونات مدارتها الخارجية، وهذا يعمل على حقنها مباشرة في طبقة التوصيل في مادة ثاني أكسيد التيتانيوم. نتيجة لزيادة تركيز الالكترونات الحرة في طبقة التيتانيوم اكسيد فانها تنتقل تبعا لقوانين الانتشار الى اللوح الموصل اعلاها (الانود).

في غضون ذلك، فان جزئيات الصبغة العضوية تفقد إلكترون ويحدث تفكك للجزيء إذا لم يتم تعويض الإلكترون المفقود. فيقوم بامتصاص إلكترون آخر من مركب اليود في المحلول الموصل (الالكترولايت) الموجود أسفل طبقة ثاني أكسيد التيتانوم، ويعمل على أكسدة مركب اليود ليصبح ثلاثي التكافؤ. هذا التفاعل الكيميائي يحدث بسرعة كبيرة بالمقارنة مع الزمن اللازم لاتحاد الإلكترون مع جزئ الصبغة العضوية المتأكسد، ويعمل هذا التفاعل على منع الخلية الشمسية من ان تصبح دائرة مغلقة Short-circuit.

يستعيد مركب اليود الثلاثي الإلكترون المفقود بالانتشار الميكانيكي من أسفل الخلية حيث يوجد الالكترود الذي يقدم له الإلكترون القادم من الدائرة الخارجية.

المزايا والعيوب Advantages and drawbacks

تعتبر الخلايا الشمسية الصبغية الأكثر كفاءة في الجيل الثالث من الخلايا الشمسية المتوفرة حالياً. تقنيات الأغشية الرقيقة الأخرى قد تنتج خلايا شمسية بكفاءة في حدود 8%، والخلايا الشمسية التقليدية المعتمدة على السليكون لها كفاءة في حدود 12 إلى 15%. وهذا يجعل الخلايا الشمسية العضوية مرشحة لاستبدال التقنيات الأخرى المستخدمة في تصنيع الخلايا الشمسية التي تثبت على أسطح المنازل، لما تمتلك من مزايا عديدة تجعلها الأفضل في هذا المجال.

كما إن فكرة عمل الخلايا الشمسية الصبغية تجعل بالإمكان استخدام هذه في ظروف الإضاءة الخفيفة مثل أن تكون السماء ملبدة بالغيوم أو في داخل المنازل حيث يمكن أن تولد الطاقة الكهربية من الإنارة المنزلية وليس بالضرورة من أشعة الشمس المباشرة.

كما ان الخلايا الشمسية الصبغية تزداد كفاءتها في حالة ارتفاع درجة الحرارة في حين ان الخلايا الشمسية المعتمدة على أشباه الموصلات فان كفاءتها تقل بزيادة درجة الحرارة. كما إن تصميم الخلايا الشمسية الصبغية يجعلها قادرة على تبديد الحرارة الداخلية بشكل أفضل مما يساهم في أن تعمل في درجات حرارة منخفضة.

اما العيب الاساسي في الخلايا الصبغية هو ان تصميمها يستخدم السائل الموصل الالكترولايت، والذي يكون له مشاكل تتعلق باستقراره مع التغير في درجة الحرارة. فعند درجة حرارة منخفضة يمكن ان يتجمد هذه السائل مما يتسبب في إحداث أعطال في الخلية. وعند درجات الحرارة المنخفضة فان تمدد السائل يجعله يتسرب خارج نطاق الخلية وهذا يؤدي الى احدث عطل فيزيائي في الخلية. كما ان السائل الموصل الالكترولايت هو عبارة عن محاليل عضوية يجب أن تحتوى بشكل جيد ولا يسمح لها بالتسرب للخارج.

استبدال السائل الموصل بمادة صلبة يعتبر تحديا كبيرا في هذا المجال وتجرى الكثير من الأبحاث لحل هذه المشكلة. وفي تجارب حديثة استخدم الأملاح المعدنية الصلبة كبديل للسائل الموصل ولكن مع بعض المشاكل المتعلقة بنقص فترة عمر هذه الخلايا خصوصا عند تشغيلها بشكل متواصل.

هذا شرح موجز عن فكرة عمل الخلية الشمسية الصبغية ولازال البحث والتطوير مستمرا في هذا المجال لحل المشاكل التي سوف تمكن من استخدامها على نطاق واسع وحاليا يوجد الكثير من الشركات التي بدأت في إنتاج هذه الخلايا ومنها شركة سوني وشركة SolarPrint وشركة Hydrogen Solar وغيرها. أتمنى أن أكون وفقت في تقديم الفكرة النظرية لعمل الخلية الشمسية الصبغية وأترككم مع هذا المقاطع التي تشرح بوضوح كيف يمكنك أن تصمم خليتك الشمسية وتساهم في تطويرها أو الاستفادة منها.

مع خالص تحياتي واحترامي لكل من يقوم بإعادة نشر هذا المقال مع ذكر مصدر النشر واسم الكاتب

دكتور حازم فلاح سكيك

www.hazemsakeek.com

بعض المقاطع من اليوتيوب لصناعة الخلايا الشمسية الصبغية

 

 

 

مراجع إضافية

كيف تعمل الخلايا الشمسية الجزء الأول

كيف تعمل الخلايا الشمسية الجزء الثاني

http://en.wikipedia.org/wiki/Dye-sensitized_solar_cell

http://www.eifer.uni-karlsruhe.de/162.php

منفذ HDMI هو أكثر من كونه منفذ في جهاز التلفزيون

منذ أيام حصلت على جهاز تلفزيون عالي الوضوح HDTV مزود بوصلات جديدة تعرف باسم وصلة الوسائط المتعددة عالية الوضوح HDMI بالإضافة إلى الوصلات المعروفة الأخرى مثل وصلة مكون الفيديو أو وصلة S video إلا أن وصلة HDMI تجعل الصورة أكثر وضوحا وأعلى دقة خصوصا إذا قمت باستخدامها مع جهاز كمبيوتر اللاب توب أو جهاز بلاي ستيشن 3 PlayStation أو مشغل دي في دي عالي الوضوح HD-DVD أو مشغل بلوراي Blu-ray سوف تلاحظ الفرق بالتأكيد. مما جعلني ابحث عن الموضوع لأعرف عنه المزيد وعن إمكانياته وكيف يعمل ويسعدني أن أقدم لكم هذه المعلومات من خلال هذا المقال.

في هذه المقالة من كيف تعمل الأشياء، سوف ننظر بشيء من التفصيل إلى وصلة HDMI، لنتعرف على ما يمكن أن تقدمه وما العيوب المتعلقة به.

لابد انك قد سمعت عن منفذ الوسائط المتعدد عالي الوضوح HDMI وهو اختصار لـ High-Definition Multimedia Interface. وبالرغم من أن منفذ HDMI يبدو مثل أي منفذ في جهاز التلفزيون أو أنظمة السينما المنزلية، إلا انه أكثر من كونه منفذ في خلف التلفزيون ويتصل في هذا المنفذ كابل خاص يكون مرتفع الثمن. هذا المنفذ مع الكابل يشكل مجموعة من الأساسيات والقواعد التي تسمح للأجهزة العالية الوضوح بالتواصل مع بعضها البعض.

فبل أن تتطور أجهزة التلفزيون عالية الوضوح، كانت هذه الأجهزة تعرض الصورة بما يعرف بالوضوح العاديslandered definition. والصورة كانت مربعة تقريبا بنسبة عرض 4:3. وكانت دقة الوضوح resolution والتي هي عدد النقاط التي تكون الصورة على الشاشة، في حدود 704×480 بكسيل. والصورة تتكون بطريقة المسح المتبادل interlaced scan بحيث أن كل جزء من الصورة المتحركة هو في الواقع نصف الصورة ولكن بسرعة المسح العالية فان عقل الإنسان لا يمكن أن يلحظها. هذا بالإضافة إلى أن أجهزة التلفزيون القديمة تعتمد على الإشارة التناظرية analog signal، وهي إشارة تنتقل مع تغير مستمر في التيار الكهربي.

ومن جهة أخرى فان أجهزة التلفزيون عالية الوضوح HDTV هي أجهزة تعمل بتقنية رقمية digital. فهي تستقبل المعلومات في شكل صورة رقمية من الاصفار والاحاد. هذه المعلومات تتدفق عبر الكابل كنبضات كهربية مختلفة. وأجهزة التلفزيون عالية الوضوح تعمل بنسبة عرض 16:9، لذلك تكون الصورة مستطيلة. كما إنها ذات قدرة تحليلية اكبر حيث تصل قدرة التحليل لشاشات اليوم إلى 1920X1080 بكسيل. إشارات HDTV تعمل بنظام المسح المتوالي progressive، والذي يعني إن كل إطار شاشة frame للصورة المتحركة يمثل صورة كاملة وليس نصف صورة كما في أجهزة التلفزيون القديمة.

الوضوح العادي (NTSC) يعمل بنسبة عرض 4:3 والوضوح العالي (HDTV) له نسبة عرض اكبر 16:9

بمقارنة التلفزيون العادي TV مع تلفزيون عالي الوضوح HDTV نجد أن الشاشة أصبحت اعرض وازداد عدد البكسيلات وازدادت سرعة المسح refresh rate، ويعرض التلفزيون عالي الوضوح ألوان أكثر من التلفزيونات العادية. وهذا يعني إن هذه الأجهزة تتطلب سرعة تدفق بيانات أعلى بكثير من التلفزيونات العادية. فإذا استقبل تلفزيون عالي الوضوح البيانات بشكل رقمي فانه لا يحتاج أن يقوم بتحليل هذه البيانات وتحويلها إلى بيانات في شكل تناظري analog format.

وهذا يؤدي بنا إلى الحديث عن وصلة الوسائط المتعددة عالي الوضوح HDMI. وقد تم تصنيعه بواسطة مجموعة من الشركات الالكترونية، وهذا الوصلة تشكل مجموعة من أسلاك توصيل بنطاق كبير high-bandwidth بين الأجهزة الرقمية المختلفة. فمع التجهيزات الصحيحة، فان وصلة HDMI سوف تشعرك بالفرق الملحوظ عند استخدامها مع أنظمة السينما المنزلية. وتستطيع هذه الوصلات أن تحمل 1080p إشارات عالة الوضوح وتدعم أيضا 8 قنوات صوتية غيرة مضغوطة وهذا يكفي تماما لأنظمة الصوت المحيط 7.1. كما إن وصلات HDMI تستطيع أن تخفف من كثرة كوابل التوصيل المستخدمة لتوصيل الأجهزة كما إنها أيضا تخفف من عدد أجهزة التحكم الريموت كنترول المطلوبة للتحكم في الأجهزة عند مشاهدة فيلم.

ولكن هناك نقطة يجب الانتباه لها وهي انه حتى نستفيد إمكانية وصلة HDMI وكل المزايا التي تقدمها يجب إن تكون كل الأجهزة المستخدمة تقبل التعامل مع هذه الوصلات بان تكون مجهزة بمنفذ HDMI أو أكثر فمثلا إذا كان جهاز استقبال القنوات الفضائية لديك غير مدعم بمنفذ HDMI فانك لن تستفيد من هذه التقنية مثل أجهزة بلاي ستيشن 3 التي تأتي بمنفذ HDMI ولكن يمكنك الآن أن تحصل على جهاز رسيفر جديد يدعم هذه التقنية وستشاهد الفرق عندها، كما إن النقطة الأخرى هي إن هذه الوصلات تأتي بأطوال قصيرة في حدود 1 متر وهذا يجعل الكثيرون يشتكون من صعوبة ترتيب الأجهزة خصوصا إذا رغبوا في توصيل جهاز الكمبيوتر مع شاشة التلفزيون عالي الوضوح.

إشارات وصلة الوسائط المتعددة عالية الوضوح HDMI

كثير منا عندما يسمع عن تقنية HDMI بأنها تقنية تعتمد على تحويل الإشارة التناظرية إلى إشارة رقمية مثل ما يتم في الكثير من الأجهزة السابقة مثل توصيل مشغل دي في دي في جهاز التلفزيون العادي حيث إن الدي في دي يعمل بتقنية رقمية وجهاز التلفزيون بتعامل مع إشارات تناظرية فان عملية التحويل هنا تكون أساسية لتظهر الصورة على الشاشة ولكن في أجهزة التلفزيون عالية الوضوح HDTV تستقبل الإشارة الرقمية مباشرة دون الحاجة إلى عملية التحويل الوسطية تلك.

تقنية HDMI تستخدم تقنية تعرف باسم TMDS أي transition minimized differential signaling والتي تعني تقليل انتقال الإشارة التباينية إلى أقصى حد ممكن وهي تقنية تستخدم لنقل المعلومات من مكان لأخر. وتعتبر TMDS احد طرق تشفير الإشارة signal encoding لحماية الإشارة من الاضمحلال عند انتقالها عبر أسلاك التوصيل. وهنا شرح لما يحدث”

(1) يقوم جهاز الإرسال مثل مشغل أقراص الدي في دي عالي الوضوح بتشفير الإشارة لتقليل عدد الانتقالات بين الصفر والواحد (0 و 1) او بين حالة اون on وحالة اوف off. تخيل إن كل انتقال هو عبارة عن انتقال حاد في الإشارة أثناء انتقال الإشارة عبر سلك التوصيل، وهذا الانتقال الحاد يصبح اقل حدة بعد أن يقطع مسافة في السلك مما يؤدي إلى انخفاض مستوى الإشارة. لذلك فان مرحلة التشفير هنا مهمة لأنها تساعد على حماية الإشارة والمحافظة على جودتها بتقليل عدد الانتقالات.

(2) احد الكوابل يكون عبارة عن زوج من الأسلاك المفتولة يحمل الإشارة. والأخر يحمل نسخة معكوسة من الإشارة.

(3) جهاز الاستقبال مثل جهاز تلفزيون عالي الوضوح HDTV، يقوم بفك الشيفرة decode. ويقوم بقياس التباينات او الاختلافات بين الإشارة ومعكوسها. ويستخدم هذه المعلومات ليقوم بتعويض الفقد في الإشارة الذي حدث نتيجة للانتقال عبر السلك.

جهاز تلفزيون عالي الوضوح من شركة LG LG LH50

وصلة HDMI تشفر الإشارة وتحملها وتفك شيفرة الإشارات الرقمية لتعرضها على أجهزة العرض العالية الوضوح HDTV

كما إن وصلة الوسائط المتعددة عالية الوضوح HDMI تحمي الإشارة من السرقة أو التجسس حيث يستخدم معها تقنية تعرف باسم HDCP وهي اختصار لـ high-bandwidth digital copy protection حماية النسخة الرقمية عالية النطاق. وتقنية HDCP عبارة عن بروتوكول خاص للمصداقية authentication protocol بين الأجهزة التي تتصل مع بعضها البعض. وببساطة، كل جهاز سينما منزلية يحتوي على بيانات تعريفيه خاصة به وكذلك بيانات مشفرة مخزنة فيه على رقيقة الكترونية تعرف باسم EDID أي extended display identification data أي رقيقة أو شريحة العرض الموسع لبيانات تحديد الهوية. الجهاز المصدر للإشارة مثل أجهزة البلوراي Blu-ray تقوم بفحص مفتاح التعريف authentication key للجهاز المستقبل، مثل أجهزة التلفزيون عالي الوضوح HDTV. إذا كان كلا المفتاحين متطابقين فان الجهاز المرسل سوف ينتقل للخطوة التالية. حيث تعمل على توليد مفتاح جديد لمشاركة مع جهاز الاستقبال. بمعنى أخر إنها تنشئ كلمة مرور مشتركة. وهذه الطريقة تعرف أيضا بين أجهزة الكمبيوتر المتصلة على الشبكة بتقنية المصافحة handshake، وهي تحدث بشكل لحظي.

