مقاييس الإشعاع الطيفي (سبكتروراديومتر) للأشعة فوق البنفسجية ومقاييس الطيف البصرية

تقوم مقاييس الإشعاع الطيفي (سبكتروراديومتر) للأشعة فوق البنفسجية ومقاييس الطيف البصرية بتسجيل الإشعاع محلولاً بحسب الطول الموجي. وهذا يتيح تقييم التوزيع الطيفي وموضع الذروة وعرض النطاق والتغيّرات الطيفية لمصدر الأشعة فوق البنفسجية. أما شدة الإشعاع الساقط المطلقة فتتطلب إضافةً إلى ذلك معايرة راديومترية لسلسلة القياس الكاملة. ويخضع الاختيار قبل كل شيء لنطاق الأطوال الموجية والتحليل الطيفي والمدى الديناميكي وسلوك الضوء الشارد وهندسة القياس.

تشمل تشكيلة المنتجات مقياسي الإشعاع الطيفي المحمولين للأشعة فوق البنفسجية UVpad وUVpad E إلى جانب مقياس الطيف ذي المصفوفة SR900 للأبحاث والتطوير وضمان الجودة. كما أن صيغة سبكتروراديومتر والمصطلح العام جهاز القياس الطيفي شائعان أيضاً – والمقصود هو الجهاز نفسه.

الأجهزة الثلاثة جميعها مُعايَرة معايرةً مطلقة؛ وتجري المعايرة في مختبرنا المعتمد وفقاً للمواصفة ISO 17025 وهي قابلة للإرجاع المترولوجي إلى PTB. وترد الكميات والوحدات المقابلة ضمن الكميات الراديومترية، وحدود النطاقات ضمن النطاقات الطيفية والمواصفات.

يصف المصطلحان التصميم البصري ذاته لكن مهمتَي قياس مختلفتين. لا يكمن الفرق في البصريات بل في المعايرة وهندسة المدخل: المقياس الطيفي يُشتّت الضوء ويُخرج منحنى نسبيًا. أمّا مقياس الإشعاع الطيفي (السبكتروراديومتر) فهو مقياس طيفي مُعايَر معايرة مطلقة – فهو يقدّم شدة الإشعاع الساقط الطيفية بوحدة W/(m²·nm) ومنها mW/cm² أو اللوكس أو PPFD.

من يحتاج إلى شدة إشعاع ساقط أو إلى جرعة إشعاعية فهو بحاجة إلى مقياس إشعاع طيفي؛ وكل ما عدا ذلك يقيس نسبيًا. كل جهاز في هذه الفئة هو مقياس إشعاع طيفي. ولقياس النفاذية وNFT الأشعة فوق البنفسجية UVT في العملية – وهي مهمة فوتومترية لا راديومترية – تقدّم Opsytec الفوتومتر العملياتي ZPM.

يوفّر مقياس الطيف عددات (counts) – أي أرقاماً تتوقف على الكاشف وزمن التكامل وشقّ الدخول ودليل الضوء. وهي تبيّن أين يصدر المصدر إشعاعه، لا ما مقداره. ووحدها المعايرة المطلقة مقابل مرجع معياري تُسند قيمة فيزيائية لكل طول موجي وتحوّل المنحنى إلى قياس فعلي.

ويستلزم ذلك ثلاثة أمور لا يمتلك مقياس الطيف المجرّد أيّاً منها:

• معايرة قابلة للإرجاع المترولوجي مقابل مرجع معياري يعود هو نفسه إلى معهد وطني – وفي Opsytec إلى PTB. وبدونها لا تكون القيمة قابلة للمقارنة، ولا حتى مع جهازكم نفسه في العام الماضي.
• بصريات دخول محدّدة. فشدة الإشعاع الساقط هي قدرة لكل وحدة مساحة، ولذلك يجب أن يجمع الجهاز مساحة معلومة بترجيح مطابق لقانون جيب التمام. ودليل ضوء بلا ناشر ضوئي لا يحقّق ذلك.
• تصحيح الضوء الشارد. في نطاق UV-C تكون الإشارة غالباً أضعف بمقادير أسّية مقارنةً بالنطاق المرئي. وبدون التصحيح يكون معظم ما يُقاس هناك ضوءاً شارداً من داخل الجهاز.

يقيس مقياس الإشعاع (راديومتر) عريض النطاق بسرعة أكبر، وتكلفته أقل، وهو أكثر متانة في الاستخدام اليومي؛ إلا أنه يرجّح الإشعاع باستجابيته الطيفية الخاصة، ولا يكون صحيحاً إلا عندما يشبه المصدرُ مصدرَ المعايرة. وللمراقبة المستمرة لمنظومة معروفة يبقى هو الخيار الصحيح – فهذا هو الغرض من مقاييس الإشعاع عريضة النطاق لفحوص العملية والجرعة.

