Mesure et surveillance du rayonnement UVC à 254 nm

La raie à 253,7 nm des lampes à mercure basse pression est une source de rayonnement centrale dans la désinfection UV de l'eau et de l'air. La mesure de référence, la surveillance de l'installation et l'évaluation de la dose exigent chacune des concepts de capteur différents. Ce qui compte, ce sont la correspondance spectrale, la géométrie de mesure, la stabilité à long terme et un étalonnage adapté à la source réelle.

Cette page distingue les trois tâches de mesure et montre quelles erreurs surviennent lorsque le capteur et la source ne correspondent pas.

L'effet germicide du rayonnement UV dépend de la longueur d'onde. Il suit essentiellement l'absorption des acides nucléiques et atteint son maximum dans la région autour de 265 nm. La raie d'émission principale de la lampe à vapeur de mercure basse pression se situe à 253,7 nm et donc tout près : elle capte une grande partie de l'effet sans se situer exactement au maximum.

La longueur d'onde seule n'est cependant pas déterminante. L'effet résulte de la longueur d'onde, de l'exposition énergétique – éclairement énergétique multiplié par le temps – et de la sensibilité du micro-organisme concerné. Le fait que 254 nm soit devenu la référence technique tient donc tout autant à des considérations pratiques : la source fonctionne avec un rendement élevé, son spectre est étroit et donc sans ambiguïté à évaluer métrologiquement, la transmission dans l'air et dans l'eau est suffisante sur des trajets pertinents en pratique, et la base normative s'est développée sur plusieurs décennies.

La figure ci-dessous montre le spectre mesuré d'une lampe à vapeur de mercure basse pression provenant de la base de données spectrales d'Opsytec, avec un spectre d'action microbicide pour les spores de Bacillus subtilis (Cabaj et al. 2002, normalisé à 253,7 nm). La raie de résonance à 185 nm est représentée de façon schématique, car elle se situe hors de la plage mesurée.

La lampe à mercure basse pression est une décharge gazeuse dans un tube de quartz contenant une gouttelette de mercure et un gaz d'amorçage, généralement de l'argon. La pression de vapeur de mercure est de quelques pascals, la pression interne totale atteignant environ 10 mbar. La décharge est fortement non thermique : les électrons atteignent quelques électronvolts tandis que le gaz reste presque froid. C'est précisément ce déséquilibre qui fait que la puissance fournie est principalement convertie en excitation plutôt qu'en chaleur.

Les collisions électroniques portent les atomes de mercure vers les niveaux de résonance ; leur retour à l'état fondamental produit les deux raies de résonance. À 253,7 nm se situe la raie d'émission principale et donc la part utilisée à des fins germicides. La seconde raie, à 185 nm, ne sort de la lampe que si le matériau de l'enveloppe la transmet ; dans l'air, elle génère de l'ozone et est, selon l'application, soit délibérément exploitée pour des processus d'oxydation, soit supprimée par un verre de quartz dopé (aperçu de la lampe à vapeur de mercure, en allemand).

Étant donné que les deux raies sont résonnantes, les photons sont absorbés et réémis de manière répétée à l'intérieur du plasma. Ce piégeage du rayonnement lie directement le rendement à la pression de vapeur de mercure, et donc à la température de paroi : l'optimum du point le plus froid de la paroi se situe autour de 40 °C, et au-dessus comme en dessous, le rendement à 254 nm diminue. Dans une installation, la température et le débit du milieu agissent donc directement sur la puissance de rayonnement émise. Les lampes à amalgame déplacent cet optimum vers des températures plus élevées et permettent des densités de puissance nettement plus importantes.

Au cours de la durée de vie, la position de la raie reste stable tandis que la puissance de rayonnement diminue. Pour la mesure, c'est le cas favorable : la pondération spectrale du capteur reste valable et seule l'amplitude diminue. Avec les lampes à pression moyenne et les LED UVC, la distribution spectrale change également – d'où provient l'écart d'adéquation spectrale décrit plus bas.

L'effet a précédé la technologie. En 1877, Downes et Blunt ont montré que la lumière solaire inhibe la croissance bactérienne ; en 1903, Niels Ryberg Finsen a reçu le prix Nobel pour la photothérapie. La source correspondante est apparue en parallèle : Leo Arons est considéré comme l'inventeur de la lampe à vapeur de mercure sur la base de travaux de 1892, la lampe solaire en verre de quartz a suivi à partir de 1905, et entre 1923 et 1934 les lampes à décharge de mercure ont été commercialisées en versions basse, moyenne et haute pression (aperçu de la lampe à vapeur de mercure, en allemand). La première installation UV de désinfection de l'eau potable est entrée en service à Marseille dès 1910.

Ce n'est que plus tard que l'effet est devenu mesurable et comparable. En 1930, R. L. Gates a publié la première étude systématique de l'effet bactéricide et a ainsi introduit le spectre d'action germicide. À partir des années 1980 est venu l'ancrage normatif dans le traitement de l'eau potable ; en Allemagne, la règle technique DVGW W 294 et la norme DIN 19294 déterminent aujourd'hui les essais, les capteurs d'installation et la mesure de référence.

