UVC-säteilyn mittaus ja valvonta 254 nm:ssä

Matalapainemerkuurilampun 253,7 nm:n viiva on keskeinen säteilylähde UV-vedenkäsittelyssä ja ilmanpuhdistuksessa. Referenssimittaus, laitoksen valvonta ja annoksen arviointi edellyttävät kukin erilaista anturikonseptia. Ratkaisevaa on spektrinen yhteensopivuus, mittausgeometria, pitkäaikaisstabiilius ja todelliseen lähteeseen sovitettu kalibrointi.

Tällä sivulla erotellaan kolme mittaustehtävää ja näytetään, mitä virheitä syntyy, kun anturi ja lähde eivät vastaa toisiaan.

UV-säteilyn itämistä tuhoava vaikutus riippuu aallonpituudesta. Se seuraa olennaisesti nukleiinihappojen absorptiota ja saavuttaa maksiminsa alueella 265 nm:n ympärillä. Matalapaine-elohopealampun päälinja sijaitsee kohdassa 253,7 nm ja siten lähellä tätä aluetta: se kattaa suuren osan vaikutuksesta olematta täsmälleen maksimissa.

Aallonpituus yksinään ei kuitenkaan ole ratkaiseva. Vaikutus syntyy aallonpituudesta, säteilyaltistuksesta – irradianssi kerrottuna ajalla – ja kyseisen mikro-organismin herkkyydestä. Se, että 254 nm:stä on tullut tekninen standardi, on siksi yhtä lailla käytännön kysymys: lähde toimii korkealla hyötysuhteella, sen spektri on kapea ja siten metrologisesti selkeästi arvioitavissa, läpäisy ilmassa ja vedessä on riittävä käytännössä merkityksellisillä matkoilla, ja normatiivinen perusta on kasvanut vuosikymmenten aikana.

Alla oleva kuva näyttää mitatun matalapaine-elohopealampun spektrin Opsytecin spektritietokannasta yhdessä Bacillus subtilis -itiöiden mikrobisidisen vaikutusspektrin kanssa (Cabaj et al. 2002, normalisoitu kohdassa 253,7 nm). 185 nm:n resonanssiviiva on piirretty skemaattisesti, koska se sijaitsee mitatun alueen ulkopuolella.

Matalapaine-elohopealamppu on kaasupurkaus kvartsiputkessa, joka sisältää elohopeapisaran ja käynnistyskaasun, tavallisesti argonin. Elohopeahöyryn paine on muutamia pascaleja, ja kokonaissisäpaine on jopa noin 10 mbar. Purkaus on voimakkaasti ei-terminen: elektronit saavuttavat muutamia elektronivoltteja, kun taas kaasu pysyy lähes kylmänä. Juuri tämä epätasapaino saa syötetyn tehon kulkeutumaan pääasiassa virittymiseen eikä lämpöön.

Elektronitörmäykset nostavat elohopea-atomeja resonanssitasoille; niiden purkautuminen perustilaan tuottaa kaksi resonanssiviivaa. Kohdassa 253,7 nm sijaitsee pääasiallinen emissioviiva ja siten germisidisesti käytetty osuus. Toinen viiva kohdassa 185 nm poistuu lampusta vain, jos vaipan materiaali läpäisee sen; ilmassa se muodostaa otsonia, ja sitä käytetään sovelluksesta riippuen joko tarkoituksellisesti hapetusprosesseihin tai se vaimennetaan seostetulla kvartsilasilla (yleiskatsaus elohopeahöyrylamppuun, saksaksi).

Koska molemmat viivat ovat resonanttisia, fotonit absorboituvat ja emittoituvat uudelleen toistuvasti plasman sisällä. Tämä säteilyn loukkuunjääminen sitoo hyötysuhteen suoraan elohopeahöyryn paineeseen ja siten seinämän lämpötilaan: kylmimmän seinämäkohdan optimi on noin 40 °C:ssa, ja sen ylä- ja alapuolella 254 nm:n teho laskee. Laitoksessa väliaineen lämpötila ja virtaus vaikuttavat siten suoraan säteilytehoon. Amalgaamilamput siirtävät tämän optimin korkeampiin lämpötiloihin ja mahdollistavat huomattavasti suuremmat tehotiheydet.

