الاختبارات اللاتخريبية

اختبارات لاتخريبيه

Nondestructive testing - Tests non destructeurs

الاختِبَارات اللاتخريبية

الاختبارات اللاتخريبية  Nondestructive testing (NDT) هي الفحوص أو الاختبارات أو التقييمات المنفَّذة  على أي نوع من الأجسام أو القطع من دون الإضرار بها أو تغييرها أو تخريبها؛ لتحري وجود عيوب أو بوادر منها، يمكن أن تؤثر في صلاحيتها أو جودتها أو مستوى أدائها من دون تغيير مواصفاتها. كما تُمكِّن الاختبارات اللاتخريبية من قياس مواصفات الجسم المختَبر مثل تحديد أبعاده وحجمه وشكله وقساوته وبنيته الكيميائية وحجم حبيبات مادته، وغير ذلك. ويتحدد بنتيجة هذه الاختبارات رفض المواد أو قبولها بما يتوافق والمواصفات المطلوبة، أو المطلوب تطويرها وتعديلها في عملية الإنتاج.

تُعدُّ الاختبارات اللاتخريبية فرعاً من علم المواد، ويشمل تطبيق طرائق وتقانات تمكِّن من تعرّف بنية المواد والمنشآت وخواصها والتحري عن الثغرات فيها وقدرتها على أداء العمل المطلوب منها في أثناء الخدمة والتشغيل؛ من دون إلحاق أذى فيها.

تؤدي الاختبارات اللاتخريبية دوراً مهماً في ضبط جودة المنتجات في مراحل تصنيعها المختلفة، وذلك بهدف زيادة أمان المنتجات وموثوقيتها وخفض كلفة الإنتاج. تُطبَّق هذه الاختبارات على نطاق واسع في الصناعات الهندسية والبتروكيميائية والفضائية وفي محطات توليد الطاقة الكهربائية في أثناء التصنيع والخدمة وفي البحث العلمي والتقانات النانوية.

مجالات الاختبارات اللاتخريبية

تُطبَّق الاختبارات اللاتخريبية في المجالات التالية: كشف التسربات وتحديد السماكات والمواقع وقياس الأبعاد وتقييم عمر المنتج وإعطاء وصفٍ وتصورٍ لبنية المادة وتحديد الخصائص الفيزيائية والميكانيكية للمادة وقياس الإجهاد والانفعال والاستجابة الديناميكية وتصنيف المواد وتحديد التركيب الكيميائي وكشف العيوب وتقييمها وتوصيف اللقى الأثرية وتحديد أعمارها، وفي تطبيقات أخرى مختلفة.

أهم ميزات الاختبارات اللاتخريبية

من أهم ميزات الاختبارات اللاتخريبية أنها قابلة للتطبيق في جميع مراحل التصنيع أو الإنشاء أو التشغيل مهما تنوعت، وهي تسهم في زيادة الإنتاجية لقدرتها على كشف العيوب قبل الإنتاج، وخفض التكلفة وتحديد نوعية المواد وتوصيفها، وتصنيفها بحسب درجة القبول، كما تسهم في زيادة أمان المنشآت والحؤول دون حدوث كوارث صناعية أو أي أضرار محتملة.

أنواع الاختبارات اللاتخريبية وطرائقها ومستلزماتها

تُقسم الاختبارات اللاتخريبية إلى عدة أنواع، يشمل كل نوع منها العديد من تقنيات الفحص، وذلك بحسب التطبيق المقصود ونوع الفحص المطلوب. ومن المهم اختيار نوع الاختبار وطريقته لتحقيق الأداء الأفضل. وأهم أنواع الاختبارات اللاتخريبية:

1- اختبارات السوائل النفوذة : liquid penetration testing (PT) تُعدُّ طريقة السوائل النفوذة لاختبار المواد من أكثر طرائق الاختبارات اللاتخريبية انتشاراً، فهي تساعد على كشف الثغرات والعيوب السطحية في المواد اللامسامية (الشكل 1). ويمكن تطبيقها على المواد المغنطيسية أو غير المغنطيسية.

تستفيد طريقة الاختبار بالسوائل النفوذة من الخاصة الشعرية لبعض السوائل المركَّبة الصبغية أو المتألقة؛ إذ توضع هذه السوائل على سطح الجسم المختَبر فتتوغل في الشقوق والفجوات النافذة، والتي لا تُرى بالعين المجرَّدة، ثُمَّ تُزال (تمسح) السوائل الزائدة من السطح، وتُضاف إليه مادة مظهِرة مناسبة، فتنكشف تلك الشقوق بتلوّن السائل. و تُعدُّ طريقة السوائل النفوذة طريقةَ اختبار ميدانية (محمولة)، أي من السهولة نقل تجهيزاتها أو مستلزماتها إلى حقل الاختبار، ومع ذلك فهي محدودة الإمكانات.

