الطول الموجي هو أول ما يُسأل عنه بشأن أي تطبيق للأشعة فوق البنفسجية - وهو أول موضع تنشأ فيه المفاهيم الخاطئة. يفصل بين 254 nm و265 nm أحد عشر نانومتراً وهما يصدران عن مصدرين مختلفين تماماً؛ ويفصل بين 395 nm و405 nm مسافة أقل من ذلك، ومع ذلك يقع أحدهما ضمن نطاق UVA بينما يقع الآخر بالفعل ضمن النطاق المرئي. تتيح هذه الأداة الاستكشافية تحديد أي طول موجي بين 150 و800 nm وتعرض القيم التي تظهر في صحائف البيانات والمواصفات.
يضع الجزء الثاني الأطوال الموجية الشائعة جنباً إلى جنب. والعمود اللافت هناك هو عدد الفوتونات لكل جول: فهو يوضّح لماذا لا يمكن ببساطة نقل شروط عملية ما من طول موجي إلى آخر. فالتفاعل الكيميائي الضوئي يستجيب للفوتونات الممتصّة، لا للجولات - وعند نفس الجرعة الإشعاعية، يوفّر 405 nm نحو 60 في المائة من الفوتونات أكثر من 254 nm.
يُحدَّد الطول الموجي المناسب في نهاية المطاف بواسطة طيف امتصاص المادة، وليس بعدد الفوتونات وحده. أما مقدار شدة الإشعاع الساقط الذي يصل فعلياً فيُحدَّد بواسطة القياس. تقوم Opsytec Dr. Gröbel GmbH بتطوير وتصنيع ومعايرة أجهزة الاستشعار ومقاييس الإشعاع ومقاييس الإشعاع الطيفية اللازمة في مختبرها المعتمد الخاص.
تُطبَّق التحويلات بين الطول الموجي والتردد والعدد الموجي وطاقة الفوتون في الفراغ؛ أمّا في وسط له معامل انكسار n، فإن الطول الموجي وسرعة الانتشار يتغيّران بينما لا يتغيّر التردد ولا طاقة الفوتون. تتبع النطاقات الطيفية معيار CIE S 017 (ILV)؛ وقد تم سحب معيار DIN 5031-7 المستخدَم سابقاً. المصادر والتطبيقات المذكورة هي أمثلة نموذجية، وليست قائمة شاملة؛ وهي لا تُغني عن تصميم النظام ولا عن تقييم المخاطر. فالقياس بأجهزة مُعايَرة هو ما يُعتدّ به.
الأساسيات
يصف الطول الموجي والتردد وعدد الموجات وطاقة الفوتون الإشعاع نفسه من أربع زوايا نظر مختلفة، ويمكن تحويل بعضها إلى بعض دون الحاجة إلى أي معلومات إضافية. تُعطى العلاقات بالصيغ ν = c / λ وσ = 1 / λ وE = h · c / λ؛ وعند التعبير عن الطول الموجي بالنانومتر تُختصر الصيغة الأخيرة إلى E[eV] = 1239.842 / λ[nm]. ويُستخدم عدد الموجات بوحدة cm⁻¹ عادةً في مجال التحليل الطيفي لأنه يتناسب طرديًا وبشكل مباشر مع الطاقة، على عكس الطول الموجي. أما طاقة الفوتون المولية بوحدة kJ/mol فتربط الإشعاع بإنثالبيات التفاعل وتوضّح ما إذا كان قادرًا على كسر رابطة معيّنة أصلًا.
وفقاً للمواصفة DIN 5031-7، يمتد نطاق UVC من 100 إلى 280 nm، ونطاق UVB من 280 إلى 315 nm، ونطاق UVA من 315 إلى 400 nm.
| النطاق | الطول الموجي | المصادر النموذجية |
|---|---|---|
| VUV | 100–200 nm | إكسايمر زينون 172 nm |
| UVC | 200–280 nm | الزئبق منخفض الضغط 254 nm، KrCl 222 nm، ثنائيات LED للأشعة فوق البنفسجية UVC عند 265 و280 nm |
| UVB | 280–315 nm | إكسايمر XeCl 308 nm، مصابيح فلورية UVB 311 nm |
| UVA | 315–400 nm | مصابيح فلورية UVA 340 nm، ثنائيات LED للأشعة فوق البنفسجية UVA من 365 إلى 395 nm |
| VIS | 380–780 nm | ثنائيات LED بنفسجية وزرقاء ابتداءً من 405 nm |
بين 380 و400 nm، يتداخل نطاق UVA مع النطاق المرئي — وتُسنِد المواصفة هذا الجزء إلى كليهما. يُدرَك الإشعاع هناك كلون بنفسجي خافت، ومع ذلك يُصنَّف على أنه UVA. لهذا السبب يُطلَق على مصدر عند 405 nm اسم مصدر أشعة فوق بنفسجية أو مصدر ضوء، بحسب وجهة النظر.
