Måling og overvågning af UVC-stråling ved 254 nm

253,7 nm-linjen fra lavtryks-kviksølvlamper er en central strålingskilde inden for UV-vand- og luftdesinfektion. Referencemåling, anlægsovervågning og dosisvurdering kræver hver især forskellige sensorkoncepter. Det afgørende er spektral tilpasning, målegeometri, langtidsstabilitet og en kalibrering, der passer til den reelle kilde.

Denne side skelner mellem de tre målingsopgaver og viser, hvilke fejl der opstår, når sensor og kilde ikke passer sammen.

Den germicide effekt af UV-stråling afhænger af bølgelængden. Den følger i det væsentlige absorptionen af nukleinsyrer og når sit maksimum i området omkring 265 nm. Hovedemissionslinjen for lavtrykskviksølvlampen ligger på 253,7 nm og dermed tæt på: den fanger en stor del af effekten uden at ligge nøjagtigt på maksimum.

Bølgelængden alene er dog ikke afgørende. Effekten er et resultat af bølgelængde, stråleeksponering – irradians gange tid – og den enkelte mikroorganismes følsomhed. At 254 nm er blevet den tekniske standard, er derfor lige så meget et praktisk spørgsmål: kilden arbejder med høj effektivitet, dens spektrum er smalt og dermed umiskendeligt at evaluere metrologisk, transmissionen i luft og vand er tilstrækkelig over praktisk relevante afstande, og det normative grundlag er vokset gennem årtier.

Figuren nedenfor viser det målte spektrum for en lavtrykskviksølvlampe fra Opsytecs spektraldatabase sammen med et mikrobicidt aktionsspektrum for sporer af Bacillus subtilis (Cabaj et al. 2002, normaliseret ved 253,7 nm). Resonanslinjen ved 185 nm er tegnet skematisk, da den ligger uden for det målte område.

Lavtrykskviksølvlampen er en gasudladning i et kvartsrør, der indeholder en dråbe kviksølv og en startgas, som regel argon. Kviksølvdamptrykket er nogle få pascal, det samlede indre tryk op til ca. 10 mbar. Udladningen er stærkt ikke-termisk: elektronerne når op på nogle få elektronvolt, mens gassen forbliver næsten kold. Det er netop denne ubalance, der får den tilførte effekt til hovedsageligt at gå til excitation frem for til varme.

Elektronsammenstød løfter kviksølvatomerne op til resonansniveauerne; deres henfald til grundtilstanden giver de to resonanslinjer. Ved 253,7 nm ligger hovedemissionslinjen og dermed den andel, der anvendes germicidt. Den anden linje ved 185 nm forlader kun lampen, hvis kappematerialet transmitterer den; i luft danner den ozon og bruges, afhængigt af anvendelsen, enten bevidst til oxidationsprocesser eller undertrykkes af doteret kvartsglas (oversigt over kviksølvdamplampen, på tysk).

Da begge linjer er resonante, bliver fotonerne gentagne gange absorberet og genudsendt inde i plasmaet. Denne strålingsindfangning knytter effektiviteten direkte til kviksølvdamptrykket og dermed til vægtemperaturen: optimum for det koldeste vægpunkt ligger omkring 40 °C, og både over og under dette falder 254 nm-udbyttet. I et anlæg påvirker medietemperatur og gennemstrømning derfor direkte den udsendte strålingseffekt. Amalgamlamper flytter dette optimum til højere temperaturer og muliggør betydeligt højere effekttætheder.

Over levetiden forbliver linjens position stabil, mens strålingseffekten falder. For måleteknikken er dette det gunstige tilfælde: sensorens spektrale vægtning forbliver gyldig, og kun amplituden falder. Ved mellemtrykslamper og UVC-LED'er ændres den spektrale fordeling også – hvilket er årsagen til den mismatch, der beskrives længere nede.

Effekten kom før teknologien. I 1877 viste Downes og Blunt, at sollys hæmmer bakterievækst; i 1903 fik Niels Ryberg Finsen Nobelprisen for lysterapi. Den tilhørende kilde opstod parallelt: Leo Arons betragtes som opfinderen af kviksølvdamplampen på baggrund af arbejde fra 1892, kvartsglas-sollampen fulgte fra 1905, og mellem 1923 og 1934 blev kviksølvudladningslamper kommercialiseret som lav-, mellem- og højtryksversioner (oversigt over kviksølvdamplampen, på tysk). Det første UV-anlæg til desinfektion af drikkevand blev sat i drift i Marseille allerede i 1910.

Først senere blev effekten målbar og sammenlignelig. I 1930 offentliggjorde R. L. Gates det første systematiske studie af den bakteriedræbende effekt og introducerede dermed det germicide aktionsspektrum. Fra 1980'erne og fremefter kom den normative forankring inden for drikkevandsbehandling; i Tyskland er det DVGW-regelsættet W 294 og DIN 19294, der i dag former testning, anlægssensorer og referencemåling.

Udviklingen forløb således i tre trin: biologisk observation i det 19. århundrede, en kontrollerbar kilde i første halvdel af det 20. århundrede og metrologisk samt normativ sikring i dets anden halvdel. Kun det tredje trin gør en effekt til en overvågelig procedure.

Det største anvendelsesområde er desinfektion af drikke-, proces- og spildevand i gennemstrømningsreaktorer, i Tyskland med anlægssensorer og referencemåling iht. DVGW W 294 og DIN 19294-3. Hertil kommer desinfektion af luft og overflader på klinikker og i fødevare- og lægemiddelproduktion, i ventilationskanaler og renrum samt behandling af emballage, transportbånd og aftapningslinjer i drikkevare- og fødevareindustrien.

Frigives 185 nm-linjen, tilføjes den fotokemiske effekt: UV-oxidation og TOC-reduktion arbejder med den ozon, der dannes i strålegangen, og de radikaler, der opstår heraf. Et endnu kortbølget, rent fotokemisk alternativ beskrives på siden måling af 172 nm VUV-stråling fra xenon-excimerlamper. I laboratoriet tjener 254 nm-stråling endelig som en defineret reference, f.eks. til dosis-respons-studier i en kollimeret strålesetup. Effekt, procedurer og standarder sættes i kontekst på applikationssiden UV-desinfektion.

I alle tilfælde gælder samme sammenhæng: det afgørende er den stråleeksponering, der reelt er virksom i mediet, ikke lampens nominelle effekt. Irradians, opholdstid, flow og transmission bestemmer resultatet sammen – hvorfor måling er en del af proceduren og ikke et tilbehør til den.

• Referencemåling. Et metrologisk sporbart kalibreret referenceradiometer bestemmer irradiansen på en defineret position, for eksempel for at kontrollere en anlægssensor. Her er det lav målingsusikkerhed og en defineret geometri, der er afgørende.
• Anlægsovervågning. En permanent installeret sensor overvåger kilden kontinuerligt og leverer et signal til styresystemet. Her er det langtidsstabilitet, modstandsdygtighed mod mediet og rengøring samt en passende grænseflade, der er afgørende.
• Dosis- eller fluensbestemmelse. Stråleeksponeringen relateret til mediet måles ikke direkte, men afledes af irradians, opholdstid, flow og mediets transmittans, eller bestemmes biodosimetrisk.

Disse tre opgaver defineres separat. En anlægssensor erstatter ikke en referencemåling, og en referencemåling erstatter ikke en dosisbestemmelse.

En sensor designet til 254 nm er tilpasset det smalle linjespektrum fra lavtrykslampen. Hvis den samme sensor anvendes på en mellemtrykslampe eller en UVC-LED, evaluerer den et andet spektrum med en responskurve, der ikke er beregnet til det. Resultatet er en systematisk afvigelse, som kun kan afhjælpes med en kildespecifik korrektionsfaktor.

Spektret ændrer sig også over levetiden inden for én type kilde. Hos lavtrykslamper forbliver linjepositionen stabil, mens output falder; hos mellemtrykslamper og LED'er ændres den spektrale fordeling også. Enhver, der sammenligner eller skifter kildetyper, har derfor brug for en spektralt opløst reference.

I gennemstrømningsreaktorer måler en sensor på en defineret monteringsposition gennem et sensorvindue. Det, der måles, er ikke stråleeksponeringen, der virker på mediet, men et signal, der er forbundet med den gennem anlæggets design. Tilsmudsning af vinduet, ældning af kilden og mediets transmittans påvirker dette signal forskelligt – derfor skal sensorposition, kalibrering og evalueringsregel defineres sammen.

I laboratoriet giver kollimerede stråleopstillinger mulighed for en defineret, næsten parallel bestråling af en prøve og dermed et pålideligt dosis-respons-forhold. Overførsel til reaktoren sker gennem validering, ikke gennem en enkelt måling. Proceduren er beskrevet på siden UV-reaktorvalidering.

• UVC-måler – alle UVC-målere og sensorer sammenlignet.
• DVGW referenceradiometer – referencemåling på drikkevandsanlæg iht. DIN 19294-3.
• UVC-SE og UVx-SE – trykfaste sensorer til permanent anlægsovervågning.
• RMD Pro med en UVC-sensor – håndholdt måling på lamper, kamre og overflader.
• SR900 – spektralt opløst reference, hvor kildetyper sammenlignes eller spektret er ukendt.

Alle målekæder kalibreres sporbart i det akkrediterede kalibreringslaboratorium. Anvendelsessiden UV-desinfektion sætter målingen i kontekst af effekt, proces og standarder.

Dr.-Ing. Mark Paravia er administrerende direktør for Opsytec Dr. Gröbel GmbH i Ettlingen og leder det akkrediterede kalibreringslaboratorium. Efter sin forskning i pulserende xenon-excimerudladninger ved Institute of Lighting Technology på KIT ligger hans fokus i dag på måling af optisk stråling. Han er næstformand for DIN-standardiseringsudvalget FNL 7 "Optical radiation" og medlem af DVGW's projektgruppe om UV-desinfektion.