تُقسم تقنيات الفحص بالسوائل النفوذة إلى تقنية رقم I وتقنية رقم II، تختص التقنية الأولى بفحص المواد بالسوائل النفوذة باستخدام المواد المتألقة، وتختص التقنية الثانية بفحص المواد بالسوائل النفوذة باستخدام المواد المرئية، وكلتا التقنيتين تُقسمان إلى عمليات يرمز إليها بالحروف  (A,B,C,D) . وتتحدد كل عملية منها بنوعية مزيل المادة الحساسة ونوعية مواد التنظيف الثانوية ونوعية المادة المظهرة (الشكل 2).

2- اختبارات الجسيمات المغنطيسية :magnetic particle testing (MT) تُعدُّ طريقة الجسيمات المغنطيسية من أهم طرائق الاختبارات اللاتخريبية التي تهدف إلى كشف التشققات والتجاويف والعيوب السطحية وتحت السطحية في المواد والقطع (الشكل 3). تُستعمل في هذه الاختبارات جسيمات مغنطيسية متألقة أو غير متألقة، وتُعدُّ الجسيمات المغنطيسية المتألقة أكثر قدرةً على كشف العيوب الصغيرة الأبعاد جداً مقارنة بالجسيمات المغنطيسية غير المتألقة.

	الشكل (1) اختبارات السوائل النفوذة لكشف العيوب النافذة إلى السطح
الشكل (2) تقنية تنفيذ الاختبار بالسوائل النفوذة ومراحل التنفيذ	الشكل (3) اختبار الجسيمات المغنطيسية لكشف العيوب السطحية

يُمغنط الجزء المراد اختباره، ثمَّ تُرش عليه برادة الحديد (أو ذرور مادة مغنطيسية) أو مادة مغنطيسية سائلة، فتتوزّع هذه الجسيمات أو البرادة على السطح، وتنجذب إلى تسرب تدفق المجال المغنطيسي عند العيوب، لتتجمع فوقها مباشرة وتأخذ شكل العيب أو الشق الموجود. يمكن ملاحظة هذا التشكل بالنظر المباشر أو تحت إضاءة خاصة، ويمكن تطبيق هذه الطريقة فقط على المواد غير المغنطيسية.

أما خطوات اختبار عينة ما بالجسيمات المغنطيسية فهي التنظيف الأولي، ثم تطبيق الجسيمات المغنطيسية على سطح العينة، ثم التنظيف الثانوي، تتبعه عملية التظهير، ثم تطبيق الحقل المغنطيسي، كما في الشكل (4)، ومراقبة النتائج وتحليلها وتوثيقها، ثم التنظيف النهائي.

الشكل (4 -ب)ء		الشكل (4 -أ)ء

الشكل (5) أنواع المسابر المستعملة في توليد الأمواج فوق الصوتية وكشفها

الشكل (6) تطبيق إشارة الكشف باستعمال المجسات. وإظهار النتائج

الشكل (7) طريقة جدار واحد وصورة واحدة

الشكل (8) طريقة جدارين  وصورتين

الشكل (9) طريقة جدارين  وصورة واحدة

الشكل (10) تيارات فوكو المتحرضة في المادة

الشكل (11) طريقة التيارات الإعصارية

3- اختبارات الأمواج فوق الصوتية :ultrasonic testing (UT) الأمواج فوق الصوتية هي أمواج اهتزازية ميكانيكية لا تستشعرها أذن الإنسان، تنتشر في المواد المتجانسة في خطوط مستقيمة، وترتد عند الفواصل والانكسارات أو في المواقع غير المتجانسة من المادة. يتجاوز تردد الأمواج فوق الصوتية 20000 هرتز، وتنتشر في الوسط المطلوب اختباره. ويرتبط طول الموجة  l بكلٍ من التردد  f وسرعة انتشار الموجة  c في الوسط المعني، بالعلاقة  التالية: c/f=l. وتُعدُّ هذه التقنية من أهم أنواع الاختبارات اللاتخريبية لاكتشاف العيوب والثغرات ضمن المادة المختَبرة.

تُطبَّق في هذا النوع من الاختبارات أمواج فوق صوتية بتردد محدَّد على أحد أوجه القطعة المختَبرة، وتُحلَّل الأمواج النافذة عبر السطح الآخر، أو تُحلَّل الأمواج المنعكسة عن الثغرات الموجودة. ولهذه الأمواج أنواع متعددة: طولية، عرضية، سطحية. تُوَلَّد الأمواج فوق الصوتية باستعمال مجس (مسبر) خاص transducer، مصنَّع من بلورات ذوات خواص كهرضغطية piezoelectric (كالكوارتز أو تيتانات الباريوم)، (الشكل 5).

