Radiometriset suureet symboleineen ja yksikköineen

Radiometriset suureet kuvaavat sähkömagneettista säteilyä energeettisin termein, riippumatta silmän herkkyydestä – teknisessä käytössä ennen kaikkea UV- ja IR-säteilyä. Neljä perussuuretta ovat säteilyteho Φ watteina, irradianssi E yksikössä W/m² tai mW/cm², radianssi L ja säteilyintensiteetti I. Ala tunnetaan radiometriana; silmän herkkyydellä painotetut vastineet ovat fotometriset suureet.

Radiometriset suureet ovat mitattuja suureita, jotka viittaavat sähkömagneettisen säteilyn kokonaismäärään. Teknisissä sovelluksissa tätä käytetään UV-säteilynä tai IR-säteilynä. Ala tunnetaan radiometriana. Säteily luokitellaan aallonpituuden mukaan.

Seuraava kaavio esittää neljä radiometristä suuretta. Taulukossa on kunkin suureen visuaalinen esitys, matemaattinen määritelmä, yksikkö ja lyhyt selitys.

1. Säteilyteho Φ
2. Irradianssi E
3. Radianssi L
4. Säteilyintensiteetti I

Ladattava taulukko: Radiometriset suureet ja yksiköt (XLSX) – muuntokertoimineen ja spektrialueineen standardin DIN/ISO 20473 mukaisesti. Silmän herkkyydellä painotetut vastineet on lueteltu kohdassa fotometriset suureet, väriin liittyvät kohdassa kolorimetriset suureet ja aluerajat kohdassa spektrialueet ja standardit. Kaikki suureet yhdessä – tunnuksineen, yksiköineen ja vastaavine laskureineen – löytyvät kohdasta optisten suureiden sanasto.

Säteilyteho

Säteilyteho, joka tunnetaan myös nimellä säteilyvoimakkuus, on säteilylähteen kaikkiin suuntiin lähettämän energian kokonaismäärä aikayksikköä kohti. Säteilytehon yksikkö on watti (W).

• Kaavatunnus: Φ
• Yksikkö: W
• Määritelmä: Säteilylähteen lähettämä kokonaissäteilyteho.

Esimerkki:

Tavallinen hehkulamppu, jonka ottoteho on 60 W, lähettää säteilytehona noin 57 W, ja loput häviävät lämpönä. Tämä 57 W jakautuu näkyvän valon ja infrapunaspektrin alueelle.

Säteilyteho mitataan integroivalla pallolla.

Irradianssi

Irradianssi on fysikaalinen suure, joka kuvaa pinnalle osuvan säteilyn tehotiheyttä. Se määritellään pintaelementtiin kohdistuvana säteilytehona pinta-alaa kohti. Irradianssin yksikkö on wattia per neliömetri (W/m²) tai milliwattia per neliösenttimetri (mW/cm²). UV-mittari soveltuu irradianssin mittaamiseen.

• Kaavatunnus: E
• Yksikkö: W/m², mW/cm²
• Määritelmä: Pintaelementtiin kohdistuva säteilyteho suhteutettuna sen pinta-alaan.

Irradianssi kertoo, kuinka paljon säteilyenergiaa kohdistuu tiettyyn pintaan aikayksikköä kohti. Vinosti osuva säteily otetaan huomioon tulokulman kosinilla; mittauspäät ovat siksi kosinikorjattuja.
Vinkki: W/m²:n muuntaminen mW/cm²:ksi

Esimerkki:

Auringon keskimääräinen irradianssi maan pinnalla kirkkaana päivänä on noin 1000 W/m². Tämä tarkoittaa, että joka neliömetri maan pintaa vastaanottaa 1000 W säteilyä.

Irradianssi mitataan radiometrillä.

Luminanssi

Luminanssi on fysikaalinen suure, joka kuvaa säteilylähteen lähettämää säteilytehoa pinta-alayksikköä ja avaruuskulmayksikköä kohti. Se mitataan yksikössä wattia per neliömetri per steradiaani (W/(m²·sr)).

• Kaavatunnus: L
• Yksikkö: W/(sr m²)
• Määritelmä: Säteilytehon ja pintaelementin sekä avaruuskulman tulon osamäärä.

Luminanssi ottaa huomioon sekä säteilylähteen pinta-alan että avaruuskulman, jossa säteily lähetetään.