يقوم جهاز الإرسال بتشفير معلوماته باستخدام المفتاح الذي ولده. ويقوم جهاز الاستقبال بفج الشيفرة باستخدام نفس المعلومات. فإذا كان هناك جهاز غير مصرح له يحاول أن يقطع هذه البيانات، فان جهاز الإرسال سوف يتوقف عن الإرسال. كما انه يتأكد أن المفتاح لم يتغير وان النظام لازال أمناً كل فترة من الزمن تصل إلى دقائق. كل الأجهزة المدعمة بمنفذ HDMI أو أكثر يجب أن تدعم تقنية HDCP، ولكن الشركات التي تصنع المواد عالية الجودة لا يتطلب منها أن تفعل هذا البروتوكول. ففي الولايات المتحدة الأمريكية فان حماية المحتوى يأتي بتكليف من لجنة الاتصالات الاتحادية FCC أي Federal Communications Commission.

في الجزء التالي من المقال سوف نتحدث بشيء من التفصيل عن كابل HDMI ونكتشف كيف ينقل الإشارات.

توصيلات كابل HDMI

هناك الكثير من طرق التوصيل التي يمكنك ان تستخدمها لتوصيل أجهزة السينما المنزلية ومنها على سبيل المثال:

(1) وصلة مكون الفيديو Component video وهو يحمل إشارات الفيديو التناظرية ويفصلها إلى قناتين للون وقناة ثالثة للإضاءة. ويستخدم مكون الفيديو كوابل بأطراف تعرف باسم RCA

وصلة مكون الفيديو Component video

(2) وصلة فيديو s أو S-video وهي تنقل إشارات الفيديو التناظرية باستخدام كابل واحد بأربع دبابيس توصيل.

وصلة S video

(3) وصلة DVI أو وصلة الفيديو الرقمية وهي تحتوي على 29 دبوس توصيل وتستخدم لتوصيل جهاز الكمبيوتر مع شاشة العرض وهي تختلف عن الوصلتين السابقتين في إنها وصلة تنقل الإشارات الرقمية.

وصلة DVI

الكثير من وصلات جهاز التلفزيون عالي الوضوح HDTV يعتمد على DVI، لأنه وصل السوق قبل اكتشاف وصلة HDMI. ولان كلا من وصلة DVI ووصلة HDMI تعتمد على بروتوكول TMDS فإنهما الوصلتين متناغمتين او متناسقتين. ويمكنك الحصول على وصلة تحويل من HDMI إلى DVI أو العكس.

وصلة تحويل بسيطة تمكنك توصيل كابل HDMI بمنفذ DVI

وهناك الكثير من التشابه بين وصلتي DVI و HDMI، حيث إنهما يستخدمان شبكة من دبابيس التوصيل لنقل الإشارات من الكابل إلى الجهاز، في حين إن DVI تحتوي على 29 دبوس توصيل، فان HDMI النوع A يحتوي على 19 دبوس توصيل فقط, كما إن وصلة DVI تستخدم زوج من براغي التثبيت في الجهاز. فان HDMI لا تحتوي على هذه البراغي. كما إن هناك وصلة أخرى من HDMI تستخدم في أجهزة اصغر مثل كاميرا الفيديو الرقمية تحتوي هذه الكوابل على 29 دبوس توصيل وتعرف بالنوع B لكوابل HDMI، وفي اغلب الأحيان تستخدم جميع الأجهزة النوع A.

تنتقل الإشارات عبر أزواج الأسلاك الملتوية في كابل HDMI. هناك 3 قنوات للصوت والفيديو تنتقل الإشارة عبر كل قناة من خلال زوج من دبابيس التوصيل، لتستخدم 6 دبابيس توصيل. وتستخدم ساعة TMDS التي تسمح بمزامنة البيانات القادمة تستخدم دبوس توصيل واحد. وكل زوج من هذه الأزواج الأربعة محاط بحاجز shield ليمنع أي تداخل بين الأسلاك المتجاورة. وتشكل قنوات TMDS وقناة الساعة والحاجز قلب كابل HDMI.

الإشارات الأخرى التي تنتقل عبر كابل HDMI تحتاج إلى دبوس توصيل واحد فقط. ومن هذه القنوات على سبيل المثال القناة الالكترونية الاستهلاكية consumer electronics channel وتعرف بالاختصار (CEC). فإذا كان جهازك يدعم هذه القناة فإنها سوف تسمح بإرسال التعليمات من جهاز لأخر. على سبيل المثال للتوضيح، مشغل الدي في دي DVD عالي الوضوح يمكن أن يشغل جهاز السينما المنزلية تلقائيا وجهاز التلفزيون عالي الوضوح HDTV عند تشغيل قرص الدي في دي. وقناة الاستشعار التي تعرف باسم hot plug detect، تستخدم دبوس توصيل واحد لاستشعار متى تقوم بتوصيل الجهاز وبدأ تشغيله وإعادة بدأ تشغيل HDMI إذا كان ذلك ضروريا. ودبوس أخر يستخدم لقناة عرض البيانات display data channel (DCC). يحمل معلومات الجهاز ومعلومات التشفير HHCP. والقنوات الأخرى تحمل البيانات المشفرة والكهرباء التي تستخدم في الاتصال بين الأجهزة.

تأتي هذه الكوابل بفئتين. الفئة 1 لها سرعة 74.25 MHz. والفئة 2 لها سرعة 340 MHz. ومعظم الكوابل المستخدمة هي من كوابل الفئة 2 الأسرع.

بالإضافة إلى ما ذكر حول المقبس والكابل فان كوابل HDMI تستخدم معايير قياسية لكيف يقوم نظام التلفزيون بمزامنة الصوت مع الصورة ويعرض الألوان. إمكانيات الكوابل تغيرت خلال مراحل التنقيح والتطوير التي طرأت على معايير عمل هذه الكوابل لتدعم المزيد من الأجهزة وتزيد من سرعة تبادل المعلومات.

وفي النهاية أرجو أن أكون قد قدمت معلومة مفيدة حول هذه التقنية لمن يمتلك اجهزة العرض عالية الوضوح HDMI أو لمن يفكر في اقتناء هذه الأجهزة التي أصبحت تنتشر بسرعة بعد انخفاض ثمنها.

وإلى اللقاء في مقال أخر من مقالات كيف تعمل الأشياء

د. حازم فلاح سكيك

www.hazemsakeek.net

مواضيع ذات صلة

كيف تعمل أنظمة السينما المنزلية

كيف تعمل أقراص البلو راي

كيف يعمل الدي في دي

كيف يعمل جهاز الفيديو الرقمي

إن أحد أهم استخدامات ذاكرة الفلاش (Flash memory) يكون في نظام الـ basic input/output system BIOS (نظام الدخل والخرج الأساسي) لجهازك، وهو موجود في كل كمبيوتر، حيث يتأكد الـBIOS من أن كل الشيبات Chips والأقراص الصلبة، والمنافذ بالإضافة إلى المعالج تعمل معاً وبشكل جيد.

تحتوي كل الكمبيوترات المكتبية والمحمولة على معالج صغري كوحدة معالجة مركزية، المعالج الصغرى هو قطعة صلبة (ليس برنامجاً)، وينفذ مجموعة من التعليمات تشكل الكيان المرن “البرمجيات”، وقد اعتدنا تصنيف البرمجيات حسب الاستخدام إلى نوعين مختلفين:

– نظام التشغيل Operating System: حيث يزود نظام التشغيل كمبيوترك بمجموعة من الخدمات لتشغيل التطبيقات، كما يزوده بواجهة تخاطبية مع المستخدم (من خلال النوافذ نص الأوامر)، وكمثال عن أنظمة التشغيل نجد نظام تشغيل linux وأنظمة windows.

– التطبيقات: مجموعة من البرمجيات التي تبرمج لإنجاز مهمة معينة، فكمبيوترك الآن يحوي على مستعرض، ومعالج النصوص، ومستعرض البريد الإلكتروني وغيرها الكثير، كما يمكنك شراء وتثبيت تطبيقات أخرى.

وظيفة الـ BIOS

تحوي برمجية الـ BIOS عدداً من الوظائف المختلفة, ولكن أهم وظيفة هي تحميل نظام التشغيل، فعند تشغيل الكمبيوتر وتنفيذ المعالج لأول تعليمة من التعليمات المختزنة في الحاسب، فيجب أن يحصل على تلك التعليمة من مكان ما، وبالطبع لا يمكنه الحصول عليها من نظام التشغيل، لأن نظام التشغيل موجود على القرص الصلب، والمعالج لا يمكنه الحصول عليها بدون بعض التعليمات التي تخبره كيف يصل إلى القرص الصلب، حيث يقوم الـ BIOS بتزويد المعالج بتلك التعليمات.

بعض المهام الرئيسية التي ينجزها الـBIOS هي

– التشغيل والفحص الذاتي power-on self test POST حيث يتم فحص كل المكونات المادية في النظام والتأكد من أن كل شي يعمل بشكل سليم.

– تفعيل شيبات BIOS أخرى موجودة على بعض أنواع الكروت المثبتة في الكمبيوتر، كمثال كروت الـ SCSI وكروت الرسوميات في الغالب يكون لها BIOS خاص.

– يزود نظام التشغيل ببعض الـ routines (برامج صغيرة مثل الاستدعاءات) ذات مستوى برمجي منخفض (بلغة التجميع) تستخدم لإدارة مختلف الأجهزة المادية- فهي تعطي الـ BIOS أسماءها وعناوينها، وتقوم بإدارة طرفيات مثل لوحة المفاتيح والشاشة والمنافذ التسلسلية والتفرعية، خاصةً في مرحلة الإقلاع.

– إدارة مجموعة إعدادات الأقراص الصلبة، والساعة وغيرها.

الـ BIOS هو بالتعريف برنامج خاص يدير المكونات الرئيسية للكمبيوتر ونظام التشغيل، وهو عادةً يخزن على ذاكرة من نوع ذاكرة فلاش على لوحة الأم، ولكن في بعض الأحيان يخزن على نوع آخر من ذواكر الـ ROM.

عندما تشغل كمبيوترك، يقوم الـ BIOS بعدة عمليات. وهي وفق المراحل:

1. فحص إعدادات رقاقات الـ CMOS.
2. تحميل جداول المقاطعات وتعريفات الأجهزة.
3. تحميل السجلات بالقيم الابتدائية وإدارة الطاقة.
4. ينجز التشغيل والفحص الذاتي POST
5. يظهر إعدادات النظام
6. يحدد أي جهاز قابل للإقلاع
7. ينقل التنفيد إلى برنامج Bootstrap.

الشيء الأول الذي يقوم به الـ BIOS هو فحص المعلومات المخزنة في حجم صغير من ذاكرة الـ RAM 64bytes موجودة على شيب من نوع CMOS، حيث تزوده إعدادات الـ CMOS بمعلومات مفصلة عن نظامك (مكونات الكمبيوتر وإعدادات) ويمكن تبديلها في حال حدوث تغير في نظامك (مكونات الكمبيوتر والإعدادات)، كما يستخدم الـ BIOS هذه المعلومات للتعديل أو الإضافة لبرنامجه الافتراضي حسب الحاجة.

جداول المقاطعات هي نصوص صغيرة من البرمجيات التي تستخدم للتخاطب بين المكونات المادية ونظام التشغيل، كمثال، عند الضغط على أي مفتاح على لوحة المفاتيح، ترسل الإشارة إلى جدول مقاطعة لوحة المفاتيح، التي تنبه المعالج عن ماهيتها وتجتاز المعالج إلى نظام التشغيل، وتعريفات الأجهزة Drivers هي أجزاء من البرمجيات التي تعرف المكونات المادية الأساسية مثل لوحة المفاتيح، الفارة، القرص الصلب والقرص المرن (floppy disk)، وبما أن الـ BIOS في عمله هذا يعيق الإشارات بشكل مستمر من وإلى المكونات المادية، لذلك ينسخ عادةً في الـ RAM لتحقيق السرعة في الأداء.

إقلاع الكمبيوتر

عند تشغيل كمبيوترك فإن أول شيء تراه هو برنامج الـ BIOS حيث يقوم بوظائفه، وفي العديد من الأجهزة، يظهر الـ BIOS وصف نصي عن أشياء مثل حجم الذاكرة المثبتة في الكمبيوتر، نوع القرص الصلب وغيرها. ثم يخرج منها، خلال مراحل الإقلاع، يقوم الـ BIOS بعمل غير عادي للحصول على كمبيوترك جاهز للاستخدام. هذه الفقرة تشرح باختصار هذه النشاطات وذلك لكمبيوتر نموذجي.

بعد فحص إعدادات الـ CMOS وتحميل جداول المقاطعات، يحدد الـ BIOS فيما إذا كان كرت الشاشة يعمل بشكل سليم، ومعظم كروت الشاشة لها BIOS مصغر خاص والذي يهيئ بدوره الذاكرة ومعالج الصور الموجود على الكرت، وإلا، يكون تعريف كرت الشاشة على ذاكرة ROM أخرى على لوحة الأم حيث يستطيع للـ BIOS تحميلها.

ثم، يفحص الـ BIOS ليرى فيما إذا كان إقلاعاً بارداً cold boot أو إعادة إقلاع، ويقوم بذلك من خلال فحص القيمة الموجودة في عنوان الذاكرة 0000:0472، فإذا كانت القيمة 1234h تشير إلى إعادة إقلاع، ويتجاوز الـ BIOS باقي عملية POST، وغير تلك القيمة فإنها تشير إلى إقلاع بارد.

إذا كان الإقلاع بارداً، يتحقق الـ BIOS من الـ RAM بالقيام بفحص قراءة\كتابة لكل عنوان في الذاكرة، فيفحص منافذ PS/2 أومنافذ USB من أجل لوحة مفاتيح وفارة، ويبحث عن ممر PCI، وإذا وجد ممر يفحص كل كروت ال ـPCI، فإذا وجد الـ BIOS أي خطأ خلال عملية POST، سينبهك بمجموعة من الإشارات الصوتية beeps أو يظهر رسالة نصية على الشاشة، والخطأ في هذه المرحلة يكون بشكل دائم خطأ كيان صلب.

ثم يظهر الـ BIOS بعض التفاصيل حول النظام. بشكل نموذجي يتضمن معلومات حول:

• المعالج
• القرص الصلب والقرص المرن
• الذاكرة
• نسخة الـBIOS وتاريخها
• كرت الشاشة

يحمل الـ BIOS أي تعريفات خاصة من كرت “Adapter”، مثل كرت الـ SCSI، ويظهر الـ BIOS معلومات عنه، ثم يبحث الـ BIOS عن قرص التخزين المعرف كقرص إقلاع في إعدادات الـ CMOS. “Boot” هي اختصار لـ”BootStrap”، ويشير الـBoot إلى الفعاليات التي تطلق نظام التشغيل، فسيحاول الـ BIOS الابتداء بمراحل الـ Boot من القرص التخزيني الأول (حسب إعدادات الـ CMOS)، فإذا لم يجد الـ BIOS أي قرص تخزين، سيحاول مع القرص التخزيني الثاني المحدد في إعدادات الـ CMOS، إذا لم يجد الملف المطلوب على القرص، فعملية الإقلاع ستنهى، أما إذا ترك قرص (قرص مرن في سواقة الأقراص المرنة floppy disk لأن الترتيب الافتراضي لأقراص الإقلاع في الـ CMOS هو القرص المرن في البداية ثم القرص الصلب وأخيراً القرص الضوئي) عند إعادة إقلاع الكمبيوتر، فستظهر لك هذه رسالة تنبهك بهذا الأمر.

