عدم التطابق الطيفي لمستشعرات الأشعة فوق البنفسجية

عدم التطابق الطيفي هو الفرق بين الاستجابة الطيفية الفعلية لمستشعر الأشعة فوق البنفسجية ودالة الترجيح المستطيلة المثالية. ويحدث هذا الأمر مع كل مستشعر مُزوَّد بمرشِّح بصري، لأن المرشحات البصرية لا تملك نطاقات إيقاف وتمرير مثالية. ونتيجة لذلك، فإن المستشعر المُعايَر على مصباح معيّن سيُظهر بشكل منهجي قراءات متفاوتة عند استخدامه مع مصدر ذي طيف مختلف.

على عكس أجهزة قياس شدة الإضاءة، تُصمَّم مستشعرات الأشعة فوق البنفسجية لأطياف مختلفة ونطاقات طيفية مختلفة. ولضمان امتلاك مستشعر الأشعة فوق البنفسجية للحساسية الطيفية المطلوبة، تُستخدم مرشحات بصرية خاصة بكل جهة مصنِّعة لضبط الحساسية الطيفية.

توضّح الصورة التالية بنية مستشعر الأشعة فوق البنفسجية أو مقياس الإشعاع (راديومتر)، الذي يُستخدم عادةً لقياس الإشعاع فوق البنفسجي. يتكوّن المستشعر من عدة مرشحات بصرية وثنائي ضوئي (فوتودايود). أما المكوّنات الكهربائية الأخرى، مثل التضخيم والتحويل من إشارة تناظرية إلى رقمية، فلم يتم عرضها هنا.

من الناحية المثالية، يتوافق منحنى الحساسية مع دالة وزن ثابتة ومستطيلة الشكل. غير أنه من الناحية العملية، تحدث انحرافات - وهو ما يُعرف بـ عدم التطابق الطيفي. ويصف هذا المصطلح الفرق بين الحساسية الفعلية للمستشعر ودالة الوزن المثالية. 

وتُعزى أسباب ذلك إلى خصائص نموذجية لجميع مستشعرات الأشعة فوق البنفسجية المُرشَّحة، حيث لا تتمتع المرشحات الضوئية المستخدمة بنطاقات قطع وتمرير مثالية أو بحواف ترشيح "شديدة الانحدار" بلا حدود. كما تُظهر الثنائيات الضوئية (الفوتوديودات) حساسية طيفية نموذجية. 

تأثير الحساسية الطيفية

الحساسية الطيفية هي خاصية جهازية مميزة لكل مستشعر أشعة فوق بنفسجية. وبينما تُظهر المستشعرات من نفس النوع خصائص متشابهة، فإن المستشعرات المختلفة - تبعاً للشركة المصنّعة والنوع والمجال الطيفي - تختلف اختلافاً كبيراً.
تعتمد القيمة المقاسة لمستشعر الأشعة فوق البنفسجية اعتماداً كبيراً على طيف الانبعاث الخاص بمصدر الضوء. فالمستشعر المُعايَر على مصدر معيّن (مثل مصباح بخار الزئبق أو ثنائي LED فوق بنفسجي) يمكن أن يُظهر انحرافات كبيرة عند استخدامه مع مصدر مختلف.
 

نتيجة عدم التطابق الطيفي هي عدم يقين في القياس يعتمد على المصدر. فعلى سبيل المثال، إذا تمت معايرة المستشعر بمصباح ذي نطاق ترددي عريض ولكنه استُخدم مع ثنائي LED فوق بنفسجي ذي نطاق ترددي ضيق، فإن القيمة المعروضة يمكن أن تنحرف عن القيمة الفعلية المؤثرة بعدة عشرات من النسبة المئوية. وهذه الانحرافات قابلة للتكرار، وبالتالي فهي ذات طبيعة منهجية.

مثال على عدم التطابق الطيفي

يمتلك مستشعر الأشعة فوق البنفسجية دالة ترجيح حقيقية (باللون الرمادي)، بينما يصف المنحنى المثالي (باللون الأسود) استجابة موحّدة.

بالنسبة لثنائي LED بطول موجي 400 nm، تبلغ الحساسية النسبية 1.0.
بالنسبة لثنائي LED بطول موجي 425 nm، تنخفض الحساسية النسبية إلى 0.9.