تُختار الأمواج فوق الصوتية، أي عالية التردد (طول موجتها قصير)؛ لأنه كلما زاد تردد الموجة المستخدمة في الفحص (أي قَصُرَ طولها) زادت مقدرتها على كشف العيوب الدقيقة، وذلك بسبب أن حجم أصغر عيب يمكن كشفه عند تردد معيّن هو من مرتبة نصف طول الموجة المستخدمة، وأي عيب أصغر من ذلك لا يمكن كشفه. تُستعمل عادة في الاختبارات اللاتخريبية أمواج فوق صوتية بتردد من رتبة خمسة ميغا هرتز.

ثمة طريقتان أساسيتان للاختبار بالأمواج فوق الصوتية:

-  تعتمد الطريقة الأولى على تحليل الأمواج النافذة، وتدعى تقانة النفاذ transmission technique أو طريقة الظلال.

- تعتمد الطريقة الثانية على تحليل الأمواج المنعكسة، وتدعى تقانة الانعكاس reflection technique، ومن أشهر أساليبها طريقة صدى النبضة pulse-echo method.

تتألف منظومة الاختبار بالأمواج فوق الصوتية من التجهيزات الأساسية التالية:

- مولد نبضات pulsar، وهو جهاز إلكتروني يولِّد نبضات كهربائية عالية التردد، باستعمال مهتز بلوري ضمن دارة كهربائية. تُولَّد النبضات المطلوبة بالتحكم في قيم عناصر الدارة وتواتر الإشارات الكهربائية المتولِّدة، والتي تُرسل إلى المجسّات الموصولة إلى خرج الدارة.

- المجسّات: مهمتها تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية (اهتزازات) في أثناء عملية إرسال الموجة، والعكس بالعكس عند استقبال الموجة.

- وسيط الربط couplant، مثل الماء أو الغليسرين الصناعي أو الزيت الخفيف أو غيره. يُستعمل لضمان اتصال محكم بين المجس وسطح القطعة المراد فحصها لتحقيق تغلغل الأمواج إلى داخل القطعة المختَبرة. يتعلق اختيار هذه الطبقة بخشونة سطح القطعة المراد فحصها.

- وسائل الإظهار display devices، مثل راسم الإشارة (الشكل 6).

4- اختبارات التصوير الشعاعي  :radiographic testing (RT ) انحصر استخدام التصوير الشعاعي في بداية عهده في الميدان الطبي، ثم توسع ليشمل الميدان الصناعي. يتطلب هذا الاختبار مهارة في قراءة الصور، وتُعدُّ الأشعة المستخدمة ضارة جداً لا يجوز تجاهل مخاطرها، لذلك يجب التوثق من حصر أعمال التصوير بأشخاص مؤهلين ومرخَّصين لذلك، وضرورة اتباع إجراءات الحيطة المنصوح بها لدى تنفيذ التصوير بما يضمن استمرار العمل مع المنابع المشعّة في التصوير الشعاعي على نحو آمن.

الاختبار بالتصوير الشعاعي هو اختبار لا تخريبي، يهدف إلى الحصول على خيال دقيق واضح للعيوب في جسم ما؛ عن طريق تعريضه لحزم من أشعة إكس x أو غاما  γ  (X-ray or Gamma Ray) ثم تسجيل الصورة المطلوبة من الجهة المقابلة على فلم أو مراقبتها على شاشات خاصة. إن أشعة  x أو γ هي موجات كهرطيسية من طبيعة الضوء العادي نفسه، لكن أطوال موجاتها قصيرة جداً (من رتبة 0.001 من طول موجة الضوء المرئي)؛ وهذا ما يعطيها القدرة على عبور الأجسام التي لا يستطيع الضوء المرئي اختراقها. يعتمد مبدأ التصوير الشعاعي على ما يلي: عندما تعبر الأشعةُ الجسمَ المختَبر يُمتصُّ جزء منها على طول مسارها، وتتناقص شدتها على نحو متفاوت من موقع إلى آخر؛ تبعاً لتغير سماكة الجسم المختَبر ولتبدّل كثافة مادته (بسبب العيوب أو تغيّر في التركيب).

يعمل أغلب تجهيزات الاختبارات بالتصوير الشعاعي بتوتر 120 كيلوفولط، وبأقصى تيار للمصعد      anode   (5 -10 أمبير). تُستعمل أجهزة رونتجن النبضية أساساً في الأعمال الإنشائية. أما أجهزة غاما فتتألف من رأس فاحص، يحتوي على نظير مشع، ويضم جهاز تحريك المنبع وناقل العبوة ولوحة تحكم. يُعدُّ كل من السيزيوم 137 والكوبالت 60 والإيريديوم 192 والثوليوم 170 منابع أساسية لإشعاعات غاما، وهي خطرة جداً على الإنسان.