Käyttöiän aikana viivan sijainti pysyy vakaana, kun taas säteilyteho laskee. Mittauksen kannalta tämä on suotuisa tapaus: anturin spektripainotus pysyy voimassa, ja vain amplitudi laskee. Keskipainelampuissa ja UVC-LEDeissä myös spektrijakauma muuttuu – tästä syntyy jäljempänä kuvattu yhteensopimattomuus.

Vaikutus tunnettiin ennen tekniikkaa. Vuonna 1877 Downes ja Blunt osoittivat, että auringonvalo estää bakteerien kasvua; vuonna 1903 Niels Ryberg Finsen sai Nobelin palkinnon valohoidosta. Sopiva lähde kehittyi rinnakkain: Leo Aronsia pidetään elohopeahöyrylampun keksijänä vuoden 1892 töiden perusteella, kvartsilasinen aurinkolamppu seurasi vuodesta 1905 alkaen, ja vuosina 1923–1934 elohopeapurkauslamppuja kaupallistettiin matala-, keski- ja korkeapaineversioina (yleiskatsaus elohopeahöyrylamppuun, saksaksi). Ensimmäinen juomaveden desinfiointiin tarkoitettu UV-laitos otettiin käyttöön Marseillessa jo vuonna 1910.

Vasta myöhemmin vaikutuksesta tuli mitattava ja vertailukelpoinen. Vuonna 1930 R. L. Gates julkaisi ensimmäisen järjestelmällisen tutkimuksen bakteereja tappavasta vaikutuksesta ja esitteli siten germisidisen vaikutusspektrin. 1980-luvulta lähtien seurasi normatiivinen ankkurointi juomavedenkäsittelyyn; Saksassa DVGW:n ohjeistus W 294 ja DIN 19294 määrittävät nykyään testauksen, laitosanturit ja vertailumittauksen.

Kehitys eteni siis kolmessa vaiheessa: biologinen havainto 19. vuosisadalla, hallittava lähde 20. vuosisadan ensimmäisellä puoliskolla sekä metrologinen ja normatiivinen varmistus sen jälkimmäisellä puoliskolla. Vasta kolmas vaihe tekee vaikutuksesta valvottavan menettelyn.

Suurin käyttöalue on juoma-, prosessi- ja jäteveden desinfiointi läpivirtausreaktoreissa, Saksassa laitosantureilla ja vertailumittauksella DVGW W 294:n ja DIN 19294-3:n mukaisesti. Tämän ohella tulevat ilman ja pintojen desinfiointi klinikoilla sekä elintarvike- ja lääketuotannossa, ilmanvaihtokanavissa ja puhdastiloissa, samoin kuin pakkausten, kuljettimien ja täyttölinjojen käsittely juoma- ja elintarviketeollisuudessa.

Jos 185 nm:n linja vapautetaan, mukaan tulee fotokemiallinen vaikutus: UV-hapetus ja TOC-pitoisuuden pienentäminen toimivat säteilytiellä muodostuvan otsonin ja siitä syntyvien radikaalien avulla. Vielä lyhytaaltoisempi, puhtaasti fotokemiallinen vaihtoehto kuvataan sivulla ksenonexcimer-lamppujen 172 nm VUV-säteilyn mittaaminen. Laboratoriossa 254 nm:n säteily toimii lopulta määriteltynä vertailuna, esimerkiksi annos-vastetutkimuksissa kollimoidun säteen kokoonpanossa. Vaikutus, menettelyt ja standardit esitetään kontekstissaan sovellussivulla UV-desinfiointi.

Kaikissa tapauksissa pätee sama suhde: merkitystä on todellisuudessa väliaineessa vaikuttavalla säteilyaltistuksella, ei lampun nimellistehon. Irradianssi, viipymäaika, virtaus ja transmissio määrittävät tuloksen yhdessä – siksi mittaus on osa menettelyä, ei sen lisävaruste.

