Tämä radiometrinen yksikkömuunnin kokoaa yhteen UV- ja valonmittauksen tärkeimmät laskennat: irradianssin muuntamisen yksiköstä W/m² yksikköön mW/cm², säteilyaltistuksen (annoksen) muuntamisen yksiköstä J/m² yksikköön mJ/cm², fotonienergian ja fotonivuon laskennan aallonpituudesta, PPFD:n laskennan spektridatasta, UV-annoksen ja altistusajan, optisen tiheyden ja läpäisyn sekä valokuvausalan raja-etäisyyden käänteisen neliölain avulla. Jokainen laskuri laskee tuloksen reaaliaikaisesti ja selittää kaavansa esimerkin avulla.
Kaikki laskurit toimivat kokonaan selaimessanne – ei rekisteröitymistä, ei tiedonsiirtoa. Tyypillisiä käyttökohteita ovat UV-kovetus- ja desinfiointiprosessien suunnittelu, suojasuodattimien arviointi optisen tiheyden avulla, energeettisten ja fotonipohjaisten suureiden välinen muunnos kasvivalaistusta varten sekä irradianssin arviointi muutetulla työskentelyetäisyydellä.
Sitovat tulokset saadaan aina mittauksella, joka on tehty kalibroidulla radiometrilla tai spektroradiometrilla – molemmat Opsytec Dr. Gröbelin valmistamia ja kalibroimia omassa laboratoriossaan. Laskuri korvaa siten UV-laboratorion tyypilliset manuaaliset muunnokset: irradianssin muuntamisesta ja annoslaskennasta UVC-desinfiointia varten aina fotonivuon tiheyteen kasvivaloissa; kaikki vakiot noudattavat CODATA 2018 -standardia.
Yksittäiset laskurit selitettynä yksityiskohtaisesti
Näillä laskennoilla on oma sivunsa, jolla esitetään kaava, laskettu esimerkki, mallin rajoitukset ja usein kysytyt kysymykset:
- Laskekaa UV-annos – annos irradianssista ja ajasta
- Laskekaa UV-altistusaika – aika tavoiteannoksesta ja irradianssista
- Hihnan nopeus ja UV-annos – viipymäaika ja annos jatkuvatoimisissa prosesseissa
- Laskekaa transmissio ja optinen tiheys – OD, transmissio ja useat suodattimet
- Fotonienergia ja fotonivuo – aallonpituudesta jouleiksi ja elektronivolteiksi
Erillinen mutta liittyvä työkalu: UV-spektrin selain sijoittaa aallonpituuden spektrialueille ja asettaa yleiset UV-aallonpituudet rinnakkain.
Kaavat ja esimerkit kahdelletoista laskurille
Molemmat yksiköt kuvaavat samaa suuretta — irradianssia E (teho pinta-alaa kohti). Koska 1 m² = 10 000 cm² ja 1 W = 1000 mW:
Kaava: 1 W/m² = 0,1 mW/cm² · 1 mW/cm² = 10 W/m²
Esimerkki: UV-radiometri näyttää arvon 50 mW/cm² — se vastaa 500 W/m².
Säteilyaltistus H (annos) on energiaa pinta-alaa kohti. Muuntokerroin on sama kuin irradianssille:
Kaava: 1 J/m² = 0,1 mJ/cm² · 1 mJ/cm² = 10 J/m²
Esimerkki: Vaadittu desinfiointiannos 400 J/m² vastaa 40 mJ/cm².
Vakioirradianssissa annos kasvaa lineaarisesti ajan myötä — tämä on kaiken UV-prosessisuunnittelun perusta (kovetus, desinfiointi, vanheneminen):
Kaava: H = E · t · [mJ/cm²] = [mW/cm²] · [s]
Esimerkki: 50 mW/cm² 20 s ajan antaa 1000 mJ/cm² = 1 J/cm².
Annoskaavan käänteismuoto: kuinka pitkään on säteilytettävä vaaditun annoksen saavuttamiseksi?
Kaava: t = H / E
Esimerkki: 1000 mJ/cm² annos irradianssilla 50 mW/cm² vaatii 20 s; irradianssilla vain 10 mW/cm² se vaatii jo 100 s (1:40 min).
Yksittäisen fotonin energia määräytyy Planckin vakion h ja valon nopeuden c perusteella. Mitä lyhyempi aallonpituus, sitä energisempi fotoni — tästä syystä UV-säteily on kemiallisesti aggressiivisempaa kuin näkyvä valo.
Kaava: E = h·c / λ · E[eV] ≈ 1239,842 / λ[nm]
Esimerkki: 365 nm:n fotoni (UV-A) kantaa 5,44·10⁻¹⁹ J = 3,40 eV.
Säteilyteho jaettuna yhden fotonin energialla antaa lähteen sekunnissa emittoimien fotonien lukumäärän:
Kaava: N = P / E_Photon = P·λ / (h·c)
Esimerkki: 1000 mW aallonpituudella 365 nm vastaa 1,84·10¹⁸ fotonia/s ≈ 3,05 µmol/s.
