UVC-mittari ja UVC-radiometri alueelle 200–280 nm

UVC-säteily desinfioi vettä, ilmaa ja pintoja, käynnistää fotokemiallisia prosesseja ja sitä käytetään tutkimuksessa virusten, bakteerien ja sienten inaktivointiin. Se, saavuttaako UVC-lähde vaaditun tehon ja ovatko lähellä olevat ihmiset suojassa, voidaan osoittaa vain kalibroidulla irradianssin mittauksella. Opsytecin UVC-mittarit kattavat spektrialueen 200–280 nm ja mittaavat irradianssia sekä – laitteesta riippuen – UVC-annosta lampuista, LEDeistä, kammioista ja järjestelmistä.

Neljä kysymystä ratkaisee, mikä laite sopii: Millainen spektri lähteellä on? Millaista irradianssia mittauspisteessä on odotettavissa? Millainen on mittausgeometria? Ja tarvitaanko hetkellisarvo, annos vai jatkuva seuranta?

UVC-irradianssin ja UVC-annoksen mittaaminen

Irradianssi (säteilyvoimakkuus) on pinnalle osuva säteilyteho, joka ilmoitetaan yksikössä W/m², mW/cm² tai µW/cm²; 1 mW/cm² vastaa 10 W/m². UVC-annos on irradianssin aikaintegraali – vakiolähteellä yksinkertaisesti irradianssi kerrottuna ajalla – ja se ilmoitetaan yksikössä J/m² tai mJ/cm². Vedendesinfioinnissa väliaineeseen viittaavaa suuretta kutsutaan fluenssiksi. Mikro-organismien inaktivoinnissa ratkaisee annos: arvolla 1 mW/cm² saavutetaan 10 mJ/cm² 10 sekunnissa.

Kaikki käsimittarit eivät määritä annosta itse. RM-12 näyttää hetkellisen irradianssin. RMD ja RMD Pro sekä RMD Touch integroivat irradianssin ajan yli ja näyttävät annoksen suoraan; RMD Pro ja RMD Touch tallentavat lisäksi mittaussarjoja CSV-tiedostoina. tinyTracker mittaa annoksen vain 10 mm korkeana dosimetrinä, joka kulkee tuotteen mukana laitteiston läpi.

UVC-mittaus 254 nm:ssä

Pienpainehg-lamput eli elohopeamatalapainelamput säteilevät suurimman osan UV-tehostaan yhtenä viivana 253,7 nm:ssä. Tämän viivan mittaaminen on UVC-radiometrian klassinen tehtävä: UVC-anturi aallonpituusalueelle 200–280 nm kalibroidaan matalapainelampulla ja mittaa tämän lähteen ilman spektristä korjausta. Kaikki tässä arvioidut tutkimukset – 0,065 mW/cm²:stä lähes kokonaan peitetyn putken takana aina 20 mW/cm²:iin UVC-salamassa – ovat yhden ainoan RMD:hen liitetyn UVC-anturin mittausalueella.

Keskipainelamput sen sijaan säteilevät laajaa spektriä, jossa on komponentteja UVC-, UVB- ja UVA-alueilla; 254 nm:ssä kalibroitu anturi näyttää tällöin järjestelmällisesti väärin. Miten 254 nm:n viiva syntyy ja mitkä mittaustehtävät on järjestelmissä pidettävä erillään, selitetään artikkelissa UVC-säteilyn mittaaminen ja valvonta 254 nm:ssä.

UVC-LEDien oikea mittaaminen

Puolijohdemateriaalista riippuen UVC-LEDit emittoivat tyypillisesti 265–280 nm:n alueella noin 10 nm:n kaistanleveydellä. Osa niiden emissiosta osuu siten juuri UVC-anturin suodatinreunalle 280 nm:ssä. 275 nm:n LEDillä anturi leikkaa pois pitkäaaltoisen reunan; 280 nm:ssä emissiohuippu on suoraan reunalla. Jo pienet huippuaallonpituuden siirtymät – LED-erien välillä tai käytön aikaisesta lämpenemisestä johtuen – muuttavat tällöin lukemaa enemmän kuin todellinen säteilyteho.

UVC-LEDeille Opsytec suosittelee siksi UVBB-anturia (230–400 nm), jonka spektrialue kattaa koko LEDin emission ja joka on kalibroitu huippuaallonpituudeltaan vastaavalla LEDillä. Pienpainelampuille UVC-anturi on edelleen oikea valinta. Kalibrointilaboratoriossa on kalibrointilähteinä eri aallonpituuksien UV-LEDejä. Kuinka suureksi virhe voi kasvaa sopimattomalla kalibroinnilla, esitetään artikkelissa UV-antureiden spektrinen epäsovitus.