• Vertailumittaus. Jäljitettävästi kalibroitu vertailuradiometri määrittää irradianssin määritellyssä sijainnissa, esimerkiksi laitosanturin tarkistamiseksi. Tässä ratkaisevaa on pieni mittausepävarmuus ja määritelty geometria.
• Laitosvalvonta. Kiinteästi asennettu anturi valvoo lähdettä jatkuvasti ja toimittaa signaalin ohjausjärjestelmään. Tässä ratkaisevaa on pitkäaikaisstabiilius, kestävyys väliaineelle ja puhdistukselle sekä sopiva liitäntä.
• Annoksen tai fluenssin arviointi. Väliaineeseen liittyvää säteilyaltistusta ei mitata suoraan, vaan se johdetaan irradianssista, viipymäajasta, virtauksesta ja väliaineen läpäisystä, tai se määritetään biodosimetrisesti.

Näitä kolmea tehtävää määritellään erikseen. Laitosanturi ei korvaa vertailumittausta, eikä vertailumittaus korvaa annosarviointia.

Anturi, joka on suunniteltu 254 nm:lle, on sovitettu matalapainelampun kapeaan viivaspektriin. Jos samaa anturia käytetään keskipainelampun tai UVC-LED:in kanssa, se arvioi erilaisen spektrin herkkyyskäyrällä, jota ei ole tarkoitettu siihen. Tuloksena on systemaattinen poikkeama, joka voidaan korjata vain lähdekohtaisella korjauskertoimella.

Spektri muuttuu myös käyttöiän kuluessa yhden lähdetyypin sisällä. Matalapainelampuissa viivan sijainti pysyy vakaana, kun teho laskee; keskipainelampuissa ja LED-lampuissa myös spektrinen jakauma muuttuu. Näin ollen lähdetyyppejä vertailevat tai vaihtavat tarvitsevat spektrisesti erotellun vertailuarvon.

Läpivirtausreaktoreissa anturi mittaa määritetyssä asennuskohdassa anturi-ikkunan läpi. Mitattu suure ei ole väliaineeseen kohdistuva säteilyaltistus, vaan siihen laitossuunnittelun kautta kytköksissä oleva signaali. Ikkunan likaantuminen, lähteen vanheneminen ja väliaineen läpäisevyys vaikuttavat tähän signaaliin eri tavoin – tästä syystä anturin sijainti, kalibrointi ja arviointisääntö on määriteltävä yhdessä.

Laboratoriossa kollimoidun säteen mittausjärjestelyt mahdollistavat näytteen määritetyn, lähes rinnakkaisen säteilytyksen ja siten luotettavan annos-vasteyhteyden. Siirto reaktoriin tehdään validoinnin, ei yksittäisen lukeman avulla. Menettely on kuvattu sivulla UV-reaktorin validointi.

• UVC-mittari – kaikki UVC-mittarit ja -anturit vertailussa.
• DVGW-vertailuradiometri – vertailumittaus juomavesilaitoksissa standardin DIN 19294-3 mukaisesti.
• UVC-SE ja UVx-SE – paineenkestävät anturit laitoksen pysyvään valvontaan.
• RMD Pro UVC-anturilla – käsimittaus lampuille, kammioille ja pinnoille.
• SR900 – spektrisesti erotettu vertailu, kun lähdetyyppejä verrataan tai spektri on tuntematon.

Kaikki mittausketjut kalibroidaan jäljitettävästi akkreditoidussa kalibrointilaboratoriossa. Sovellussivu UV-desinfiointi asettaa mittauksen vaikutuksen, prosessin ja standardien kontekstiin.

Dr.-Ing. Mark Paravia on Opsytec Dr. Gröbel GmbH:n toimitusjohtaja Ettlingenissä ja johtaa yrityksen akkreditoitua kalibrointilaboratoriota. Tutkittuaan pulssitettuja ksenon-eksimeeripurkauksia KIT:n valaistustekniikan instituutissa hänen painopisteenään on nykyään optisen säteilyn mittaus. Hän toimii DIN-standardointikomitean FNL 7 "Optinen säteily" varapuheenjohtajana ja on jäsenenä DVGW:n UV-desinfiointia käsittelevässä projektiryhmässä.