قياس ومراقبة الأشعة فوق البنفسجية UVC عند 254 nm

يُعدّ الخط الطيفي عند 253.7 nm لمصابيح الزئبق منخفضة الضغط مصدر إشعاع محوريًا في تطهير المياه والهواء بالأشعة فوق البنفسجية. ويتطلّب كلٌّ من القياس المرجعي ومراقبة المنشأة وتقييم الجرعة الإشعاعية مفاهيم مختلفة من المستشعرات. والمهمّ هنا هو التطابق الطيفي وهندسة القياس والثبات طويل الأمد ومعايرة تتوافق مع المصدر الفعلي.

توضّح هذه الصفحة الفصل بين مهام القياس الثلاث وتبيّن الأخطاء التي تنشأ عندما لا يتطابق المستشعر مع المصدر.

يعتمد التأثير المطهِّر للأشعة فوق البنفسجية على الطول الموجي. ويتبع هذا التأثير بشكل أساسي امتصاص الأحماض النووية ويبلغ حدّه الأقصى في المنطقة المحيطة بـ 265 nm. يقع خط الانبعاث الرئيسي لمصباح الزئبق منخفض الضغط عند 253.7 nm، أي بالقرب من هذه المنطقة: فهو يحقق جزءاً كبيراً من التأثير دون أن يقع بالضبط عند نقطة الحدّ الأقصى.

إلا أن الطول الموجي وحده ليس العامل الفاصل. فالتأثير ينتج عن الطول الموجي والتعرّض الإشعاعي - أي شدة الإشعاع الساقط مضروبة في الزمن - وحساسية الكائن الحي الدقيق المعني. لذلك فإن اعتماد 254 nm معياراً تقنياً هو أيضاً مسألة عملية بقدر ما هو غير ذلك: فالمصدر يعمل بكفاءة عالية، وطيفه ضيق ومن ثم يمكن تقييمه مترولوجياً دون غموض، والنفوذية في الهواء والماء كافية على المسارات ذات الأهمية العملية، والأساس المعياري تراكم عبر عقود من الزمن.

يوضح الشكل أدناه الطيف المقاس لمصباح زئبق منخفض الضغط من قاعدة بيانات الأطياف الخاصة بشركة Opsytec، إلى جانب طيف الفعل المبيد للميكروبات لأبواغ Bacillus subtilis (Cabaj et al. 2002، مُطبَّع عند 253.7 nm). ورُسم خط الرنين عند 185 nm بشكل تخطيطي لأنه يقع خارج النطاق المقاس.

مصباح الزئبق المنخفض الضغط هو تفريغ غازي داخل أنبوب من الكوارتز يحتوي على قطرة من الزئبق وغاز بدء تشغيل، عادةً الأرغون. يبلغ ضغط بخار الزئبق بضعة باسكال، بينما يصل الضغط الداخلي الكلي إلى نحو 10 مبار. والتفريغ غير حراري إلى حد بعيد: إذ تصل طاقة الإلكترونات إلى بضعة إلكترون فولت بينما يبقى الغاز باردًا تقريبًا. وهذا الاختلال بالذات هو ما يجعل القدرة المُغذّاة تتّجه بشكل رئيسي نحو الإثارة بدلًا من الحرارة.

تؤدي تصادمات الإلكترونات إلى رفع ذرات الزئبق إلى مستويات الرنين؛ وانحلالها إلى الحالة الأرضية يُنتج خطي الرنين. عند 253.7 nm يقع خط الانبعاث الرئيسي وبالتالي الحصة المستخدمة للتعقيم الجرثومي. أما الخط الثاني عند 185 nm فلا يغادر المصباح إلا إذا كانت مادة الغلاف تسمح بنفاذه؛ وفي الهواء يولّد هذا الخط الأوزون، ويُستخدم حسب التطبيق إما عمدًا في عمليات الأكسدة أو يتم كبته باستخدام زجاج كوارتز مطعّم (نظرة عامة على مصباح بخار الزئبق، باللغة الألمانية).

ولأن كلا الخطين رنينيان، فإن الفوتونات تُمتص وتُعاد إشعاعها مرارًا داخل البلازما. وهذا الاحتباس الإشعاعي يربط الكفاءة مباشرة بضغط بخار الزئبق وبالتالي بدرجة حرارة الجدار: إذ يقع المثالي عند أبرد نقطة في الجدار حول 40 °C، وفوق هذه الدرجة وتحتها ينخفض ناتج 254 nm. لذلك، في أي منشأة، تؤثر درجة حرارة الوسط والتدفق مباشرة على القدرة الإشعاعية المُنبعثة. أما مصابيح الملغم فتُزيح هذا المثالي إلى درجات حرارة أعلى وتسمح بكثافات قدرة أعلى بكثير.

