كيفية عمل مستشعرات الأشعة فوق البنفسجية: التصميم وأخطاء القياس

يحوّل مستشعر الأشعة فوق البنفسجية الإشعاع الضوئي إلى إشارة كهربائية. تنشأ القراءة من الكاشف والمرشّح والبصريات والإلكترونيات والمعايرة وهندسة القياس؛ لذلك لا تُعدّ أبداً خاصية للكاشف وحده. ما يهم من أجل قابلية مقارنة قياسات الأشعة فوق البنفسجية هو قبل كل شيء الاستجابة الطيفية، واستجابة جيب التمام، والمدى الديناميكي، والضوء الطفيلي، والتوافق مع المصدر الفعلي.

تتتبّع هذه الصفحة مسار الإشارة وتوضّح أين تنشأ أخطاء القياس على طوله. تُستخدم مقاييس الإشعاع ذات النطاق الترددي العريض ومقاييس الإشعاع الطيفية كنموذجَين يظهر فيهما مصدرا الخطأ المختلفان بأوضح صورة. يُستخدم مصطلحان شائعان للاستجابة الزاوية: يشير تصحيح جيب التمام إلى الإجراء المتّخذ عند المستشعر، بينما تشير استجابة جيب التمام إلى النتيجة.

يبدأ كل قياس للأشعة فوق البنفسجية بسؤال حول الكمية المراد تحديدها. في الممارسة الصناعية، تكون هذه الكمية في الغالب شدة الإشعاع الساقط E بوحدة W/m²، وهي القدرة الإشعاعية الواصلة إلى سطح ما. وعند تكاملها زمنياً، تتحوّل شدة الإشعاع الساقط إلى التعرّض الإشعاعي H بوحدة J/m²، والذي يُعرف عادةً باسم "الجرعة الإشعاعية" - وهي الكمية الحاكمة في التطهير الآمن بالأشعة فوق البنفسجية بقدر ما هي في التصليد بالأشعة فوق البنفسجية. ويتم التحويل بين الكميتين باستخدام حاسبة القياس الإشعاعي للأشعة فوق البنفسجية والضوء لدينا.

بالنسبة لمصدر نقطي يُشعّ في جميع الاتجاهات، ينطبق قانون التربيع العكسي: فإذا تضاعفت مسافة القياس، ينتشر التدفق الإشعاعي نفسه على مساحة أكبر بأربعة أضعاف، ومن ثمّ تنخفض شدة الإشعاع الساقط إلى الربع.

ينطبق هذا القانون في ظل شرط واحد يُغفَل عنه غالباً في الممارسة العملية: يجب أن يكون المصدر نقطياً كما يراه المستشعر. والقاعدة العملية المتعارف عليها هي أن تكون مسافة القياس r ≥ 10 · d، حيث d هو أكبر بُعد للسطح الباعث.

هناك شرطان إضافيان لهما القدر نفسه من الأهمية: اتجاه المستشعر نحو المصدر، ومسألة تحديد النطاق الطيفي الذي يتم ترجيحه أصلاً. ويؤدي كلا الأمرين مباشرةً إلى تصميم الأجهزة.

يقوم مقياس الإشعاع ذو النطاق العريض بترجيح الإشعاع الوارد وفق دالة استجابة طيفية ثابتة s(λ) مدمجة في بصرياته، ويعطي رقماً واحداً. يتألف رأس القياس من رزمة من المكوّنات البصرية، وترتيبها ليس عشوائياً.

النافذة البصرية. عادة ما تكون من السيليكا المصهورة، لأن الزجاج الصودي الجيري العادي يكاد يكون معتماً تحت نحو 300 nm. تحمي النافذة المكوّنات الموجودة خلفها وتُحكم إغلاق الرأس ضد وسائط العمليات.

الناشر (الديفيوزر). يقوم بتشتيت الإشعاع الوارد، ومن ثم يُنشئ الاستجابة الزاوية على شكل جيب التمام. الناشر ليس ملحقاً إضافياً بل هو المكوّن الذي يجعل القراءة أصلاً كمية مرتبطة بالمساحة.

