دستگاه کوانتومتر چیست و کاربردهای آن

راهنمای جامع آنالیز فلزات، دستگاه کوانتومتر چیست و کاربردهای آن

در دنیای پرشتاب صنعت، به‌ ویژه در حوزه‌ هایی مانند متالورژی، ریخته‌ گری، خودروسازی و هوافضا، هیچ‌ چیز به اندازه ترکیب شیمیایی دقیق مواد اهمیت ندارد. یک اشتباه کوچک در درصد عناصر آلیاژی، می‌ تواند تفاوت بین یک قطعه ایمن و قابل اعتماد با یک شکست فاجعه‌ بار باشد. اما چگونه می‌ توان در عرض چند دقیقه، یا حتی چند ثانیه، به ترکیب دقیق یک آلیاژ فلزی پی برد؟

پاسخ در یکی از قدرتمندترین ابزارهای آنالیز مواد نهفته است: دستگاه کوانتومتر (Quantometer)

کوانتومتر، که نام فنی و دقیقتر آن طیف‌ سنج نشر نوری (Optical Emission Spectrometer – OES) است، دستگاهی است که برای تعیین سریع و دقیق ترکیب عنصری (Elemental Composition) فلزات و آلیاژها به کار می‌ رود. این دستگاه ستون فقرات آزمایشگاه‌ های کنترل کیفیت (QC) در صنایع فلزی است.

 

در این مقاله تخصصی از مجله مهام آزما، به شکلی عمیق و کاربردی بررسی خواهیم کرد که کوانتومتر چگونه کار می‌ کند، اجزای کلیدی آن چیست و چه کاربردهایی آن را تا این حد در صنعت، حیاتی کرده است.

 

کوانتومتر چگونه کار می‌ کند؟

برخلاف روش‌ های آنالیز شیمیایی سنتی (شیمی تَر) که زمان‌ بر، پرهزینه و نیازمند اپراتور بسیار ماهر هستند، کوانتومتر بر یک اصل فیزیکی زیبا و بسیار سریع استوار است:

هر عنصر، یک «اثر انگشت» نوری منحصربه‌ فرد دارد.

 

فرآیند آنالیز در یک کوانتومتر (که اغلب از نوع Spark-OES است) در چند مرحله کلیدی رخ می‌ دهد:

۱. آماده‌ سازی و برانگیختگی (Excitation)

ابتدا، نمونه فلزی مورد آنالیز باید سطحی صاف و تمیز داشته باشد. (با سنگ‌ زنی یا تراشکاری آماده می‌ شود)

سپس نمونه در جایگاه مخصوص دستگاه (Spark Stand) قرار می‌ گیرد.

دستگاه، فضایی کنترل‌ شده با گاز آرگون (Argon) در اطراف محل آنالیز ایجاد می‌ کند.

• نکته فنی: استفاده از آرگون حیاتی است؛ زیرا از اکسید شدن نمونه در دمای بالا و همچنین تداخل هوا (اکسیژن و نیتروژن) در فرآیند آنالیز جلوگیری می‌ کند.

 

۲. ایجاد پلاسما (The Spark)

یک الکترود (از جنس تنگستن) به سطح نمونه نزدیک شده و یک جرقه الکتریکی بسیار پرانرژی (Arc یا Spark) بین الکترود و نمونه ایجاد می‌ شود. این جرقه دمایی معادل چندین هزار درجه سانتی‌ گراد (مشابه سطح خورشید) ایجاد می‌ کند.

 

۳. برانگیختگی اتمی (Atomization & Excitation)

این دمای فوق‌ العاده بالا، بخش بسیار کوچکی از سطح نمونه را ذوب و بخار (Vaporize) کرده و آن را به حالت پلاسما در می‌ آورد.

در این حالت، اتم‌ های عناصر مختلف (مانند آهن، کروم، نیکل، کربن و…) در یک «سوپ» پرانرژی شناورند. انرژی عظیم پلاسما باعث می‌ شود الکترون‌ های این اتم‌ ها از مدار انرژی پایین تر (حالت پایه) به مدارهای انرژی بالاتر جهش کنند. به این حالت، برانگیخته (Excited) می‌ گویند.

 

۴. نشر نوری (Emission) – اثر انگشت عنصر

اتم‌ ها حالت برانگیخته را دوست ندارند و ذاتاً ناپایدارند. در کسری از ثانیه، این الکترون‌ های برانگیخته تمایل دارند به مدار اصلی و پایدار خود (Ground State) «سقوط» کنند. اینجاست که جادوی کوانتوم رخ می‌ دهد، الکترون هنگام بازگشت، انرژی اضافی خود را به شکل یک ذره نور (فوتون) آزاد می‌ کند.

نکته حیاتی اینجاست: طول موج (رنگ) این نور آزاد شده، برای هر عنصر کاملا منحصربه‌ فرد است.

• مثال: کروم همیشه در طول موج‌ های مشخصی (مثلا ۴۲۵.۴۳ نانومتر) نور ساطع می‌ کند که این طول موج با طول موج‌ های آهن (مثلا ۳۷۱.۹۹ نانومتر) یا کربن متفاوت است.