على مدى العمر التشغيلي، يبقى موضع الخط ثابتًا بينما تنخفض القدرة الإشعاعية. وهذه هي الحالة المواتية بالنسبة للقياس: إذ يبقى الترجيح الطيفي للمستشعر صالحًا وتنخفض السعة فقط. أما مع المصابيح المتوسطة الضغط وأشباه موصلات UVC LED، فيتغيّر التوزيع الطيفي أيضًا – وهذا هو مصدر عدم التطابق الموصوف لاحقًا.

جاء التأثير قبل التقنية. في عام 1877 أظهر Downes وBlunt أن ضوء الشمس يثبّط نمو البكتيريا؛ وفي عام 1903 حصل Niels Ryberg Finsen على جائزة نوبل عن العلاج بالضوء. وقد ظهر المصدر المناسب بالتوازي: يُعدّ Leo Arons مخترع مصباح بخار الزئبق استناداً إلى أعمال من عام 1892، وتبع ذلك مصباح الشمس من الزجاج الكوارتزي بدءاً من عام 1905، وبين عامي 1923 و1934 تم تسويق مصابيح التفريغ الزئبقية تجارياً في إصدارات منخفضة ومتوسطة وعالية الضغط (نظرة عامة على مصباح بخار الزئبق، بالألمانية). وقد دخلت أول منشأة للأشعة فوق البنفسجية لتطهير مياه الشرب الخدمة في مرسيليا منذ عام 1910.

ولم يصبح التأثير قابلاً للقياس والمقارنة إلا لاحقاً. في عام 1930 نشر R. L. Gates أول دراسة منهجية عن الفعل القاتل للبكتيريا، وأدخل بذلك طيف الفعل الجرثومي. وبدءاً من عقد 1980 جاء التثبيت المعياري في معالجة مياه الشرب؛ وفي ألمانيا تُشكّل قواعد العمل W 294 الصادرة عن DVGW والمواصفة DIN 19294 اليوم أساس الاختبار ومستشعرات المنشآت والقياس المرجعي.

وبذلك تمّ التطوّر في ثلاث خطوات: مشاهدة بيولوجية في القرن 19، ومصدر قابل للتحكّم في النصف الأول من القرن 20، وتأمين مترولوجي ومعياري في نصفه الثاني. والخطوة الثالثة وحدها هي التي تحوّل تأثيراً إلى إجراء قابل للمراقبة.

يتمثّل أكبر مجال للتطبيق في تطهير مياه الشرب والمياه الصناعية ومياه الصرف في المفاعلات ذات التدفّق المستمر، وفي ألمانيا باستخدام مستشعرات المنشأة والقياس المرجعي وفقاً لـ DVGW W 294 وDIN 19294-3. إلى جانب ذلك يأتي تطهير الهواء والأسطح في العيادات وفي إنتاج الأغذية والأدوية، وفي قنوات التهوية والغرف النظيفة، فضلاً عن معالجة التعبئة والأحزمة الناقلة وخطوط التعبئة في صناعة المشروبات والأغذية.

إذا تم إطلاق خط 185 nm، يُضاف التأثير الكيميائي الضوئي: تعمل عملية الأكسدة بالأشعة فوق البنفسجية وخفض الكربون العضوي الكلي (TOC) بالاعتماد على الأوزون المتكوّن في مسار الشعاع والجذور الناتجة عنه. ويُوصَف بديل آخر أقصر موجة وقائم بشكل بحت على التأثير الكيميائي الضوئي في صفحة قياس إشعاع VUV بطول 172 nm الصادر من مصابيح الإكسايمر الزينونية. وفي المختبر، يُستخدَم إشعاع 254 nm في النهاية كمرجع محدَّد، على سبيل المثال في دراسات استجابة الجرعة ضمن إعداد شعاع مُوازٍ (collimated beam). ويتم وضع التأثير والإجراءات والمعايير في سياقها على صفحة التطبيق التطهير بالأشعة فوق البنفسجية.

وفي جميع الحالات تنطبق العلاقة نفسها: ما يهمّ هو التعرّض الإشعاعي الفعّال حقاً في الوسط، لا القدرة الاسمية للمصباح. فشدة الإشعاع الساقط وزمن المكوث والتدفّق والنفاذية تحدّد النتيجة معاً – ولهذا يُعدّ القياس جزءاً من الإجراء وليس ملحقاً به.