يمكن تمييز ثلاثة أنواع من الطرائق المستخدمة:

1) جدار واحد وصورة واحدة  :single wall single image (SWS) في هذه الطريقة، تَصدُر الأشعة من المنبع، وتعبر القطعة المختَبرة، ويُسجل أثر الأشعة النافذة على الفلم. هذه الطريقة مستخدمة في القطع الكبيرة أو لدى فحص الأنابيب الكبيرة الأقطار، والتي تتوفر إمكان الوصول إلى سطوحها الداخلية لإدخال فلم التصوير وتثبيته. تتطلب هذه الطريقة ست عمليات تعريض أو أكثر لإنجاز الفحص. ويمكن أن يوضع مصدر الإشعاع داخل الأنبوب والفلم على سطحه الخارجي (الشكل7). ويُعدُّ التصوير البانورامي panoramic حالة خاصة من هذه الطريقة.

2 ) جداران وصورتان  :double wall double image (DWDI) تُستخدم هذه التقانة لتصوير الوصلات الملحومة في الأنابيب الصغيرة الأقطار (القطر الخارجي أقل من  90مم)، حيث يوضع الفلم خارج الأنبوب، ويوضع منبع الأشعة خارج الأنبوب أيضاً في الجهة المقابلة. تسمح هذه التقانة بتصوير كامل الوصلة الملحومة في عمليتين أو ثلاث عمليات تعريض بحسب موقع مصدر الإشعاع (الشكل 8).

 3) جداران وصورة واحدة  :double wall single image (DWSI) في هذه الحالة، تمر الأشعة المنبعثة من المصدر من خلال جداري الأنبوب، لكن ينصب الاهتمام على صورة منطقة الوصلة الملامسة للفلم فقط. ولعزل خيال هذه المنطقة، يجري اللجوء إلى إمالة المنبع المشع بزاوية معيّنة عن محور الوصلة، فيتحقق إسقاط الوجه العلوي للحام بعيداً عن الوجه السفلي، أو يُحرَّك منبع الأشعة قريباً جداً من الجدار الأول للأنبوب، وهذا يسمح بإزاحة خيال الجدار العلوي إلى خارج الفلم تاركاً المنطقة المهمة نظيفة لعملية التقويم (الشكل 9).

5- اختبارات التيارات الدوامة (الإعصارية)   : eddy current testing (ET )لهذه الطريقة العديد من التطبيقات، منها: قياس الخواص الكهربائية للأجسام المختَبرة (مثل الناقلية الكهربائية) أو الخواص المغنطيسية مثل (النفاذية) أو الخواص الميكانيكية (مثل القساوة وسلامة المعالجات الحرارية). ويمكن بهذه الطريقة الكشف عن عيوب الجسم السطحية والداخلية، مثل الكسور والشوائب التي تتوضع على أعماق حتى 5 مم من سطح الجسم المختَبر.

تُستَعمل في هذه الطريقة الحقول الكهرطيسية الراديوية ذوات الترددات من 5 هرتز إلى 10 ميغا هرتز، إذ تُحرِّض هذه الحقول - التي تولدها مسابر خاصة في الأجسام المختبرة الناقلة للكهرباء - تيارات موضعية تسمى التيارات الدوامة أو تيارات فوكو Foucault  (الشكل 10)، ومن تغيرات الفعل المتبادل ما بين الحقل المغنطيسي المتولد من التيارات الدوامة الناشئة، والحقل الكهرطيسي الخارجي المحرِّض الذي تولِّده هذه المسابر يجري تعرف مكوِّنات الأجسام المختبرة وعيوبها.

تُقاس أي تغيرات في الصفات الكهربائية أو المغنطيسية - الناجمة عن العيوب في المادة - باستعمال مجس يتألف من ملف مشحون بتيار متناوب عالي التردد بحدود 10000هرتز إلى 100000هرتز، فينشأ مجال مغنطيسي رئيسي يحيط بالملف، بما فيه المادة المراد اختبارها، فتتولّد في المادة تيارات دوّامة تولِّد بدورها مجالاً مغنطيسياً ثانوياً معاكساً بالاتجاه للمجال الرئيسي، (الشكل 11). تقاس محصلة المجالين، وتُعتمد قيمة مرجعية. وعند وجود أي خلل في المادة تتغير قيمة الحقل الثانوي، وتتغير من ثَمَّ المحصلة التي تقاس بمقياس خاص يحدد المفاعلة التحريضية inductive reactance.

تتحدد المفاعلة التحريضية  X_L بالعلاقة التالية:

حيث:

f  : تواتر إشارة الاختبار.

L   :ذاتية الوشيعة المستخدمة لتوليد إشارة الفحص.

:السماحية النسبية لقلب وشيعة توليد الإشارة.

 N:عدد لفات وشيعة توليد الإشارة.

 A :مساحة مقطع الوشيعة.

l   :طول الوشيعة.

6- اختبارات الأشعة تحت الحمراء : infrared testing (IT)  يصدر كل جسم درجة حرارته أعلى من الصفر المطلق حرارةً، حتى الأجسام شديدة البرودة - مثل مكعبات الثلج - تصدر حرارة. وهذه الحرارة على شكل أشعة تحت حمراء. وكلما زادت درجة حرارة الجسم؛ زادت شدة الأشعة تحت الحمراء المنبعثة منه، وهذه الأشعة غير مرئية، وهي تشكّل جزءًا من الطيف الكهرطيسي (الشكل 12).