Far-UVC 222 nm:ssä ja VUV 172 nm:ssä

Kryptonkloridi-eksimeerilamput (KrCl*) säteilevät 222 nm:ssä far-UVC-alueella 200–230 nm. Tämä aallonpituus on mikrobeja tuhoava, mutta tunkeutuu ihoon vain hyvin vähän – tämä on perusta käytölle tiloissa, joissa on ihmisiä, mitä ovat tutkineet muun muassa Buonanno ym. [2] ja Welch ym. [3]. Suodattamattomilla lampuilla on lisäksi toissijaisia emissioita pitempiaaltoisella UVC-alueella, jotka ovat ratkaisevia turvallisuusarvioinnin kannalta; sisäkäyttöön tarkoitetuissa far-UVC-valaisimissa on siksi suodatin.

UVC-anturi kattaa 222 nm:n spektrisesti, mutta se on tätä lamppityyppiä varten kalibroitava 222 nm:n lähteellä; 254 nm:ssä tehty kalibrointi antaisi järjestelmällisesti virheellisen kuvan KrCl-lampun irradianssista (säteilyvoimakkuudesta). Opsytecin kalibrointilaboratorio kalibroi siksi UVC-anturit 222 nm:n eksimeerilampulla. Vain spektrinen mittaus osoittaa, vaimentaako suodatin todella toissijaiset emissiot. Suodatettujen ja suodattamattomien KrCl-lamppujen mitatut spektrit ovat saatavilla UV-lamppujen spektritietokannassa.

Ksenon-eksimeerilamput (Xe₂*) 172 nm:ssä säteilevät tyhjiö-UV-alueella. Ilma absorboi tämän säteilyn muutaman millimetrin matkalla; suodattimella ja diffuusorilla varustetut UVC-anturit eivät havaitse sitä. Tätä varten on tinyTracker 172 nm, joka mittaa annoksen suojakaasussa suoraan substraatin kohdalla. Yksityiskohdat löytyvät sivulta Ksenon-eksimeerilamppujen 172 nm:n VUV-säteilyn mittaaminen.

Juomaveden UV-desinfiointi: DVGW-referenssiradiometri

Juomaveden desinfiointiin tarkoitetuissa UV-järjestelmissä, jotka ovat standardien DIN 19294-1 ja DVGW W 294-1 mukaisia, kiinteästi asennettu anturi valvoo irradianssia (säteilyvoimakkuutta). Referenssiradiometri tarkastaa tämän järjestelmäanturin säännöllisin väliajoin. Referenssiradiometrin vaatimukset määritellään matalapainejärjestelmien osalta standardissa DIN 19294-3 ja keskipainejärjestelmien osalta standardissa DIN 19294-4; Itävallassa sovelletaan standardia ÖNORM M 5873-1.

DVGW-anturi ei arvioi säteilyä koko UVC-alueelta, vaan kapeakaistaisesti 240–290 nm eli 253,7 nm:n viivan ympäriltä. DIN 19294-3 edellyttää tätä, jotta eri valmistajien järjestelmäradiometrit antavat samassa laitteistossa vertailukelpoisia arvoja. Anturi mittaa 200 W/m²:iin asti, sen vastaanottokulma on 160° ja sitä käytetään RMD Pro -laitteella. Keskipainejärjestelmiä varten on oma standardin DIN 19294-4 mukainen referenssianturi. Kaikki tiedot löytyvät sivulta DVGW-referenssiradiometri.

UVC-järjestelmien jatkuva valvonta

Käsimittarilla tehdään pistokoemittauksia. Kun järjestelmää on valvottava käytön aikana, kiinteästi asennettu anturi mittaa jatkuvasti ja välittää signaalinsa ohjausjärjestelmälle:

• UVC-SE – painevedenkestävä UVC-anturi (180–280 nm, jopa 1000 W/m²) integroidulla vahvistimella reaktoreihin ja märkäprosesseihin; lähtö 0–10 V, 4–20 mA tai 0–1 V.
• UVx-SE – vesitiivis anturi G 3/4″ -liitännällä, myös keskipainelampuille ja CIP-ympäristöihin, jopa 200 mW/cm².
• PLC.D – digitaaliset UV-anturit, joissa RS-485, RS-232 tai USB sekä kalibrointitila dataprotokollassa.
• PLC-anturit, joissa 4–20 mA, 0–10 V tai 0–2 V ohjausjärjestelmiä varten.

Asennettua anturia verrataan säännöllisin väliajoin kalibroituun käsimittariin samassa kohdassa, esimerkiksi viikoittain RMD Pro:lla.

Tilojen ja pintojen UVC-dekontaminaatio

Kun tiloja ja pintoja desinfioidaan liikuteltavilla UVC-laitteilla, annos riippuu voimakkaasti etäisyydestä ja suuntauksesta. Varjossa olevat tai säteilylähteestä kaukana sijaitsevat pinnat saavat moninkertaisesti vähemmän kuin suorassa näköyhteydessä olevat pinnat. Sairaalahuoneessa Lindblad ym. käyttivät RM-22-radiometriä, RMD:n edeltäjää, ja mittasivat sijainnista riippuen annoksia välillä 15,9–1 068 mJ/cm², mediaanin ollessa 266 mJ/cm² [4]. Siksi mittaukset tehdään niissä kohdissa, jotka on tarkoitus desinfioida – ei pelkästään säteilylähteessä.

Malayeri ym. ovat koonneet yhteen annokset, jotka vaaditaan tietyn logaritmisen vähenemän saavuttamiseksi bakteereilla, viruksilla, alkueläimillä ja levillä [1]. Tarvittava altistusaika saadaan mitatusta irradianssista (säteilyvoimakkuudesta) jakamalla annos irradianssilla. Ihmisten suojaamisesta UV-desinfioinnin aikana kerrotaan sivulla UV-desinfioinnin turvallisuus.

[1] Malayeri, A. H. ym.: Fluenssi (UV-annos), joka vaaditaan bakteerien, alkueläinten, virusten ja levien asteittaiseen logaritmiseen inaktivointiin, IUVA.
[2] Buonanno, M. ym.: 222 nm:n UV-valon germisidinen teho ja turvallisuus nisäkkään iholla. Radiat. Res. 187 (2017) 483–491, doi:10.1667/RR0010CC.1
[3] Welch, D. ym.: Far-UVC-valo: uusi keino hallita ilmateitse leviävien mikrobitautien leviämistä. Sci. Rep. 8 (2018), doi:10.1038/s41598-018-21058-w
[4] Lindblad, M. ym.: Sairaalahuoneen ultravioletti-C-dekontaminaatio: tarvittavan UV-valon määrä. Burns 46 (2020) 842–849, doi:10.1016/j.burns.2019.10.004

Missä UVC on mitattu – irradianssitasot tutkimuksissa

Kuinka paljon UVC-säteilyä saapuu sinne, missä desinfiointi tapahtuu? Tutkimuksissa, joissa käytettiin Opsytecin mittareita ja säteilytyskammioita, vaihteluväli ulottuu 0,065 mW/cm²:stä lähes kokonaan peitetyn putken takana aina 20 mW/cm²:iin UVC-salamassa – yli kolmesataakertainen ero. Suurin osa mittauspisteistä sijoittuu välille 0,3–15 mW/cm². Etäisyys, lamppujen lukumäärä sekä se, saapuuko säteily suoraan vai varjoon, ratkaisevat eron. Siksi mittaukset tehdään siellä, missä vaikutuksen on määrä syntyä.

Alemmassa päässä laite, jonka erotuskyky on 0,01 mW/cm², näyttää vain yhden tai kaksi numeroa; RMD erottelee 0,001 µW/cm².

Kalibroidut UVC-anturit akkreditoidusta laboratoriosta

UVC-mittauksen laatu riippuu anturin kalibroinnista – ja siitä, vastaako kalibrointilähde mitattavaa spektriä. Kaikki radiometrit ja anturit toimitetaan kalibroituina ja kansallisiin mittanormaaleihin jäljitettävinä. Opsytecin kalibrointilaboratorio on DAkkS:n akkreditoima DIN EN ISO/IEC 17025:n mukaisesti ja kalibroi antureita välillä 200–1000 nm irradianssialueella 0,2 µW/cm²:stä yli 10 W/cm²:iin. UVC-antureiden tyypillinen kalibrointiepävarmuus on 4,5–6,0 % (k = 2); käytössä tähän lisätään vielä spektrinen epäsovitus, lämpötila, vanheneminen ja geometria (Mittausepävarmuus UV-mittauksessa).

Vakioantureiden lisäksi tarjolla on ratkaisuja erityisiin mittaustehtäviin: XT-anturit erittäin suurille irradiansseille, UV-luotaimet vaikeasti saavutettaviin mittauspisteisiin ja asiakaskohtaiset mallit omiin geometrioihinne. UV-anturihaku ehdottaa oikeaa anturia sovelluksen ja aallonpituuden mukaan.

Voinko mitata UVC-mittarilla myös UVC-LEDejä?
Kyllä, mutta ei yhtä hyvin jokaisella anturilla. UVC-LEDien emissio aallonpituudella 265–280 nm ulottuu UVC-anturin suodatinreunaan 280 nm:ssä; pienetkin huippuaallonpituuden siirtymät vääristävät silloin lukemaa. UVC-LEDeille Opsytec suosittelee UVBB-anturia (230–400 nm), joka on kalibroitu aallonpituudeltaan vastaavalla LEDillä. Elohopeamatalapainelampuille aallonpituudella 254 nm oikea valinta on UVC-anturi.

Mikä UVC-mittari mittaa UVC-annoksen?
RMD, RMD Pro ja RMD Touch näyttävät annoksen yksikössä J/m² irradianssin ohella; RMD Pro ja RMD Touch tallentavat lisäksi mittaussarjat CSV-tiedostoina. tinyTracker mittaa annoksen litteänä dosimetrinä, joka kulkee laitteiston läpi. RM-12 näyttää vain hetkellisen irradianssin – annos on silloin irradianssi kerrottuna ajalla.

Voiko RMD mitata hyvin pientä UVC-irradianssia, kuten 0,2 µW/cm²?
Kyllä. Työturvallisuuteen tarkoitetulla UVC-anturilla (mittausalue 0–10 mW/cm²) RMD havaitsee luotettavasti noin 0,05 µW/cm²:stä alkavan irradianssin, esimerkiksi hajasäteilyn työpisteessä. Tällaisiin mittauksiin suosittelemme 2 s:n keskiarvostusaikaa, offset-säätöä ja jalustaa.

Mikä UVC-arvo on työturvallisuuden kannalta olennainen?
Keinotekoisen optisen säteilyn altistumisraja on tehollinen annos 30 J/m² päivässä, painotettuna vaikutusspektrillä S(λ). Koska UVC painottuu tällä alueella erityisen voimakkaasti, jo hyvin pienet irradianssitasot lähestyvät raja-arvoa työpäivän aikana. Siksi RMD:lle on olemassa oma, erittäin herkkä UVC-anturi alueella 0–10 mW/cm² työturvallisuuden osoittamiseen. Arviointi ja toimenpiteet: UV-desinfioinnin turvallisuus.

Soveltuuko RMD desinfiointikuljettimiin ja jatkuvatoimisiin laitteistoihin?
RMD Pro tallentaa mittausarvot ja soveltuu siksi periaatteessa kuljetinsovelluksiin. Matalan rakenteensa ansiosta kuitenkin tinyTracker, curelog tai spektrisesti mittaava UVpad sopivat yleensä paremmin, koska ne kulkevat tuotteen mukana laitteiston läpi.

mW/cm² vai W/m² – kumpi yksikkö on oikea?
Molemmat. 1 mW/cm² vastaa 10 W/m², 1 mJ/cm² vastaa 10 J/m². Desinfiointia koskevissa tutkimuksissa käytetään yleensä yksiköitä mW/cm² ja mJ/cm², vedendesinfioinnin standardeissa taas W/m² ja J/m². Radiometrialaskuri muuntaa yksiköt.

Miten UVC-radiometri eroaa yksinkertaisesta UV-mittarista?
Monet yksinkertaiset UV-mittarit on suunniteltu UVA-alueelle tai UV-indeksille, eivätkä ne havaitse UVC:tä lainkaan tai havaitsevat sen vain epätarkasti. UVC-radiometri tarvitsee anturin, jonka spektrialue on 200–280 nm, kosinikorjauksen vinosti tulevalle säteilylle sekä kalibroinnin spektriltään vastaavalla lähteellä – dokumentoituna kalibrointitodistuksella.

Kuinka usein UVC-mittari on kalibroitava?
Yleisesti määrättyä väliä ei ole. Kahdentoista kuukauden väli on monille UV-mittareille käytännöllinen lähtökohta, joka vahvistetaan tai sitä säädetään oman mittaushistorian perusteella. Tiheä käyttö, suuret annokset, lämpö ja likaantuminen puoltavat lyhyempää väliä. Lisää aiheesta kohdassa UV-mittalaitteiden kalibrointiväli.