Měření a monitorování UVC záření na 254 nm

Linie 253,7 nm nízkotlakých rtuťových výbojek je hlavním zdrojem záření při UV dezinfekci vody a vzduchu. Referenční měření, monitorování zařízení a stanovení dávky vyžadují odlišné koncepce senzorů. Rozhodující jsou spektrální shoda, geometrie měření, dlouhodobá stabilita a kalibrace odpovídající reálnému zdroji.

Tato stránka rozděluje tyto tři měřicí úlohy a ukazuje, jaké chyby vznikají, pokud senzor a zdroj neodpovídají jeden druhému.

Germicidní účinek UV záření závisí na vlnové délce. V zásadě sleduje absorpci nukleových kyselin a dosahuje svého maxima v oblasti kolem 265 nm. Hlavní emisní čára nízkotlaké rtuťové výbojky leží na 253,7 nm, tedy v její blízkosti: zachycuje velkou část účinku, aniž by ležela přesně v maximu.

Samotná vlnová délka však není rozhodující. Účinek vyplývá z vlnové délky, ozáření (dávky ozáření) – ozářenosti krát času – a citlivosti daného mikroorganismu. Skutečnost, že se 254 nm stalo technickým standardem, je tedy stejnou měrou i praktickou záležitostí: zdroj pracuje s vysokou účinností, jeho spektrum je úzké, a tedy jednoznačně metrologicky vyhodnotitelné, propustnost ve vzduchu a vodě je na prakticky relevantních drahách dostatečná a normativní základ se vyvíjel po celá desetiletí.

Obrázek níže ukazuje naměřené spektrum nízkotlaké rtuťové výbojky ze spektrální databáze Opsytec spolu s mikrobicidním akčním spektrem pro spory Bacillus subtilis (Cabaj et al. 2002, normalizováno na 253,7 nm). Rezonanční čára 185 nm je znázorněna schematicky, protože leží mimo měřený rozsah.

Nízkotlaká rtuťová výbojka je výbojem v plynu v křemenné trubici obsahující kapku rtuti a startovací plyn, obvykle argon. Tlak rtuťových par je několik pascalů, celkový vnitřní tlak dosahuje až přibližně 10 mbar. Výboj je silně nerovnovážný (netermální): elektrony dosahují energie několika elektronvoltů, zatímco plyn zůstává téměř chladný. Právě tato nerovnováha způsobuje, že dodávaný výkon směřuje především do excitace, nikoli do tepla.

Srážky elektronů převádějí atomy rtuti do rezonančních hladin; jejich přechod do základního stavu vytváří dvě rezonanční čáry. Na 253,7 nm leží hlavní emisní čára a tedy i germicidně využívaný podíl. Druhá čára na 185 nm opouští výbojku pouze tehdy, pokud ji materiál baňky propouští; ve vzduchu generuje ozon a podle aplikace je buď cíleně využívána pro oxidační procesy, nebo potlačena dopovaným křemenným sklem (přehled o rtuťové výbojce, v němčině).

Protože obě čáry jsou rezonanční, fotony jsou v plazmatu opakovaně absorbovány a znovu emitovány. Tento jev (radiation trapping) přímo váže účinnost na tlak rtuťových par a tím i na teplotu stěny: optimum nejchladnějšího místa stěny leží kolem 40 °C, a nad i pod touto hodnotou výkon na 254 nm klesá. V provozu tedy teplota média a proudění přímo ovlivňují vyzářený výkon záření. Amalgámové výbojky posouvají toto optimum k vyšším teplotám a umožňují podstatně vyšší hustoty výkonu.

Po celou dobu provozu zůstává poloha čáry stabilní, zatímco vyzářený výkon klesá. Pro měření je to výhodný případ: spektrální váhování senzoru zůstává platné a klesá pouze amplituda. U středotlakých výbojek a UVC LED se navíc mění i spektrální rozložení – a odtud pramení níže popsaný nesoulad (mismatch).

Účinek byl objeven dříve než technologie. V roce 1877 Downes a Blunt prokázali, že sluneční světlo potlačuje růst bakterií; v roce 1903 obdržel Niels Ryberg Finsen Nobelovu cenu za světelnou terapii. Souběžně vznikl i odpovídající zdroj: Leo Arons je na základě prací z roku 1892 považován za vynálezce rtuťové výbojky, od roku 1905 následovala horské slunce z křemenného skla a mezi lety 1923 a 1934 byly rtuťové výbojky komercializovány jako nízkotlaké, středotlaké a vysokotlaké verze (přehled rtuťové výbojky, v němčině). První UV zařízení pro dezinfekci pitné vody bylo uvedeno do provozu již v roce 1910 v Marseille.

Teprve později se účinek stal měřitelným a srovnatelným. V roce 1930 publikoval R. L. Gates první systematickou studii baktericidního účinku a zavedl tím germicidní akční spektrum. Od roku 1980 pak přišlo normativní zakotvení v úpravě pitné vody; v Německu dnes zkoušení, senzory zařízení a referenční měření určují pravidla praxe DVGW W 294 a DIN 19294.