رزمة المرشحات. هنا يتم إنشاء الترجيح الطيفي الفعلي – عادة من مزيج من مرشحات التداخل والزجاج الملوّن. تحدّد هذه الرزمة ما إذا كان الجهاز يقيس UV-A أو UV-B أو UV-C أو طيف فعل خاص بتطبيق معيّن.

الكاشف. الثنائيات الضوئية السيليكونية هي المعيار القياسي؛ أما في تطبيقات UV-C فيتزايد استخدام ثنائيات SiC لأنها عمياء بطبيعتها في المجال المرئي، ما يخفف العبء عن رزمة المرشحات.

ثم يقوم مضخّم عبر المعاوقة بتحويل التيار الضوئي إلى جهد كهربائي، ويقوم محوّل تناظري-رقمي برقمنته. الميزة الكبرى لهذا التصميم: يمكن قياس التيار الضوئي خطياً عبر عدة عقود من القيم. لذلك تحقق مقاييس الإشعاع مدى ديناميكياً لا يستطيع مقياس الطيف المصفوفي مجاراته – كما أنها متينة ومدمجة ومنخفضة التكلفة نسبياً.

يصنّف المعيار ASTM G130-12(2020) هذه الأجهزة وفق نصف العرض Δλ لدالة استجابتها إلى مقاييس إشعاع ضيقة النطاق (Δλ ≤ 20 nm)، وأجهزة ذات نطاق عريض (20 nm ≤ Δλ ≤ 70 nm)، وأجهزة ذات نطاق واسع (Δλ ≥ 70 nm). هذا التصنيف أكثر من مجرد مصطلحات: فكلما اتسع النطاق الطيفي، ازداد اعتماد القراءة على طيف المصدر الجاري قياسه.

يقوم مقياس الإشعاع الطيفي بتفريق الإشعاع إلى مكوّناته الطيفية ويقيس شدة الإشعاع الساقط الطيفية E(λ) بوحدة W/(m²·nm). ويمكن بعد ذلك اشتقاق أي نطاق طيفي وأي طيف فعل حسابياً من هذا الطيف – وهنا بالتحديد تكمن تعدّدية استخدامات هذه الفئة من الأجهزة.

يبدأ المسار البصري، كما هو الحال في مقياس الإشعاع، بعنصر بصري للدخل، عادةً ما يكون ناشراً يعمل كمستقبِل جيب التمام. ويقوم ليف بصري بنقل الإشعاع إلى الشق المدخلي. وتُشكِّل مرآة موازية حزمة متوازية تسقط على شبكة حيود بصرية. وتقوم الشبكة بتفريق الإشعاع حسب الطول الموجي، وتُسقِط مرآة تبئير الطيف الناتج على مصفوفة كاشفات – CCD أو CMOS.

على الرغم من أناقة هذا المبدأ، فإن ضعفه الفيزيائي لا يرحم. فالشبكة لا تُنتج فقط رتبة الحيود الأولى المطلوبة، بل تُنتج أيضاً رتباً أعلى يجب توجيهها بعيداً عن مسار الحزمة. ويُضاف إلى ذلك التشتت عند المرايا والحوامل وأسطح الهيكل. وتؤدي كلتا الآليتين إلى ترسّب مكوّنات إشارة ذات طول موجي طويل عند موضع طول موجي قصير.

لا يقيس مقياس الإشعاع (راديومتر) واسع النطاق أبدًا "إشعاع الأشعة فوق البنفسجية-A" بشكل مباشر. بل يُكوِّن تكاملاً موزونًا لناتج ضرب طيف المصدر بدالة الاستجابة. وطالما تطابق طيف المصدر المقاس مع طيف مصباح المعايرة، فلا إشكال في ذلك. أما عند اختلافه، يظهر خطأ عدم التطابق الطيفي.

يصبح الأمر حرجًا بشكل خاص عندما يقع انبعاث الجسم المُختبَر على أحد جانبَي منحنى الاستجابة. عندئذٍ تنتقل تفاوتات التصنيع الخاصة بالمرشّح مباشرةً إلى القراءة. وهذا ليس أمرًا نظريًا: ففي مرشّح تمرير طويل من نوع WG320 لأشعة UV-B، قد تقع حافة الـ 50% في أي مكان بين نحو 314 nm و326 nm ضمن مواصفات الشركة المصنِّعة. وتبعًا للعينة المُركَّبة، ينتج عن المصدر نفسه انحرافات تتراوح من بضعة أعشار بالمئة إلى نطاق نسبة مئوية أحادية الرقم – دون أن يكون الجهاز "معطّلاً".