تشكيل الـ BIOS:

الدخول إلى إعدادات الـ CMOS، يجب الضغط على مفتاح معين أو مجموعة من المفاتيح خلال بداية مرحلة الإقلاع (إظهار المعلومات النصية على الشاشة)، وأغلب الأنظمة تستخدم “Esc,” “Del,” “F1,” “F2,” “Ctrl-Esc” أو “Ctrl-Alt-Esc” للدخول إلى الإعدادات، وعادةً ما يوجد سطر نصي في أسفل شاشة العرض يخبرك عن المفتاح للدخول إلى الإعدادات.

عند الدخول إلى الإعدادات، فسترى لائحة نصية مع عدد من الخيارات، بعض هذه الخيارات قياسية، وبعضها الآخر يختلف تبعاً لشركة الـ BIOS، وتحتوي الخيارات الشائعة:

– ساعة النظام والتاريخ ضبط ساعة النظام والتاريخ

– ترتيب الإقلاع الترتيب الذي يتبعه الـ BIOS لتحميل نظام التشغيل.

– وصّل وشغل (plug and play) نظام الكشف الآلي للأجهزة الموصولة، ينبغي ضبطه على yes إذا كان كلٌّ من نظام التشغيل والكمبيوتر يدعم ذلك.

– الفأرة \ لوحة المفاتيح: “Enable Num Lock,” “Enable the Keyboard,”

“Auto-Detect Mouse”…

– تشكيل الجهاز، تشكيل القرص الصلب والقرص المرن والسواقة الضوئية.

– الذاكرة: عنوان الذاكرة التي ينسخ إليها الـBIOS

– الأمن: وضع كلمة مرور للدخول للكمبيوتر.

– إدارة الطاقة: حدد فيما كنت تستعمل إدارة الطاقة بالإضافة إلى تحديد كمية الزمن للقيام بالثبات Standby والإسبات suspend “hibernate”.

– الخروج حفظ تغيراتك، حفظ بدون التغيرات، إعادة الإعدادات الافتراضية.

انتبه انتبه انتبه عند تغيير الإعدادات، فإن أي تغيير خاطئ ربما يمنع كمبيوترك من الإقلاع، وعند الانتهاء من التغييرات، فينبغي اختيار حفظ التغييرات والخروج، ويعيد الـ BIOS إقلاع الكمبيوتر مع الأخذ بعين الاعتبار الإعدادات الجديدة.

يستخدم الـ BIOS تقنية الـ CMOS لحفظ أي تغيرات على إعدادات الكمبيوتر، ومع هذه التقنية، يمكن لبطارية صغيرة من نوع lithium أو Ni-Cad تزويده بالطاقة الكافية لحفظ البيانات لسنين، وفي الحقيقة، في بعض الشيبات الجديدة تستمر بحفظ الإعدادات لعشر سنوات، حيث تدمج بطارية lithium داخل شيبة الـ CMOS.

تحديث الـ BIOS:

من حين لآخر، سيحتاج الكمبيوتر إلى تحديث الـ BIOS الخاص به، وبخاصة الأجهزة القديمة كإضافة أجهزة ومعايير حديثة الظهور، ويحتاج الـ BIOS للتحديث لكي يستطيع إدارة العتاد الجديد، وبما أن الـ BIOS يخزن على بعض أنواع ذواكر الـ ROM، يكون تغييرها أصعب من تحديثها.

لتغيير الـ BIOS، في الغالب ستحتاج إلى برنامج خاص من شركة الـ BIOS أو الشركة المصنعة للوحة الأم، فانظر إلى نسخة الـ BIOS وتاريخها والذي يظهر عند تشغيل الكمبيوتر، وابحث في الموقع الإلكتروني للشركة المصنعة للوحة الأم عن نوع الـ BIOS الذي تملكه، ونزّل التحديث والبرامج الخدمية التي تحتاجها لتثبيت التحديث، وفي بعض الأحيان تكون البرامج الخدمية والتحديث مدموجة في ملف مفرد، فانسخ البرنامج، مع تحديث الـ BIOS على قرص مرن، ثم أعد إقلاع الكمبيوتر بوجود القرص المرن داخل سواقة الأقراص المرنة، وسيقوم حينها البرنامج بمسح نسخة الـ BIOS القديمة ويثبت النسخة الجديدة.

مثلما كان يجب الانتباه مع تغييرات إعدادات الـ CMOS، كذلك الأمر يجب الانتباه عند تحديث الـ BIOS، فتأكد من أنك تحدث الـ BIOS إلى النسخة المتوافقة مع نظام كمبيوترك. وإلا، ستخرب الـ BIOS, وبالتالي لن تكون قادراً على إقلاع جهازك.

إعداد: جاك يعقوب Eng.Geco– موقع عالم الكترون

الاختصاص: علوم الحاسب ونظم الأتمتة

ظهرت مؤخرا برامج كثيرة تعنى باسترجاع الملفات المحذوفة أو تلك التي تعرض القرص الصلب الذي يحتويها لعملية الفرمتة .. وأتى ظهور هذه البرامج نظرا للحاجة الماسة لاستعادة الملفات المحذوفة عن طريق الخطأ .. أو جراء عطب القرص الصلب .. لكن السؤال هو: كيف تتم هذه العملية؟ وهل من المعقول استرجاع ملفات تم حذفها نهائيا حتى باستخدام Shift + Del!!

قبل الجواب عن هذا السؤال .. دعونا نأخذ لمحة بسيطة عن ماهية المعلومات والملفات المخزنة على القرص الصلب، وكيفية تخزينها.

القرص الصلب هو عبارة عن مجموعة أقراص من مادة معدنية عالية التمغنط، مطلية بطبقة من المغناطيس، ويوجد بالقرص الصلب رؤوس كتابة تمر على جميع هذه الأقراص، وتشحنها بأحدى الشحنتين + أو – .. وتمثل في عالم الحاسوب بـ 1 للموجب و 0 للسالب .. وعبر تسلسل معين للكتابة والقراءة .. تخزن هذه البيانات على القرص الصلب .. بحيث يكون لكل ملف جزء خاص من القرص الصلب يخزن عليه .. له بداية و نهاية وطول معين .. ويعبر عنها مجازيا بوحدات القياس المختلفة ( الـ KB , MB, GB)، ولتنظيم هذه الملفات وسهولة الوصول إليها ومعرفة الأماكن غير الممتلئة .. يخصص جزء بسيط من القرص الصلب يسمى بـ File System.. وهو عبارة عن أحد أشكال الفهارس (مجازا)، بحيث يخزن فيه اسم كل ملف وطوله وبدايته ونهايته والمعلومات الأخرى (كتاريخ الإنشاء والتعديل ….. الخ ) ومن أنواعه الـ FAT32 , NTFS,

طبعا نسيت أن أقول إن الملفات لا تخزن بشكل متتالٍ .. حيث إن بعض الملفات تخزن فتقسم حسب المساحة المتاحة على القرص الصلب إلى أكثر من مكان  (ولهذا السبب أحدثت عملية الـ Defragmentation).

عملية الحذف

تتم عملية الحذف حديثا وبكل بساطة عن طريق شطب معلومات الملف المراد حذفه من الـ File System!!! نعم .. الملف بحد ذاته لا يتم شطبه!! وإنما يبقى على القرص الصلب .. فحتى يقوم المستخدم بنسخ ملفات جديدة على القرص الصلب .. وعندها لا يستطيع نظام التشغيل رؤية معلومات هذا الملف .. فلا يرى بالمساحة المخزن فيها أي شيء ..

مبدأ عمل برامج استعادة الملفات

تقوم هذه البرامج بمسح سطحي للتعرف على جميع الملفات التي لا يوجد لها معلومات في الـ File System.. ويقوم باستحضارها .. وإنشاء ملف شبيه بالـ File System وبشكل مؤقت لحين استرجاعها! الحالة الوحيدة التي لا يتم فيها استرجاع الملفات هي أن يقوم نظام التشغيل بالكتابة فوق أماكن الملفات المحذوفة من الـ File System وهي ما تسمى بعملية Data Overwriting وتحدث بسبب أن نظام التشغيل لا يمكنه رؤية الملفات المحذوفة كونه لا يوجد لها ارتباط في الـ File System! وعليه .. يمكننا الإجابة عن السؤال المطروح حول إمكانية استعادة الملفات المحذوفة بنعم.

طبعا ما ينطبق على الحذف ينطبق على الفرمتة .. حيث يتم حذف الـ File System فقط في عملية الفرمتة، إلا في بعض أنظمة التشغيل القديمة .. والتي أدت كثرة استخدام هذه العملية إلى عطب عدد لا بأس به من الأقراص الصلبة! حيث كانت تستخدم طريقة عكس الشحنة لكل بت على القرص الصلب.

(إضافة بسيطة وهي لو لا سمح الله تعرضت لفقدان أحد الملفات المهمة إما عن طريق الحذف أو الفرمتة .. حاول لا تنسخ أي ملف جديد على الجهاز ولا علي قسم ( C,D,E…etc) حتى لا تعرض ملفاتك القديمة المفقودة للعطب .. المفضل إن تثبت أحد برامج استعادة الملفات على جهاز ثاني .. وتقوم بوصل القرص الصلب عليه .. بحيث يصبح Slaveعلى الجهاز الآخر .. وبعدها قم بمحاولة استعادة الملفات).

إعداد: جرجس Cts.JirJis

الاختصاص: هندسة الحاسبات – موقع عالم إلكترون

من سنوات قليلة مضت كانت دور السينما المكان الأمثل لمشاهدة الأفلام السينمائية، وبعد انتشار أجهزة لفيديو VCRs أصبح بالإمكان أن تشغل أي فيلم تشتريه أو تستأجره على جهاز التلفزيون في المنزل ولكن مع الفارق الكبير في الصورة والصوت بالمقارنة مع دور عرض السينما. الآن أصبح بالإمكان أن نحول غرفة التلفزيون العادية إلى سينما منزلية. وذلك من خلال استخدام شاشة عرض كبيرة وهناك الكثير من الخيارات في اختيار النوع المناسب وبأسعار متفاوتة.

في هذا المقال من كيف تعمل الأشياء سوف نقوم بشرح مختلف أنواع أنظمة السينما المنزلية وسوف نتعرف على كل مكونات هذا النظام.

ما هو نظام السينما المنزلية

من الصعب أن نعرف السينما المنزلية فهي عبارة عن مصطلح مبهم ولكنه مستخدم لما يحتوي من إثارة وتشويق يدفعك في التفكير في تحويل غرفة جلوسك إلى سينما منزلية. ونظام السينما المنزلية هو عبارة عن مكونات الكترونية مجتمعة مع بعضها البعض لإعطاء نفس الإحساس الذي تشعر به في دور عرض الأفلام السينمائية والذي يختلف تماماً عن ما تشعر به أمام شاشة تلفزيون عادي.

ولمعرفة كيف يعمل نظام السينما المنزلية سوف نقوم بمقارنة بين التلفزيون وما توفره دار العرض السينمائية:

الفرق الجوهري في النظام الصوتي الذي يظهر لك صوت الموسيقى وصوت الحوار وصوت المؤثرات الصوتية بطريقة تختلف تماماً عن الصوت الصادر عن سماعات التلفزيون. حيث انه في دور السينما يوجد ثلاثة سماعات في خلف شاشة العرض احدهما في المنتصف واحدة على اليمين والأخرى على اليسار هذا بالإضافة إلى مجموعة أخرى من السماعات منتشرة في أرجاء المكان. وهذا يسمى بنظام الصوتي المحيط surround sound والذي يقوم بتوزيع مقاطع مختلفة من الصوت على مجموعة محددة من السماعات بحيث تسمع أصوات مختلفة تصدر من سماعات مختلفة متصلة مع النظام، ولتوضيح ذلك تخيل انك تشاهد مشهد فيه طائرة تتحرك من يسار الشاشة إلى يمينها، وهنا هذا النظام يقوم بإصدار الصوت متوافق مع مكان الطائرة على الشاشة فتسمع الصوت صادر من السماعة على اليسار وينتقل تدريجياً إلى السماعة على اليمين

أما الفرق الثاني فهو يختص بالصورة حيث ان الشاشة الكبيرة المستخدمة في دور عرض السينما تجعلك تشعر انك جزء من الفيلم نظرا لأنها تغطي المشهد أمامك بالكامل بدون ان يكون هناك أي مناظر أخرى قد تلفت انتباهك.

الفرق الثالث يختص بالوضوح والدقة لكل مشاهد الفيلم كما إن حركة المشاهد أكثر نعومة وانسيابية.

إن الفكرة الأساسية للسينما المنزلية تكمن في إيجاد كل تلك العناصر في الأجهزة المنزلية، وفي الشرح التالي سوف نوضح ما المطلوب توفره للحصول على بيئة مماثلة لبيئية دور العرض السينمائية.

النظام الصوتي

مما سبق نلاحظ ان العنصر الأساسي اللازم لبيئة السينما المنزلية هو توفر نظام سمعي متطور وصورة واضحة على شاشة كبيرة. وهذا يعتمد على أن تتوفر لديك على الأقل الأجهزة التالية:

– شاشة تلفزيونية بحجم 27 انش.

– اربع سماعات صوت على الأقل.

– معدات للتحكم في فصل الصوت وتحويله إلى surround sound.

– جهاز تشغيل أفلام فيديو.

لكل عنصر من هذه العناصر مدى واسع من الخيارات لتختار منها وهذا يعتمد على الميزانية التي تستطيع ان توفرها لهذا النظام.

مشغل فيديو DVD من شركة سوني مع نظام صوتي متطور مزود بستة سماعات

وسوف نركز في هذا الموضوع على النظام الصوتي على اعتبار انه الأكثر تأثيراً والاهم في نظام السينما المنزلية ومن ثم سوف نشرح باقي العناصر بالترتيب.

أساسيات النظام الصوتي المحيط Surround Sound

الجزء الأساسي في نظام السينما المنزلية والذي يميزه عن نظام التلفزيون العادي هو الصوت المحيط surround sound. ولنظام سمعي محيط مناسب، فانك تحتاج إلى سماعتين أو ثلاثة سماعات في الأمام وسماعتين إلى ثلاثة سماعات جانبية أو خلفك. تنقسم الإشارة الصوتية إلى عدة قنوات بحيث ان المعلومات الصوتية المختلفة تخرج من هذه السماعات.

الصوت الأساسي يخرج من السماعات الأمامية. وعندما يتحدث شخص ما أو شيء يتحرك على يسار شاشة التلفزيون، فانك تسمع الصوت يخرج من السماعة الجانبية على يسارك. وعندما يتحدث شخص على يمين الشاشة، فانك تسمع الصوت من السماعة الجانبية على يمينك.

