قياس جرعة الأشعة فوق البنفسجية وشدة الإشعاع الساقط بشكل صحيح

تصف شدة الإشعاع الساقط والجرعة الإشعاعية خصائص مختلفة لعملية التشعيع بالأشعة فوق البنفسجية. تمثل شدة الإشعاع الساقط القدرة الإشعاعية اللحظية لكل وحدة مساحة؛ أما الجرعة الإشعاعية – ويُطلق عليها في مصطلحات المواصفات القياسية التعرّض الإشعاعي – فهي تكاملها عبر الزمن. وللحصول على نتائج موثوقة، يجب أن يتوافق النطاق الطيفي ونطاق القياس ومصدر المعايرة ومسافة القياس وهندسة القياس مع طبيعة التطبيق. وبالنسبة للعمليات المتحركة، يُضاف إلى ذلك المسار الزمني للتشعيع.

توضح هذه الصفحة الكميات المختلفة، وتحدد العوامل المؤثرة في نتيجة القياس، وتبيّن أي فئة من الأجهزة تناسب أي مهمة. أما اختيار الأجهزة المحددة فهو مُتناول في فئة أجهزة قياس الأشعة فوق البنفسجية ومقاييس الإشعاع.

شدة الإشعاع الساقط E هي القدرة الإشعاعية الواصلة إلى سطح ما، وتُقاس بوحدة W/m² أو -كما هو شائع في هندسة الأشعة فوق البنفسجية- بوحدة mW/cm². أما التعرّض الإشعاعي H فهو تكامل هذه الشدة عبر الزمن، ويُقاس بوحدة J/m² أو mJ/cm². وحيثما تكون شدة الإشعاع الساقط ثابتة عبر الزمن، فإن H = E · t؛ أما حيثما تتغيّر، فيجب تكامل المنحنى الفعلي لها.

في الممارسة العملية، يُطلق على التعرّض الإشعاعي عادةً اسم "الجرعة". وهذا المصطلح شائع الاستخدام لكنه غير دقيق: ففي تطهير المياه، يصف التدفّق الإشعاعي (fluence) الإشعاع الواصل إلى عنصر حجمي من جميع الاتجاهات، بينما في علم الأحياء الضوئي تُوزَن الجرعة إضافةً إلى ذلك بطيف فعل معيّن. لذا ينبغي لكل من يقارن القيم بين المنشآت أو الموردين أو تقارير الاختبار أن يوضح دائماً أي كمية، وأي نطاق طيفي، وأي هندسة قياس يُقصد بها.

لا تكون القراءة موثوقة إلا بقدر موثوقية الظروف التي جرت فيها. وتحدّد خمسة عوامل ذلك:

• الاستجابة الطيفية. يُقيّم مقياس الإشعاع (راديومتر) واسع النطاق المصدر وفق منحنى استجابة مستشعره. فإذا اختلف طيف المصدر عن مصدر المعايرة، ينشأ عدم تطابق طيفي – وهو منهجياً أكبر خطأ عند تغيير المصادر.
• هندسة القياس. تتطلّب شدة الإشعاع الساقط الصادرة عن مصدر ممتد أو مساحي بصريات إدخال مصحَّحة بدالة جيب التمام. فمن دون هذا التصحيح، يُقدَّر الإشعاع الوارد بشكل مائل بأقل من قيمته الفعلية.
• مسافة القياس ومستواه. يجب القياس حيث تجري العملية – عند مستوى المكوّن أو العيّنة، وليس في الحزمة الحرّة. وبالنسبة للمصادر النقطية والبؤرية، تتغيّر شدة الإشعاع الساقط بشدة مع المسافة.
• المعايرة. يجب أن تتوافق المعايرة مع النطاق الطيفي ونطاق القياس، وقدر الإمكان مع نوع المصدر المستخدَم، وأن تكون موثَّقة بإمكانية إرجاع مترولوجي.
• نطاق القياس والخطية ودرجة الحرارة. إنّ شدة الإشعاع الساقط العالية جداً، والمصادر النبضية، وارتفاع درجة الحرارة عند نقطة القياس، كل ذلك يحدّ من المستشعرات التي يمكن استخدامها.

تُجرى معايرات مقاييس الإشعاع (الراديومترات) ومستشعرات الأشعة فوق البنفسجية بواسطة مختبر المعايرة المعتمد؛ ويُوصَف الإجراء تحت معايرة الأشعة فوق البنفسجية.

مع مصدر ثابت وجزء ثابت، يكفي إجراء قياس سكوني لشدة الإشعاع الساقط عند مستوى القطعة؛ وتُستنتج الجرعة الإشعاعية من شدة الإشعاع الساقط وزمن التعرّض. وبمجرد أن تتحرّك القطعة أو المصدر، تصبح شدة الإشعاع الساقط عند القطعة متغيّرة زمنياً. عندئذٍ يجب تسجيل ذروة شدة الإشعاع الساقط، والمسار الزمني، والجرعة الإشعاعية المتكاملة منه - فقراءة سكونية واحدة تحت المصباح لا تصف العملية.