Vývoj tak proběhl ve třech krocích: biologické pozorování v 19. století, řiditelný zdroj v první polovině 20. století a metrologické a normativní zajištění v jeho druhé polovině. Teprve třetí krok mění účinek na monitorovatelný postup.

Největší oblastí použití je dezinfekce pitné, procesní a odpadní vody v průtočných reaktorech, v Německu s provozními senzory a referenčním měřením podle DVGW W 294 a DIN 19294-3. K tomu se přidává dezinfekce vzduchu a povrchů v klinikách a při výrobě potravin a léčiv, ve vzduchotechnických potrubích a čistých prostorách, jakož i ošetření obalů, dopravníků a plnicích linek v nápojovém a potravinářském průmyslu.

Pokud je uvolněna linie 185 nm, přidává se fotochemický efekt: UV oxidace a redukce TOC pracují s ozonem vzniklým v dráze paprsku a radikály z něj vznikajícími. Ještě kratší vlnová, čistě fotochemická alternativa je popsána na stránce měření záření VUV o vlnové délce 172 nm z xenonových excimerových lamp. V laboratoři slouží záření 254 nm nakonec jako definovaná reference, například pro studie závislosti dávka–odezva v uspořádání s kolimovaným svazkem. Účinek, postupy a normy jsou uvedeny do souvislostí na stránce aplikace UV dezinfekce.

V každém případě platí stejný vztah: rozhodující je ozáření (dávka ozáření), které je skutečně účinné v médiu, nikoli jmenovitý výkon lampy. Ozářenost, doba zdržení, průtok a propustnost společně určují výsledek – proto je měření součástí postupu, a nikoli jeho doplňkem.

• Referenční měření. Metrologicky navázaný kalibrovaný referenční radiometr určuje ozářenost v definované poloze, například pro kontrolu senzoru na zařízení. Zde je rozhodující nízká nejistota měření a definovaná geometrie.
• Monitorování zařízení. Trvale instalovaný senzor nepřetržitě monitoruje zdroj a poskytuje signál řídicímu systému. Zde je rozhodující dlouhodobá stabilita, odolnost vůči médiu a čištění a vhodné rozhraní.
• Stanovení dávky nebo fluence. Ozáření vztažené k médiu se neměří přímo, ale odvozuje se z ozářenosti, doby zdržení, průtoku a transmitance média, nebo se stanovuje biodozimetricky.

Tyto tři úlohy jsou definovány samostatně. Senzor na zařízení nenahrazuje referenční měření a referenční měření nenahrazuje stanovení dávky.

Senzor navržený pro 254 nm je přizpůsoben úzkému čárovému spektru nízkotlaké lampy. Pokud je stejný senzor použit na středotlaké lampě nebo UVC LED, vyhodnocuje odlišné spektrum pomocí spektrální citlivosti, která pro něj není určena. Výsledkem je systematická odchylka, kterou lze napravit pouze pomocí korekčního faktoru specifického pro daný zdroj.

Spektrum se rovněž mění v průběhu životnosti u jednoho typu zdroje. U nízkotlakých lamp zůstává poloha čáry stabilní, zatímco výkon klesá; u středotlakých lamp a LED se navíc mění i spektrální rozložení. Kdokoli tedy porovnává nebo přechází mezi typy zdrojů, potřebuje spektrálně rozlišenou referenci.

V průtočných reaktorech snímá senzor signál v definované montážní poloze přes okénko senzoru. Neměří se ozáření (dávka ozáření) působící na médium, ale signál, který s ním souvisí prostřednictvím konstrukce zařízení. Znečištění okénka, stárnutí zdroje a transmitance média ovlivňují tento signál různým způsobem – proto je nutné společně definovat polohu senzoru, kalibraci a způsob vyhodnocení.

V laboratoři umožňují uspořádání s kolimovaným svazkem definované, téměř paralelní ozařování vzorku, a tím spolehlivý vztah mezi dávkou a odezvou. Přenos na reaktor se provádí validací, nikoli jediným odečtem. Postup je popsán na stránce Validace UV reaktoru.

• UVC měřicí přístroj – srovnání všech UVC měřicích přístrojů a senzorů.
• Referenční radiometr DVGW – referenční měření na zařízeních pro pitnou vodu podle DIN 19294-3.
• UVC-SE a UVx-SE – tlakotěsné senzory pro trvalé monitorování zařízení.
• RMD Pro s UVC senzorem – ruční měření na lampách, komorách a povrchách.
• SR900 – spektrálně rozlišená referenční hodnota při srovnávání typů zdrojů nebo při neznámém spektru.

Všechny měřicí řetězce jsou metrologicky navazatelně kalibrovány v akreditované kalibrační laboratoři. Stránka o aplikaci UV dezinfekce zasazuje měření do kontextu účinku, procesu a norem.

Dr.-Ing. Mark Paravia je jednatelem společnosti Opsytec Dr. Gröbel GmbH v Ettlingenu a vede akreditovanou kalibrační laboratoř. Po svém výzkumu pulzních xenonových excimerových výbojů na Institutu světelné techniky KIT se dnes zaměřuje na měření optického záření. Je místopředsedou normalizační komise DIN FNL 7 „Optické záření" a členem projektové skupiny DVGW pro UV dezinfekci.