السماعة الثالثة تكون مثبتة في المنتصف، أسفل الشاشة. هذه السماعة المركزية مهمة جدا لأنها تعتبر محور الصوت القادم من السماعة على اليسار إلى السماعة على اليمين.

أما السماعات التي في الخلف فهي للأصوات الصادرة عن الخلفية في الفيلم – مثل نباح كلاب أو جريان ماء أو صوت طائرة. كما إنها تعمل مع السماعات الأمامية لتعطي الإحساس بالحركة – حيث يصدر الصوت من الأمام ثم ينتقل تدريجيا إلى الخلف فيعطيك إحساس بالحركة.

ولكن كيف يتم فصل كل هذه الأصوات؟ هذا هو وظيفة جهاز الاستقبال، والذي يعتبر قلب نظام السينما المنزلية. في الجزء التالي من هذا المقال سوف نعرف كيف يعمل جهاز الاستقبال.

جهاز الاستقبال The Receiver

جهاز استقبال الفيديو والصوت audio/video (a/v)والمكبر amplifier في نظام السينما المنزلية يقوم بنفس وظيفة جهاز الاستقبال والتكبير في أنظمة الاستيريو: فهو يقوم باستقبال الإشارات من العدد من الأجهزة مثل جهاز الفيديو وجهاز مشغل الذي في دي أو حتى من جهاز استقبال محطات الأقمار الاصطناعية. ويقوم بتفسير وتكبير هذه الإشارات ومن ثم يرسلها إلى أجهزة الإخراج مثل نظام التلفزيون والنظام الصوتي المستخدم.

جهاز استقبال صوتي محيط من شركة سوني

نظام استقبال السينما المنزلية والمكبر يحتويان على العديد من المكونات. فمنهم من يحتوي على نظام دي في دي أو أي نظام تشغيل اسطوانات مدمج معه. ويمكن بصفة عامة ان تجمع نظام سينما منزلية رائع عن طريق شراء الأجهزة بشكل منفصل وتوصيلها مع بعض، ولكن معظم الناس يقوموا بشراء وحدة متكاملة لتقوم بالعمل كله وذلك لاختصار الكثير من التكاليف المادية.

ومن مكونات نظام الاستقبال ما يلي:

– مصدر تشغيل فيديو وصوت (مثل جهاز مشغل أقراص الذي في دي أو جهاز الفيديو)

– مكبر مبدئي Preamplifier

– معالج فك شفرات الصوت المحيط

– مكبر صوت لكل قناة صوتية

– المخارج مثل السماعات وجهاز التلفزيون

مسار إشارات الفيديو والصوت هو مسار مباشر وواضح. فعندنا في الشكل أدناه نجد مصدر التشغيل وهو احد الأجهزة المعروفة مثل جهاز تشغيل دي في دي أو جهاز الفيديو شي دي أو غيرها من الأجهزة تقوم بتغذية الإشارة إلى وحدة الاستقبال. وعليك ان تختار أي وحدة إدخال تريد لتغذية وحدة الإخراج، ويقوم المكبر المبدئي باختيار الإشارة ويكبرها لمستوى محدد.

نظام الاستقبال هو قلب نظام السينما المنزلية

يرسل المستقبل إشارات الفيديو إلى التلفزيون ويرسل إشارات الصوت إلى معالج فك شفرات الصوت المحيط. يقوم المعالج بفرز الصوت وفصله عن إشارة الفيديو، ومن ثم يرسل هذه المعلومات الصوتية إلى المكبر ويوجهه إلى كل مخرج قناة سمعية. هذه الإشارات المكبرة توجه إلى السماعة المناسبة أو السماعات.

معالج الشيفرة الرقمية والتناظرية تقوم بالعمل بشكل مختلف. فالصوت المحيط الرقمي Digital surround sound هو ببساطة عندما تقوم شركة بإنتاج برنامج بنظام Dolby Digital، على سبيل المثال، فإنهم يقوموا بتشفير الصوت إلى ستة قنوات صوتية، تكون مناسبة لسماعات مضبوطة على نظام Dolby Digital. ونظام فك شيفرة الصوت المحيط الدولبي الرقمي يتعرف على هذه القنوات ويقوم بإرسالها إلى السماعات المناسبة والمتصلة بالنظام الصوتي.

أما نظام الصوت المحيط التناظري فهو شيء آخر مختلف. حيث ان القنوات السمعية المحيطة التناظرية تحصل على إشارتها من قناتين سمعيتين اسيتريو عادية. وهذه تعرف عادة باسم معالجة 4-2-4 لان التشفير يتم أساسا بأخذ القناتين السمعيتين الأماميتين والخلفيتين ويعمل عليها بشكل قناة استيريو عادي، ويقوم نظام فك شيفرة الصوت المحيط بفصل الصوت إلى أربعة قنوات مرة أخرى.

هناك تشكيلة واسعة من أجهزة استقبال الفيديو والصوت. هذه الأجهزة غالبا ما تباع مع السماعات التي تحتاجها، مثل نظام السينما المنزلية المتكامل. هذه الأنظمة تصل سعرها ما بين $250 إلى $2,500.

من أهم الاختلافات بين موديلات أجهزة استقبال الفيديو والصوت هو شكل أو نسق النظام الصوتي المحيط surround-sound formats الذي تدعمه. في الجزء التالي من المقال سوف نتعرف على مختلف أشكال هذه الأنظمة الصوتية المتوفرة.

ما هو نسق النظام الصوتي المحيط؟

فيما سبق وضحنا ان أجهزة استقبال الفيديو والصوت تقوم بفك شيفرة المعلومات الصوتية وتوجه الصوت إلى القنوات الصوتية المختلفة لتصل كل قناة بالسماعة المناسبة. وهناك الكثير من الأنواع المختلفة لأجهزة استقبال الفيديو والصوت التي يمكن استخدامها ولكن تختلف عن بعضها البعض بالنسق المستخدم للتشفير. واليوم، يوجد مصدرين أساسيين لنسق التشفير السينما المنزلية ذات الصوت المحيط وهي من إنتاج مختبرات دولبي Dollby وأنظمة السينما الرقمية Digital Theater System. مختبرات دولبي تستخدم العديد من انساق التشفير مثل Dolby Digital®و Dolby Pro Logic®. أما أنظمة السينما الرقمية فقد ابتكرت نظام DTS أي Digital Theater Sound .

ويوجد الكثير من الاختلافات بين الشركتين ولكن ما بهمنا هنا الأمور التالية:

(1) نظام تشفير DTS يستخدم ضغط اقل من نظام تشفير دولبي. وهذا يعني ان نظام DTS أوضح وأدق وأنقى.

(2) نظام تشفير DTS اقل استخداما في أقراص الذي في دي وأنظمة البث التلفزيوني.

(3) اغلب أقراص الذي في دي تستخدم خيارات صوت دولبي، وهناك بعضها يوفر خيارات استخدام نظام صوت DTS.

لحسن الحظ فان معظم أجهزة استقبال الفيديو والصوت تستخدم العديد من الخيارات التي تشمل نظام الدولبي ونظام DTS. وعندما تقوم باختيار جهاز استقبال فيديو وصوت، فانه عليك ان تقرر بين شيئين هما: إذا ما كنت تريد ان تستخدم نظام DTS وكم عدد السماعات التي تريد ان تستخدمها في إعدادات نظام السماعات . والخيار الأكثر شيوعا هو 5.1 و 6.1 و 7.1، وهذه الأرقام تأتي من عدد القنوات الصوتية. ويشير الرقم 1 إلى القناة المستخدمة للسماعات ذات الترددات المنخفضة والتي تعرف باسم السبووفر subwoofer. وقناة السبووفر تعمل فقط على الترددات المنخفضة مما يجعل صوت أكثر جاهريه ويحدث صوت هادر للكثير من المؤثرات الصوتية المستخدمة، مثل أصوات الانفجاريات. وهذه إعدادات السماعات النموذجية في نظام السينما المنزلية والنسق المستخدم.

5.1 (خمس سماعات + سماعة سبووفر)

النظام السمعي 5.1 يشمل السماعات الأمامية وهي سماعة اليسار والوسط واليمين. كما إنها تحتوي على سماعتين محطتين يمين ويسار. ويدعم هذا النظام نسق Dolby Digitalو Dolby Pro Logic II و DTS 5.1

6.1 (ستة سماعات + سماعة سبووفر)

يستخدم هذا النظام نفس سماعات 5.1 ولكنه يضيف سماعة خلفية. ويدعم هذا النظام نسق Dolby Digital EX والذي يقوم بفصل قناة السماعة الإضافية إلى سماعة لليسار ولليمين وللخلف.

7.1 (سبعة سماعات + سماعة سبووفر)

تم تطوير نظام التشفير إلى Dolby Pro Logic IIx بحيث تم فصل القناة الخلفية إلى ثلاثة قنوات هي قناة يمين ويسار وخلف، بدلا من فصل قناة واحدة وتوجيهها إلى السماعتين الاخرتين.

وفي النهاية عزيزي القارئ أتمنى ان يكون هذا المقال مفيدا لك عند شرائك لنظام صوتي لمنزلك أو مكتبك للتعرف على خصائص كل نظام ولاحظ هنا ان النظام الصوتي هو النظام الأساسي الذي يعطيك الإحساس بالسينما المنزلية الكامل.

والى اللقاء في مقال أخر من مقالات كيف تعمل الأشياء

د.حازم فلاح سكيك

 

كيف يعمل التحليل الطيفي المستحث بواسطة الليزر

Laser-induced breakdown spectroscopy

عندما اخترع العالم ميمان أول نبضة ليزر في العام 1960، فان البعض وصف هذه التقنية على إنها الحل الذي يبحث عن مشكلة. ولكن العلماء بسرعة اكتشفوا إن الليزر ليس مجرد هواية وإنما له الكثير من التطبيقات العملية. الأطباء اليوم يستخدمون أشعة الليزر لإصلاح قرنية العين، وتبيض وإزالة الوشم ويستخدم الليزر أيضا كمشرط دقيق جدا. كما إن الصناعات الالكترونية تستخدم الليزر في الكثير من التطبيقات مثل قارئ الباركود bar-code وأنظمة التخزين الضوئية وفي طابعات الكمبيوتر. كما وتستخدم طاقة الليزر العالية في ثقب أحجار الماس وقطع المواد الخفيفة كالبلاستيك والمواد الثقيلة مثل التيتانيوم.

الليزر مهم بشكل خاص في مجال التحليل الطيفي المستخدم من قبل الكيميائيين والفيزيائيين. إن الخبراء في علم الكيمياء التحليلية طوروا تقنيات تمكن من تحديد المركب الكيميائي للمادة. وبواسطة هذه التقنيات تمكن العلماء من قياس الخصائص الفيزيائية، مثل الكتلة ومعامل الانكسار والتوصيل الحراري. وبعض التقنيات الأخرى تعتمد على الشحنة الكهربية والتيار الكهربي لتساعد في التعرف على المركبات الأساسية للمادة. وهناك المزيد من التقنيات لقياس مقدار الامتصاص absorption والانبعاث emission والتشتت scattering للإشعاع الكهرومغناطيسي وهذه التقنية تعرف بعلم السبكتروسكوبي spectroscopy أي علم الأطياف.

علم الأطياف القائم على استخدام الليزر laser-baser spectroscopy أصبح الآن أداة أساسية في علم التحليل. تخيل نظام ليزر مثبت على عربة فضائية تسير على كوكب المريخ. فعندما تنطلق نبضة ليزر على تربة المريخ فان تشتت ضوء الليزر المتشتت عن غبار تربة المريخ ينعكس ويلتقط بواسطة أجهزة خاصة مثبتة على العربة الفضائية يمكنها من معرفة التركيب الكيميائي للتربة. الآن افترض أيضا جندي يحمل نظام ليزر مكون من جهاز ليزر ومجس يقوم الجندي باستخدامه لتوجيه نبضات الليزر على أي أجسام مشبوهة في الطريق ليتعرف على المواد المتفجرة والألغام المزروعة من خلال انعكاس نبضات الليزر إلى المجس.

 

هذه بعض الأمثلة لتطبيقات التحليل الطيفي لليزر وقد تبدو لنا إنها مشاهد من احد افلام الخيال العلمي، ولكن هذا ليس هو الحال. فالعلماء اليوم يمتلكون معدات ذات قدرات عالية على تحليل المواد تعتمد على الليزر. وسوف نقوم في هذا المقال من كيف تعمل الأشياء بالتعرف على هذه التقنيات وسوف نركز على احد هذه التقنيات التي تعرف باسم Laser-Induced Breakdown Spectroscopy والذي يختصر بـ LIBS أي التحليل الطيفي المستحث بواسطة الليزر. ومن خلال شرح هذه التقنية سوف نفهم كيف يستخدم الليزر في التحليل في الكثير من التطبيقات في مجال الأمن والتشخيص الطبي وفي الطب الشرعي وفي الرعاية الصحية وفي علم الآثار والفن.

وفي البداية دعنا نقوم بالتعمق أكثر في أساسيات الكيمياء التحليلية لفهم دور الليزر في تقنيات التحليل للتعرف على المركبات الكيميائية المكونة للمادة.

الليزر كأداة تحليلية

لنتوقف عن القراءة الآن ونقوم بجولة للأشياء حولنا فهناك أجسام صلبة مثل جهاز الكمبيوتر والطابعة، وهناك مواد سائلة مثل المياه الغازية في كوب من الزجاج والماء في حوض اسماك الزينة. كذلك المواد الغير مرئية مثل الروائح الموجودة في الهواء يمكن أن نشعر بها بحواسنا المختلفة التي وهبنا الله سبحانه وتعالى. كل هذه الأشياء نسميها المادة matter والتي تتكون من جزئيات ومركبات من الذرات. التحليل الكيميائي يشبه تماما قيامك بتكسير جزيئات المادة للحصول على الذرات الأساسية المكونة لها لمعرفة ما هي هذه الذرات التي تكون مادة ما.

تقوم باحثة بتحضير عينة لوضعها في جهاز مطياف الكتلة

 على مر السنين، طورت الكيمياء التحليلية الكثير من التقنيات والأدوات. بعض هذه الأدوات والتقنيات ذات طبيعة كيفية تختص بتحديد نسب تواجد العناصر والمركبات في المادة، والتي يعرفها الكيميائي بـ analytes. وهناك طرق أخرى ذات طبيعة كمية حيث تقوم بقياس مقدار تواجد عنصر أو أكثر في المادة. وفي كلا التقنيتين فان علم التحليل الكيميائي يعتمد على استحثاث العينة أو المادة بواسطة الضوء أو الكهرباء أو المجال المغناطيسي ليحدث تغير في العينة فتكشف عن المركبات الكيميائية المكونة لها.

لنأخذ تقنية مطياف الكتلة mass spectrometry التي تحدثنا عنها في المقال السابق (اضغط هنا لمزيد من المعلومات)، فهي تقنية معتمدة ومجربة. فمثلا اذا أراد عالم بيولوجي ان يعرف ما المادة السامة الملوثة لنوع من السمك، فانه سيأخذ عينة من الأغشية العضلية للسمكة ويقوم بتحليلها في سائل يعمل على إذابتها. بعد ذلك يتم إدخال المحلول الناتج في جهاز مطياف الكتلة حيث تبدأ عملية التحليل بقذف المحلول بالالكترونات لتحويل الذرات والجزيئات في العينة إلى أجسام مشحونة تعرف باسم الايونات ions. يقوم البيولوجي باستخدام مجال كهربي أو مجال مغناطيسي لفصل الايونات المختلفة بناء على كتلها أو مقدار شحنتها، وبهذا يستطيع أن يكشف المادة السامة الملوثة للسمك مثل مادة DDT.