Fotosynteettinen fotonivuon tiheys (PPFD) laskee fotonit, jotka osuvat yhteen neliömetriin sekunnissa aallonpituusalueella 400–700 nm. Se lasketaan spektrisestä irradianssista E(λ) integroimalla (puolisuunnikassäännöllä näytteiden yli; alueen 400–700 nm ulkopuoliset arvot jätetään huomiotta):
Kaava: PPFD = ∫ E(λ)·λ dλ / (h·c·N_A)
Esimerkki: Tasainen spektri, jonka arvo on 1 W/(m²·nm) alueella 400–700 nm (300 W/m² PAR), tuottaa ≈ 1379 µmol/(m²·s).
Optinen tiheys (absorbanssi) on transmission negatiivinen kymmenkantainen logaritmi. Jokainen OD-askel tarkoittaa kymmenkertaisesti vähemmän valoa, eli kerrointa 10:
Kaava: OD = −log₁₀(T) · T osuutena (10 % = 0,1)
Esimerkki: 10 % transmissio → OD 1; 1 % → OD 2; 0,1 % → OD 3.
Käänteinen tapaus: optisesta tiheydestä seuraa suodattimen tai näytteen läpäisevän valon osuus:
Kaava: T = 10^(−OD) · 100 %
Esimerkki: UV-suojalasit, joiden OD on 4 aallonpituudella 365 nm, läpäisevät säteilystä vain 0,01 %.
Kun valo kulkee useiden suodattimien, ikkunoiden tai linssien läpi, transmissiot kertautuvat — optiset tiheydet summautuvat:
Kaava: T_ges = T₁ · T₂ · … · T_n · OD_ges = OD₁ + OD₂ + …
Esimerkki: Kaksi ikkunaa, kummankin transmissio 90 %, ja suodatin, jonka transmissio on 50 %, antavat 0,9·0,9·0,5 = 40,5 % kokonaistransmission.
Fotometrinen rajaetäisyys on lyhin etäisyys, jonka jälkeen laajaa lampua voidaan käsitellä pistelähteenä — vasta silloin käänteisen neliölain (kortti alla) voidaan soveltaa. Valo- ja UV-metrologian nyrkkisääntönä (vrt. DIN 5032-1) käytetään kymmenkertaista suurinta valaisevaa mittaa; pistelähdeapproksimaation virhe pysyy silloin alle noin 1 %:n. Karkeisiin mittauksiin viisinkertainen etäisyys on usein riittävä (virhe muutama prosentti).
Kaava: d ≥ 10 · D
Esimerkki: LED-paneeli, jonka diagonaali on 200 mm, on fotometrisesti pistemäinen vasta etäisyydellä d = 2000 mm = 2 m.
Suunnilleen pistemäiselle lähteelle irradianssi pienenee etäisyyden neliön suhteessa. Approksimaatio pätee kaukokentässä — fotometrisen raja-etäisyyden ulkopuolella (katso yllä oleva kortti); pinta-alalähteiden lähellä E pienenee hitaammin.
Kaava: E₂ = E₁ · (d₁ / d₂)²
Esimerkki: 100 mW/cm² etäisyydellä 100 mm muuttuu 25 mW/cm²:ksi etäisyydellä 200 mm (kaksinkertainen etäisyys → neljäsosa).
Usein kysyttyjä kysymyksiä radiometriasta
1 W/m² vastaa 0,1 mW/cm², koska 1 m² = 10 000 cm² ja 1 W = 1000 mW. Lukema 500 W/m² vastaa siis 50 mW/cm². Yllä oleva muunnin toimii molempiin suuntiin — sama kerroin pätee myös annokseen (J/m² ↔ mJ/cm²).
Annos (säteilyaltistus) on irradianssin ja altistusajan tulo: H = E · t. 50 mW/cm² 20 s ajan antaa 1000 mJ/cm² = 1 J/cm². Vastaavasti tavoiteannoksen vaatima altistusaika saadaan kaavasta t = H / E.
Irradianssi on energeettinen suure yksikössä W/m²; PPFD laskee fotonit 400–700 nm:n välillä yksikössä µmol/(m²·s). Näiden välillä muunnettaessa tarvitaan spektri, koska fotonin energia riippuu sen aallonpituudesta — PPFD-laskin integroi tätä varten spektridatanne.
Valokuvausrajaetäisyyden ylittävällä etäisyydellä — nyrkkisääntönä kymmenen kertaa lampun suurin valaiseva mitta. Vasta silloin lähdettä voidaan käsitellä pistemäisenä; pistelähteen approksimaation virhe pysyy tällöin alle noin 1 %:ssa.
Kirjoittaja: Dr. Mark Paravia
Dr.-Ing. Mark Paravia on Opsytec Dr. Gröbel GmbH:n toimitusjohtaja Ettlingenissä ja johtaa akkreditoitua kalibrointilaboratoriota. Tutkittuaan pulssitettuja ksenoni-eksimeeripurkauksia KIT:n valaistustekniikan instituutissa hänen nykyinen painopisteensä on optisen säteilyn mittaustekniikassa. Hän toimii DIN-standardointikomitean FNL 7 "Optical Radiation" varapuheenjohtajana ja on DVGW:n UV-desinfiointia käsittelevän projektiryhmän jäsen.