الأشعة تحت الحمراء infrarouge

مصادر الأشعة تحت الحمراء

تصدر كل الأجسام التي درجة حرارتها أعلى من درجة حرارة الصفر المطلق، أي أعلى من -372 ْ درجة مئوية أشعة كهرمغنطيسية، وفي حين تكون موجات الأشعة تحت الحمراء الصادرة عن الأجسام الصلبة والسائلة المسخنة ذات أطياف مستمرة، تصبح هذه الموجات ذات أطياف متقطعة عندما تكون صادرة عن الغازات المسخنة. ويستخدم لتوليد حزم قوية من الأشعة تحت الحمراء القريبة والمتوسطة سلك خاص يدعى سلك نرنست Nernst مصنوع من أكاسيد الزركونيوم zirconium والايتريوم yttrium ومسخن إلى درجة 2000 ْ مئوية. ويستخدم لتوليد حزم الأشعة تحت الحمراء البعيدة قوس بخار الزئبق تحت ضغط عال، بين 100 و200 ضغط جوي، ضمن غلاف من الكوارتز. ويستخدم اللهب للحصول على أشعة أقل أو أكثر صفاء، ولكن بموجات غير مستمرة. وأخيراً يستخدم لازر الأشعة تحت الحمراء للحصول على منبع طاقة مشعّة واقعة ضمن طيف الأشعة تحت الحمراء، وهي الإشعاعات المعروفة بالإشعاعات المترابطة [ر. اللازر].

وهو يشمل الانتقال في المحيط الجوي والانتقال في المواد البصرية

الانتقال في المحيط الجوي: يرتبط انتقال الأشعة تحت الحمراء في المحيط الجوي بتركيز الغازات والجزيئات التي فيه، ويتعلق الانتقال بعامل الامتصاص الخاص بكل غاز وبالعوامل الجوية وبدرجة الحرارة والارتفاع، فمثلاً لا يبدي كل من غازي الأكسجين والآزوت، وهما العنصران الأساسيان في الهواء، أي امتصاص لطيف الأشعة تحت الحمراء، في حين يبدي أول أوكسيد الكربون CO وغاز ثاني أوكسيد الكربون CO 2 وغاز الأوزون O 3 وبخار الماء H 2O مناطق امتصاص نوعي، إذ يبدي بخار الماء امتصاصاً قوياً جداً للأشعة تحت الحمراء ذات أطوال الموجات 1.3 – 2.75 – 6 مكرومتر، ويبدي غاز ثاني أوكسيد الكربون امتصاصاً قوياً للموجات ذات الأطوال 2- 2.7- 4.25- 14 مكرومتر، أما غاز الأوزون فيمتص فقط الموجات ذات الأطوال 9 مكرومتر كما هو مبين في الشكل (1).

ومن هذا الشكل تمكن معرفة المناطق الطيفية التي لا تخضع لأي امتصاص ولا تتأثر بالمحيط الجوي، إذ تقع هذه المناطق بالقرب من أطوال الموجات 1.05 – 1.2 – 1.65 – 2،2 ، 3.8 – 10 – . …. مكرومتر، ومن هنا تستخدم هذه الحزم في إنارة الأجسام وفي الرؤية الليلية وفي توجيه الأسلحة والقذائف الصاروخية والصواريخ وغيرها من التطبيقات السلمية والحربية.

الانتقال في المواد البصرية: هناك الكثير من المواد البصرية optique الشفافة للأشعة تحت الحمراء، إذ يمتلك الزجاج النقي المستعمل في صناعة العدسات منطقة شفافية محدودة، ويسمح فقط بإمرار الموجات التي لا يزيد طولها على 2.8 مكرومتر، وذلك بسبب وجود الماء فيه. أما الزجاج المسمى «سوفيرل» sovirel والمصنوع من جرمانات الرصاص فهو شفاف حتى أطوال موجات 5 مكرومتر، وأما زجاج ثالث كبريتات الزرنيخ As 2S 3 فهو شفاف للأشعة تحت الحمراء البعيدة، وزجاج كبريت التوتياء ZnS شفاف للأشعة تحت الحمراء ذات أطوال الموجات الكبيرة. وتبدي أنصاف النواقل شفافية خاصة للأشعة تحت الحمراء، فالسيليكون Si شفاف للأشعة التي لا تتجاوز أطوال موجاتها 1.18مكرومتر، والجرمانيوم Ge شفاف حتى أطوال موجات 1.8 مكرومتر، أما خليطة زرنيخ الغاليوم AsGa فهي شفافة من أجل أطوال الموجات الواقعة بين 1 – 15 مكرومتر. ويتم استخدام تلك المواد في صناعة المرايا والعدسات الخاصة بالتعامل مع حزم الأشعة تحت الحمراء.