في السنوات الأخيرة استخدم الليزر لاستحثاث المادة وأصبح الاعتماد على الليزر كأداة تحليلية من الأدوات التي لا يمكن الاستغناء عنها. وكل التقنيات التحليلية التي تستخدم الليزر تصنف إلى مجموعتين الأولى تعرف باسم طريقة الكشف الضوئية والثانية تعرف باسم طريقة الكشف الغير ضوئية.

على سبيل المثال في طريقة الكشف الغير ضوئية تساهم تقنية التحليل بالليزر العلماء على تمييز العناصر المختلفة عن طريق سماعها. هذه التقنية تعرف باسم pulsed-laser photoacoustics أي الفوتون الصوتي الناتج عن نبضة الليزر والتي تعمل بتوجيه الليزر على العينة. وعندما تمتص العينة الطاقة من الليزر، فترتفع درجة حرارتها وتتمدد، مما يتسبب عن ذلك إحداث أمواج ضغط صوتية acoustic pressure wave. يستخدم ترانسديوسر انضغاطي (اضغط هنا لمزيد من المعلومات) يعمل على تحويل الاهتزازات الميكانيكية إلى نبضات كهربية، يمكن سماعها بواسطة سماعات خاصة لتساعد الكيمائي على التعرف على الجزئيات في العينة.

جهاز pulsed-laser photoacoustics

 المطياف الأيوني الحركي Ion mobility spectrometer الذي يعرف بالاختصار IMS يعتبر من طرق التحليل الغير ضوئية. حيث يستخدم الليزر في هذه التقنية لانتزاع ablate أو قطع أجزاء صغيرة من سطح العينة قبل أن تحدث له تأين. الايونات التي تنتج بسبب نبضات الليزر في العينة تدخل في بخار غازي يتدفق بسرعة كبيرة. العلماء يقومون بقياس سرعة حركة الايونات في الغاز، والتي تتأثر بحجم وشكل الايونات.

جهاز المطياف الأيوني الحركي

لمزيد من المعلومات انظر الرابط رقم 3 في نهاية المقال

 في تقنيات الكشف الضوئية التي تعرف باسم التحليل الطيفي بالليزر laser spectroscopy. فان التحليل الطيفي يعمل على استحثاث العينة ثم تحليلها للحصول على الطيف الكهرومغناطيسي الناتج عن الانبعاث الإشعاعي أو الامتصاص الإشعاعي. يعتبر علم الطيف من الأدوات التحليلية الهامة. وفي بقية هذا المقال سوف نتعرف أساسيات علم التحليل الطيفي لمعرفة كيف تستخدم البصمة الكهرومغناطيسية لتمييز بين العناصر.

أساسيات علم الأطياف

في الشكل التوضيحي للذرة حسب نموذج بور نشاهد الالكترونات في مداراتها المنفصلة تدور حول النواة علم الأطياف يعتمد على مبدأ تكميم مستويات الطاقة في الذرة. فالذرات والجزئيات تمتص أو تشع مقدار محدد من الضوء عند طول موجي معين. ولفهم لماذا لا تمتص الذرة أي ضوء عند أي طول موجي، يجب أن نفهم كيف تتركب الذرة.  وقد سبق وان تحدثنا في أكثر من مقال من مقالات كيف تعمل الأشياء عن تركيب الذرة ولكن هنا سنسرد الحقائق باختصار لنتمكن من متابعة المقال.

في العام 1913 تمكن العالم الدينماركي نيل بور Niels Bohr من الاستفادة من نموذج العالم Rutherford للذرة والمتمثل في نواة موجبة الشحنة تحيط بها سحابة الالكترونات، وقد عدل بور على هذا النموذج بحيث يتوافق هذا التعديل مع النتائج العملية التي لم يتمكن نموذج رزرفورد من تفسيرها.

في نموذج بور، الالكترونات تحيط بالنواة في مدارات منفصلة (مكممة)، مثل مدارات الكواكب حول الشمس. في الحقيقة الصورة الكلاسيكية للذرة والضوء تغيرت بعد نموذج بور.

في ذرة بور، الإلكترون في مداره يرتبط بالنواة بمقدار محدد من الطاقة. ويمكن للإلكترون أن يوجد في أي مدار حول الذرة اذا اكتسب مقدار محدد من الطاقة يساوي الفرق بين طاقة هذه المدارات. أي أن الإلكترون لا يشبه الكوكب في هذا الجانب حيث ان الكواكب تبقى في مداراتها ولا يمكن لها إلا ان تسير فيه إلى الأبد أما الإلكترون فانه يمكن ان يغير مداره إلى مدار أخر اذا اكتسب أو فقد مقدار محسوب من الطاقة. ويعتبر الإلكترون في مداره الأصلي انه في الحالة الأرضية ground state. ولنقل الإلكترون من المدار الأرضي إلى أي مدار أخر ابعد فانه يمتص طاقة. وعندما يحدث هذا فإننا نسمي حالة الإلكترون بأنه في الحالة  المثار excited state. الالكترونات عموما لا يمكنها ان تبقى في الحالة المثارة لفترة زمنية طويلة. لذلك فهي تقفز عائدة إلى المستوى الأرضي وتتخلص من الطاقة التي اكتسبتها في صورة فوتون عند طول موجي محدد.

تمتص  الذرة الطاقة في صورة حرارة أو ضوء أو كهرباء، فينتج عن ذلك انتقال للإلكترون من مدار إلى مدار ذو طاقة أعلى.

كل عنصر من عناصر الجدول الدوري يمتلك مجموعة مدارات فريدة تميزه عن أي عنصر أخر. وبمعنى أخر إن الالكترونات في أي عنصر تترتب في مدارات طاقة حول النواة بطريقة مميزة عن الكترونات أي عنصر أخر. ولان التركيب الداخلي للعناصر فريد ومميز فان الأطوال الموجية المنبعثة عن انتقالات الالكترونات بين مدارات الطاقة سوف تكون مميزة أيضا. ولذلك فان كل عنصر له بصمة خاصة به تعرف باسم الطيف الخاص به spectrum.

طور العالمين William Wollaston و Joseph von Fraunhofer أول مطياف لمشاهدة الطيف الخاص بالعناصر. المطياف هو جهاز له القدرة على فصل الضوء حسب طوله الموجي. يدخل الضوء من فتحة ضيقة ويمر في عدسة لنحصل على أشعة ضوئية متوازية. تسقط هذه الأشعة على منشور يعمل على حرف الضوء عن مساره بزاوية تعتمد على الطول الموجي للضوء. لذا نحصل على حزم من الضوء كل حزمة لها لون محدد مثل ما يحدث في تحليل ضوء الشمس في يوم ممطر إلى ألوان الطيف المعروفة باسم rainbow. ولرصد الأطوال الموجية المختلفة التي تم تحليلها يتم استخدام عدسة أخرى تقوم بتجميع الضوء وتركيزه على فتحة المخرج لتسمح بلون واحد فقط من المرور عبرها وباستخدام تلسكوب مثبت على قاعدة قابلة للدوران يمكن رصد كل الأطوال الموجية عن طريق دوران التلسكوب بالنسبة للمنشور. وبرصد الزاوية التي خرج عندها طول موجي معين يمكن معرفة الطول الموجي للضوء عند تلك الزاوية وهناك أجهزة أخرى أكثر تعرف باسم المطياف البياني spectrogtaphs والذي يصور الطيف الناتج على فيلم.

مطياف بسيط يستخدم منشور لتشتيت الضوء والتلسكوب مثبت على قاعد تدور حول المنشور

جهاز مطياف بيانيspectrtograph  متطور

في الجزء التالي من المقال سوف نركز على أنواع التحليل الطيفي باستخدام الليزر laser spectroscopy.

 انواع التحليل الطيفي باستخدام الليزر

في التحليل الطيفي باستخدام الليزر (مطياف الليزر) يقوم المختص بتسليط ضوء الليزر على العينة، ويحصل على ضوء يمكن ان يحلل بواسطة المطياف الضوئي. وسوف نقوم فيما يلي بشرح بعض التقنيات المستخدمة في مطياف الليزر.

(1) أطياف رامان Raman spectroscopy هذه التسمية تعود إلى مكتشفها العالم الهندي C.V. Raman الذي قام بقياس التشتت الناتج عن ضوء أحادي اللون عندما يسقط على العينة. الضوء الأحادي اللون ناتج عن ليزر ايونات الارجون تم توجيهه بواسطة مرايا وعدسات ليسقط بشكل مركز على العينة. معظم أشعة الليزر ترتد عن العينة وتتشتت عند نفس الطول الموجي لضوء الليزر ولكن بعض أشعة الضوء تتشتت عند أطوال موجية مختلفة. وهذا بسبب تفاعل أشعة الليزر بالحركة الاهتزازية للجزئيات المكونة للعينة phonons. هذه الاهتزازات تجعل فوتونات الليزر تكتسب أو تفقد طاقة. الانزياح في الطاقة يعطي معلومات عن أنماط الاهتزازات في العينة.

Raman spectroscopy

(2) الوميض Fluorescence تسمية الوميض Fluorescence تعود إلى الإشعاع المرئي المنبعث من بعض المواد بسبب سقوط إشعاع ذو طول موجي قصير على المادة. في الوميض المستحث بواسطة الليزر laser induce fluorescence او LIF، يقوم الباحث بتسليط أشعة الليزر النيتروجين أو ليزر الصبغات العضوية على العينة. فيتم إثارة الكترونات العينة لمدارات ذات طاقة عالية. وبعد مرور فترة زمنية قصيرة في حدود بضعة نانوثانية تعود الالكترونات إلى مستويات الطاقة الأرضية. وتفقد هذه الالكترونات طاقة يشعها في صورة فوتونات عند أطوال موجية أطول من الطول الموجي لليزر. وذلك لان مستويات الطاقة للذرات والجزئيات مميزة فان الطيف الوميضي الناتج يكون منفصل ومحدد يمكن استخدامه في التعرف على العينة التي أنتجته.

الوميض المستحث بواسطة الليزر يستخدم بشكل كبير كأداة تحليلية في الكثير من التطبيقات. على سبيل المثال بعض الدول طبقت هذا النوع من التحليل للتأكد من سلامة الخضروات من المواد الملوثة بالمبيدات. يتكون نظام التحليل المعتمد على هذه التقنية من جهاز ليزر النيتروجين ومجس ومحلل طيفي، يقوم المحلل بتسليط ضوء الليزر على الخضروات المراد فحصها ومن ثم يقوم بدراسة الوميض الطيفي الناتج. وفي بعض الأحيان يكتشف وجود أثار للمواد الملوثة بالمبيدات.

(3) الانتزاع بواسطة الليزر المصحوب بانبعاث طيفي من البلازما الناتجة Laser ablation inductively coupled plasma optical emission spectroscopy والذي يعرف بالاختصار LA-ICP-OES إن هذا الاسم الكبير والمعقد بحاجة إلى توضيح وشرح ولنبدأ بالمصطلح ICP والذي يعتبر أساس تقنية التحليل في هذه التقنية. الحرف P يعود إلى البلازما والتي هي عبارة عن غاز في حالة تأين أي يحتوي على ايونات موجبة والكترونات حرة. في الطبيعة البلازما تكون موجودة كحالة من حالات المادة في النجوم، حيث تتوفر درجات حرارة عالية وضغط مرتفع كافي لتأين الغاز. ولكن الفيزيائيين في المختبر يمكنهم توفير الظروف نفسها للوصول إلى حالة البلازما بواسطة معدات تعرف باسم شعلة البلازما plasma torch. الشعلة تتكون من ثلاثة أنابيب من السليكا متحدة المركز محاطة بملف معدني. عندما يمر التيار الكهربي خلال الملف يتولد مجال مغناطيسي يعمل على توليد تيار كهربي في الغاز (عادة ما يكون الارجون) يعمل على اثارة ذرات الارجون ويحوله الى بلازما. وتخرج البلازما من فوهة شعلة البلازما.

الآن يمكن استخدام هذا الجهاز في تحليل العينة. وفي الجهاز الذي يستخدم الليزر ICP-OES، يستخدم ليزر Nd:YAG لتبخير أو انتزاع أو قطع ablate جسيمات دقيقة من سطح العينة. وبعد ذلك تمرر الجسيمات المنتزعة في شعلة البلازما لتتحول إلى الحالة المثارة ثم تبعث ضوء. يمكن تحليله للتعرف على طبيعة هذه الجسيمات العناصر المكونة لها.

(4) الطيف المستحث بواسطة الليزر ­Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) هو تقنية تشبه LA-ICP-OES، إلا انه في هذه التقنية يستخدم الليزر لانتزاع الجسيمات من المادة وأيضا للحصول على البلازما. وسوف نقوم بشرح هذه التقنية بمزيد من التفصيل لأنها أصبحت الأهم والأكثر انتشاراً.

تقنية التحليل الطيفي المستحث بواسطة الليزر

التحليل الطيفي المستحث بواسطة الليزر أو ما سوف نطلق عليه LIBS يعتبر تقنية متقدمة ومهمة. حيث بها يمكن تحليل المواد الصلبة والسائلة والغازية والحصول على نتائج بسرعة كبيرة، بدون أن تسبب أي ضرر يذكر للعينة. ليس هذا فحسب، بل إنها ممكن ان تعمل على مسافة اكبر نسبيا من التقنيات الأخرى التي تتطلب إحضار العينة إلى المختبر لتحليلها. فعلى سبيل المثال يمكن استخدام LIBS للكشف على الأسطح الملوثة بالإشعاع النووي. حيث يمكن تثبيت جهاز الليزر على بعد أمتار من جدران المفاعل النووي والحصول على نتائج مرضية. وتسمح هذه التقنية العمل خلف جدار واقي من الإشعاع بالاعتماد على المرايا والعدسات لتوجيه شعاع الليزر للمنطقة المراد فحصها.

تجهيزات الليزر المستخدم في مطياف

الآن سوف نقوم بشرح فكرة عمل تقنية LIBS حيث تتكون من أربعة أجزاء أساسية وهي على النحو الموضح في الشكل أعلاه وسوف نقوم بشرح كل جزء

(1) الجزء الرئيسي وهو الليزر بالطبع. ويستخدم LIBS ليزر Nd:YAG الذي طوله الموجي 1,064nm، ولكن تجدر الإشارة إلى أن أنواع أخرى من الليزر تم استخدامها أيضا. يعمل الليزر بنظام النبضات كل نبضة تصل إلى العينة يكون لها زمن يتراوح من 5 إلى 20 نانوثانية.

(2) يمر شعاع الليزر عبر عدسة تقوم بتجميع طاقة الليزر على العينة. بعض الأنظمة تعمل في المختبر مثبتة على بنش خاص يحتوي على العينة داخل مفرغة هواء. ولكن بعض الأنظمة الأخرى تكون محولة ويمكن نقلها إلى المكان الذي فيه العينة المراد فحصها. وعلى كل الأحوال فانه كلما كان تركيز أشعة الليزر اكبر كلما كانت الطاقة اللازمة لانتزاع الجسيمات من سطح العينة اقل. كل نبضة من نبضات الليزر تحمل طاقة في حدود 10 إلى 100 ملي جول. وهذه الطاقة كافية لانتزاع بعض جسيمات المادة. وهذه الجسيمات تكون متأنية وتكون ما يعرف باسم سحابة البلازما plasma plume.