 

۵. جداسازی و آشکارسازی (Detection)

نور ساطع شده از پلاسما (که ترکیبی از تمام طول موج‌ های عناصر موجود در نمونه است) از طریق یک فیبرنوری به «قلب» دستگاه، یعنی سیستم اپتیک، هدایت می‌ شود.

 

اجزای کلیدی دستگاه کوانتومتر (آناتومی اسپکترومتر OES)

درک اجزای داخلی به ما کمک می‌ کند تفاوت بین دستگاه‌ های مختلف را بهتر بفهمیم:

• منبع جرقه (Spark Stand)

همان بخشی که نمونه روی آن قرار می‌ گیرد و با گاز آرگون شستشو داده می‌ شود. طراحی این بخش برای ایجاد یک پلاسمای پایدار و تکرارپذیر بسیار مهم است.

 

• سیستم اپتیک (Optical System)

نور مخلوط ورودی به اینجا، ابتدا به یک توری پراش (Diffraction Grating) برخورد می‌ کند. این توری مانند یک منشور بسیار دقیق عمل کرده و نور را به طیف کامل رنگ‌ های تشکیل‌ دهنده‌ اش تجزیه می‌ کند. (مانند رنگین‌ کمان)

این کار باعث می‌ شود که «اثر انگشت» نوری کروم، نیکل، مولیبدن و… از هم جدا شده و در زوایای مختلفی پراکنده شوند.

 

• سیستم آشکارساز (Detector System)

این بخش، «چشم» دستگاه است که نورهای تفکیک شده را می‌ بیند و شدت آن‌ ها را اندازه‌ گیری می‌ کند. دو تکنولوژی اصلی در اینجا وجود دارد:

۱) آشکارسازهای PMT (Photomultiplier Tube)

این تکنولوژی قدیمی‌ تر اما بسیار حساس و سریع است. در این سیستم، برای هر طول موج کلیدی (یعنی برای هر عنصر)، یک آشکارساز PMT جداگانه در یک مکان ثابت در سیستم اپتیک نصب می‌ شود.

• • مزیت: سرعت و حساسیت فوق‌ العاده برای عناصر مشخص

  • عیب: عدم انعطاف‌ پذیری. دستگاه فقط عناصری را می‌ بیند که برای آن‌ ها PMT نصب شده است. افزودن یک عنصر جدید به آنالیز، نیازمند تغییر سخت‌ افزاری بزرگ است.

۲) آشکارسازهای CCD / CMOS

این تکنولوژی مدرن (مشابه سنسور دوربین دیجیتال پیشرفته) است. در این سیستم، یک یا چند سنسور CCD یا CMOS، کل طیف نوری را به صورت همزمان ثبت می‌ کنند.

• • مزیت: انعطاف‌ پذیری بی‌ نظیر! دستگاه به طور بالقوه می‌ تواند تمام عناصر جدول تناوبی را ببیند. افزودن عناصر جدید به آنالیز، اغلب فقط یک به‌ روزرسانی نرم‌ افزاری است. همچنین امکان بررسی تداخل‌ های طیفی (Overlap) را فراهم می‌ کند.

  • عیب: در گذشته حساسیت کمتری نسبت به PMT داشتند، اما در نسل‌ های جدید این شکاف تقریبا پر شده است.

 

• نرم‌ افزار و کالیبراسیون

شدت نور ثبت شده توسط آشکارساز، مستقیما متناسب با غلظت آن عنصر در نمونه است. اما این یک رابطه خام است.

دستگاه برای تبدیل این «شدت نور» به «درصد وزنی»، نیازمند کالیبراسیون است. کالیبراسیون با استفاده از نمونه‌ های استاندارد مرجع (Certified Reference Materials – CRMs) انجام می‌ شود که ترکیب شیمیایی آن‌ ها با دقت بسیار بالایی مشخص است. نرم‌ افزار با آنالیز این CRMها، یک منحنی کالیبراسیون برای هر عنصر رسم می‌ کند و از آن پس می‌ تواند درصد عناصر در نمونه‌ های مجهول را محاسبه نماید.

 

انواع کوانتومتر (ثابت در مقابل متحرک)

کوانتومترها به طور کلی به دو دسته اصلی تقسیم می‌ شوند:

۱. کوانتومترهای ثابت (Stationary / Benchtop)

اینها دستگاه‌ های بزرگ، سنگین و رومیزی هستند که در آزمایشگاه کنترل کیفیت قرار می‌ گیرند.

• مزایا

دارای دقیق‌ ترین و پایدارترین سیستم اپتیک (اغلب تحت خلاء یا دمای کنترل‌ شده) هستند. بالاترین دقت و تکرارپذیری را ارائه می‌ دهند. قادر به آنالیز عناصر سبک (Light Elements) مانند کربن، گوگرد، فسفر و بور با دقت بسیار بالا هستند که برای تعیین گرید فولاد و چدن حیاتی است.