منظومات الأشعة تحت الحمراء الفعالة وغير الفعالة

تقوم منظومات الأشعة تحت الحمراء الفعالة active بتوليد هذه الأشعة بوساطة أجهزة إنارة عادية ذات مرشحات مناسبة لحذف موجات الحزم الضوئية الواقعة في مجال الطيف المرئي والإبقاء فقط على حزم الأشعة غير المرئية المطلوبة، والواقعة ضمن مجال الأشعة تحت الحمراء، وذلك لإنارة الهدف أو الأرض ليلاً، ولكن لمنظومات الأشعة تحت الحمراء الفعالة سيئتين هما قصر المسافة التي يمكن أن تقطعها حزمة الأشعة المرسلة وإمكان كشفها بسهولة بوساطة أجهزة الكشف الحديثة كامتصاصها مثلاً بوساطة منظار مفسفر.

ولقد أدت هاتان السيئتان إلى التحول نحو منظومات الأشعة تحت الحمراء غير الفعالة passive والتي يقوم مبدأ عملها على كشف الإشعاعات الضعيفة وتضخيمها إلى أكثر من 10000 ضعف سواء كانت هذه الإشعاعات قادمة من الفضاء أو صادرة عن المحركات والأجسام الحية، وسواء كانت واقعة في مجال الأشعة تحت الحمراء القريبة أو المتوسطة أو البعيدة. ويتم صنع هذه الأجهزة في العادة على شكل منظار أو على شكل جهاز تسديد في الأسلحة لكي تتناسب مع مهام المراقبة والرصد أو الرمي، وتتيح هذه الأجهزة بالرؤية حتى5000 متر، ومع ذلك فإن لهذه المنظومات سيئة كبيرة وهي إمكان بهر الراصد بوضع منبع مشع مناسب في مجال رؤيته. وتقوم منظومة الأشعة تحت الحمراء الفضلى على كشف الأشعة تحت الحمراء الصادرة عن الأجسام المراد كشفها وتمييزها من الأشعة الصادرة عن الشمس أو القمر أو النجوم أو تلك الصادرة عن مصابيح الأشعة تحت الحمراء ومن ثم تضخيمها، ويكون مثلاً طول موجة الإشعاع الأكبر الصادرة عن جسم الإنسان عند درجة الحرارة 37 ْ درجة مئوية في حدود 10 مكرومتر، في حين يكون طول موجة الإشعاع الأكبر الصادرة عن عوادم المركبات والمحركات بحدود 3 مكرومتر، وقد تم حديثاً تطوير كاميرات الأشعة تحت الحمراء لكشف الأشعة المميزة لكل نوع من الأجسام وتضخيمها وتحويلها إلى إشارات كهربائية معدَّلة، وذلك للحصول على صور تلفزيونية عالية الوضوح بوساطة أنبوب مهبطي ككاميرات الفيديو تماماً.

المرشحات المستخدمة في مجال الأشعة تحت الحمراء

يتم في العادة ترشيح الأشعة تحت الحمراء، أي حذف حزم الأشعة غير المرغوب فيها من الطيف والسماح فقط لحزمة الأشعة الصادرة عن الأجسام المراد كشفها بالمرور والسقوط على الكاشف، ويمكن تمييز ثلاثة أنواع من المرشحات:

مرشحات إمرار الأشعة ذات أطوال الموجات القصيرة: وتسمح هذه المرشحات بمرور الأشعة ذات أطوال الموجات التي هي أصغر من طول موجة القطع λ0 كما هو مبين بالشكل ( 2 – أ ) ، ويتم في العادة صنع هذه المرشحات من المواد المستخدمة في الضوء المرئي نفسها.

مرشحات إمرار الأشعة ذات أطوال الموجات الطويلة: (الشكل 2 – ب) وتتيح هذه المرشحات مرور الأشعة ذات أطوال الموجات التي هي أطول من طول موجة القطع λ0 ، وتصنع هذه المرشحات إما من كالسيلكون والجرمانيوم أو من كبريت الرصاص SPb الذي فيه طول موجة القطع يساوي 2.8 مكرومتر، أو من سيلينيور الرصاص SePb الذي فيه طول موجة القطع تساوي 4 مكرومتر، أو من «أنتيموان الإنديوم» InSb ذي طول موجة القطع 8 مكرومتر. ويستخدم الكوارتز ذو طول موجة القطع 40 مكرومتر و«البولي إيتلين» ذو طول موجة القطع 50 مكرومتر للحصول على موجات الأشعة تحت الحمراء البعيدة.

مرشح إمرار حزمة الأشعة: وتتيح هذه المرشحات إمرار حزمة الأشعة الواقعة بين λ 1 و λ 2 (الشكل 2 – جـ) ويستند مبدأ عمل هذه المرشحات إلى خاصة الانعكاس الاصطفائي la réflection sélective ، إذ يتم تصغير منطقة الطيف الوارد عن طريق زيادة عدد الانعكاسات ضمن طبقات المرشح وبذلك تصبح منطقة الطيف في الكوارتز محصورة بين 6.7 و29.4 مكرومتر وفي الفلورين fluorine محصورة بين 24.4 و31.6 مكرومتر.

كواشف الأشعة تحت الحمراء

تقسم كواشف الأشعة تحت الحمراء إلى قسمين الكواشف الحرارية والكواشف الكمومية.

الكواشف الحرارية: يقوم مبدأ عمل الكواشف الحرارية على تحويل الطاقة الضوئية للأشعة الواردة إلى طاقة حرارية متناسبة مع طاقة الأشعة الواردة، وتمتاز هذه الكواشف بأنها غير اصطفائية ومن أشهر هذه الكواشف مقاييس الطاقة الإشعاعية الحرارية les bolometrès ، وهي شرائط معدنية مرققة، ومن أحدثها مقاييس الطاقة الإشعاعية الحرارية الفائقة الناقلية supra conducteur ، وذلك لاحتوائها على أحد المركبات الفائقة الناقلية كنترات النيوبيوم ذي درجة حرارة الانتشار 14.3 كلفن أو ما يعادل -258.7 درجة مئوية، وهذا يعني أنه عند درجة حرارة 14.3 كلفن وما فوق تتغير الطبيعة التوصيلية لهذا المركب، وينتقل فجأة من حالة مركب ذي ناقلية فائقة للتيار الكهربائي إلى حالة الناقلية الطبيعية، ومن هنا ينحصر عمل هذه الكواشف في درجة حرارة منخفضة جداً، أي أقل من درجة حرارة الانتقال، ويستخدم لتبريدها غازات مميعة كالهليوم. وتمتاز هذه الكواشف بأنها ذات زمن استجابة صغير جداً عند سقوط الأشعة عليها، (في حدود 10 -3 ثانية). ومن الكواشف الحرارية كذلك الأبيال الحرارية les thermopiles ، ويستند مبدأ عمل هذه الكواشف إلى الظاهرة الكهربائية الحرارية thermo- electrique وذلك باستخدام اتصالات بين معدنين مختلفين كالبزموت Bi والقصدير Sn والبزموت والأنتيموان Sb .

الكواشف الكمومية: يستند مبدأ عمل هذه الكواشف إلى مبدأ الإصدار الإلكتروني الضوئي photoémissif أو إلى مبدأ الموصل الضوئي photoconducteur أو مبدأ الكهربائية الضوئية photovoltaique وتمتاز هذه الكواشف بأنها اصطفائية.

كواشف الإصدار الإلكتروني الضوئي: تحدث الفوتونات الواردة على صفيحة إصداراً لإلكتروناتها، ويتناسب عدد الإلكترونات الصادرة مع عدد الفوتونات الواردة. ومن أشهر هذه الكواشف كاشف الفضة المؤكسد والمغطى بطبقة رقيقة من السيزيوم césium . ويعد هذا الكاشف حساساً من أجل أطوال موجات لا تتجاوز الـ1 مكرومتر وتكون الحساسية هي العظمى من أجل أطوال موجات مقدارها 0.8 مكرومتر.

كواشف ال موصل الضوئي: تحدث الفوتونات الورادة على نصف ناقل انتقالاً للإلكترونات من حزمة التكافؤ bande de valence إلى حزمة التوصيل bande de conduction ، مما يؤدي إلى تغيير في توصيل نصف الناقل. ومن هذه الكواشف ، كاشف كبريتات الثاليوم المتعدد البلورات الحساس بالأشعة ذات أطوال الموجات التي هي أصغر من 0.95مكرومتر، وكاشف كبريتات الرصاص الحساس بالأشعة التي لاتتجاوز أطوال موجاتها 2.7 مكرومتر، أما كاشف تلور الرصاص tellure de plomb فهو حساس حتى أطوال الموجات 4.5 مكرومتر. ويتم صنع كل كاشف بتقنية خاصة، ويجب في بعض الحالات استخدام أنصاف نواقل من النوع n أو من النوع p والمصنوعة من الجرمانيوم أو السيلكون الوحيد البلورة.

الكواشف المستندة إلى مبدأ الكهربائية الضوئية: تستند هذه الكواشف إلى تولد قوة محركة كهربائية على أطراف الوصلة p-n لنصف ناقل نتيجة لسقوط فوتونات الأشعة عليه.

تطبيقات الأشعة تحت الحمراء

تدخل تطبيقات الأشعة تحت الحمراء مجالات الحياة كافة وتزداد هذه التطبيقات يوماً بعد يوم سواء في المجال السلمي أو في المجال العسكري.

ففي المجال السلمي تستخدم الأشعة تحت الحمراء في الصناعة والإنتاج الصناعي على نطاق واسع، وأكثرها شيوعاً التسخين المنزلي والصناعي والذي يتم فيه رفع درجة حرارة المواد المعدنية، بوساطة الغاز أو الكهرباء، لحثها على إصدار حزم شديدة من الأشعة تحت الحمراء. وتستخدم الصناعات المعدنية لازر الأشعة تحت الحمراء في لحم المعادن وقطعها بمختلف أنواعها. كما تستخدم كثير من الصناعات مصابيح الأشعة تحت الحمراء ذات الاستطاعات الواقعة بين 250 و 1000 واط وذلك للحصول على منابع حرارية لازمة للإنتاج الصناعي، كمصانع السيراميك ومصانع الورق، وفي تسخين هواء غرف تجفيف دهان السيارات في مصانع السيارات، وتستخدم الأشعة تحت الحمراء في الصناعات الكيمياوية والدوائية وذلك باتباع طرائق التحليل القائمة على الكيمياء الطيفية spectrochimie . كذلك تستخدم الأشعة تحت الحمراء في مجال تحليل المواد. ويمكن بوساطة الأشعة تحت الحمراء تحديد البنية الجزيئية لمادة ما، سواء كانت جزيئاتها بسيطة أو معقدة، وسواء كانت صلبة أوسائلة أوغازية، من دون اللجوء إلى طرائق الاختبارات التخريبية، كاستخدام الطرائق الكيمياوية مثلاً، إذ يختلف طيف امتصاص الأشعة تبعاً لطبيعة بنية المادة، وهذا ما يدعى بالمطيافية أو التحليل الطيفي باستخدام المطياف spectroscopie .

ومن التطبيقات الحديثة للأشعة تحت الحمراء استخدامها في مجال الاتصالات ونقل الطاقة باستخدام الأشعة تحت الحمراء في تحقيق الاتصالات بين satellite التي على مدار ثابت geostationaire أو بين والأرض، وذلك لإمكان توجيه حزم هذه الأشعة توجيهاً دقيقاً جداً، ومن ثم تعذر إمكان استقبالها وكشفها إلا بوساطة المستقبلات التي أرسلت من أجلها، فهي تضمن درجة عالية من السرية في الإرسال والاستقبال. وتجري اليوم بحوث مكثفة لإزالة العقبات أمام مشروعات نقل الطاقة إلى مسافات بعيدة بوساطة الأشعة تحت الحمراء. ومن تطبيقاتها السلمية الأخرى تحسس درجات الحرارة عن بعد إذ إن كثافة الأشعة تحت الحمراء الصادرة عن الأجسام هي العامل الوحيد الدال على درجات حرارتها، ومن هنا يمكن استخدام مقاييس كثافة الطاقة الإشعاعية radiomètre لقياس الإشعاعات الصادرة عن الأجسام المراد تحديد درجات حرارتها، إذ تستخدم أنواع من هذه المقاييس لكشف الحرائق قبل استفحالها، وتجهز الطائرات بأنواع أخرى لرسم منحنيات درجات حرارة مياه المحيطات وتغيراتها، لتحديد كميات ذوبان الثلوج في كلا القطبين وارتفاع منسوب المياه في المحيطات، وكذلك لمراقبة التغيرات في المناخ عن طريق معرفة المزيد عن تبادل الحرارة والرطوبة بين المحيطات والهواء، أو كشف نقاط التسخين الزائد لسطوح الارتكاز وكراسي التحميل في السيارات أو القطارات المنطلقة بسرعات كبيرة. وتستخدم مقاييس كثافة الطاقة الإشعاعية الفلكية في تحديد موقع الشمس أو القمر أوالنجوم بالنسبة إلى الأرض، وأخيراً هناك ما يدعى بمجسات الأفق وهي مقاييس خاصة لقياس كثافة الطاقة الإشعاعية وتحديد التغيرات الحرارية بين الأرض والفضاء لتعيين مرجع شاقولي مستقر يمكن الاعتماد عليه في تحديد موضع الصواريخ وتوجيهها في أي زمان ومكان.

وآلات التصوير بالأشعة تحت الحمراء والتصوير الحراري من أحدث تطبيقات الأشعة تحت الحمراء، فهي تتيح إجراء التصوير عن بعد في الليل أو في النهار بوضوح تام. وتستخدم أنواع من هذه الآلات في الرسم الحراري الطبي، لرسم خريطة حرارية لجسم الإنسان يمكن الاعتماد عليها في كشف المناطق التي تبدي درجات حرارة غير اعتيادية سواء بالزيادة أو بالنقصان ثم تحديد المرض أو سوء عمل عضو ما من الجسم، وتستخدم كاميرات الرسم الحراري الطبي على نحو خاص في تشخيص الأورام السطحية في جسم الإنسان والتي تبدي مناطق حارة، إذ تبلغ حساسية هذه «الكاميرات» 0.1 درجة مئوية. وتستخدم أنواع أخرى من «الكاميرات» في المسح الجوي الهادف إلى كشف الثروات الأرضية، وفي مراقبة تيارات البحار وتحركات تجمعات الأسماك فيها، وفي تحديد المناطق الملوثة منها. ويتم في هذه الكاميرات استخدام أنواع كثيرة ومختلفة من الأفلام الحساسة جداً بالأشعة تحت الحمراء. وتلجأ مصانع القطع الإلكترونية إلى استخدام مجهر الأشعة تحت الحمراء لإجراء مسح حراري للقطع المنتجة ذات الأبعاد الصغيرة جداً، كالترانزستورات والدارات المتكاملة، إذ يتم بسهولة كشف نقاط التسخين الزائد وتحديدها ثم تحديد القطع غير الصالحة للاستخدام.

