الكميات الإشعاعية بالرموز والوحدات
تصف الكميات الإشعاعية الإشعاع الكهرومغناطيسي من الناحية الطاقية، بمعزل عن حساسية العين – وتُستخدم في التطبيقات التقنية بالدرجة الأولى مع الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء. الكميات الأساسية الأربع هي التدفّق الإشعاعي Φ بوحدة W، وشدة الإشعاع الساقط E بوحدة W/m² أو mW/cm²، والإشعاع اللمعي L، والشدة الإشعاعية I. يُطلق على هذا المجال اسم القياس الإشعاعي؛ أما النظائر المرجَّحة بحساسية العين فهي الكميات الفوتومترية.
الكميات الإشعاعية هي كميات مقيسة تشير إلى مجمل الإشعاع الكهرومغناطيسي. وفي التطبيقات التقنية، يُستخدم ذلك على شكل أشعة فوق بنفسجية أو أشعة تحت حمراء. يُطلق على هذا المجال اسم القياس الإشعاعي. يُصنَّف الإشعاع وفقاً للطول الموجي للإشعاع.
يوضّح الرسم التخطيطي التالي الكميات الإشعاعية الأربع. ويتضمّن الجدول تمثيلاً مرئياً وتعريفاً رياضياً ووحدة وشرحاً موجزاً لكل كمية.
- التدفّق الإشعاعي Φ
- شدة الإشعاع الساقط E
- الإشعاع اللمعي L
- الشدة الإشعاعية I
نظرة سريعة على الكميات الإشعاعية
| الكمية | الرمز | وحدة النظام الدولي | وحدات شائعة أخرى |
|---|---|---|---|
| القدرة الإشعاعية (التدفق الإشعاعي) | Φₑ | W | mW |
| الشدة الإشعاعية | Iₑ | W/sr | mW/sr |
| شدة الإشعاع الساقط | Eₑ | W/m² | mW/cm² (1 mW/cm² = 10 W/m²) |
| الإشعاعية (اللمعان الإشعاعي) | Lₑ | W/(m²·sr) | mW/(cm²·sr) |
| التعرّض الإشعاعي (الجرعة الإشعاعية) | Hₑ | J/m² | mJ/cm² (1 mJ/cm² = 10 J/m²) |
جدول للتنزيل: الكميات والوحدات الراديومترية (XLSX) – مع معاملات التحويل والنطاقات الطيفية وفقاً لـ DIN/ISO 20473. تُدرَج النظائر الموزونة بحساسية العين تحت الكميات الفوتومترية، والكميات المتعلقة باللون تحت الكميات القياسية اللونية، وحدود النطاقات تحت النطاقات الطيفية والمعايير. جميع الكميات مجتمعةً – مع الرمز والوحدة والحاسبة المطابقة – موجودة في مسرد الكميات البصرية.
تعريف وشرح الكمّيات القياسية الإشعاعية
التدفق الإشعاعي
التدفق الإشعاعي، المعروف أيضاً بالقدرة الإشعاعية، هو الكمّية الإجمالية للطاقة المنبعثة من مصدر إشعاع في جميع الاتجاهات في وحدة الزمن. وحدة التدفق الإشعاعي هي الواط (W).
- الرمز: Φ
- الوحدة: W
- التعريف: القدرة الإشعاعية الإجمالية المنبعثة.
مثال:
ينبعث من مصباح متوهّج قياسي بقدرة مستهلَكة تبلغ 60 واط نحو 57 واط كتدفق إشعاعي، ويُفقَد الباقي كحرارة. توزَّع هذه الـ57 واط على النطاق المرئي وتحت الأحمر من الطيف.
يُقاس التدفق الإشعاعي في كرة مُكامِلة.
شدة الإشعاع الساقط
شدة الإشعاع الساقط هي كمّية فيزيائية تصف كثافة قدرة الإشعاع الساقط على سطح ما. تُعرَّف بأنها القدرة الإشعاعية لكل مساحة تسقط على عنصر سطحي. وحدة شدة الإشعاع الساقط هي واط لكل متر مربع (W/m²) أو ميلي واط لكل سنتيمتر مربع (mW/cm²). يُعدّ مقياس الأشعة فوق البنفسجية مناسباً لقياس شدة الإشعاع الساقط.