يصف تقرير CIE 220:2016 بعنوان "Characterization and Calibration Methods of UV Radiometers" (الذي أعدّته لجنة CIE TC 2-47) نهجًا منهجيًا. وينقل هذا التقرير مؤشرات الجودة المعروفة من قياس الضياء الضوئي في المواصفة ISO/CIE 19476:2014 إلى مقاييس الإشعاع فوق البنفسجية – ومن بينها f1′ لعدم التطابق الطيفي، وf2 للاستجابة الزاوية، وf3 للخطية، إضافةً إلى مؤشرات لتأثيرات الإجهاد ودرجة الحرارة والرطوبة. ولأن مقاييس الإشعاع فوق البنفسجية، على عكس مقاييس الإضاءة، غير مصمَّمة لمصدر ضوئي مرجعي واحد، فإن CIE 220:2016 يحدد ثلاثة أطياف مرجعية ويضيف في ملحقه عشرة أطياف مصادر حقيقية – من مصابيح الزئبق المنخفضة والمتوسطة الضغط مرورًا بمصادر الزينون وHMI وصولًا إلى الطيف الشمسي.

النتيجة العملية: يمكن لمن يعرف الاستجابة الطيفية لمقياس الإشعاع الخاص به وطيف مصدره أن يحسب عامل عدم التطابق ويطبّقه كعامل تصحيح. غير أن ذلك يتطلّب من الشركة المصنِّعة أن تذكر في شهادة المعايرة الاستجابة الطيفية النسبية المقاسة فرديًا وطيف مصباح المعايرة.

يطرح القياس في نطاق UV-C صعوبة تبدو متناقضة في ظاهرها: فالمشكلة لا تكمن في الأشعة فوق البنفسجية نفسها، بل في كل ما عداها. يبعث مصباح الزئبق ذو الضغط المتوسط قدرة أكبر بمراتب عديدة في النطاق المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة مقارنةً بالنطاق الطيفي UV-C. وإذا تشتّت جزء صغير فقط من تلك القدرة إلى قناة 254 nm داخل الجهاز، ينشأ عندها إشارة ظاهرية قد تتجاوز القراءة الحقيقية. ويوضّح مستكشف قاعدة البيانات الطيفية مدى وضوح هذا التفاوت بالنسبة لمصباح معيّن.

تختلف المراتب العشرية اختلافاً كبيراً: يحقّق مقياس الطيف المزدوج (double monochromator) ضوءاً طفيلياً نسبياً يبلغ نحو 10⁻⁷ إلى 10⁻⁹، بينما يقع مقياس الطيف المصفوفي (array spectrometer) عند 10⁻³ إلى 10⁻⁵، ولا يتجاوز مقياس الطيف المصفوفي الدقيق (micro-array spectrometer) 10⁻¹ إلى 10⁻².

يُمرِّر مقياس الطيف المزدوج الإشعاع عبر الشبكة مرتين، وبذلك يخفّض الضوء الطفيلي بعدّة مراتب أكثر من نظام أحادي المرحلة. وثمن ذلك هو الحجم وزمن القياس والتكلفة – ولهذا السبب يُستخدم كجهاز مرجعي في المختبر بدلاً من استخدامه في الميدان.

ويزداد الوضع تعقيداً بسبب حساسية مصفوفات الكاشف القائمة على السيليكون للأشعة تحت الحمراء: فهي أكثر حساسية بالضبط في المنطقة التي يكون فيها الإشعاع المشوِّش أقوى. وبدون مرشّحات مناسبة لفصل الرتب (order-sorting filters) وتصحيح موثّق للضوء الطفيلي، تحمل قياسات UV-C بواسطة مقاييس الطيف المصفوفية المدمجة درجات عدم تيقّن كبيرة وغالباً غير معروفة.