• القياس المرجعي. يحدّد مقياس إشعاع مرجعي مُعايَر بقابلية الإرجاع المترولوجي شدة الإشعاع الساقط عند موضع محدّد، على سبيل المثال للتحقّق من مستشعر المنشأة. هنا يكون المعيار الحاسم هو انخفاض عدم اليقين في القياس وهندسة قياس محدّدة.
• مراقبة المنشأة. يراقب مستشعر مثبّت بشكل دائم المصدر باستمرار ويزوّد نظام التحكّم بإشارة. هنا يكون المعيار الحاسم هو الثبات على المدى الطويل، ومقاومة الوسط وعمليات التنظيف، ووجود واجهة مناسبة.
• تقييم الجرعة أو الفلوينس. لا يُقاس التعرّض الإشعاعي المرتبط بالوسط مباشرةً، بل يُشتقّ من شدة الإشعاع الساقط وزمن المكوث والتدفّق ونفاذية الوسط، أو يُحدَّد بالطرق البيولوجية الجرعية (biodosimetrically).

تُعرَّف هذه المهام الثلاث بشكل منفصل. فمستشعر المنشأة لا يحلّ محلّ القياس المرجعي، والقياس المرجعي لا يحلّ محلّ تقييم الجرعة.

يكون المستشعر المصمَّم لطول موجي 254 nm متوافقاً مع الطيف الخطي الضيق لمصباح الضغط المنخفض. وإذا استُخدم المستشعر نفسه مع مصباح ضغط متوسط أو LED من نوع UVC، فإنه يقيس طيفاً مختلفاً باستخدام منحنى استجابة غير مُعَدّ لذلك. والنتيجة انحراف منهجي لا يمكن تصحيحه إلا بعامل تصحيح خاص بالمصدر.

كما يتغيّر الطيف أيضاً على مدى العمر التشغيلي ضمن النوع الواحد من المصادر. ففي مصابيح الضغط المنخفض يبقى موضع الخط الطيفي ثابتاً بينما تنخفض شدة الإخراج؛ أما في مصابيح الضغط المتوسط ووحدات LED فيتغيّر التوزيع الطيفي أيضاً. لذا فإن من يقارن بين أنواع المصادر أو يستبدلها يحتاج إلى مرجع مُحلَّل طيفياً.

في المفاعلات ذات التدفّق المستمر، يقوم المستشعر بالقياس عند موضع تركيب محدَّد عبر نافذة المستشعر. والمقيس ليس التعرّض الإشعاعي المؤثّر على الوسط، بل إشارة ترتبط به من خلال تصميم المنشأة. ويؤثّر تلوّث النافذة وتقادم المصدر ونفاذية الوسط في هذه الإشارة بطرق مختلفة – ولهذا يجب تحديد موضع المستشعر والمعايرة وقاعدة التقييم معاً.

في المختبر، تتيح إعدادات الحزمة الموازية (collimated beam) تشعيعاً محدَّداً شبه متوازٍ للعيّنة، وبالتالي علاقة موثوقة بين الجرعة والاستجابة. ويتم النقل إلى المفاعل من خلال التحقق (validation)، لا من خلال قراءة واحدة. ويرد وصف الإجراء في صفحة التحقق من مفاعلات الأشعة فوق البنفسجية.

• مقياس UVC – مقارنة بين جميع مقاييس UVC والمستشعرات.
• مقياس الإشعاع المرجعي DVGW – قياس مرجعي على محطات مياه الشرب وفقاً لـ DIN 19294-3.
• UVC-SE وUVx-SE – مستشعرات مقاومة للضغط للمراقبة الدائمة للمحطات.
• RMD Pro مع مستشعر UVC – قياس محمول باليد على المصابيح والحجرات والأسطح.
• SR900 – مرجع محلَّل طيفياً عند مقارنة أنواع المصادر أو عندما يكون الطيف غير معروف.

يتم معايرة جميع سلاسل القياس بشكل قابل للإرجاع المترولوجي في مختبر المعايرة المعتمد. تضع صفحة التطبيق التطهير بالأشعة فوق البنفسجية القياس في سياق التأثير والعملية والمعايير.

د. مهندس مارك بارافيا هو المدير الإداري لشركة Opsytec Dr. Gröbel GmbH في إتلينغن، ويرأس مختبر المعايرة المعتمَد. عقب أبحاثه حول تفريغات إكسايمر الزينون النبضية في معهد تقنية الإضاءة بجامعة KIT، ينصبّ تركيزه اليوم على قياس الإشعاع الضوئي. وهو نائب رئيس لجنة المعايير الألمانية DIN FNL 7 «الإشعاع الضوئي»، وعضو في فريق مشروع DVGW المعني بالتطهير بالأشعة فوق البنفسجية.