Aallonpituus on ensimmäinen asia, joka kysytään UV-sovelluksesta – ja ensimmäinen paikka, jossa väärinkäsityksiä syntyy. 254 nm ja 265 nm eroavat toisistaan yksitoista nanometriä ja tulevat täysin eri lähteistä; 395 nm ja 405 nm ovat toisistaan vieläkin lähempänä, mutta silti toinen kuuluu UVA-alueeseen ja toinen jo näkyvän valon alueeseen. Tämä selain sijoittaa minkä tahansa aallonpituuden välille 150–800 nm ja antaa suureet, jotka esiintyvät tietolehdissä ja standardeissa.
Toinen osa asettaa yleiset aallonpituudet rinnakkain. Kiinnostava sarake siinä on fotonia per joule: se selittää, miksi prosessivapautusta ei voida yksinkertaisesti siirtää aallonpituudesta toiseen. Fotokemiallinen reaktio reagoi absorboituneisiin fotoneihin, ei jouleihin – ja samalla annoksella 405 nm tuottaa noin 60 % enemmän fotoneja kuin 254 nm.
Se, mikä aallonpituus on oikea, ratkaistaan viime kädessä aineen absorptiospektrin perusteella, ei fotonimäärän perusteella yksin. Ja se, kuinka paljon irradianssia todellisuudessa saapuu, ratkaistaan mittauksella. Opsytec Dr. Gröbel GmbH kehittää, valmistaa ja kalibroi tarvittavat anturit, radiometrit ja spektroradiometrit omassa akkreditoidussa laboratoriossaan.
Aallonpituuden, taajuuden, aaltoluvun ja fotonienergian väliset muunnokset pätevät tyhjiössä; väliaineessa, jonka taitekerroin on n, aallonpituus ja etenemisnopeus muuttuvat, kun taas taajuus ja fotonienergia eivät muutu. Spektrialueet määräytyvät standardin CIE S 017 (ILV) mukaan; aiemmin käytetty DIN 5031-7 on kumottu. Mainitut lähteet ja sovellukset ovat tyypillisiä esimerkkejä, ei kattava luettelo; ne eivät korvaa järjestelmäsuunnittelua eivätkä riskinarviointia. Ratkaisevaa on mittaus kalibroiduilla laitteilla.
Perusteet
Aallonpituus, taajuus, aaltoluku ja fotonienergia kuvaavat samaa säteilyä neljästä näkökulmasta, ja ne muuntuvat toisikseen ilman muita tietoja. Suhteet ovat ν = c / λ, σ = 1 / λ ja E = h · c / λ; kun aallonpituus ilmaistaan nanometreinä, viimeinen lyhenee muotoon E[eV] = 1239,842 / λ[nm]. Aaltoluku yksikössä cm⁻¹ on spektroskopiassa vakiintunut, koska se on suoraan verrannollinen energiaan – toisin kuin aallonpituus. Molaarinen fotonienergia yksikössä kJ/mol yhdistää säteilyn reaktioentalpioihin ja kertoo, kykeneekö se ylipäätään katkaisemaan annetun sidoksen.
DIN 5031-7:n mukaan UVC ulottuu 100:sta 280 nm:iin, UVB 280:stä 315 nm:iin ja UVA 315:stä 400 nm:iin.
| Alue | Aallonpituus | Tyypilliset lähteet |
|---|---|---|
| VUV | 100–200 nm | ksenon-eksimeeri 172 nm |
| UVC | 200–280 nm | matalapaine-elohopealamppu 254 nm, KrCl 222 nm, UVC-LEDit 265 ja 280 nm |
| UVB | 280–315 nm | XeCl-eksimeeri 308 nm, UVB-loistelamput 311 nm |
| UVA | 315–400 nm | UVA-loistelamput 340 nm, UVA-LEDit 365–395 nm |
| VIS | 380–780 nm | violetit ja siniset LEDit 405 nm:stä alkaen |
Aallonpituuksilla 380–400 nm UVA ja näkyvä alue menevät päällekkäin — standardi kohdistaa tämän osan molempiin. Säteily on tällä alueella havaittavissa heikkona violettina, ja se luokitellaan edelleen UVA-säteilyksi. Tästä syystä 405 nm:n lähdettä kutsutaan UV-lähteeksi tai valonlähteeksi näkökulmasta riippuen.