• کاربرد

آزمایشگاه مرکزی ریخته‌ گری (آنالیز مذاب)، کنترل کیفیت نهایی، تحقیقات متالورژی

 

۲. کوانتومترهای متحرک یا پرتابل (Mobile / Portable)

این دستگاه‌ ها کوچکتر و اغلب روی یک ترولی (چرخ دستی) سوار هستند و دارای یک پروب دستی (Handheld Probe) می‌ باشند.

• مزایا

قابلیت جابجایی! می‌ توان دستگاه را به سمت قطعه برد (به جای آوردن قطعه به آزمایشگاه). ایده‌آل برای آنالیز قطعات بزرگ، لوله‌ ها در سایت یا تفکیک

• کاربرد

شناسایی مثبت مواد (PMI – Positive Material Identification)، آنالیز ورودی کالا در انبار، تفکیک قراضه‌ های فلزی (Scrap Yards)

• معایب

طبیعتا دقت کمتری نسبت به مدل‌ های ثابت دارند، به‌ ویژه در آنالیز عناصر سبک (اگرچه مدل‌ های جدیدتر پیشرفت‌ های چشمگیری داشته‌ اند)

 

کاربردهای کلیدی کوانتومتر در صنعت

اهمیت کوانتومتر در کاربردهای آن نهفته است:

• صنعت متالورژی و ریخته‌ گری (Foundries)

این مورد از مهم‌ ترین کاربردهای دستگاه است.

در یک کارخانه ریخته‌ گری، مذاب فلز (فولاد، چدن، آلومینیوم و…) در کوره آماده می‌ شود. قبل از ریختن مذاب در قالب، یک نمونه کوچک گرفته شده و به آزمایشگاه کوانتومتری ارسال می‌ شود. در عرض کمتر از ۱ دقیقه، کوانتومتر آنالیز کامل را ارائه می‌ دهد. اپراتور کوره متوجه می‌ شود که آیا ترکیب مذاب دقیقا طبق استاندارد است یا خیر. اگر مثلا درصد کربن پایین باشد، بلافاصله کربن به مذاب اضافه می‌ شود. این فرآیند «آنالیز حین ذوب» (Melt Control) از هدررفت هزاران تن مذاب نامنطبق جلوگیری می‌ کند.

 

• کنترل کیفیت (QC) ورودی و خروجی

شرکت‌ های تولیدی، مواد اولیه فلزی (شمش، ورق، میلگرد) را از تأمین‌ کنندگان مختلف دریافت می‌ کنند. کوانتومتر برای تأیید گواهی آنالیز (Certificate of Analysis) تأمین‌ کننده استفاده می‌ شود تا اطمینان حاصل شود که مواد دریافتی دقیقا همان گرید درخواستی است. به همین ترتیب، محصول نهایی نیز قبل از ارسال برای مشتری آنالیز می‌ شود.

 

• شناسایی و تفکیک آلیاژها (PMI و قراضه)

در انبارهای بزرگ یا مراکز بازیافت فلزات (قراضه)، هزاران قطعه فلزی وجود دارد. تفکیک چشمی فولاد ضد زنگ ۳۰۴ از ۳۱۶ تقریبا غیرممکن است. یک کوانتومتر موبایل می‌ تواند در چند ثانیه این دو را از هم تفکیک کند.

در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی، از کوانتومتر موبایل برای PMI  (شناسایی مثبت مواد) استفاده می‌ شود تا اطمینان حاصل شود که لوله‌ ها و اتصالات نصب شده در یک واحد فرآیندی، دقیقا از آلیاژ مقاوم به خوردگی مورد نیاز ساخته شده‌ اند.

 

• صنایع خودروسازی و هوافضا

در این صنایع که ایمنی در آن‌ ها حرف اول را می‌ زند، کوچکترین ناخالصی یا انحراف در ترکیب آلیاژ (مثلا در یک بلوک موتور یا یک پره توربین) می‌ تواند منجربه فاجعه شود. کوانتومترها آنالیز ۱۰۰٪ قطعات حیاتی را تضمین می‌ کنند.

 

نتیجه‌ گیری

دستگاه کوانتومتر (OES) یک ابزار لوکس آزمایشگاهی نیست؛ بلکه یک ضرورت مطلق برای صنایع مدرن مبتنی بر فلزات است. این دستگاه با تبدیل اصول پیچیده فیزیک کوانتوم به یک ابزار آنالیز سریع، دقیق و قابل اعتماد، به تولیدکنندگان اجازه می‌ دهد تا کیفیت محصول خود را تضمین کنند، ایمنی را افزایش دهند و از هزینه‌ های هنگفت ناشی از عدم انطباق مواد جلوگیری کنند. انتخاب بین یک مدل ثابت آزمایشگاهی یا یک مدل موبایل، به نیاز دقیق و محل استفاده آن در فرآیند تولید بستگی دارد.

 

جهت اطلاع از موجودی کالاها و قیمت ها با مشاورین فروش شرکت تجهیزات آزمایشگاهی مهام آزما ۰۲۱۸۸۵۰۹۳۸۴ – ۰۲۱۸۶۰۴۵۸۷۰ در ارتباط باشید.