   يجري اختبار التصوير الحراري بالتصوير بالأشعة تحت الحمراء باستعمال كاميرات قادرة على قياس «الطاقة الحرارية المنبعثة من الجسم». تخرج هذه الكاميرات صوراً تبين «حرارة الجسم» (الشكل 13)، وتوفر إمكانية قياس درجات الحرارة من دون تماس مع الجسم.

7- اختبارات الفحص البصري   : visual testing (VT)هي من الأنواع الأساسية والمعروفة للاختبارات اللاتخريبية، ويُختبر فيها الجسم بتفحصه بالعين المجردة أو بمساعدة مناظير أو عدسات مكبِّرة أو مجاهر أو كاميرات تعمل في مجال الإشعاع المرئي؛ إضافة إلى أدوات القياس (الشكل 14).

8- اختبارات الأمواج الصوتية  :sound testing (ST) يمكن عادة اختبار سلامة الأواني والأوعية وغيرها من المنتجات، بالطَّرقِ عليها والاستماع إلى طنين الصوت (الشكل 15)، فإن كان الطنين واضحاً؛ نمّ ذلك على سلامة المنتج، أما إن كان مكتوماً؛ فيدل على عيب فيه. إن مجال ترددات الأمواج الصوتية (وهي أمواج اهتزازية ميكانيكية) هو من 16هرتز إلى 16000 هرتز.

9- اختبار المواد بتحليل طيف القوس الكهربائية للمادة: تُستخدم في معامل الصلب وفي المخابر المتخصصة طريقة القوس الكهربائية المسلَّطة على المادة لمعرفة النسب المئوية لمكوِّنات الفولاذ أو الخلائط المعدنية الأخرى.

ويعتمد الاختبار على مبدأ تحليل إضاءة قوس كهربائية تسلط على الخليطة المعدنية، وبوساطة جهازٍ محللٍ طيفي مرتبط بحاسوب رقمي تُحدَّد نسبة المكونات في الفولاذ (من كروم ونيكل وفحم وغيرها). يُعتمد على هذه الطريقة لبساطتها ودقتها في مراقبة إنتاج معامل الصلب، وذلك بإجراء عدة قياسات على نماذج من الحديد والفولاذ على مدار ساعات الإنتاج اليومي، إضافة إلى استعمالها في تحديد النسب المئوية للخلائط الخاصة (فولاذ وتنغستين ومولبدينيوم وغيرها).

الشكل (13) صورة بالأشعة تحت الحمراء. تنحصر الأشعة تحت الحمراء بين الطيف المرئي والميكروويف (الموجة الملمترية وذلك داخل الطيف الكهرطيسي. وتشغل حيز الطيف (100:0.8 ميكرون تقريباً)ء
الشكل (14) أدوات الفحص (القياس) البصري
	الشكل (12) طيف الإشعاع الكهرطيسي

10- اختبار المواد تحت شروط مركَّبة (حرارة وضغط وإشعاع ذري): لاحظ الخبراء حدوث تشققات خطرة في الجسم الفولاذي لقلب المفاعل الذري في المحطات النووية لتوليد الطاقة الكهربائية. تتوضع تلك التشققات حول فتحات أنابيب التبريد وأنابيب قضبان التحكم في المفاعل، كما وُجد أن تلك التشققات حصلت بسبب الإجهادات المطبَّقة على المعدن من قذف نيوتروني وحرارة عالية وضغط مرتفع. وهي تسبِّب خطراً كبيراً على تشغيل المفاعلات، وهذا ما يترتب عليه إيقاف عدد كبير منها لتبديل تلك الوصلات الفولاذية، ويسبب خسارات مادية كبيرة لم تكن في مجال تقديرات الخبراء من قبل. لذلك بدأت سلسلة من الأبحاث هدفها وضع الأسس القياسية لاختبار مجموعة من نماذج الخلائط المعدنية، واتباع طرائق حديثة في لحم المعادن، وتعريضها لإشعاع ذري، وضغط عالٍ وحرارة مرتفعة لمدد طويلة زمنياً لاختبار الخلائط المقاومة لشروط عملٍ مُركّبة.

-11 الاختبارات المتقدمة  :advanced testing (AT) تُستعمل اليوم أنواع متقدمة من طرائق الاختبارات اللاتخريبية في حالاتٍ خاصة (فحص قطع أثرية، مواد أو عناصر حساسة،…). والمثال على ذلك تحريض إصدار الأشعة السينية بالجسيمات  particle-induced X-ray emission (PIXE)، والتحليل بتألق الأشعة السينية  X-ray fluorescence analysis (XRF)

12-الاختبارات النانوية  :nanotopography testing (NT) لإجراء اختبارات لاتخريبية على المواد في الأبعاد النانوية التي تقارب أبعاد الجزيئات (الشكل 16)؛ تُستخدم تجهيزات خاصة كمجهر القوة الذرية atomic force microscope (AFM)، ومجهر المفعول النفقي الماسح  scanning tunneling microscope )(MTS( ، ومجهر النفاذ الإلكتروني  transmission electron microscope )MET(،  والمجهر الماسح الإلكتروني scanning electron microscope (SEM). تعطي هذه التجهيزات صورة لسطح العينة أو لمقطعها من دون أن تتلفها.