يتم تناول كيفية إعداد مثل هذا القياس في خطوط السيور الناقلة والطباعة والتمرير المستمر في صفحة قياس الأشعة فوق البنفسجية لأنظمة السيور الناقلة.

• مصدر مستقر بطيف معروف، قياس نقطي: مقياس إشعاع واسع النطاق مُعايَر مثل RMD Pro أو RM-12 مزوّد بمستشعر يطابق المدى الطيفي.
• مصادر متغيّرة، أطوال موجية لثنائيات LED، دراسات التقادم: جهاز قياس طيفي مثل UVpad أو UVpad E أو SR900 في المختبر.
• الجرعة الإشعاعية أثناء سير العملية: مسجّلات مسطّحة مثل curelog أو tinyTracker تنتقل عبر خط الإنتاج مع القطعة المشغولة.
• المراقبة الدائمة للمنشأة: مستشعرات الأشعة فوق البنفسجية المُركَّبة بشكل دائم مع إلكترونيات التقييم المناسبة.

ينطبق الأمر نفسه على كل سلسلة من هذه السلاسل: يجب أن يتطابق المستشعر والتقييم والمعايرة مع قيمة العملية المطلوب إثباتها. تتوفّر أداة مساعدة للاختيار بحسب مهمة القياس في الفئة أجهزة قياس الأشعة فوق البنفسجية، كما يوضَّح الفرق بين فئات الأجهزة في صفحة مقياس الإشعاع الطيفي أو مقياس الإشعاع واسع النطاق.

ما هي الكمية التي ينبغي رصدها في نظام الأشعة فوق البنفسجية؟
بالدرجة الأولى شدة الإشعاع الساقط بوحدة W/m² عند النقطة التي يمكن الوصول إليها الأقرب إلى العملية، ومنها تُشتق الجرعة الإشعاعية كتكامل زمني بوحدة J/m². للتحويل: 10 W/m² تعادل 1 mW/cm². وتنتمي إلى جانبها درجة حرارة المستشعر ودرجة حرارة المصدر. يجب تحديد نافذة العملية ببعدين، بحد أدنى وحد أقصى لكلتا الكميتين. أما القدرة الكهربائية للمصباح فليست كمية مقاسة للعملية.

أين يُجرى القياس ضمن العملية؟
على مستوى القطعة أو العيّنة، حيث تجري العملية فعلياً - وليس في الشعاع الحر ولا عند مبيت المصباح. تتطلّب المصادر الممتدة والمساحية بصريات إدخال ذات تصحيح جيب التمام، وإلا فإن الإشعاع الساقط بزاوية مائلة يُقدَّر بأقل من قيمته الحقيقية. أما في حالة المصادر النقطية والبؤرية فإن شدة الإشعاع الساقط تتغيّر بقوة مع المسافة؛ وكقاعدة عامة ينبغي أن تكون مسافة القياس على الأقل 10 أضعاف أكبر بُعد للمساحة الباعثة.

ما مدى ارتفاع شدة الإشعاع الساقط لنظام الأشعة فوق البنفسجية مقارنة بالشمس؟
المرجع هو الشمس عند سطح الأرض: في ظل الظروف المثلى نحو 1,000 W/m² من الإشعاع الكلي، منها نحو 62 W/m² في نطاق UVA و5.6 W/m² في نطاق UVB. لذا فإن حجرة اختبار UVA بقدرة 80 W/m² تبلغ 1.3 ضعف تلك القيمة، بينما تبلغ حجرة UVB بقدرة 50 W/m² تسعة أضعافها. وتصل أنظمة UV-LED إلى 8,000 W/m² وأكثر، أي نحو 130 ضعف الإشعاع الشمسي في نطاق UVA. أما في نطاق UVC فلا يمكن إجراء أي مقارنة، لأن الإشعاع دون 280 nm لا يصل إلى سطح الأرض. ويصاحب كل معامل من هذا القبيل بيانان إضافيان: النطاق الطيفي الذي يشير إليه ومستوى القياس الذي قيس فيه - فمن دون كليهما لا يمكن التحقق من صحة الرقم.

د. م. مارك بارافيا هو المدير الإداري لشركة Opsytec Dr. Gröbel GmbH في مدينة إتلينغن، ويرأس مختبر المعايرة المعتمَد. وبعد أبحاثه حول التفريغات الإكسايمرية النبضية بالزينون في معهد تقنية الإضاءة بجامعة KIT، ينصبّ تركيزه اليوم على قياس الإشعاع الضوئي. وهو نائب رئيس لجنة المواصفات الألمانية DIN، اللجنة الفرعية FNL 7 "الإشعاع الضوئي"، وعضو في فريق مشروع DVGW المعني بالتطهير باستخدام الأشعة فوق البنفسجية.