(3) تتمدد سحابة البلازما المكونة من الغاز المنأين وخلال فترة زمنية في حدود ميكروثانية تبدأ الذرات في الاسترخاء وتنتقل إلى المدارات الأرضية مطلقة فوتونات ضوئية تعرف باسم طيف الانبعاث spectral emission. تسقط هذه الفوتونات الضوئية على عدسات تجمعها وتركزها على نظام من الألياف البصرية fiber optic. يقوم نظام الألياف البصرية بنقل الضوء إلى المطياف.

(4) يحتوي المطياف على منشور، يعمل على تشتيت الضوء حسب طوله الموجي وتقوم كاميرا خاصة بتسجيل الطيف لمزيد من الدارسة والتحليل. وبدارسة الأطوال الموجية للضوء المنبعث ومقدار شدته كما هو موضح في الشكل أعلاه، ويمكن التعرف على العناصر الموجودة في العينة ومقدار تركيزها.

لاحظ إن هذه التقنية تتميز بالعديد من الخصائص والميزات التي تجعلها من أفضل تقنيات التحليل الطيفي حيث إن العينة لا يلزم لها أي تجهيزات مسبقة كما إن التقنية غير مكلفة واستخدامها سهل ويمكن استخدامها لتحديد مكونات عناصر أي نوع من العينات، هذا بالإضافة إلى أن هذه التقنية لا تحدث أي ضرر على العينة تحت الفحص لان ما ينتزعه الليزر من سطح المادة غير مرئي مما يجعل لهذه التقنية تطبيقات أكثر من كونها تقنية للتحليل الطيفي كما سوف نرى في الجزء التالي من هذا المقال.

دراسة حالة: باستخدام تحليل الليزر لدراسة الرسومات الفنية

لفهم كيف يستخدم تحليل الليزر بطريقة عملية، افترض انه في متحف يمتلك لوحة فنية ثمينة تعود للقرن السابع عشر، وبمرور السنين جرت العديد من عمليات الصيانة والترميم على اللوحة مما أضاف طبقة جديدة قد تكون غير مرئية فوق الألوان الأصلية التي استخدمها الفنان. بالإضافة إلى ذلك فان التراب والدخان ممكن تكون قد التصقت بسطح اللوحة، مما سببت تعتيم بسيط للوحة جعلت من القطعة الفنية تبدو باهتة بدون رونق أو جاذبية. فقررت إدارة المتحف أن تقوم بتحليل هذه اللوحة لفهم ماذا حدث لها عبر السنوات الماضية وما هي المواد التي ترسبت فوق اللوحة.

ان استخدام أي نوع من المواد الكيميائية كمنظفات لإزالة الطبقات التي ترسبت على اللوحة قد يصيب اللوحة بضرر بالغ حتى لو كان استخدام هذه المنظفات يتم بعناية فائقة فانه لا يمكن لا احد ان يعرف اذا كانت عملية التنظيف هذه لن تؤثر على الألوان الأصلية للوحة. ولكن باستخدام تقنية الطيف المستحث بواسطة الليزر laser-induced breakdown spectroscopy يمكن ان تتم عملية التنظيف بدون ان تمس الألوان الأصلية للوحة. كيف يمكن ذلك؟

تؤخذ اللوحة الأصلية لجهاز الطيف المستحث بواسطة الليزر وتمسح كل سنتمتر فيها ليتم تحليله. وبقيام الليزر بانتزاع طبقات رقيقة من سطح اللوحة وبدارسة الطيف المنبعث من البلازما المتكونة نتيجة للانتزاع يمكن تحديد بدقة نوع الجزئيات الموجودة على اللوحة والتي يجب التخلص منها. على سبيل المثال، عندما نحلل مساحة من اللوحة ذات لون ابيض، فإننا نعرف نوع الأصباغ المختلفة المستخدمة فيها. فمثلا اذا احتوت هذه الأصباغ على عنصر الرصاص وأخرى احتوت على عنصر التتانيوم. فان التتانيوم لم يكون متوفر في الأسواق حتى العام 1920 فنستطيع ان نعرف ان التتانيوم جاء نتيجة عمليات الترميم التي قام بها فنيو المتحف أوقات سابقة. وليس هذا فحسب حيث يستطيع المختص ان يعرف أيضا بدقة سمك كل طبقة والطبقة التي تليها من خلال دراسة طيف الانبعاث وتحليله فاذا تغير الطيف يعرف انه انتقل لطبقة جديدة.

في الواقع بدأ استخدام تقنية الطيف المستحث بواسطة الليزر LIBS على مساحات صغيرة من لوحات فنية ولكن في القريب العاجل سوف يصبح استخدام هذه التقنية وسيلة معتمدة لتحليل اللوحات الفنية واستعادتها إلى أصلها. وذلك من خلال إزالة الطبقات الغير مرغوب فيها طبقة طبقة حتى الوصول إلى الطبقة الأصلية للوحة الفنية.

أطباء الأسنان بدءوا باستخدام تقنية LIBS لتحديد العمق الذي يجب ان يصلوا له في تجويف السن. كما ان مختبرات ضبط الجودة يعتمدوا على هذه التقنية في تحديد مقدار العناصر المضافة إلى الألومنيوم المستخدم في البناء للتأكد من ان النسبة المطلوبة هي التي تم إضافتها للخليط. كما ان علماء الآثار والطب الشرعي يستخدموا هذه التقنية في عمليات التحليل للحصول على معلومات دقيقة.

وبالرغم من ان عمر الليزر لم يتعدى الخمسون عاما إلا انه اثبت أداة قوية وفعالة تساعد في الإجابة على الكثير من الأسئلة وتحل الكثير من المشاكل المعقدة.

وفي النهاية أتمنى أن أكون قدمت شرحا مبسطا لتقنيات التحليل الطيفي المستحث بواسطة الليزر كأحد التطبيقات المهمة لليزر.

­

لا مانع من أن يتم نقل الموضوع إلى أي موقع على شبكة الانترنت مع ذكر المصدر (اسم الكاتب وعنوان الموقع)، ولمزيد من المعلومات يرجى زيارة هذه الروابط على الانترنت.

• http://www.files.chem.vt.edu/chem-ed/courses/spec/index.html
• http://www.laseranalysis.com/
• http://en.wikipedia.org/wiki/Ion_mobility_spectrometry
• Avantes Solutions in Spectroscopy
• http://www.laserfocusworld.com/articles/article_display.html?id=185735
• http://www.arl.army.mil/www/default.cfm?Action=247&Page=247
• http://en.wikipedia.org/wiki/Laser_induced_breakdown_spectroscopy
• http://www.andor.com/learn/applications/?docID=65

 والى اللقاء في مقالات أخرى من كيف تعمل الأشياء

دكتور حازم فلاح سكيك

كيف يعمل مطياف الكتلة في فحص تناول العقاقير المنشطة

Mass Spectrometry and drug testing

لعبت الكيمياء التحليلية من خلال مطياف الكتلة دورا أساسيا في دوري كرة القدم الأمريكية البيسبول كيف ذلك؟ حيث استخدم مطياف الكتلة في معرفة اللاعبين الذين كانوا يتعاطون منشط السترويد الذي يتسبب في

زيادة القدرة العضلية بطريقة غير قانونية. مما تسبب لكثير من اللاعبين فضيحة رياضية أخرجتهم من الفريق. عادة ما يتم فحص اللاعبين الرياضيين المشاركين في البطولات العالمية للتأكد من عدم تناولهم للمنشطات التي تحقن في الجسم أو تبلع بواسطة الفم وذلك عن طريق تحليل عينة من البول في جهاز يتكون من ثلاثة أجهزة متصلة مع بعضها البعض تشبه أجهزة ماكينات تصوير المستندات، يقوم الكيميائيين بتحليل العينة وباستخدام هذا الجهاز والذي يعرف باسم مطياف الكتلة mass spectrometer وتظهر النتيجة على الفور إما سلبية أو ايجابية.

اذا كانت النتيجة ايجابية تبدأ وسائل الإعلام بالحديث عن المدة التي تعاطي فيها اللاعب المنشطات ومقدارها وهل حقق جوائز خلال فترة تعاطيه وغيرها من الأسئلة والاستفسارات الإعلامية دون أن تشير إلى الجهاز الذي استخدم للكشف عن هذه المنشطات في جسم الإنسان.

في هذا المقال من كيف تعمل الأشياء سوف نقوم بإعطاء جهاز مطياف الكتلة حقه من الشرح والتوضيح من ناحية مكوناته وفكرة عمله واستخداماته المتعددة.

أساسيات فيزيائية هامة حول مطياف الكتلة

لتوضيح الأساس العلمي لمطياف الكتلة دعنا نفترض انك تريد أن تزن شاحنة نقل كبيرة، فان أسهل طريقة لفعل ذلك هو أن تقود الشاحنة لتقف فوق ميزان كبير. الآن لنفترض انك تريد أن تقوم بوزن احد إطارات الشاحنة فيمكنك أن تستخدم ميزان عادي لتحصل على المعلومات التي تريد. دعنا الآن نفترض انك تريد أن تزن الصامولة المثبتة للإطار فانه يمكنك أن تحصل على الوزن باستخدام ميزان المطبخ البسيط. وفي النهاية اذا أردت أن تزن احد الذرات التي نتجت عن كشط سطح الصامولة. كيف سوف تقوم بذلك؟ بالتأكيد أكثر الموازين حساسية لن تعطيك أي نتيجة لان وزن الذرة اقل بكثير من ان يرصد بميزان حساس أو ميزان الكتروني.

 

 عرض يوضح فكرة مطياف الكتلة

مطياف الكتلة mass spectrometer هو احد أهم التقنيات المستخدمة في الكيمياء التحليلية analytical chemistry ويصاحبه أكثر من مصطلح وهي على النحو التالي.

جهاز الطيف الكتلي mass spectrometry هو جهاز تحليل يستخدم لتعين المركبات الكيميائية في عينة

مطياف الكتلة mass spectrometer هو جهاز دقيق يستخدم لتحليل الكتل ويمكن أن يكون بحجم صغير تضعه فوق المكتب ويمكن ان يصل حجمه إلى حجم غرفة كبيرة.

طيف الكتلة mass spectrum هي الخطوط التي تظهر على شكل منحنى بياني بارتفاعات مختلفة.

فني مطياف الكتلة mass spectrometrist هو الفني المتخصص في تشغيل جهاز الطيف الكتلي.

هذه هي الحالة التي كانت تواجه الكيميائيين في بدايات القرن التاسع عشر. والشكر يعود للعالم جون دالتون John Dalton الذي وضع النظرية الذرية، حيث أصبح من المعلوم إن المادة مكونة من ذرات وان الذرات المكونة لأي عنصر هي نفس الذرات، ولكن السؤال كان ما هو شكل الذرة وكيف تبدو وكم تزن؟ في العام 1897 اكتشف العالم ج ج طومسون J.J. Thomson الإلكترون من خلال دراسة سلوك أشعة المهبطـ، حيث اكتشف إن هذه الأشعة هي عبارة عن جسيمات صغيرة سالبة الشحنة سماها بالالكترونات، وبعد سنة من اكتشافه تمكن العالم ويلي وين Willy Wien من استخدام أشعة من جسيمات موجبة الشحنة تنبعث من الانود وتتحرك في اتجاه الكاثود. لاحظ العالم وين إن المجال المغناطيسي يؤثر على الأشعة الموجبة ويجعلها تنحرف. بعد ذلك وفي العام 1907 بدأ طومسون التحكم في مسار الأشعة الموجبة باستخدام مجال مغناطيسي ومجال كهربي. واكتشف انه يمكن أن يعين كتلة تلك الجسيمات من خلال معرفة مقدار الانحراف تحت تأثير المجالين الكهربي والمغناطيسي.

في العام 1919 طور العالم فرانس استون Francis Aston طريقة طومسون وأدواته، ليصمم أول جهاز مطياف للكتلة. وهو جهاز يمكن أن نعرف من خلاله وزن الذرات والجزئيات. العالم استون استخدم المطياف لدراسة المئات من النظائر الطبيعية. اليوم الكيميائيين يستخدمون مطياف الكتلة لقياس الأوزان الجزئية للعناصر والنظائر والمركبات. وإضافة إلى ذلك فإنهم يستخدمونه في التعرف على المركبات الكيميائية في عينة ما، وتحديد مقدار كل مركب كيميائي في العينة وتحليل المركبات الكيميائية المعقدة.

والآن عزيزي القارئ دعنا نلقي نظرة على جهاز مطياف الكتلة من الداخل…

لفهم فكرة عمل مطياف الكتلة دعنا نفترض إن هناك شخص موجود على سطح برج مرتفع. وقام بإسقاط كرات مختلفة الكتلة مثل كرة تنس وكرة سلة. بينما تسقط الكرة في اتجاه الأرض فإنها تنحرف عن مسارها بسبب الرياح فتأخذ مسار منحني والملاحظ إن انحناء مسار كرة التنس اكبر من مسار انحناء كرة السلة وذلك لان قوة الرياح لا تستطيع أن تؤثر على كتلة كرة السلة الكبيرة بنفس المقدار الذي تؤثر به على كرة التنس.

نفس الشيء يحدث في مقياس الكتلة، فيما عدا إن الذرات والجزئيات هي التي تنحرف في مجال كهربي أو مغناطيسي. وهذا يمكن أن يحدث في جهاز صغير بحجم فرن الميكروويف أو بحجم ثلاجة منزلية. يحتوي الجهاز على ثلاثة أجزاء هي غرفة التأين ionization chamber ومحلل الكتلة mass analyzer والكاشف detector. كيف تعمل هذه الأجزاء مع بعضها البعض؟

لكي تنحرف الذرات المتعادلة كهربي في المجال الكهربي أو المغناطيسي فإنها في البداية يجب ان تؤين ionized، أو أن تتحول إلى جسيمات مشحونة. وهذا يتم من خلال إزالة إلكترون أو أكثر من الذرة، ونحصل نتيجة لذلك على جسيم موجب الشحنة. يقوم الفني المختص Spectrometrists أحيانا بقذف العينة بشعاع من الالكترونات لتأيين الجزئيات وهذه العملية تعرف باسم التأين بالرش الالكتروني electrospray ionization، والتي تجبر العينة على التخلص من إلكترون أو أكثر، وفي كلا الحالتين فان هذه الخطوة الأولى المتبعة في مطياف الكتلة وهي الحصول على ايونات موجبة.

الخطوة الثانية هي أن الايونات الموجبة تتحرك خارج غرفة التأين. والقوة المحركة لهذه الايونات هي مجال كهربي ناتج عن شبكتين معدنيتين، احد هاتين الشبكتين مشحونا بشحنة موجبة لتحرك الايونات الموجبة في اتجاه الخروج من غرفة التأين بواسطة قوة التنافر الكهربية والشبكة الثانية تكون ذات شحنة سالبة لتسحب الايونات الموجبة في اتجاه الخروج تحت تأثير قوة التجاذب الكهربية. تتحرك الايونات تحت تأثير المجال الكهربي بسرعة في اتجاه الشبكة السالبة وتمر الايونات الموجبة من خلال فتحات الشبكة عند سرعات مختلفة، فالايونات الأخف تتحرك بسرعة اكبر من الايونات الأثقل.