تُعرَّف شدة الإشعاع الساقط بأنها القدرة الإشعاعية لكل وحدة مساحة – تُقاس على سطح مستوٍ. عندما يصل الإشعاع بشكل مائل، ينتشر التدفّق نفسه على مساحة أكبر، ولذلك يجب أن تنخفض الإشارة وفق cos θ. لا يقارب المستقبِل الحقيقي هذا السلوك إلا تقريبياً: فعند زوايا السقوط الكبيرة، تحدث انعكاسات عند السطوح البينية.

يصف مؤشر الجودة f2 متوسط الانحراف عن منحنى جيب التمام المثالي. وهو حاسم في كل مكان لا يصل فيه الإشعاع بشكل عمودي: في مفاعلات التطهير بالأشعة فوق البنفسجية، وفي حجرات التشعيع ذات الجدران العاكسة، وفي تصليد الشرائط. ففي حجرة ذات جدران شديدة الانعكاس، يمكن أن يتجاوز المكوّن المنتشر المكوّن المباشر – وعندئذٍ يعطي المستشعر ذو الاستجابة الزاوية الضعيفة قراءة أقل من الواقع بشكل منهجي.

من الناحية العملية، غالباً ما تتضح جودة تصحيح جيب التمام من التصميم وحده: من حجم البصريات الأمامية ومدى انتشارها الضوئي، ومن مدى بروزها خارج حافة الهيكل.

تختلف المصادر المستخدَمة في تقنية الأشعة فوق البنفسجية في شدة الإشعاع الساقط الطيفية بأكثر من سبع رتب عشرية – من مصباح الديوتيريوم المستخدَم كمعيار للمعايرة إلى مصباح الزئبق بقدرة 6 kW في خط التصليد.

يغطّي مقياس الإشعاع الرقمي بالكامل هذا المدى عبر قياس التيار الضوئي وتبديل المدى. أما مقياس الطيف المصفوفي فهو محدود بسعة الامتلاء الكامل (full-well) لبكسلاته وبحدّ ضجيج القراءة؛ ويعمل عبر ضبط زمن التكامل، وهو أمر يكلّف زمن القياس ويصل إلى حدوده عند طرفَي المدى.

ينطبق التمييز نفسه على المحوّل التناظري-الرقمي. فدقّته – 12 أو 16 أو 24 بت – هي التي تحدّد مدى دقّة عرض القراءة ومدى سعة المدى الديناميكي القابل للاستخدام. وهي لا تعني شيئاً عن دقّة القياس: فتلك تنبع من المعايرة ومن التطابق الطيفي مع المصدر الجاري قياسه.

القيمة المقاسة دون إمكانية إرجاع مترولوجي هي مجرّد رقم بلا إطار مرجعي. تمتدّ السلسلة المترولوجية من المعهد الوطني للمترولوجيا وصولاً إلى الجهاز الموجود على خط الإنتاج - وتتزايد الشكوك القياسية عند كل خطوة.

يقع في القمّة المعهد الوطني للمترولوجيا - PTB في ألمانيا، وNIST في الولايات المتحدة - الذي يجسّد الوحدة القياسية. يليه مختبر المعايرة المعتمد وفقاً للمواصفة ISO/IEC 17025، الذي يعمل بمعايير خاصة به ويخضع اختصاصه لتقييم دوري من جهة اعتماد. أما مختبرات الاختبار فتقيس وفق إجراء مكتوب. قد تكون المعايرة المصنعية قابلة للإرجاع المترولوجي، إلا أنها غير مؤمَّنة بتقييم مستقل. وفي أسفل السلسلة تماماً تقع المعايرة غير القابلة للإرجاع المترولوجي: فهي تقدّم أرقاماً قابلة للتكرار، لكن دون شكّ قياسي يمكن الدفاع عنه.

يبدأ المسار المعتاد من معيار طيفي – مصباح FEL بقدرة 1000 W لنطاق الأشعة فوق البنفسجية-أ والمرئي، ومصباح ديوتيريوم للنطاق قصير الموجة. تتم معايرة مقياس الإشعاع الطيفي (سبكتروراديومتر) وفقاً لهذا المعيار (ASTM G138-12(2020)e1). ثم يقوم مقياس الإشعاع الطيفي المُعايَر بقياس مصباح أشعة فوق بنفسجية شبيه بالإنتاج – أي مصدر مماثل طيفياً قدر الإمكان لجسم القياس النهائي. تتم معايرة مقياس الإشعاع المرجعي وفقاً لهذا المصباح (ASTM G130-12(2020))، ومن هناك تُنقل المعايرة في النهاية إلى أجهزة الميدان (ASTM E824-26).