Esimerkki:

Auringolla on korkea luminanssi, koska se lähettää suuren määrän säteilyenergiaa avaruuteen suhteellisen pienelta pinta-alalta.

Säteilyintensiteetti

Säteilyintensiteetti on fysikaalinen suure, joka kuvaa säteilyvirtaa tiettyyn suuntaan avaruuskulmayksikköä kohti. Sitä käytetään ilmaisemaan säteilyn voimakkuutta tietyssä suunnassa. Säteilyintensiteetin yksikkö on wattia per steradiaani (W/sr).

• Kaavatunnus: I
• Yksikkö: W/sr
• Määritelmä: Määrätyssä suunnassa lähetetyn säteilytehon ja avaruuskulmaelementin osamäärä.

Säteilyintensiteetti kuvaa säteilylähteen tiettyyn suuntaan avaruuskulman sisällä lähettämän energian määrää. Se on mitta säteilytehon suuntariippuvuudesta.

Esimerkki:

LED-valon säteilyteho on 1 W, ja sen säteilyintensiteetti on 10 W/sr, jos se lähettää valoa 0,1 sr:n avaruuskulmaan. Tämä tarkoittaa, että lähetetty energia on voimakkaasti keskittynyt pieneen avaruuskulmaan.

Mitä eroa on irradianssilla ja annoksella?
Irradianssi E (W/m² tai mW/cm²) on hetkellinen teho pinta-alayksikköä kohti; säteilyaltistus – arkikielessä annos – on sen integraali ajan suhteen, H (J/m² tai mJ/cm²). Vakioirradianssilla H = E · t. Irradianssi määrittää, kuinka nopeasti annos saavutetaan; sen, syntyykö haluttu vaikutus, ratkaisee tavallisesti annos. Molemmat suureet kuuluvat siksi dokumentaatioon erikseen – pelkkä aika ei ole todiste.

Mikä erottaa fluenssin annoksesta?
Säteilyaltistus viittaa kiinteään, tasaiseen vastaanottopintaan ja painottaa vinosti tulevan säteilyn tulokulman kosinilla. Fluenssi sen sijaan viittaa kohteeseen, joka voi vastaanottaa säteilyä kaikista suunnista – esimerkiksi mikro-organismiin reaktorissa tai ilmakanavassa. Suunnatussa säteilykentässä ne vastaavat toisiaan; hajasäteilykentässä fluenssi voi olla huomattavasti suurempi kuin tasolta mitattu altistus. Missä tämä ero ratkaisee prosessin, esitetään kohdassa UV-desinfiointi.

Miksi lampun sähköinen teho ei ole mittasuure?
Otetun sähkötehon ja prosessikohdassa syntyvän vaikutuksen välillä ovat sähkö-optinen hyötysuhde, lähteen spektrinen jakauma, etäisyys ja tulokulma, ikkunoiden ja suojaholkkien läpäisy sekä likaantuminen ja vanheneminen. Mikään näistä ei pysy vakiona käyttöiän aikana. Tehotieto kuvaa siis lähteen käyttötilaa, ei tulosta työkappaleessa, organismissa tai näytteessä. Miten tästä saadaan luotettava prosessin vapautus laitoksessa, käsitellään kohdassa automaatio ja prosessi-integraatio.

Mikä erottaa irradianssin radianssista?
Irradianssi on vastaanottajan suure: se kuvaa, mitä pinnalle saapuu, suunnasta riippumatta. Radianssi on lähteen suure: se kuvaa, mitä lähde säteilee pinta-alayksikköä ja avaruuskulmaa kohti. Prosessin vapauttaminen riippuu irradianssista vaikutuskohdassa; laajojen lähteiden arviointi IEC 62471:n mukaan riippuu sen sijaan radianssista – katso työturvallisuus ja fotobiologinen turvallisuus.

Milloin laajakaistainen mittaus riittää ja milloin tarvitaan spektrinen mittaus?
Laajakaistainen mittaus riittää, jos lähde on tunnettu ja spektraalisesti vakaa ja anturi on kalibroitu juuri kyseistä lähdettä vastaan. Spektrinen mittaus tarvitaan, kun verrataan erilaisia lähdeteknologioita, spektri siirtyy vanhenemisen tai himmennyksen seurauksena, sovelletaan vaikutusspektriä tai kun useita spektrikaistoja on arvioitava erikseen. Taustalla oleva virhelähde on spektrinen yhteensopimattomuus.