الشكل (16) دراسة طبوغرافية السطوح في الأبعاد النانوية
STM الشكل (17) مجهر المفعول النفقي الماسح
	الشكل (15) إحدى الطرائق التقليدية لتوليد الأمواج الصوتية

مجاهر المجسات الماسحة

تُعدُّ هذه المجاهر   scanning probe microscope (SPM) التقانة «الأم» لعدد واسع من التقنيات، والتي تمكن الباحثين من توصيف طبوغرافية سطوح العينات بدقة نانومترية.

تنقسم هذه التقانة إلى قسمين رئيسيين؛ هما مجهر المفعول النفقي الماسح  (STM)  ومجهر القوة الذرية   (AFM).

في جميع هذه المجاهر؛ تقوم المجسات probes التي تبلغ سماكة رؤوسها الماسحة tips بضع ذرات فقط بمسح سطح العينات المدروسة وتسجيل تفاعل «حركة» هذه المجسات خلال عملية المسح مع السطح، وفي الظروف المثالية تستطيع هذه التقنيات أن تعطي حساسية قياس تصل إلى مستوى واحد نانومتر، وعليه فإن كلا الجهازين STM وAFM يستطيعان أن يعطيا صوراً دقيقة لأسطح العينات المدروسة.

1- مجهر المفعول النفقي الماسح  STM

اختُرع مجهر المفعول النفقي الماسح، ورُكِّب على يد العالمين الألماني غيرد بينيغGerd Karl Binnig   والسويسري هاينريخ روهرر Heinrich Rohrer؛ وذلك في عام 1981. وكان لهذا الاختراع صدّى واسع في الأوساط العلمية، حيث تمكن الباحثون ولأول مرّة من مشاهدة الذرات بالأبعاد الثلاثية، وقد حصل العالمان المذكوران على جائزة نوبل في عام 1986عن هذا الاختراع. و تجدر الإشارة هنا الى أن مجاهر المفعول النفقي الماسحة تُستعمل لدراسة العينات الناقلة أو شبه الناقلة.

يستطيع هذا المجهر أن يدرس عينة صغيرة جداً في حدود 10ميكرومتر مربع. وتراوح مدة عمل هذا الجهاز في مسح أسطح العينات بين أجزاء من الثانية ونحو ساعة واحدة أو أكثر تبعاً لخصائص سطوح العينات وطبيعتها.

المبدأ الأساسي لعمل مجهر المفعول النفقي الماسح  STM

AFM الشكل (18) مكونات مجهر القوة الذرية الـ

AFM الشكل (19) آلية عمل مجهر القوة الذرية الـ

(SEM) الشكل (20) المجهر الماسح الإلكتروني    (TEM) والمجهر الإلكتروني بالنفاذ

الشكل (21) المجهر الماسح الإلكتروني

يعتمد مبدأ قياس التيار الكهربائي المار - وفق المفعول النفقي - بين الرأس الماسح وسطح العينة الناقلة أو نصف الناقلة (من رتبة نانو أمبير). ويعطي صورة ثلاثة الأبعاد لسطح العينة (الشكل17).