ومن تطبيقات الأشعة تحت الحمراء في المجال الطبي كذلك استعمالها في تخفيف الآلام، ولاسيما آلام الصَّعَر torticolis وآلام القطن والأوراب والجَنَبَة pleura . وقد تفيد في بعض استطبابات الاعتلالات المفصلية والاضطرابات الدورانية التي تصيب نهايات الأطراف. وتفيد الأشعة تحت الحمراء أيضاً في تندب الجروح وفي معالجة الآفات الجلدية الناجمة عن الأشعة السينية وأشعة غاما.

ويستعمل في هذه المعالجة مشعات ذات وشائع متوهجة، ويعمد في بعض المعالجات الخاصة إلى استعمال المصابيح المتوهجة التي تصدر حزماً من الأشعة أشد ولوجاً في جسم الإنسان أي الأشعة ذات الأطوال الموجية 0.75- 1.4 مكرومتر.

أما في المجال العسكري فقد بدأ الاهتمام بالأشعة تحت الحمراء منذ الحرب العالمية الثانية للعمل على إزالة العقبات التي تعترض إدارة أعمال القتال وخوضها ليلاً بالإفادة من خصائص هذه الأشعة. وقد استخدمت آنذاك منظومات الأشعة تحت الحمراء الفعالة ومصابيح الأشعة تحت الحمراء لإنارة الأهداف وأرض المعركة في الظلام، وكان ذلك من العوامل الحاسمة في كسب الكثير من المعارك، وقد تم التخلي فيما بعد عن منظومات الأشعة الفعالة، لأوزانها الكبيرة وضعف مداها وسهولة كشفها، واستعيض عنها بمنظومات الأشعة تحت الحمراء غير الفعالة، ويقتصر استخدام منظومات الأشعة تحت الحمراء الفعالة اليوم على نطاق ضيق للتفريق بين الطائرات المقاتلة في الجو، إذ تجهز الطائرات الصديقة بمنبع أشعة تحت الحمراء ذي طول موجة محدد لكي يمكن تعرفها بوساطة كواشف اصطفائية مناسبة. وتستخدم منابع خاصة للأشعة تحت الحمراء في تحديد أماكن هبوط الطائرات الحربية الصديقة أو إقلاعها، وفي توليد حزم الأشعة الخاصة بتوجيه بعض أنواع الصواريخ نحو أهدافها.

وتعتمد التطبيقات في المجال العسكري على نحو خاص على منظومات الأشعة تحت الحمراء غير الفعالة، فمن ناحية تم صنع مناظير الكشف والتسديد المناسبة للتركيب على المدرعات والعربات لتمكينها من الرؤية في الظلام وفي الضباب أو الدخان، حتى مسافة 5000 متر، ومن ناحية أخرى تم تطوير منظومات كشف الأشعة تحت الحمراء المناسبة للتفريق بين الأجسام على الأرض أو في الجو أو البحر. وقد تم تركيب كواشف الأشعة تحت الحمراء التلقائية على رؤوس الصواريخ بمختلف أنواعها لتستطيع التوجه ذاتياً نحو أهدافها الثابتة أو المتحركة، إذ يوضع كاشف مناسب للأشعة تحت الحمراء ضمن نظام ضبط asservissement يسمح بتحديد موضع الهدف المصدر للأشعة تحت الحمراء، ويتم تحديد إحداثيات الهدف بوساطة راصدة telescope متابعة تلقائية. وتعتمد وسائل الحرب الحديثة على نماذج كثيرة من كاميرات الأشعة تحت الحمراء للمراقبة والرصد والتجسس والرمي، إذ تكمن الميزة الكبيرة لهذه الكاميرات في قدرتها على الرؤية والتصوير في كل زمان ومكان وبوضوح تام من دون إمكان كشفها، وبمقدور هذه الكاميرات كشف الأشعة المميزة لكل نوع من الأجسام وتضخيمها ثم التفريق بينها، على خلاف الرادارات، ويمكن للخصم إذا افترض وجود هذه الكاميرات على الدبابات وعلى عربات المراقبة والرصد وأجهزة تسديد المدفعية، أن يعمل على وضع جهاز لازر قادر بإشعاعاته المركزة على إبطال عمل هذه الكاميرات ثم تفادي كل الأخطار التي قد تنجم عنها.