وبالتالي فإن القيمة المعروضة تكون أصغر بنحو 10 %. أما أجهزة القياس الحديثة مثل مقياس الإشعاع RMD فتعوّض هذا التأثير داخلياً، شريطة اختيار نوع المصباح المعني (مثل 400 nm أو 425 nm) بشكل صحيح.

طرق تقليل عدم التطابق الطيفي (Spectral Mismatch)

1. المعايرة المعتمدة على المصدر
في Opsytec، تتم معايرة مستشعرات الأشعة فوق البنفسجية وفقاً للمصباح أو LED الفعلي المستخدم في التطبيق المحدد. تتوفر في المختبر مصادر أشعة فوق بنفسجية صناعية عديدة لهذا الغرض من أجل ضبط المعايرة بدقة على النطاق الطيفي المطلوب.

2. التصحيح الرياضي
باستخدام أجهزة قياس الإشعاع الحديثة، يمكن حفظ عامل المعايرة مباشرة داخل المستشعر. يتم ببساطة اختيار نطاق المعايرة المناسب - على سبيل المثال 365 nm لـ LED من نوع UVA أو 450 nm لـ LED الأزرق - على جهاز القياس. أما بالنسبة للأنظمة الأقدم أو الخارجية، فيمكن لشركة Opsytec تحديد عامل تصحيح يُذكر في شهادة المعايرة.

3. استخدام مقاييس الإشعاع الطيفية (سبكتروراديومتر)
تلتقط مقاييس الإشعاع الطيفية الطيف الكامل؛ ويتم بذلك التخلص من عدم التطابق الناتج عن منحنيات المرشحات، بينما يبقى الضوء الشارد ومعايرة الطول الموجي كمصدرين لعدم اليقين. تعني المعايرة الخاصة بالطول الموجي أن أي انحراف يتم تصحيحه حسابياً. طرازا UVpad وUVpad E مناسبان بشكل خاص للاستخدام المتنقل.

الأهمية بالنسبة لقياسات الأشعة فوق البنفسجية الدقيقة

لذلك فإن معرفة عدم التطابق وتصحيحه شرط أساسي لإجراء قياسات موثوقة للأشعة فوق البنفسجية، لا سيما في التطبيقات ذات المصادر ضيقة النطاق أو المتغيرة طيفياً مثل أنظمة UV LED. عند الطلب، تقوم Opsytec بالمعايرة مقابل المصدر المستخدم فعلياً.

إذا كان المطلوب قياس مصباح أشعة فوق بنفسجية واحد فقط، يمكن تصحيح عدم التطابق الطيفي بشكل جيد جداً؛ ويكفي تحديد المصباح أو التطبيق.

على سبيل المثال، غالباً ما يُستخدم مصباح زئبق منخفض الضغط كمصدر معايرة للكواشف المستخدمة في التطهير. تُجرى المعايرة، على سبيل المثال، في النطاق الطيفي من 200 إلى 280 nm أو من 240 إلى 290 nm.

على الرغم من أن هذا الطيف الفعّال يغطي نطاقاً واسعاً من الأطوال الموجية، إلا أنه في الممارسة العملية يُستخدم عادةً فقط خط 253.7 nm لمصباح الزئبق لتحديد حساسية مقياس الإشعاع فوق البنفسجي لهذا الخط الطيفي المفرد.

وبذلك توفر نتيجة هذه المعايرة قيمة معايرة لحالة تشغيل معينة، ولكن دون تقديم معلومات حول الحساسية الطيفية للكاشف.

إذا كنتم ترغبون في قياس العديد من مصابيح الأشعة فوق البنفسجية المختلفة وLED الأشعة فوق البنفسجية، فإننا نوصي باستخدام مقياس إشعاع طيفي (سبكتروراديومتر).
 

للقارئ المهتم:

معايير ومواصفات المعايرة

يُوصف عدم التطابق الطيفي في المواصفات الدولية، وعلى وجه الخصوص في CIE 220:2016 - طرق التوصيف والمعايرة لمقاييس الإشعاع فوق البنفسجي.
والتوصية هي مطابقة مصدر المعايرة قدر الإمكان مع مصدر الضوء الفعلي للتطبيق.

بالنسبة للتطبيقات التي تستخدم عدة مصابيح أشعة فوق بنفسجية أو LED للأشعة فوق البنفسجية، توصي Opsytec باستخدام مقياس إشعاع طيفي (سبكتروراديومتر) للتقاط طيف الانبعاث وتقييمه بشكل كامل.
 