يتكون مجس مجهر المفعول النفقي من ثلاثة أجزاء: الذراعcantilever، والمجس probe، الذي يصنع عادةً من التنغستين أو البلاتين ويكون دقيقاً للغاية في حدود 10nm، ورأس المجس probe tip؛ وهو النهاية المدببة للمجس أي الجزء الذي يتفاعل مع سطح العينة، ويكون سمكه في حدود ذرة أو ذرتين. يمكن الحصول على هذه المجسات بعدة طرق، أشهرها طريقة النحت الكهركيميائي. وأما مبدأ عمل الجهاز فيعتمد على استخدام تيار المفعول النفقي بين سطح العينة ورأس المجس. وفي هذة التقنية يُقرَّب رأس المجس من سطح العينة إلى مسافة صغيرة جداً في حدود الأبعاد الذرية (Å)، ويُطبَّق بعد ذلك جهد سالب على سطح العينة وجهد موجب على رأس المجس، وعندما تكون المسافة بين المجس وسطح العينة صغيرة بما فيه الكفاية؛ فإن إلكترونات سطح العينة من مستوى التوصيل تنتقل إلى مستويات الطاقة غير المشغولة «الفجوات» في رأس المجس، فيتكون «التيار النفقي»؛ وهو تأثير كمي يسمى «التأثير النفقي لميكانيك الكم»، وتبلغ قيمة هذا التيار عادة واحد نانو أمبير (1nA)؛ وذلك عندما يطبق جهد كهربائي مقداره واحد فولط (1V).  وتكون المسافة الفاصلة بين رأس المجس وسطح العينة في حدود نصف نانومتر  ( 0.5nm) . في بعض الحالات تجري العملية في حيز مغلق عالي التفريغ، يتحرك المجس فوق سطح العينة حركة بطيئة جداً وفي حدود الأبعاد الذرية. والجدير بالذكر أن هناك نمطين لتشغيل هذا الجهاز. فعند تثبيت التيار النفقي ومتابعة تغيير المسافة تسمى هذه الطريقة «نمط التيار الثابت»، وعند تثبيت المسافة بين رأس المجس وسطح العينة ومتابعة تغير التيار تسمى هذه الطريقة «نمط المسافة الثابتة». وفي كلا النمطين، تُنقل البيانات عن طريق الذراع التي يتابع حركتها شعاع ليزر ينعكس من قمتها إلى كاشف ضوئي حساس ينقل المعلومات إلى وحدة المعالجة لتكوين الصور. وبذلك يمكن للباحثين تصوير الذرات منفردة على أيِّ سطح داعم substrate أو تصويرها داخل سطوح العينات المدروسة.

مجهر القوة الذرية

طور العالمان غيرد بينيغ وهاينريخ روهرر في عام 1986 مجهر القوى الذرية  atomic force microscope، وهو يعتمد مبدأ قياس قوى التجاذب الكتلي (العطالة) بين الرأس الماسح وسطح العينة (من رتبة ميكرو نيوتن) باستعمال بلّورة كهرضغطية مع تحديد الموضع عبر انعكاس شعاع ليزري إلى مُحسّات دقيقة في دارة قيادة الرأس الماسح، وهذا ما يسمح بتحديد الموضع بدقة عالية من رتبة النانومتر، أي واحد بالألف من الميكرومتر (الشكل 18).

المبادئ الأساسية لعمل مجهر القوة الذرية

يستخدم مجهر القوة الذرية AFM مجساً tip من سليكون، خلافاً لجهاز STM الذي يستخدم مجساً من التنغستين أو البلاتين. ومجس مجهر القوة الذرية هو أهم وحدات الجهاز، ينقسم إلى ثلاثة أجزاء، كما هو الحال في جهاز  STM، الجزء الأول هو الذراع، وتتميز بمرونتها العالية، والمجس؛ وهو الجزء المتصل بطرف الذراع، ثم رأس المجس؛ وهو الجزء الأدق في المجس والمسؤول عن فحص سطوح العينات، ويحتوي كذلك على وحدة مسح ثلاثية الاتجاهات  piezo-electric XYZ scan driver، وتقوم هذه الوحدة بتحريك سطح العينة تحت المجس في جميع الاتجاهات مما يمكن المجس من مسح سطح العينة المدروسة. يراوح بُعد المسافة بين سطح العينة ورأس المجس بين 0 إلى 100نانومتر. وتبعاً لنوعية مكونات سطح العينة وكذلك طبوغرافية سطحها  surface topography؛ تتغير قوة التفاعل بين سطح العينة ورأس المجس، والتي بدورها تغيّر وضعية ميلان الذراع المرنة elastic cantilever. ويُرصد هذا التغير في وضعية الذراع بشعاع ليزر دقيق ينعكس من قمة الذراع، ويُسجَّل التغير في حركة الشعاع على كاشف ضوئي حساس جداً  sensitive photo-detector، وتُعالج الإشارات المرسلة من الكاشف الضوئي في وحدة معالجة مركزية  output and feed-back control لإنتاج صور ثلاثية الأبعاد لسطح العينة المدروسة، كما تُستعمل الإشارات في السيطرة على حركة رأس المجس؛ وذلك بالعمل مع وحدة المسح ثلاثية الاتجاهات (الشكل 19).

ثمة ثلاثة أنماط للقياس باستعمال مجهر القوى الذرية، هي نمط التماس  contact mode ونمط الرجفان  tapping mode ونمط بيني (بين النمطين السابقين). تُنتقى طريقة القياس بحسب نوع العينة، فإذا كانت ذات روابط سطحية ثابتة جرى اختيار نمط التماس، وإلا فيُختار نمط الرجفان، وفي حالات خاصة يمكن استعمال النمط البيني. والنتيجة هي دوماً صورة ثنائية الأبعاد وثلاثية الأبعاد لسطح العينة.

يجري في نمط التماس تقريب رأس المجس من سطح العينة إلى درجة كبيرة حتى تنشأ قوة تنافر بينه وبين الإلكترونات الداخلية لذرات سطح العينة. ويسمح هذا النمط بتصوير خصائص سطح العينة المدروسة وتحديد طبيعته.