وبمجرد أن يتغيّر المصدر، أو أن يتعيّن تقييم عدة أطوال موجية على حدة، أو تطبيق طيف تأثير، فلا مفرّ من الطيف. ويُعرض المقارنة الكاملة جنباً إلى جنب بين التصميمين، بما في ذلك مصادر الخطأ فيهما، تحت متى يكون مقياس الإشعاع الطيفي (سبكتروراديومتر) ضرورياً.

السؤال الأول: هل تحتاجون إلى قيمة مطلقة؟ إذا كان الأمر يتعلق فقط بموضع الذروة أو بـ FWHM أو بمقارنة دفعتين، فإن القياس النسبي يكفي – ويؤدي مقياس الطيف الغرض. أما بمجرد أن يلزم الحصول على قيمة بوحدة mW/cm² أو لوكس أو J/cm²، فلا مجال للاستغناء عن المعايرة المطلقة.

السؤال الثاني: أي نطاق من الأطوال الموجية؟ الأشعة فوق البنفسجية الخالصة حتى 440 nm، أو الأشعة فوق البنفسجية مع بداية المجال المرئي حتى 480 nm، أو الطيف البصري الكامل حتى 1,100 nm – هذا ما يحدّد الجهاز.

السؤال الثالث: أين يُجرى القياس؟ لا يخرج أي كابل من حجرة مغلقة؛ وهناك يجب أن يقيس الجهاز ويخزّن البيانات بصورة مستقلة. وفي موقع العمل أو على خط إنتاج قيد التشغيل، يكون رأس المستشعر الموصول بكابل هو الحل الصحيح. وعلى منصة القياس البصرية، المهم هو المدى والدقة التحليلية، لا الحجم.

الصف الأخير ليس تناقضاً بل هو الإجابة الأكثر شيوعاً في الممارسة العملية: القياس الطيفي مرة واحدة، ثم المراقبة عريضة النطاق. يحدّد القياس الطيفي مقدار انحراف المستشعر عريض النطاق عند هذا المصدر؛ وبعد ذلك يكفي الجهاز السريع لعمليات الفحص المتكرّرة – طالما بقي المصدر كما هو. وبمجرد تغيير المصباح تبدأ السلسلة من جديد.

يقوم مقياس الطيف بتفكيك الضوء إلى أطواله الموجية وقياس شدة كل منها. تُشعَّع بصريّات المدخل أولاً. ثم يفصل عنصرٌ مُبدِّد – موشور أو محزوز – الأطوال الموجية مكانياً؛ وبعد ذلك تكشفها ثنائيات ضوئية أو مصفوفات CCD. ويسمح الطيف الناتج باستخلاص استنتاجات حول مصباح أو LED أو عيّنة.

أكثر التصميمات شيوعاً هو مقياس الطيف من نوع Czerny-Turner: مرآتان ومحزوز، مرتّبة بحيث تبقى الزيوغ البصرية صغيرة وتبقى قدرة التحليل الطيفي عالية. والتصميم مُدمَج بما يكفي للأجهزة المحمولة ومناضد المختبر الصغيرة.

يجب التمييز بين ثلاثة تصاميم.

المقاييس الطيفية بالمصفوفة تستخدم صفاً من الكواشف، عادةً CCD أو CMOS، تلتقط الطيف بالكامل في وقت واحد. وهذا يجعل القياس سريعاً ولا يحتاج إلى أجزاء متحركة. وجميع مقاييس الإشعاع الطيفي (سبكتروراديومتر) من Opsytec تعمل بهذه الطريقة.

الأجهزة أحادية اللون تحتوي على شق ومحزّز دوّار وتمرّر طولاً موجياً واحداً في كل مرة. وهي تقيس بدقة عالية جداً وبنقاء طيفي مرتفع، لكنها تحتاج إلى وقت – طول موجي تلو الآخر. وهي نموذجية للبحث العلمي ومراقبة الجودة حيث يكون انتقاء الطول الموجي هو الأمر المهم.

الأجهزة أحادية اللون المزدوجة تضع جهازين أحاديي اللون على التوالي. وهذا يخفّض الضوء الشارد أكثر، وهو مطلوب في كل موضع تجاور فيه إشاراتٌ ضعيفة جداً إشاراتٍ قوية – في نطاق الأشعة فوق البنفسجية وفي المترولوجيا المختبرية عالية الدقة.

يتيح طيف واحد استخلاص عدة مقادير:

• شدة الاستضاءة – شدة الضوء المُرجَّحة فوتومترياً
• درجة حرارة اللون المترابطة (CCT) – تصف مدى دفء الضوء أو برودته في الظاهر
• مؤشرات تأدية اللون – مدى دقة المصدر في تأدية الألوان
• إحداثيات اللون وفق CIE – موضع اللون في فضاء اللون المعياري
• التوزيع الطيفي للقدرة – كيفية انتشار الطاقة على امتداد الطيف
• الطول الموجي الذروي والطول الموجي المهيمن – موضع أعلى طاقة وموضع الطاقة المهيمنة بصرياً

أما مقياس الإشعاع (راديومتر) عريض النطاق فيعطي قيمة واحدة فقط بدلاً من ذلك.

يُشرح معنى كل مقدار على حدة في صفحة المقادير القياسية اللونية؛ أما الرمز والوحدة والتعريف لكل مقدار بصري فتجدونها في معجم المقادير البصرية.

تتجاوز كلمة "مطياف" مجال قياس الضوء بكثير. فهناك ثلاثة أنواع من الأجهزة تظهر بانتظام في البحث ذاته، وتقيس أموراً مختلفة تماماً:

مطيافات الكتلة تفصل الأيونات بحسب نسبة الكتلة إلى الشحنة. وهي تُعرّف أصغر الكميات من مادة ما، وتُستخدم في التحليل الكيميائي والكيمياء الحيوية وعلوم البيئة وصناعة الأدوية.

مطيافات الامتصاص الذري تقيس كيفية امتصاص ذرات المعادن المُبخَّرة للضوء، وتحدّد من ذلك تراكيز المعادن في المحلول – في التحليل البيئي وعلم السموم وعلوم المواد، وبالدرجة الأولى للمعادن الثقيلة.

المطيافات الضوئية، التي تُسمّى غالباً مطيافات UV-Vis، تقيس امتصاص العيّنة أو نفاذيتها وتستخلص منها التراكيز. وهي واسعة الانتشار في التشخيص السريري وتحليل المياه ومراقبة الأغذية. ولقياس النفاذية وUVT في العملية، تقدّم Opsytec مقياس الضوء العملياتي ZPM.

أما مقياس الإشعاع الطيفي (سبكتروراديومتر) فهو يقيس شدة الإشعاع الساقط الطيفية بالاستناد إلى معايرة مطلقة. وتكون بصريات الدخل فيه مُشتِّتاً، يُوصَل عادةً عبر دليل ضوئي – كما في مقياس الإشعاع الطيفي SR900.

ما الذي يميّز المطياف (الإسبكتروميتر) عن مقياس الإشعاع الطيفي (سبكتروراديومتر)؟
المطياف يقدّم قيماً نسبية، أما مقياس الإشعاع الطيفي (سبكتروراديومتر) فهو مُعايَر معايرة مطلقة ويقدّم شدة الإشعاع الساقط الطيفية. وكل جهاز في هذه الفئة هو مقياس إشعاع طيفي (سبكتروراديومتر).

أي نطاق أطوال موجية وأي قدرة تحليل أحتاج؟
يجب أن يغطي النطاق الانبعاث وأي حزم ثانوية بالكامل – الأشعة فوق البنفسجية فقط حتى 440 nm، أو الأشعة فوق البنفسجية مع بداية المجال المرئي حتى 480 nm، أو الطيف البصري الكامل حتى 1,100 nm. وقدرة التحليل هي التي تحدّد ما إذا كانت الذُرى المتقاربة أو الخطوط الضيقة لا تزال مفصولة عن بعضها.

ما أخطاء القياس التي تحدث مع مطيافات المصفوفات (Array)؟
الضوء الشارد قبل كل شيء: تظهر أجزاء من أطوال موجية قوية في مواضع لا تنتمي إليها. وفي نطاق UV-C تكون الإشارة غالباً أضعف بمراتب من حيث المقدار مما هي في المجال المرئي – ومن دون تصحيح الضوء الشارد فإن ما يُقاس هناك هو في الأساس الضوء الشارد الخاص بالجهاز نفسه. يُضاف إلى ذلك التيار المظلم واللاخطية والانسياق الحراري.

ما المقادير التي يمكن حسابها من الطيف؟
تتيح شدة الإشعاع الساقط الطيفية استخلاص أي مؤشر أداء تقريباً عن طريق التكامل والترجيح: شدة الإشعاع الساقط لكل نطاق طيفي، والجرعة الإشعاعية للأشعة فوق البنفسجية، وشدة الاستضاءة عبر V(λ)، وPPFD، والقيم المُرجّحة بدوال التأثير مثل تلك الواردة في IEC 62471. وهذه بالضبط هي الميزة مقارنةً بمقاييس الإشعاع (راديومتر) عريضة النطاق المخصّصة لمراقبة العملية والجرعة.

اعثروا على المستشعر المناسب: يقترح باحث مستشعرات الأشعة فوق البنفسجية أفضل ثلاثة مستشعرات ومقاييس للأشعة فوق البنفسجية تطابقاً بحسب التطبيق والطول الموجي وشكل الجهاز – مع القيم الأساسية وشريك النظام والأسباب.