تكمن الحيلة في الخطوة الثالثة: فباستخدام مصباح شبيه بالإنتاج كمصدر نقل، تتم معايرة مقياس الإشعاع (راديومتر) في ظل نفس الظروف الطيفية التي سيقوم فيها لاحقاً بالقياس. وبذلك يتم إلى حد كبير التخلص من عدم التطابق الطيفي – وهو المصدر الرئيسي للخطأ في مقياس الإشعاع واسع النطاق. ولهذا السبب بالتحديد، يمكن لمقياس إشعاع واسع النطاق مُعايَر بشكل صحيح أن يتفوق على مقياس الإشعاع الطيفي من حيث الدقة بالنسبة لنوع مصباح معروف.

تخدم عائلتان من المصابيح عملية المعايرة نفسها: مصادر الخطوط الطيفية، مثل مصابيح الزئبق منخفضة الضغط، لمعايرة الطول الموجي، ومصادر الطيف المتصل – مصابيح الديوتيريوم والتنجستن-هالوجين – لمعايرة الاستجابة الطيفية. وتتطلب مصابيح الهالوجين عناية خاصة، لأن ناتجها القوي في النطاق الطويل الموجة يتشتت داخل الجهاز، ويؤدي، إن لم يُصحَّح، إلى نشوء خطأ الضوء الشارد نفسه الذي يحاول المرء قياسه.

وبالنسبة لعدم اليقين في القياس، يعني هذا: أن شهادة المعايرة لا توفر مجرد عامل تصحيح فحسب، بل تحدد أيضاً المصدر والهندسة التي يصح من أجلهما هذا العامل. وكلما ابتعد القياس عن تلك الظروف، ازدادت مساهمة المعايرة في عدم اليقين الإجمالي. ويرد شرح تفصيلي لكيفية عمل المعايرة تحت إجراء معايرة الأشعة فوق البنفسجية.

يمثّل المعيار CIE 250:2022 "Spectroradiometric Measurement of Optical Radiation Sources" (CIE TC 2-80) المرجع الحالي لقياسات الإشعاع الطيفي في المدى من 200 nm إلى 2500 nm. وهو يحلّ محلّ المعيار CIE 063-1984 الذي يعود عمره إلى نحو أربعين عاماً، ويقدّم شرحاً تفصيلياً للتأثيرات الفيزيائية التي يجب أخذها بعين الاعتبار عند تقدير عدم اليقين في القياس.

من الناحية العملية، يظهر نمط مميّز: إذ يكون أصغر عدم يقين ممكن تحقيقه في القياس أكبر ما يكون في نطاق الأشعة فوق البنفسجية القصيرة الموجة، ويتناقص كلما زاد الطول الموجي. وتبلغ القيم النموذجية للمعايرات المعتمدة نحو 6 % في النطاق القريب من 200 إلى 230 nm، وحوالي 3.5 % في نطاقي UV-B وUV-A، وأقل بقليل من 3 % في النطاق المرئي (عدم اليقين الموسّع في القياس، k = 2). وتعود أسباب هذا النمط إلى عوامل فيزيائية، منها انخفاض الإشعاع الساطع للمعايير المرجعية، وتأثيرات الضوء الطفيلي الأقوى، وزيادة حساسية المواد البصرية للتقادم والتلوّث.

لكل تصميم من التصميمين مصدر خطأ مهيمن واحد بالضبط، وكلاهما متكامل: عدم التطابق الطيفي بالنسبة لمقياس الإشعاع ذي النطاق العريض، والضوء الطفيلي بالنسبة لمقياس الإشعاع الطيفي. ويُبنى الاختيار على ذلك:

• إذا كان نوع المصباح معروفاً وثابتاً، فإن مقياس إشعاع ذا نطاق عريض مُعايَر بشكل مناسب يوفّر عدم يقين قياس أصغر – مع مدى ديناميكي أوسع، وزمن استجابة أقصر، ومتانة أكبر.
• إذا كان المصدر متغيّراً أو غير معروف، أو كان لا بد من تقييم طيف فعل، فلا مفرّ من القياس الطيفي.
• في كثير من المنشآت يكون الجمع بين الطريقتين هو الحل الأمثل: تحقّق طيفي على فترات أطول، ومراقبة مستمرة للعملية عبر القياس ذي النطاق العريض.