طبقا لقوانين الكهرومغناطيسية فان الجسيمات المشحونة المتحركة تولد مجال مغناطيسي حولها. وهنا نستفيد من هذه الخاصية في مطياف الكتلة في الجزء الثالث من الجهاز والذي سنقوم بتوضيحه في الجزء التالي من هذا المقال. كما يمكنك الاستفادة من هذه المحاضرة اضغط هنا.

انحراف الجسيمات المشحونة ورصدها

إنتاج الايونات وتعجيلها يعتبر من التجهيزات الأساسية في مطياف الكتلة ويأتي بعد ذلك عملية التحليل الكتلي والتي هي وظيفة جهاز مطياف الكتلة. وتتم هذه العملية من خلال تطبيق مجال مغناطيسي خارجي على الايونات الخارجة من غرفة التأين. تتأثر الجسيمات المشحونة المتحركة بسرعة في المجال المغناطيسي الخارجي فتتأثر بقوة مغناطيسية تعمل على انحرافها عن مسارها ويعتمد مقدار الانحراف على كتلة تلك الجسيمات المشحونة ومقدار الشحنة على كل جسيم.

يتم التعامل مع هاذين المتغيرين (الكتلة والشحنة) من خلال قيمة النسبة بين الكتلة والشحمة. والتي تعرف بـ mass-to-charge ratio ويرمز لها بالرمز m/z. فمثلا اذا كان الايون له كتلة مقدارها 18 amu وشحنة +1 فان النسبة m/z تساوي 18. وإذا كانت الكتلة 36 amu والشحنة +2 فان النسبة m/z تساوي أيضا 18. في معظم الأحيان يكون مقدار الشحنة +1. وهذا يعني ان النسبة m/z لأغلب الايونات التي تعبر المجال المغناطيسي لمطياف الكتلة هو نفسه كتلة الايون.

النتيجة النهائية هي إن كل ايون يسلك مسار مستقل يعتمد على كتلة كما هو موضح في الشكل أعلاه. فحزمة الايونات A تمثل الايونات الأخف وزنا في حين إن حزمة الايونات C هي الأكثر وزنا وحزمة الايونات B تقع بين الحزمتين. نلاحظ أن انحراف حزمة الايونات A اكبر من انحراف الحزمة B وانحراف الحزمة B اكبر من انحراف الحزمة C. والجدير بالذكر إن حزمة واحدة فقط هي التي تعبر إلى وحدة الكشف ليتم رصدها. ويقوم الفني المختص بتعديل مقدار شدة المجال المغناطيسي ليتمكن من رصد كل الايونات.

يستخدم برنامج كمبيوتر لتحليل البيانات التي رصدت بواسطة الكاشف ويعرضها في صورة مخطط بياني يسمى طيف الكتلة mass spectrum يمثل المحور x الكتلة بوحدة amu في حين يمثل المحور y الشدة وهي كمية تعبر عن مقدار الايونات عن تلك الكتلة.

استخدام مطياف الكتلة في تحليل العينات

قديما استخدم مطياف الكتلة لتحليل العينات في صورة غاز ولكن في يومنا هذا يمكن تحليل جميع أنواع العينات حتى لو كانت في الصورة السائلة أو الصلبة. يقوم الفني المختص بإدخال العينة في غرفة التأين وإذا كانت العينة معقدة التركيب فانه يدخلها في مرحلة ابتدائية وظيفتها فصل مركبات العينة إلى أجزاء ويستخدم لهذا الغرض جهاز Chromatography يمكن ان نسميه جهاز الفصل اللوني وهو من أكثر الطرق المستخدمة لعميلة الفصل الابتدائية ويمكن أن تتم من خلال جهاز الفصل اللوني الغازي gas chromatography (GC) أو جهاز الفصل اللوني السائلliquid chromatography (LC). وفي هذه الطريقة يتم فصل العينة إلى سلسلة من المركبات عن طريقة تحليل العينة في المرحلة الأولى في صورة غاز أو سائل ومن ثم تمريرها في مادة أخرى كمرحلة ثانية. العنصر القابل للذوبان في المرحلة الأولى يتحرك بسرعة اقل من العنصر الغير مذاب ولكنه في المرحلة الثانية يذوب. ونتيجة لذلك فان العناصر المختلفة تنفصل عن بعضها البعض. وكل عنصر يدخل إلى مطياف الكتلة لتتم عملية التحليل الكتلي.

اختبار فحص وجود أثار لتناول العقاقير المنشطة من خلال تحليل البول باستخدام عملية الفصل gas chromatography ثم باستخدام أكثر من جهاز مطياف الكتلة بتقنية تعرف باسم مطياف الكتلة الترادفي tandem mass spectrometry وذلك في الفحوصات التي تتطلب دقة تحليلية عالية.

كيف تتحقق لجنة التحكيم من تعاطي الرياضيين لمنشط السترويد أم لا؟ في البداية يقوم الكيميائي بتحليل عدة أنواع من السترويد المتعارف عليها ليحصلوا على طيف الكتلة الخاص بهذه المركبات لاستخدامها في عملية المقارنة. ثم في المرحلة الثانية يتم إجراء تحليل عينة بول عادي لا يوجد فيه أثار لمنشط السترويد ثم يتم فحص عينة من البول للمشاركين في الألعاب الرياضية بواسطة تقنية الفصل اللوني ومطياف الكتلة. تتم بعد ذلك مقارنة نتائج الطيف الكتلة بطيف الكتلة لعينة البول النقية لمعرفة اذا ما وجد أي اثأر للمنشطات المحظورة.

لاحظ في الشكل الموضح أعلاه أن هناك قيمة عظمى في نتائج الفحص للعينة تتطابق تماما مع القيمة العظمى لطيف الكتلة في عينة السترويد وهذا يشير إلى تناول صاحب هذه العينة للسترويد.

تطبيقات أخرى لجهاز مطياف الكتلة

فحص تناول المنشطات يعتبر احد التطبيقات العديدة لجهاز مطياف الكتلة. فان هناك الكثير من التطبيقات الهامة والأساسية والتي لا يمكن لأي باحث الاستغناء عنها ومن هذه التطبيقات نذكر بعض الأمثلة:

(1) يستخدم الفلكيون جهاز مطياف الكتلة لتحديد أنواع العناصر والنظائر الموجودة في الرياح الشمسية فعلى سبيل المثال طيف الكتلة للرياح الشمسية كشف عن وجود العناصر التالية وهي الكربون (12 amu) والأكسجين (16 amu) والنيون (20 amu) والماغنيسيوم (24 amu) والسيلكون (28 amu) والحديد (56 amu).

(2) يستخدم علماء البيئة مطياف الكتلة في الكشف عن السموم في الأسماك الملوثة وكذلك في قياس مقدار الجسيمات وأنواعها في الهواء واستخدام هذه البيانات في مراقبة التغيرات الجوية.

(3) علماء الأحياء يستخدموا جهاز مطياف الكتلة في التعرف على تركيب الجزئيات البيولوجية المعقدة، مثل الكربوهيدرات والبروتينات والأحماض الامينية. وعلى سبيل المثال علماء الفيروسات استخدموا مطياف الكتلة في فهم أكثر عمقا لفيروس المناعة HIV.

(4) أطباء التخدير استخدموا مطياف الكتلة خلال العمليات الجراحية لقياس معدلات الايض في الخلية الحية، ولتقدير حجم ثاني أكسيد الكربون الناتج بالنسبة لحجم الأكسجين لمعرفة اذا ما كانت خلايا المريض تتلقى الكمية الكافة من الأكسجين.

(5) الجيولوجيين استخدموا مقياس الكتلة لتحديد مواقع الآبار النفطية عن طريق تحليل طيف الكتلة للصخور للبحث عن وجود أثار نفطية قبل الشروع في عمليات الحفر. كما يمكن استخدام جهاز مطياف الكتلة في قياس أعمار الاحافير من خلال قياس الكربون 12 والكربون 14 النظير في العينة لمعرفة عمرها.

بالطبع هذه التطبيقات لا تكون على عناوين الأخبار مثل أخبار الرياضة وفحص نجوم الرياضة لتناوله عقار السترويد وخاصة اذا ظهرت النتيجة ايجابية. ولهذا كان تركيزنا في هذا المقال على فحص عقار السترويد لتوضيح فكرة عمل جهاز مطياف الكتلة. أتمنى ان يكون الموضوع مفيدا والآن عندما نسمع ان احد الرياضيين اخرج من البطولة بسبب تناول عقار السترويد سنعرف كيف تم التأكد من ذلك.

لا مانع من أن يتم نقل الموضوع إلى أي موقع على شبكة الانترنت مع ذكر المصدر (اسم الكاتب وعنوان الموقع)

ولمزيد من المعلومات يرجى زيارة هذه المواقع

http://www.hazemsakeek.com/Physics_Lectures/Magnetic/mageniticlectures_4.htm

http://genesismission.jpl.nasa.gov/science/mod3_SunlightSolarHeat/MassSpectrometry/index.html

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/maspec.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Mass_spectrometry

والى اللقاء في مقالات أخرى من كيف تعمل الأشياء

دكتور حازم فلاح سكيك

كيف تعمل شاشة اللمس في جوال الآي فون iPhone

منذ فترة وجيزة حصلت على جهاز جوال لا يحتوى إلا على ثلاثة أزرار فقط، وشاشة كبيرة تستجيب لنقرات خفيفة بواسطة أصابع اليد، لترد على المكالمات وتشغل ملفات الصوت والفيديو وتستعرض الصور وتشغل الكاميرا وتلتقط الصور بمجرد لمسات خفيفة على شاشته. إضافة إلى ذلك تصفح مواقع النت والتجول في صفحاته بتحريك أصبعك على الشاشة لتظهر باقي أجزاء الصفحة. هذه التقنية خلفها فكرة فيزيائية أحببت ان تشاركوني معرفتها من خلال شرح شاشة اللمس في جهاز الجوال العصري الآي فون iPhone.

في هذا المقال من كيف تعمل الأشياء سوف نوضح كيف تعمل شاشة لمس جهاز الآي فون iPhone وكيف تستجيب الدوائر الالكترونية للجهاز للنقرات الخفيفة من أصبعك على شاشته.

في مطلع العام 2007 عرض ستيف جوبز جهاز الآي فون iPhone من إنتاج شركة ابل في معرض اكسبو. بدا الهاتف أول الأمر كأنه صندوق مستطيل لا يحتوي على أزرار. ولكن بمجرد ان بدء ستيف عرضه للجوال ولمس شاشة الآي فون وإذا بها تتحول إلى شاشة تفاعلية فيها العديد من الوظائف التي تفعل بمجرد لمسها على الشاشة هذا بالإضافة إلى ظهور مؤشر على شاشة الآي فون يتحرك مع حركة الأصبع على الشاشة كما لو كان يتحكم به بواسطة ماوس. هذا العرض بدا لبعض الحضور شيء غير عادي فهذه أول تجربة كانت لهم لتفاعل أصبع الإنسان مع شاشة الجهاز مباشرة، وقد أدهشتهم هذه الفكرة أكثر من مزايا الآي فون نفسه.

لقد احتوى الآي فون على مزايا عديدة جعلت منه اقرب لجهاز كمبيوتر كفي، فهو بالإضافة إلى كونه جهاز هاتف إلا انه يحتوي على كاميرا رقمية ومشغل فيديو وموسيقى ومتصفح للانترنت والبريد الالكتروني ويتيح لك أيضا الحصول على الخرائط التفصيلية للمنطقة التي أنت فيها، والكثير من المزايا.

ولكن هذا الكمبيوتر الكفي لم يعد يعتمد في تشغيله على لوحة المفاتيح المعروفة أو الماوس، انه يستخدم أزرار تحكم افتراضية تظهر على الشاشة. هذه في الحقيقة ليست شيء جديد فشاشات اللمس touch screens معروفة ومستخدمة في الهواتف الذكية وفي الكثير من الأجهزة ولكن ما يميز تقنية شاشات اللمس في جهاز الآي فون هو انه بإمكانك استخدام إصبعك بدلا من القلم الخاص stylus لشاشات اللمس المعروفة إضافة إلى ذلك أيضا هناك إمكانية غيرة متوفرة في شاشات اللمس الأخرى وهي ان شاشة الآي فون تستطيع ان تلتقط التعليمات بأكثر من لمسة في نفس الوقت.

شاشة اللمس في جهاز الآي فون iPhone

الأجهزة الالكترونية قد تعتمد على أكثر من طريقة لاستقبال المدخلات بواسطة أي شخص على شاشة اللمس. ومعظم هذه المستقبلات تستخدم مجسات حساسة ودوائر الكترونية لمراقبة التغيرات في حالة خاصة. كثيرا من هذه الأجهزة وجهاز الآي فون احدها يعتمد على مراقبة التغيرات في التيار الكهربي. وهناك طرق أخرى تعتمد على رصد التغيرات في الأمواج الصوتية المنعكسة أو على شعاع ضوئي غير مرئي (في منطقة الطيف تحت الأحمر) وهناك أنظمة قليلة تستخدم ترانسديوسر لقياس التغيرات في الاهتزازات التي تحدث بالنقر بالأصبع على سطح الشاشة. أو باستخدام كاميرا لتراقب التغيرات في الضوء والظل.

مجموعة من الأجهزة المتنوعة التي تعمل بتقنية اللمس

الفكرة الأساسية لشاشات اللمس هي بسيطة في حد ذاتها – عندما تضع أصبعك أو القلم الخاص stylus على الشاشة، فان التغيرات التي تحدثها يتم رصدها. فالشاشات التي تعتمد على أمواج الصوت أو الضوء فان أصبعك يعمل على حجب أو عكس جزء من هذه الأمواج. أما في الشاشات التي تعتمد على تغير السعة الكهربية فهي تحتوي على مادة تحمل شحنة كهربية، وعند لمس الشاشة فان تغير في مقدار الشحنة يحدث عند نقطة اللمس. أما في شاشات التي تعتمد على تغير المقاومة الكهربية فان الضغط بالأصبع يحدث تغير في موصلية طبقات الدائرة الكهربية بالضغط على هذه الطبقات يجعل مقاومتها تختلف عند نقطة اللمس.

معظم الوقت، هذه الأنظمة جيدة لرصد مكان النقر بدقة عالية لنقرة واحدة. ولكن اذا ما قمت بالضغط على الشاشة في أكثر من موضع وفي نفس الوقت، فان النتيجة تكون استجابة غير منتظمة. بعض شاشات اللمس تهمل كل الضغطات التي تلي الضغطة الأولى. والبعض الأخر يمكنه ان يستجيب لأكثر من ضغطة في نفس الوقت، ولكن برنامج التحكم لا يمكنه احتساب موقع كل ضغطة بدقة كافية. وهناك العديد من الأسباب لهذا ومنها ما يلي:

(1) الكثير من الأنظمة ترصد التغيرات على المحور الأساسي للشاشة أو في اتجاه محدد بدلا من الاستجابة لنقطة على الشاشة.

(2) بعض الشاشات تعتمد على احتساب المتوسط لمنطقة كبيرة لتحدد مكان النقرة على شاشتها.