الجرعة الإشعاعية هي طاقة لكل وحدة مساحة. وعند قسمتها على طاقة الفوتون الواحد نحصل على عدد الفوتونات لكل وحدة مساحة — وهذا ما تستجيب له الكيمياء الضوئية وعلم الأحياء الضوئي. ولأن طاقة الفوتون تقل كلما زاد الطول الموجي، فإن الجرعة نفسها تحتوي على عدد أكبر من الفوتونات عند الأطوال الموجية الأطول. فعند 254 nm يوجد نحو 1.28 · 10¹⁸ فوتون لكل جول، وعند 405 nm نحو 2.04 · 10¹⁸. وكل من يحوّل نظاماً من مصباح زئبقي إلى LED فوق بنفسجي من نوع UVA لا يغيّر الطيف فحسب، بل يغيّر أيضاً نسبة الطاقة إلى عدد الفوتونات.
الطول الموجي وحده لا يخبرنا بشيء عمّا إذا كان التطبيق سينجح. المهم هو ما إذا كانت المادة تمتصّ عند ذلك الطول الموجي: فمُبادِر ضوئي يمتصّ في نطاق UVA يستجيب لـ 365 nm ويظلّ غير متأثّر إلى حدّ كبير عند 254 nm، رغم أنّ الفوتونات الفردية هناك تحمل طاقة أكبر. كما أنّ تحديد الطول الموجي لا يُغني عن تقييم السلامة — إذ يعتمد الخطر على طيف الفعل، لا على اسم النطاق.
الأسئلة الشائعة
وفقاً للمواصفة DIN 5031-7: تمتد UVC من 100 إلى 280 nm، وUVB من 280 إلى 315 nm، وUVA من 315 إلى 400 nm. ويبدأ النطاق المرئي بالفعل عند 380 nm، وبذلك يتداخل مع الجزء العلوي من UVA. وتضع مجموعات قواعد أخرى الحد الفاصل بين UVA والنطاق المرئي عند 400 nm — وفي الحالات الحدّية يجدر التحقّق من المواصفة المُطبَّقة. لمزيد من المعلومات راجع النطاقات الطيفية والمواصفات.
من خلال E[eV] = 1239.842 / λ[nm]. تعطي 254 nm قيمة 4.88 eV، وتعطي 365 nm قيمة 3.40 eV، وتعطي 405 nm قيمة 3.06 eV. هذا الرقم هو حاصل ضرب ثابت بلانك في سرعة الضوء، مقسومًا على الشحنة الأولية.
العدد الموجي σ = 1/λ، ويُعبَّر عنه بوحدة cm⁻¹، يتناسب طردياً مع الطاقة. لذلك في التحليل الطيفي، تُذكر المسافة بين الحزم بالأعداد الموجية بدلاً من النانومتر: فجوة قدرها 4670 cm⁻¹ تعني فرق طاقة واحد في كل مكان، بينما فجوة قدرها 75 nm لا تعني ذلك.
254 nm هو خط الرنين لمصباح الزئبق منخفض الضغط — خط ضيّق جداً من مصدر عالي الكفاءة. أما 265 nm فهو أقرب إلى الحد الأعظم للامتصاص في الحمض النووي (DNA) وتُنتجه أشباه موصلات UVC LED، والتي تتميّز عادةً بعرض نطاق يتراوح من 10 إلى 12 nm. ولذلك، يتطلّب تحقيق التأثير الجرثومي نفسه جرعات مختلفة؛ والتحويل بينهما يحتاج إلى استخدام طيف التأثير الفعّال (Action Spectrum).
لا يمكن ذلك دون إجراء اختبار. إذ يجب أن يمتص الحفّاز الضوئي عند الطول الموجي الجديد، ويتغيّر معه عدد الفوتونات لكل جول. عملياً، يجب تكرار عملية اعتماد العملية (process release)، مع قياس الجرعة الإشعاعية عند موضع القطعة المشغولة. ويرد الحساب في حاسبة الجرعة الإشعاعية للأشعة فوق البنفسجية.
دون 200 nm يُستخدم مستشعر VUV مزوّد بتنقية بالنيتروجين؛ وفي نطاق UVC مستشعر مُرجَّح طيفياً — متوافق مع معيار DVGW لأنظمة التطهير؛ وفي نطاق UVA مستشعر UVA أو مقياس إشعاع (راديومتر) مزوّد بالرأس المناسب؛ وفي النطاق المرئي مقياس ضياء أو مقياس إشعاع طيفي (سبكتروراديومتر). يحدّد المستكشف الحل المناسب لكل طول موجي؛ والكميات الكامنة خلفه موضّحة تحت الكميات الراديومترية.
المؤلف: د. مارك بارافيا
د.-مهند. مارك بارافيا هو المدير التنفيذي لشركة Opsytec Dr. Gröbel GmbH في إتلينغن ويرأس مختبر المعايرة المعتمد. بعد أبحاثه حول تفريغات الإكسيمر الزينونية النبضية في معهد تقنيات الإضاءة بجامعة KIT، يتركّز عمله حالياً على تقنيات قياس الإشعاع البصري. وهو نائب رئيس لجنة المعايير الألمانية DIN، القطاع FNL 7 «الإشعاع البصري»، وعضو في مجموعة مشروع DVGW المعنية بالتطهير بالأشعة فوق البنفسجية.