المقارنة الكاملة جنباً إلى جنب، معياراً بمعيار، ترد تحت اختيار مقياس إشعاع ذي نطاق عريض أو مقياس إشعاع طيفي.

لماذا يتطلب قياس الأشعة فوق البنفسجية UV-C عناية خاصة؟
لأن معظم مصادر الأشعة فوق البنفسجية تُصدر قدرة أكبر بمراتب في المجال المرئي وتحت الأحمر مقارنةً بمجال UV-C – وأجهزة الكشف القائمة على السيليكون تكون الأكثر حساسية في هذا النطاق تحديداً. لذلك يمكن للضوء الطفيلي داخل الجهاز أن يُنتج إشارة UV-C ظاهرية أكبر من الإشارة الحقيقية.

ما هو عدم التطابق الطيفي (spectral mismatch)؟
هو الخطأ الذي ينشأ عندما يختلف طيف المصدر المقاس عن طيف المصباح المستخدم في معايرة الجهاز. توضح المواصفة CIE 220:2016 كيفية تحديد مقداره وكيفية تطبيقه كعامل تصحيح.

على أي مسافة من المصباح ينبغي إجراء القياسات؟
ينبغي أن تكون المسافة كافية بحيث يتصرف المصدر كمصدر نقطي بالنسبة إلى المستشعر – وكقاعدة عامة، لا تقل عن عشرة أضعاف أكبر أبعاده. تظل القياسات عند مسافات أقصر قراءات صالحة، لكن لا يجوز تحويلها إلى مسافات أخرى باستخدام قانون التربيع العكسي.

لماذا تُعد شهادة المعايرة بهذه الأهمية؟
لأنها تُبيّن مصدر المعايرة، والاستجابة الطيفية، وعدم اليقين في القياس. فبدون هذه العناصر الثلاثة، لا يمكن مقارنة القراءة بقيمة حدّية، أو بجهاز آخر، أو بقياس سابق.

كيف تؤثر درجة الحرارة على شدة الإشعاع الساقط؟
تؤثر درجة الحرارة على طرفي القياس كليهما: فالثنائي الضوئي والمرشحات في المستشعر تعتمد على درجة الحرارة، وبشكل أقوى في مجال UVC منه في مجال UVA، كما أن مصابيح الزئبق ومصابيح UV LED تُغيّر كلاً من القدرة الإشعاعية والطول الموجي الذروي مع درجة حرارة التشغيل. لذلك تتطلب القيم القابلة لإعادة الإنتاج درجة حرارة تشغيل محددة ومسافة ثابتة وموثّقة.

هناك ستة أسئلة تحدّد مدى إمكانية الاعتماد على قراءة الأشعة فوق البنفسجية:

• هل تتطابق الاستجابة الطيفية مع انبعاث المصدر ومع دالة الترجيح المقصودة؟
• هل يجري قياس إشعاع موجّه أم إشعاع متوزّع مكانياً، وهل تناسبه الاستجابة الزاوية؟
• هل تقع القراءة بأمان ضمن نطاق القياس والمدى الديناميكي؟
• هل يمكن للأطوال الموجية الثانوية أو الضوء الطفيلي أن تشوّه النتيجة؟
• هل تشير المعايرة إلى مصدر وهندسة مشابهين بدرجة كافية؟
• هل عدم التأكد في القياس صغير بما يكفي بالنسبة لحدّ العملية؟

العثور على المستشعر المناسب: يقترح أداة العثور على مستشعر الأشعة فوق البنفسجية أفضل ثلاثة مستشعرات وأجهزة قياس للأشعة فوق البنفسجية مطابقة حسب التطبيق والطول الموجي وشكل الجهاز – مع القيم الأساسية وشريك النظام والأسباب.