(3) بعض الأنظمة يأخذ حسابات بالنسبة لخط أساسي يعتمد على الضغطة الأولى. فعندما تضغط على الشاشة فانك تنشأ خط محوري جديد. والضغطة التي تليها تسبب قياس يعتمد على خط محوري أخر غير الخط الأساسي الذي انشأ في البداية.

في شاشات هواتف الآي فون فان الأمر مختلف حيث ان الشاشة مجهزة للاستجابة للضغطات المتعددة وفي نفس اللحظة. فعلى سبيل المثال، يمكنك ان تستخدم خاصية الزوم في تصفح مواقع النت أو في استعراض الصور عن طريق الضغط بواسطة إصبع الإبهام على الشاشة وإصبعك الأخر لمسح الشاشة لتكبير جزء من الصورة على شاشة الجهاز. ولكي تقوم بعكس هذه العملية لتصغير العرض لإظهار الصورة بالكامل على الشاشة فانك تستطيع ان تستخدم إصبعيك وتقربهما على بعض كأنك تقوم بقرص الشاشة فتصغر الصورة وفي هذا المثال نشاهد احد التطبيقات لعملية الضغط المتعدد في نفس اللحظة وفائدتها في التحكم في عرض الصور وصفحات الويب. حيث ان الآي فون قد استجاب للضغط المتعدد والحركة على الشاشة.

في الجزء التالي من المقال سوف نقوم بشرح كيف تعمل شاشة اللمس في جهاز الآي فون iPhone

أنظمة اللمس المتعددة Multi-touch system

لكي يتمكن المستخدمين من توجيه التعليمات إلى الأجهزة بواسطة اللمس المتعدد تمكن مطورو جهاز الآي فون من استخدام طريقة جديدة غير متبعة في تقنية اللمس المعتمدة حاليا. حيث ان شاشة اللمس تحتوي على طبقة رقيقة من مادة مواصلة لتقوم بعمل المكثف، مثل باقي شاشات اللمس. ولكن، في الآي فون فان المكثفات المستخدمة مرتبة حسب إحداثيات شبكة تقوم بتوليد إشارة خاصة بها عند اللمس أو الحركة للمسات متعددة في نفس اللحظة لأكثر من موضع. ولان التقنية المتبعة في شاشة لمس الآي فون تعتمد على السعة الكهربية لطبقة المادة الرقيقة المستخدمة فان جهاز الآي فون يعمل فقط عندما تلمسه بطرف أصبعك – فهو لا يعمل باستخدام القلم الخاص stylus أو اذا كنت ترتدي قفازات غير موصلة.

شاشة اللمس ذات السعة المتبادلة تحتوي على شبكة من المجسات في صورة خطوط لرصد التغير في التيار الكهربي وكذلك على شبكة أخرى لخطوط التوجيه التي يمر فيها التيار الكهربي

تقوم خطوط المجسات بتحديد أين لمس أصبع المستخدم الشاشة بالضبط 

شاشات اللمس ذات السعة الذاتية تحتوي على دوائر حساسة والكترودات لتحديد موضع لمسة أصبع المستخدم على الشاشة بالضبط

<

p style=”text-align: justify;”>

شاشة الآي فون تستطيع ان تحدد مكان اللمس عليها بواسطة هاتين الطريقتين:

طريقة السعة المتبادلة Mutual capacitance

في هذه الطريقة تتطلب دائرة السعة الكهربية ان يكون لدينا طبقتين من مادتين مختلفتين. احد هاتين الطبقتين تستخدم لخطوط التوجيه التي تحمل التيار الكهربي، والطبقة الأخرى تستخدم للمجسات التي تكون على شكل شبكة من الخطوط التي تعمل على رصد التيار الكهربي عند العقد.

طريقة السعة الذاتية self capacitance

في هذه الطريقة تستخدم طبقة واحدة تحتوي على مجموعة كبيرة من الالكترودات وهذه متصلة مع دائرة حساسة لسعة الكهربية.

كلا من هاتين الطريقتين تقومان بإرساله بيانات اللمس على شكل نبضات كهربية. في الجزء التالي من المقال سوف نشرح تفاصيل ما يحدث بالضبط.

معالج الآي فون iPhone Processor

معالج الآي فون والبرامج المشغلة له هي مركز التفسير الصحيح لجهاز إدخال البيانات والذي هو في هذه الحالة شاشة اللمس. تقوم طبقة السعة الكهربية بارسال بيانات موضع اللمس لمعالج الآي فون. يستخدم المعالج برنامج مثبت في ذاكرة الآي فون لتفسير هذه البيانات كتعليمات وهنا وصف لما يحدث:

(1) تنتقل الإشارة من شاشة اللمس إلى المعالج على شكل نبضات كهربية.

(2) يستخدم المعالج البرنامج الخاص بتحليل البيانات ليقوم بتحديد خصائص كل ضغطة. مثل حجمها وشكلها وموضعها والمنطقة التي تأثرت بالضغطة على الشاشة. وفي حالة الضرورة يقوم المعالج بترتيب هذه اللمسات في صورة مجموعات. فإذا ما قمت بتحريك أصبعك على الشاشة فان المعالج يقوم بحساب الفرق بين نقطة البداية ونقطة النهاية لكل لمسة.

(3) يستخدم المعالج البيانات السابقة المخزنة في ذاكرته ليحدد وظيفة كل لمسة قمت بها. حيث يتمكن من فهم كل حركة قمت بها على الشاشة والمعلومات حول التطبيق الذي تستخدمه والتطبيق الذي كنت تستخدمه عندما لمست الشاشة.

(4) يقوم المعالج بترحيل التعليمات التي طلبتها إلى البرنامج المستخدم. كذلك يقوم بارسال تعليماته إلى شاشة الآي فون لإظهار أي تعليمات خاصة لك وكذلك يرسل تعليماته إلى أجزاء محددة من الجهاز مثل مشغل الفيديو أو الكاميرا أو غيره. اذا حدث وان كانت البيانات التي استقبلها منك بواسطة اللمس لا تتطابق مع أي من التعليمات التي خزنها أو عرفها من قبل فانه يعتبر هذه التعليمات كأنها لمسات خاطئة ولا يستجيب لها.

كل هذه الخطوات تحدث في نفس اللحظة أن صح التعبير أي انك سوف تشاهد على الشاشة استجابة فورية لأي لمسة تقوم بها. وهذا يجعلك تستطيع ان تصل إلى كل التطبيقات على جهازك وتستخدمها وتشغله بلمسات من إصبعك.

وفي النهاية أتمنى أن أكون قد قدمت شرحا مبسطا لمبدأ عمل شاشات اللمس بصفة عامة وشاشة اللمس ذات الاستجابة المتعددة والتي ميزت جهاز الآي فون وجعلت منه قفزة تكنولوجية يتمنى كل شخص ان يستخدم هذه التقنية ويجرب الآي فون.

والى اللقاء في مقال أخر من كيف تعمل الأشياء

لا مانع من نقل الموضوع لأي موقع على النت بشرط ذكر المصدر

د. حازم فلاح سكيك

<

p style=”text-align: justify;”>

كيف تعمل تقنية الواي ماكس WiMAX

لو نظرنا في يومنا هذا إلى وسائل الاتصال الحديثة بالانترنت، لوجدنا إن هناك أكثر من طريقة، فهناك الاتصال واسع النطاق broadband access الذي يعتمد على نظام DSL أو على كوابل المودم cable modem وهناك نظام الواي فاي WiFi والذي يعتمد على الاتصال اللاسلكي مع مزودي خدمة الانترنت، وهناك أيضا الاتصال بطريقة dial-up والتي لازالت تستخدم في حالة عدم توفر الاتصال بطرق أخرى.

ولكن النظام الأكثر تطورا والذي بدأ الاعتماد عليه حاليا هو نظام الواي ماكس WiMAX وهذه الكلمة هي اختصارا للمصطلح Worldwide Interoperability for Microwave Access ويعرف أيضا باسم 802.16.  الواي ماكس WiMAX نظام جديد لاتصال سريع بالانترنت وسوف يستبدل نظام الكابل ونظام الـ DSL للاتصال بشبكة الانترنت من أي مكان وبدون أسلاك.

في هذا المقال من كيف تعمل الأشياء سوف نتحدث عن هذا النظام وما هي التطورات التي يعمل عليها المهندسون وماذا يمكن أن تقدم لنا هذه التقنية في المستقبل.

كيف تعمل تقنية الواي ماكس WiMAX؟

تشبه فكرة عمل الواي ماكس فكرة عمل الواي فاي WiFi والتي تحدثنا عنها في مقال سابق ولكن تقنية الواي ماكس تعمل على مسافات اكبر وبسرعات أعلى وتوفر خدمة الانترنت لعدد كبير من المستخدمين. هذا بالإضافة إلى ان الواي ماكس سوف تصل لكل الناس حتى لو لم تكن لديهم خدمات الهاتف أو خدمة الاتصال بالانترنت بواسطة الكوابل.

برج إرسال للواي ماكس

يتكون نظام الواي ماكس من جزأين هما:

برج الواي ماكس WiMAX tower: وهو يشبه برج الإرسال في شبكات الهاتف المحمول (الجوال). كل برج وأي ماكس يغطي مساحة كبيرة تصل إلى 8000 كيلومتر مربع.

مستقبل الواي ماكس WiMAX receiver: المستقبل والانتينا سوف تتوفر في أجهزة الكمبيوتر المحمول كما هو الحال في تقنية الواي فاي أو ان تكون عبارة عن كرت من نوع PCMCIA card يثبت في الكمبيوتر.

تتصل محطة برج الواي ماكس مباشرة بالانترنت باستخدام أسلاك T3 line أو ان تتصل ببرج وأي ماكس أخر بواسطة ميكروويف. كل برج يغطي مساحة تصل إلى 8000 كيلومتر مربع فهذا يسمح بتغطية الأماكن الريفية والبعيدة.

مما سبق نلاحظ ان الواي ماكس تزود خدمة الاتصال اللاسلكي بطريقتين هما:

(1) عندما لا يكون هناك عوائق بين أبراج الواي ماكس بحيث لا يكون هناك نقطة اتصال مرئية بين الأبراج non-line-of-sight فان الاتصال بين أنتينا الكمبيوتر وبرج الواي ماكس يتم باستخدام نطاق ترددات منخفض من 2GHz إلى 11GHZ كما في تقنية الواي فاي.  في هذا النطاق من الترددات فان الإشارة لا تتأثر بالعوائق الطبيعية. وهذه الطريقة تغطي مساحة دائرة نصف قطرها 10 كيلومتر.

(2) عندما يكون هناك اتصال مرئي بين الأبراج line-of-sight فان أنتينا على شكل طبق dish antenna توجه إلى برج الواي ماكس. وهذا الاتصال أقوى وأكثر استقراراً يمكنك من إرسال كميات كبيرة من البيانات بدون أي مشاكل تذكر.  يستخدم الاتصال المباشر بين الأبراج ترددات عالية تصل إلى 66GHz. وهذه الطريقة تغطي مساحة دائرية نصف قطرها يصل إلى 48 كيلومتر.

ماذا تقدم تقنية الواي ماكس؟

تعمل تقنية الواي ماكس نفس المبدأ الذي تعمل به تقنية الواي فاي حيث ترسل البيانات من الكمبيوتر باستخدام إشارات الراديو. يمتلك جهاز الكمبيوتر مستقبل وأي ماكس لاستقبال البيانات المرسلة من محطة إرسال الواي ماكس وهذا البيانات تكون مشفرة بحيث تمنع أي مستخدم غير مصرح له بالاطلاع عليها أو الوصول لهذه البيانات.

أسرع وسيلة اتصال وأي فاي تستطيع ان ترسل بيانات بسرعة 54Mbps في أفضل الظروف ولكن الواي ماكس تستطيع ان ترسل البيانات بسرعة 70Mbps.

هذا بالإضافة إلى ان الواي فاي تعمل على مسافات في حدود 30 متر فان الواي ماكس تعمل على مسافات تصل إلى 50 كيلومتر. وهذا يعود إلى الترددات المستخدمة في تقنية الواي ماكس وكذلك قدرة محطات الإرسال.

مواصفات الواي ماكس حسب تصنيف مؤسسة IEEE

المدى: دائرة نصف قطرها 50km

السرعة: 70Mbps

الاتصال المرئي line-of-sight بين المستخدم والمحطة غير مطلوب.

نطاق التردد: 2-11GHz و 10-66GHz

الانتقال إلى خدمة الواي ماكس

تغطية شاملة للانترنت في كل مكان تبدو فكرة رائعة ولكن الشركات لم تبدأ في تركيب هذه التقنية بعد لان من سيقوم بالدفع مقابل خدمة استخدام هذه الخدمة؟  قد تبدأ المؤسسات الكبيرة مثل شركات المال والأعمال بتركيب خدمة الواي ماكس وتسمح لمن يريد باستخدامها مجاناً. حيث انهم بالفعل يقومون بذلك حاليا باستخدام الواي فاي WiFi والتوسع في خدمات الشبكة باستخدام الواي ماكس قد يشجع على انتشار أعمال هذه المؤسسات وقد يكون هذا دافع لان تبدأ المؤسسات المالية بهذه التقنية.

قد تقوم أيضا بعض الشركات بتركيب أبراج إرسال للواي ماكس وتقدم خدمة الانترنت لمن يشترك بهذه الخدمة بمقابل مادي.  وهذا أيضا يتم التعامل به باستخدام الواي فاي ولكن مع الواي ماكس سيصبح بالإمكان الاتصال بالانترنت في أي مكان على نطاق واسع يصل إلى 50 كيلومتر حول محطة الإرسال.

كيف سوف تخدمنا تقنية الواي ماكس؟

إذا توفرت خدمة الواي ماكس في المنطقة التي تعيش فيها فيمكنك الاستفادة منها عن طريق الحصول على جهاز كمبيوتر مجهز لاستقبال الواي ماكس أو تركيب كرت للواي ماكس لترقية جهازك.  سوف تستقبل كود مشفر يسمح لك بالوصول إلى مركز تقديم الخدمة.  يقوم مركز الخدمة بتوصيل بشبكة الانترنت بسرعة تفوق أي سرعة اتصال بالانترنت ممكن تكون قد استخدمتها من قبل، وبالمقابل سوف تدفع رسوم شهرية مقابل حصولك على هذه الخدمة. ومن المتوقع ان تكون هذه التكاليف أيضا اقل من التكاليف التي ندفعها حالياً.  سوف تحتاج إلى راوتر router لبناء شبكة تربط الأجهزة التي تستخدمها في مكان عملك او في بيتك.

تشكل تقنية الواي ماكس تهديدا لشركات تزويد الانترنت باستخدام DSL أو باستخدام الكوابل والمودم cable-modem. فبروتوكول الواي ماكس مصمم ليستوعب أكثر من طريقة لإرسال البيانات مثلا يمكن استخدام هاتف الانترنت مع الواي ماكس VoIP والتي تسمح لك بإجراء اتصالات دولية بنفس تكاليف الاتصال المحلي.

وللمزيد من المعلومات حول هذا الموضوع يمكنك الاطلاع على الروابط التالية:

• eWeek: Wi-Fi Hot-Spot Finders
• Ars Technica: WiMAX panned as mere hype?
• http://en.wikipedia.org/wiki/WiMAX
• http://www.intel.com/technology/wimax/

والى اللقاء في مقالات أخرى

د.حازم فلاح سكيك

www.hazemsakeek.com