- الرمز: E
- الوحدة: W/m²، mW/cm²
- التعريف: القدرة الإشعاعية الساقطة على عنصر سطحي، بالنسبة إلى مساحته.
تُشير شدة الإشعاع الساقط إلى مقدار الطاقة الواردة في شكل إشعاع الساقطة على سطح معين في وحدة الزمن. يُحسَب الإشعاع الساقط بزاوية باستخدام جيب تمام زاوية السقوط؛ ولذلك تكون رؤوس القياس معدَّلة بجيب التمام.
نصيحة: تحويل W/m² إلى mW/cm²
مثال:
يبلغ المتوسط لشدة الإشعاع الساقط من الشمس على سطح الأرض في يوم صافٍ نحو 1000 W/m². وهذا يعني أن كل متر مربع من سطح الأرض يستقبل 1000 واط من الإشعاع.
تُقاس شدة الإشعاع الساقط بواسطة مقياس الإشعاع (راديومتر).
الإشراق الإشعاعي (Radiance)
الإشراق الإشعاعي هو كمّية فيزيائية تصف القدرة الإشعاعية المنبعثة من مصدر إشعاع لكل وحدة مساحة ولكل وحدة زاوية صلبة. تُقاس بواط لكل متر مربع لكل سترادیان (W/(m²-sr)).
- الرمز: L
- الوحدة: W/(sr m²)
- التعريف: حاصل قسمة التدفق الإشعاعي المنبعث على حاصل ضرب العنصر السطحي والزاوية الصلبة.
يأخذ الإشراق الإشعاعي في الحسبان كلاً من مساحة مصدر الإشعاع والزاوية الصلبة التي يُنبعث عندها الإشعاع.
مثال:
تتميّز الشمس بإشراق إشعاعي مرتفع لأنها تُصدر كمّية كبيرة من الطاقة الإشعاعية إلى الفضاء عبر مساحة صغيرة نسبياً.
الشدة الإشعاعية (Radiant intensity)
الشدة الإشعاعية هي كمّية فيزيائية تصف تدفّق الإشعاع في اتجاه معين لكل وحدة زاوية صلبة. تُستخدم للإشارة إلى شدة الإشعاع في اتجاه محدد. وحدة الشدة الإشعاعية هي واط لكل سترادیان (W/sr).
- الرمز: I
- الوحدة: W/sr
- التعريف: حاصل قسمة التدفق الإشعاعي المنبعث في اتجاه محدد على عنصر الزاوية الصلبة.
تصف الشدة الإشعاعية كمّية الطاقة المنبعثة من مصدر إشعاع في اتجاه محدد ضمن زاوية صلبة. وهي مقياس لاعتماد القدرة المنبعثة على الاتجاه.
مثال:
لدى صمّام ثنائي باعث للضوء (LED) بتدفق إشعاعي يبلغ 1 W شدة إشعاعية تبلغ 10 W/sr إذا كان يُصدر الضوء عند زاوية صلبة تبلغ 0.1 sr. وهذا يعني أن الطاقة المنبعثة تتركّز بشدة على زاوية صلبة صغيرة.
تحويل الكميات القياسية الإشعاعية
حاسبة القياس الإشعاعي للأشعة فوق البنفسجية والضوء:
حوّلوا بسهولة شدة الإشعاع الساقط والجرعة الإشعاعية وزمن التعرّض. جرّبوها الآن!
تحويل الكميات الراديومترية عبر الإنترنت
يمكن تحويل الكميات الموضّحة في هذه الصفحة مباشرةً باستخدام حاسبة الراديومترية: شدة الإشعاع الساقط بين W/m² وmW/cm²، والتعرّض الإشعاعي (الجرعة الإشعاعية) بين J/m² وmJ/cm²، وكذلك الجرعة الإشعاعية وزمن التعرّض من إحداهما إلى الأخرى. الاستخدام مجاني ودون الحاجة إلى تسجيل.
الأسئلة الشائعة حول الكميات الراديومترية
ما الفرق بين شدة الإشعاع الساقط والجرعة الإشعاعية؟
شدة الإشعاع الساقط E (W/m² أو mW/cm²) هي القدرة اللحظية لكل وحدة مساحة؛ أما التعرّض الإشعاعي – الذي يُعرف عاميًا بالجرعة الإشعاعية – فهو تكامله عبر الزمن، H (J/m² أو mJ/cm²). عند ثبات شدة الإشعاع الساقط، يكون H = E · t. تحدّد شدة الإشعاع الساقط مدى سرعة الوصول إلى جرعة معيّنة؛ أما ما إذا كان التأثير المطلوب سيحدث فعليًا فتقرّره الجرعة الإشعاعية عادةً. لذا يجب توثيق كلتا الكميتين بشكل منفصل - فالزمن وحده ليس دليلاً كافيًا.
ما الذي يميّز التدفّق الإشعاعي (fluence) عن الجرعة الإشعاعية؟
يشير التعرّض الإشعاعي إلى سطح استقبال مسطّح وثابت، ويُرجّح الإشعاع الساقط بزاوية مائلة بجيب تمام زاوية السقوط. أما التدفّق الإشعاعي، على النقيض من ذلك، فيشير إلى جسم يمكنه استقبال الإشعاع من جميع الاتجاهات - مثل كائن دقيق داخل مفاعل أو مجرى هواء. في حقل إشعاعي موجّه، تتطابق الكميتان؛ أما في حقل إشعاعي منتشر، فقد يكون التدفّق الإشعاعي أكبر بكثير من التعرّض المقاس على مستوٍ. ويوضّح التطهير بالأشعة فوق البنفسجية أين يحدّد هذا الفرق مسار العملية.
لماذا لا تُعدّ القدرة الكهربائية للمصباح كمية قياس؟
بين القدرة الكهربائية المستهلَكة والتأثير الفعلي في موضع العملية تكمن عوامل عدة: الكفاءة الكهروضوئية، والتوزيع الطيفي للمصدر، والمسافة وزاوية السقوط، ونفاذية النوافذ والأغلفة الواقية، إضافة إلى التلوث والتقادم. لا يبقى أيٌّ من هذه العوامل ثابتًا طوال العمر التشغيلي. لذلك تصف القدرة الاسمية حالة تشغيل المصدر، وليست النتيجة عند قطعة العمل أو الكائن الحي أو العيّنة. ويوضّح الأتمتة وتكامل العمليات كيف يتحوّل ذلك إلى إجازة موثوقة للعملية داخل المنشأة.
ما الذي يميّز شدة الإشعاع الساقط عن الإشعاع الساطع (radiance)؟
شدة الإشعاع الساقط هي كمية خاصة بالمستقبِل: تصف ما يصل إلى سطح ما بصرف النظر عن الاتجاه. أما الإشعاع الساطع فهو كمية خاصة بالمصدر: يصف ما يصدره المصدر لكل وحدة مساحة وزاوية صلبة. تعتمد إجازة العملية على شدة الإشعاع الساقط عند نقطة التأثير؛ أما تقييم المصادر الممتدة وفقًا للمواصفة IEC 62471 فيعتمد، على النقيض من ذلك، على الإشعاع الساطع - انظر السلامة المهنية والسلامة الضوئية الحيوية.
متى يكفي القياس عريض النطاق ومتى يكون القياس الطيفي ضروريًا؟
يكفي القياس عريض النطاق إذا كان المصدر معروفًا ومستقرًا طيفيًا وتمّت معايرة المستشعر وفقًا لهذا المصدر بعينه. أما القياس الطيفي فيصبح ضروريًا بمجرد مقارنة تقنيات مصادر مختلفة، أو انزياح الطيف بسبب التقادم أو التعتيم، أو الحاجة إلى تطبيق طيف فعل معيّن، أو ضرورة تقييم عدة نطاقات طيفية بشكل منفصل. الخطأ الكامن وراء ذلك هو عدم التطابق الطيفي.
Downloads
أوراق البيانات متاحة بالألمانية والإنجليزية، والنسخة الإنجليزية هي المعتمدة.
المؤلف: د. مارك بارافيا
د.-م. مارك بارافيا هو المدير الإداري لشركة Opsytec Dr. Gröbel GmbH في مدينة إتلينغن، ويرأس مختبر المعايرة المعتمد. وعقب أبحاثه حول تفريغات الإكسيمر الوامضة بغاز الزينون في معهد تقنية الإضاءة التابع لجامعة KIT، ينصبّ تركيزه الحالي على تقنية قياس الإشعاع البصري. وهو نائب رئيس لجنة المواصفات الألمانية DIN FNL 7 "الإشعاع البصري"، وعضو في فريق مشروع DVGW المعني بالتطهير بالأشعة فوق البنفسجية.