Annos on energiaa pinta-alayksikköä kohti. Jaettuna yksittäisen fotonin energialla saadaan fotonien määrä pinta-alayksikköä kohti — ja juuri siihen fotokemia ja fotobiologia reagoivat. Koska fotonin energia pienenee aallonpituuden kasvaessa, samassa annoksessa on enemmän fotoneja pidemmillä aallonpituuksilla. Aallonpituudella 254 nm fotoneja on noin 1,28 · 10¹⁸ per joule, aallonpituudella 405 nm noin 2,04 · 10¹⁸. Kun järjestelmä muutetaan elohopealampusta UVA-LEDeihin, muuttuu spektrin lisäksi myös energian ja fotonien suhde.
Aallonpituus yksinään ei kerro mitään siitä, toimiiko sovellus. Ratkaisevaa on, absorboiko aine kyseisellä aallonpituudella: UVA-alueella absorboiva valoinitiaattori reagoi 365 nm:iin ja pysyy pitkälti vaikuttumattomana 254 nm:ssä, vaikka yksittäiset fotonit kantavat siellä enemmän energiaa. Aallonpituuden sijoittaminen ei myöskään korvaa turvallisuusarviointia — vaara riippuu vaikutusspektristä, ei alueen nimestä.
Usein kysytyt kysymykset
DIN 5031-7:n mukaan: UVC 100–280 nm, UVB 280–315 nm, UVA 315–400 nm. Näkyvä alue alkaa jo 380 nm:stä ja on siis päällekkäinen UVA-alueen yläosan kanssa. Muissa säännöstöissä raja UVA:n ja näkyvän valon välillä asetetaan 400 nm:iin — rajatapauksissa kannattaa tarkistaa, mitä standardia sovelletaan. Lisätietoa kohdassa spektrialueet ja standardit.
Kaavalla E[eV] = 1239,842 / λ[nm]. 254 nm antaa 4,88 eV, 365 nm 3,40 eV, 405 nm 3,06 eV. Luku on Planckin vakion ja valon nopeuden tulo jaettuna alkeisvarauksella.
Aaltoluku σ = 1/λ, ilmoitettuna yksikössä cm⁻¹, on suoraan verrannollinen energiaan. Spektroskopiassa kaistojen välinen etäisyys ilmoitetaan siksi aaltolukuina eikä nanometreinä: 4670 cm⁻¹:n ero tarkoittaa samaa energiaeroa kaikkialla, mutta 75 nm:n ero ei.
254 nm on matalapaine-elohopealampun resonanssiviiva – erittäin kapea viiva erittäin tehokkaasta lähteestä. 265 nm on lähempänä DNA:n absorptiomaksimia, ja sen tuottavat UVC-LEDit, joiden kaistanleveys on tyypillisesti 10–12 nm. Saman bakteereja tuhoavan vaikutuksen saavuttaminen vaatii siis erilaisia annoksia; niiden välillä muunnettaessa tarvitaan toimintaspektriä.
Ei ilman testausta. Fotoinitiaattorin on absorboitava uudella aallonpituudella, ja fotonien määrä joulea kohti muuttuu sen mukana. Käytännössä prosessin hyväksyntä on toistettava annosmittauksella työkappaleen kohdalla. Laskenta löytyy UV-annoslaskurista.
Alle 200 nm:n VUV-anturi typpihuuhtelulla; UVC-alueella spektrisesti painotettu anturi — DVGW-vaatimusten mukainen desinfiointijärjestelmiin; UVA-alueella UVA-anturi tai radiometri sopivalla mittapäällä; näkyvän valon alueella fotometri tai spektroradiometri. Selain nimeää sopivan ratkaisun kullekin aallonpituudelle; sen taustalla olevat suureet on selitetty kohdassa radiometriset suureet.
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 "Optinen säteily" varapuheenjohtajana ja on DVGW:n UV-desinfiointia käsittelevän projektiryhmän jäsen.