وما يعنيه ذلك بالنسبة للمراقبة المستمرة في خط الإنتاج - معدّل أخذ العيّنات، ونطاق المستشعر، والواجهة - فهو موضّح في صفحة التطبيقات تقنية الأشعة فوق البنفسجية للأتمتة وتكامل العمليات.

كيف يتم حساب عدم التطابق الطيفي؟
عن طريق معامل عدم التطابق F. وهو يربط بين ما ستعطيه دالة الاستجابة المثالية على المصدر المقاس بما يشير إليه المستشعر الحقيقي هناك - بعد تطبيع كل منهما إلى مصدر المعايرة:
F = [∫E_meas(λ)·s_ideal(λ)dλ / ∫E_meas(λ)·s_real(λ)dλ] · [∫E_cal(λ)·s_real(λ)dλ / ∫E_cal(λ)·s_ideal(λ)dλ]
هناك حاجة إلى أربع كميات: شدة الإشعاع الساقط الطيفية لمصدر المعايرة وللمصدر المقاس، بالإضافة إلى الاستجابة الطيفية الحقيقية والمثالية للمستشعر. تُضرب القراءة في F. ونظراً لأن الانحراف منهجي وقابل للتكرار، يمكن ذكره كعامل تصحيح ثابت في شهادة المعايرة أو تخزينه في مقياس الإشعاع (راديومتر) كنطاق معايرة.

ما مدى حجم الخطأ في الممارسة العملية؟
يعتمد ذلك على مدى التباعد الطيفي بين مصدر المعايرة والمصدر المقاس. ضمن منحنى استجابة مستشعر واحد، غالباً ما يكون الخطأ بضع نقاط مئوية: بالنسبة لمستشعر تبلغ استجابته النسبية 1.0 عند 400 nm و0.9 عند 425 nm، تُقرأ قيمة LED عند 425 nm بنقص يبلغ نحو 10 %. أما إذا استُخدم مستشعر معايَر بمصباح واسع النطاق الطيفي على LED فوق بنفسجي ضيق النطاق، فقد تنحرف القراءة عن القيمة الحقيقية الموزونة بعشرات النقاط المئوية. الانحراف قابل للتكرار وبالتالي منهجي - يمكن تصحيحه، لكن لا يمكن التخلص منه بتكرار القياس.

كيف يمكن تصحيح عدم التطابق الطيفي؟
بثلاث طرق. أولاً، عن طريق المعايرة الخاصة بالمصدر: يُعايَر المستشعر مقابل المصباح أو LED المستخدم فعلياً. ثانياً، حسابياً - تُخزّن أجهزة قياس الإشعاع الحديثة عامل المعايرة في المستشعر ويُختار النطاق المطابق على الجهاز؛ أما بالنسبة للأنظمة الأقدم أو أنظمة الجهات الأخرى، فيمكن تحديد عامل تصحيح وذكره في شهادة المعايرة. ثالثاً، باستخدام مقياس الإشعاع الطيفي (سبكتروراديومتر)، الذي يلتقط الطيف الكامل وبالتالي يكون من حيث المبدأ خالياً من عدم التطابق الطيفي. مع مصدر واحد يراد قياسه، ينجح التصحيح بشكل جيد جداً؛ أما مع مصادر متعددة ومختلفة فإن مقياس الإشعاع الطيفي هو الطريق الآمن.

لماذا لا تقول المعايرة عند 253.7 nm شيئاً عن الاستجابة الطيفية؟
لأنها تحدد نقطة تشغيل واحدة فقط. في مجال التطهير، غالباً ما يُستخدم مصباح بخار الزئبق منخفض الضغط كمصدر للمعايرة، وتُرجَع المعايرة إلى نطاق طيفي يتراوح تقريباً من 200 إلى 280 nm أو من 240 إلى 290 nm. وفي الممارسة العملية، لا يُستخدم منه تقريباً سوى خط 253.7 nm. والنتيجة هي قيمة معايرة لهذه الحالة بالذات - وهي لا تقول شيئاً عن شكل الاستجابة الطيفية للكاشف، ولا يمكن نقلها إلى مصادر أخرى في النطاق الطيفي نفسه. ولذلك توصي المواصفة CIE 220:2016 بمطابقة مصدر المعايرة قدر الإمكان مع مصدر التطبيق.