وفي نمطي التشغيل من غير تماس (الرجفان أو البيني)  non-contact mode؛ لا يلمس رأس المجس سطح العينة، بل تكون هناك مسافة بينهما. ويتفاعل في هذا النمط رأس المجس مع سطح العينة بقوة فان در فالس Van der Waals عن بُعد، ويستعمل هذا النمط عادةً في دراسة سطوح العينات الطرية. إن المميزات العديدة لمجهر القوة الذرية تجعله يتفوق على مجهر المفعول النفقي الماسح، وعلى تقنيات المجاهر الإلكترونية. ومن أبرزها قوة التمييز (التباين)  resolution حيث يمتاز مجهر AFM بقدرته على إنتاج صور ذات جودة ودقة تمييز عالية جداً، تصل إلى 0.2 نانومتر(أفقياً)، و0.5 نانومتر (عمودياً)، كما يتميز بقدرته على العمل في جميع الشروط التجريبية، فهو قادر على العمل في الفراغ وفي الشروط الاعتيادية، ولا تحتاج العينات التي يدرسها هذا المجهر إلى عمليات تحضير خاصة (قد تؤدي في كثير من الحالات إلى تشويه العينة الأصلية). ومن الميزات الكبيرة لهذا المجهر كذلك قدرته على دراسة عدد كبير من العينات: العينات الناقلة وغير الناقلة، وعينات البولميرات والعينات الحيوية وعينات الخزف وغيرها. ويمكن استعمال هذا المجهر في تقنيات أخرى غير تقنيات دراسة سطوح العينات وتصويرها كاستعماله في الحفر النانوي nanolithography لتصنيع الرقائق الإلكترونية الدقيقة، علماً بأن استخدام مجهر القوة الذرية في هذا المجال ما زال في مراحله الأولى. وقد طُوِّر مجهر القوة الذرية المتعدد الأنماط، الذي يستطيع قياس المجالات الكهربائية والمغنطيسية للعينات المدروسة وكذلك مرونتها إضافة إلى خصائص سطوح تلك العينات ومميزاتها.

المجهر الإلكتروني بالنفاذ

جرى تنفيذ المجهر الإلكتروني بالنفاذ  transmission electron microscope (TEM) أول مرّة في عام 1931 على يد الألمانيين ماكس نول Max Knoll وإرنست روسكا Ernst Ruska، وهو يعتمد مبدأ نفوذ حزمة إلكترونات عبر طبقة رقيقة من المادة وتشكيل صورة عن بنية المادة على فلم أو كاميرا خاصة (الشكل 20).

المجهر الماسح الإلكتروني

في المجهر الماسح الإلكتروني  SEM يُمسح سطح العينة باستعمال حزمة إلكترونات عالية الاستطاعة، تتفاعل فيزيائياً مع مادة العينة من دون الإضرار بها، وتَنتج مجموعةٌ من الإشارات التي يمكن تحليلها لاستخلاص مواصفات سطح المادة في بعدين (صورة، ناقلية كهربائية، بنية تقريبية). وقد طُوِّر هذا المجهر في عام 1935 على يد الألماني ماكس نول.

معالجة نتائج الاختبارات اللاتخريبية وتقييمها

تُعرِّف عملية مراقبة النتائج وتحليلها العيوب الموجودة، وتوثِّق مواصفاتها. ويجري ذلك عن طريق توثيق الخطوات العملية التجريبية المنفَّذة والطريقة المتَّبعة والتقنية المطبَّقة، وكذلك الملاحظات المشاهدة، وتحديد القيم ونتائج توصيف العيوب التي جرى الحصول عليها، ثم استخلاص الاستنتاجات الممكنة، وتحليلها رياضياً.

جودة الاختبارات اللاتخريبية: تقيَّم جودة الاختبارات اللاتخريبية، بمستوى أدائها وقدرتها على اكتشاف الأخطاء وتحديد الخواص بطريقة غير مكلفة من دون أن تضر بالعنصر المختَبر.

ولضمان جودة الاختبارات اللاتخريبية وموثوقيتها؛ يجب تحديد المتطلبات العامة من سياسة الجودة المتبعة، وتحديد المسؤوليات، وضمان السريَّة، والأعمال التصحيحية، وكذلك ضمان مؤهلات الفاحصين. بمعنى أن يكون المفتشون والمشرفون مؤهلين وفق معايير محدَّدة؛ لتجنّب الخطأ البشري الناجم عن الفاحص. إضافة إلى جودة الإجراءات التي يجب اتباعها وفقاً لمعايير متفق عليها، وجودة المعدات نفسها ومعايرتها، وتوثيق عملية الاختبار التي تشمل سجلات الفحص والنتائج والتقارير والأدلة المرئية الضرورية، ثم التدقيق النهائي.

محمد علي السيد علي

التصنيف : التقانات الصناعية

النوع : التقانات الصناعية

المجلد: المجلد الأول

رقم الصفحة ضمن المجلد : 392

آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية