UV-spektroradiometrit ja optiset spektrometrit

UV-spektroradiometrit ja optiset spektrometrit mittaavat säteilyn aallonpituuden mukaan eroteltuna. Näin voidaan arvioida UV-lähteen spektrijakaumaa, huipun sijaintia, kaistanleveyttä ja spektrin muutoksia. Absoluuttinen irradianssi (säteilyvoimakkuus) edellyttää lisäksi koko mittausketjun radiometrista kalibrointia. Valintaa ohjaavat ennen kaikkea aallonpituusalue, spektrinen erotuskyky, dynaaminen alue, hajavalon käyttäytyminen ja mittausgeometria.

Valikoimaan kuuluvat kannettavat UV-spektroradiometrit UVpad ja UVpad E sekä matriisispektrometri SR900 tutkimukseen, tuotekehitykseen ja laadunvarmistukseen. Myös kirjoitusasu spektroradiometri ja yleisnimitys spektrinen mittalaite ovat yleisiä – kyse on samasta laitteesta.

Kaikki kolme ovat absoluuttisesti kalibroituja; kalibrointi tehdään ISO 17025:n mukaan akkreditoidussa laboratoriossamme ja se on jäljitettävissä PTB:hen. Vastaavat suureet ja yksiköt esitellään kohdassa radiometriset suureet ja alueiden rajat kohdassa spektrialueet ja standardit.

Molemmat termit kuvaavat samaa optista rakennetta mutta kahta eri mittaustehtävää. Ero ei ole optiikassa vaan kalibroinnissa ja tulogeometriassa: spektrometri hajottaa valon ja antaa tulokseksi suhteellisen käyrän. Spektroradiometri on absoluuttisesti kalibroitu spektrometri – se antaa spektrisen irradianssin yksikössä W/(m²·nm) ja siitä edelleen arvot mW/cm², luksia tai PPFD.

Jos tarvitaan irradianssi (säteilyvoimakkuus) tai annos, tarvitaan spektroradiometri; kaikki muu mittaa suhteellisesti. Jokainen tämän luokan laite on spektroradiometri. Transmission ja UVT:n mittaamiseen prosessissa – mikä on fotometrinen eikä radiometrinen tehtävä – Opsytec tarjoaa prosessifotometrin ZPM.

Spektrometri tuottaa lukemia (counts) – lukuja, jotka riippuvat ilmaisimesta, integrointiajasta, tuloraosta ja valokuidusta. Ne kertovat, missä lähde säteilee, eivät sitä, kuinka paljon. Vain absoluuttinen kalibrointi standardia vasten antaa jokaiselle aallonpituudelle fysikaalisen arvon ja tekee käyrästä mittauksen.

Siihen tarvitaan kolme asiaa, eikä pelkällä spektrometrillä ole niistä yhtäkään:

• Jäljitettävä kalibrointi standardia vasten, joka itse palautuu kansalliseen instituuttiin – Opsytecilla PTB:hen. Ilman sitä arvo ei ole vertailukelpoinen, ei edes oman laitteenne viimevuotisten tulosten kanssa.
• Määritelty tulo-optiikka. Irradianssi (säteilyvoimakkuus) on tehoa pinta-alaa kohti, joten laitteen on kerättävä tunnettu pinta-ala kosinioikealla painotuksella. Valokuitu ilman diffuusoria ei tee sitä.
• Hajavalon korjaus. UV-C-alueella signaali on usein suuruusluokkia heikompi kuin näkyvällä alueella. Ilman korjausta se, mitä siellä mitataan, on pääosin laitteen sisäistä hajavaloa.

Laajakaistaradiometri mittaa nopeammin, maksaa vähemmän ja on päivittäisessä käytössä kestävämpi; se kuitenkin painottaa säteilyä omalla spektrisellä vasteellaan ja antaa oikean tuloksen vain, kun lähde muistuttaa kalibrointilähdettä. Tunnetun asennuksen jatkuvaan valvontaan se on edelleen oikea valinta – juuri siihen laajakaistaradiometrit prosessi- ja annostarkastuksiin on tarkoitettu.

Heti kun lähde muuttuu, useita aallonpituuksia on arvioitava erikseen tai on sovellettava vaikutusspektriä, spektriä ei voi kiertää. Molempien rakenteiden täydellinen rinnakkaisvertailu virhelähteineen esitetään kohdassa milloin spektroradiometri on tarpeen.

Ensimmäinen kysymys: tarvitaanko absoluuttinen arvo? Jos kyse on vain huipun sijainnista, FWHM:stä tai kahden erän vertailusta, suhteellinen mittaus riittää – spektrometri käy. Heti kun tuloksena on oltava luku yksikössä mW/cm², luksia tai J/cm², absoluuttista kalibrointia ei voi ohittaa.

Toinen kysymys: mikä aallonpituusalue? Pelkkä UV 440 nm:ään asti, UV ja näkyvän alueen alku 480 nm:ään asti vai koko optinen spektri 1100 nm:ään asti – se ratkaisee laitteen.

Kolmas kysymys: missä mittaus tehdään? Suljetusta kammiosta ei lähde kaapelia; siellä laitteen on mitattava ja tallennettava itsenäisesti. Työpisteessä tai käynnissä olevalla linjalla oikea ratkaisu on kaapelissa oleva anturipää. Optisella penkillä ratkaisevat mittausalue ja resoluutio, eivät mitat.

Viimeinen rivi ei ole ristiriita vaan käytännön yleisin vastaus: mittaa kerran spektrisesti ja valvo sen jälkeen laajakaistaisesti. Spektrinen mittaus osoittaa, kuinka paljon laajakaista-anturi poikkeaa tämän lähteen kohdalla; sen jälkeen nopea mittalaite riittää toistuviin tarkistuksiin – niin kauan kuin lähde pysyy samana. Kun lamppu vaihdetaan, ketju alkaa uudelleen.

Spektrometri jakaa valon aallonpituuksiinsa ja mittaa kunkin aallonpituuden intensiteetin. Ensin säteilytetään tulo-optiikka. Dispersiivinen elementti – prisma tai hila – erottaa aallonpituudet paikallisesti; fotodiodit tai CCD-rivit havaitsevat ne tämän jälkeen. Saatu spektri mahdollistaa johtopäätökset lampusta, LEDistä tai näytteestä.

Yleisin rakenne on Czerny-Turner-spektrometri: kaksi peiliä ja hila, jotka on sijoitettu siten, että optiset aberraatiot pysyvät pieninä ja spektrinen erotuskyky suurena. Rakenne on riittävän kompakti siirrettäviin laitteisiin ja pieniin laboratoriopöytiin.

On erotettava kolme rakennetta.

Matriisispektrometrit käyttävät ilmaisinriviä, tavallisesti CCD- tai CMOS-tyyppistä, joka tallentaa koko spektrin kerralla. Se tekee mittauksesta nopean eikä vaadi liikkuvia osia. Kaikki Opsytecin spektroradiometrit toimivat näin.

Monokromaattoreissa on rako ja kiertyvä hila, ja ne päästävät läpi yhden aallonpituuden kerrallaan. Ne mittaavat erittäin tarkasti ja suurella spektripuhtaudella, mutta vaativat aikaa – yksi aallonpituus toisensa jälkeen. Tyypillinen ratkaisu tutkimukseen ja laadunvalvontaan, joissa ratkaisevaa on aallonpituuden valinta.

Kaksoismonokromaattoreissa kaksi monokromaattoria on sijoitettu sarjaan. Se vähentää hajavaloa entisestään ja on tarpeen kaikkialla, missä hyvin heikot signaalit ovat voimakkaiden vieressä – UV-alueella ja suuren tarkkuuden laboratoriometrologiassa.

Yhdestä spektristä saadaan useita suureita:

• Valaistusvoimakkuus – fotometrisesti painotettu valon voimakkuus
• Korreloitu värilämpötila (CCT) – kuvaa, kuinka lämpimänä tai kylmänä valo näyttäytyy
• Värintoistoindeksit – kuinka tarkasti valonlähde toistaa värit
• CIE-värikoordinaatit – väripiste standardivariavaruudessa
• Spektrinen tehojakauma – kuinka energia jakautuu spektrin yli
• Huippuaallonpituus ja vallitseva aallonpituus – missä suurin ja visuaalisesti vallitseva energia sijaitsevat

Laajakaistainen radiometri antaa sen sijaan vain yhden yksittäisen lukuarvon.

Yksittäisten suureiden merkitys selitetään kohdassa kolorimetriset suureet; kaikkien optisten suureiden tunnus, yksikkö ja määritelmä löytyvät optisten suureiden sanastosta.

Sana spektrometri ulottuu paljon valon mittausta laajemmalle. Samassa haussa esiintyy säännöllisesti kolme laitetyyppiä, jotka mittaavat täysin eri asioita:

Massaspektrometrit erottelevat ionit niiden massa-varaussuhteen perusteella. Ne tunnistavat aineen pienimmätkin määrät, ja niitä käytetään kemiallisessa analytiikassa, biokemiassa, ympäristötieteessä ja lääketeollisuudessa.

Atomiabsorptiospektrometrit mittaavat, miten höyrystyneet metalliatomit absorboivat valoa, ja määrittävät siitä metallipitoisuudet liuoksessa – ympäristöanalytiikkaa, toksikologiaa ja materiaalitiedettä varten, ennen kaikkea raskasmetallien osalta.

Spektrofotometrit, joita kutsutaan usein UV-Vis-spektrometreiksi, mittaavat näytteen absorptiota tai transmissiota ja johtavat siitä pitoisuudet. Ne ovat laajalti käytössä kliinisessä diagnostiikassa, vesianalytiikassa ja elintarvikevalvonnassa. Transmission ja UVT:n mittaamiseen prosessissa Opsytec tarjoaa ZPM-prosessifotometrin.

Spektroradiometri sen sijaan mittaa spektristä irradianssia absoluuttiseen kalibrointiin perustuen. Sen tulo-optiikka on diffuusori, joka on yleensä liitetty valonjohtimella – kuten SR900-spektroradiometrissä.

Mikä erottaa spektrometrin spektroradiometristä?
Spektrometri antaa suhteellisia arvoja; spektroradiometri on absoluuttisesti kalibroitu ja antaa spektrisen irradianssin. Jokainen tämän ryhmän laite on spektroradiometri.

Minkä aallonpituusalueen ja resoluution tarvitsen?
Alueen on katettava emissio ja mahdolliset sivukaistat kokonaan – pelkkä UV 440 nm:iin asti, UV ja näkyvän alueen alku 480 nm:iin asti tai koko optinen spektri 1100 nm:iin asti. Resoluutio ratkaisee, erottuvatko lähellä toisiaan olevat piikit tai kapeat viivat vielä toisistaan.

Mitä mittausvirheitä ilmenee ryhmäspektrometreissä?
Ennen kaikkea hajavalo: osa voimakkaista aallonpituuksista näkyy siellä, minne se ei kuulu. UV-C-alueella signaali on usein suuruusluokkia heikompi kuin näkyvällä alueella – ilman hajavalokorjausta siellä mitataan pääasiassa laitteen omaa hajavaloa. Tähän lisätään vielä pimeävirta, epälineaarisuus ja lämpötilan aiheuttama poikkeama.

Mitä suureita spektristä voidaan laskea?
Spektrisestä irradianssista saadaan integroimalla ja painottamalla lähes mikä tahansa tunnusluku: irradianssi spektrialueittain, UV-annos, valaistusvoimakkuus V(λ):n avulla, PPFD sekä vaikutuspainotetut arvot, kuten IEC 62471:n mukaiset. Juuri tässä on etu verrattuna laajakaistaisiin radiometreihin prosessi- ja annostarkastuksissa.

Löytäkää oikea anturi: UV Sensor Finder ehdottaa kolme parhaiten sopivaa UV-anturia ja -mittaria sovelluksen, aallonpituuden ja muotoilun perusteella – mukana keskeiset arvot, järjestelmäkumppani ja perustelut.