Le développement s'est donc déroulé en trois étapes : l'observation biologique au 19e siècle, une source maîtrisable dans la première moitié du 20e siècle, et l'assurance métrologique et normative dans sa seconde moitié. Seule la troisième étape transforme un effet en une procédure surveillable.

Le principal domaine d'application est la désinfection de l'eau potable, de process et des eaux usées dans des réacteurs à écoulement continu, en Allemagne avec des capteurs d'installation et une mesure de référence selon la DVGW W 294 et la DIN 19294-3. S'y ajoutent la désinfection de l'air et des surfaces dans les cliniques ainsi que dans la production alimentaire et pharmaceutique, dans les gaines de ventilation et les salles blanches, ainsi que le traitement des emballages, des convoyeurs et des lignes de remplissage dans l'industrie des boissons et de l'alimentation.

Si la raie à 185 nm est libérée, l'effet photochimique s'y ajoute : l'oxydation UV et la réduction du TOC fonctionnent grâce à l'ozone formé dans le trajet optique et aux radicaux qui en résultent. Une alternative purement photochimique, à longueur d'onde encore plus courte, est décrite sur la page mesure du rayonnement VUV à 172 nm des lampes excimères au xénon. En laboratoire, le rayonnement à 254 nm sert enfin de référence définie, par exemple pour des études dose-réponse dans un montage à faisceau collimaté. L'effet, les procédures et les normes sont replacés dans leur contexte sur la page d'application désinfection UV.

Dans tous les cas, la même relation s'applique : ce qui compte, c'est l'exposition énergétique réellement effective dans le milieu, et non la puissance nominale de la lampe. L'éclairement énergétique, le temps de séjour, le débit et la transmission déterminent ensemble le résultat – c'est pourquoi la mesure fait partie intégrante du procédé et n'en est pas un simple accessoire.

• Mesure de référence. Un radiomètre de référence étalonné de manière traçable détermine l'éclairement énergétique à une position définie, par exemple pour vérifier un capteur d'installation. Ici, ce qui compte, c'est une faible incertitude de mesure et une géométrie définie.
• Surveillance d'installation. Un capteur installé en permanence surveille la source en continu et fournit un signal au système de commande. Ici, ce qui compte, c'est la stabilité à long terme, la résistance au milieu et au nettoyage, ainsi qu'une interface adaptée.
• Évaluation de la dose ou de la fluence. L'exposition énergétique relative au milieu n'est pas mesurée directement, mais dérivée de l'éclairement énergétique, du temps de séjour, du débit et de la transmittance du milieu, ou déterminée par voie biodosimétrique.

Ces trois tâches sont définies séparément. Un capteur d'installation ne remplace pas une mesure de référence, et une mesure de référence ne remplace pas une évaluation de dose.

Un capteur conçu pour 254 nm est adapté au spectre de raies étroit de la lampe à basse pression. Si ce même capteur est utilisé sur une lampe à pression moyenne ou une LED UVC, il évalue un spectre différent avec une courbe de réponse qui ne lui est pas destinée. Il en résulte un écart systématique qui ne peut être corrigé qu'à l'aide d'un facteur de correction spécifique à la source.

Le spectre évolue également au cours de la durée de vie au sein d'un même type de source. Pour les lampes à basse pression, la position des raies reste stable tandis que la puissance diminue ; pour les lampes à pression moyenne et les LED, la répartition spectrale change également. Quiconque compare ou change de type de source a donc besoin d'une référence à résolution spectrale.

Dans les réacteurs à écoulement continu, un capteur mesure à une position de montage définie à travers une fenêtre de capteur. Ce qui est mesuré n'est pas l'exposition énergétique agissant sur le milieu, mais un signal qui y est lié par la conception de l'installation. L'encrassement de la fenêtre, le vieillissement de la source et la transmittance du milieu affectent ce signal de manière différente – c'est pourquoi la position du capteur, l'étalonnage et la règle d'évaluation doivent être définis ensemble.

En laboratoire, les montages à faisceau collimaté permettent une irradiation définie, quasi parallèle, d'un échantillon et donc une relation dose-réponse fiable. Le transfert vers le réacteur s'effectue par validation, et non par une simple lecture. La procédure est décrite sur la page Validation des réacteurs UV.

• Radiomètre UVC – tous les radiomètres et capteurs UVC comparés.
• Radiomètre de référence DVGW – mesure de référence sur les installations d'eau potable selon DIN 19294-3.
• UVC-SE et UVx-SE – capteurs étanches à la pression pour la surveillance permanente des installations.
• RMD Pro avec un capteur UVC – mesure portable sur les lampes, chambres et surfaces.
• SR900 – référence à résolution spectrale lorsque les types de sources sont comparés ou que le spectre est inconnu.

Toutes les chaînes de mesure sont étalonnées de manière traçable dans le laboratoire d'étalonnage accrédité. La page d'application désinfection UV replace la mesure dans le contexte de l'effet, du procédé et des normes.

Dr.-Ing. Mark Paravia est le directeur général d'Opsytec Dr. Gröbel GmbH à Ettlingen et dirige le laboratoire d'étalonnage accrédité. Après ses recherches sur les décharges excimères au xénon pulsé à l'Institut de technique d'éclairage du KIT, il se consacre aujourd'hui à la mesure du rayonnement optique. Il est vice-président du comité de normalisation DIN FNL 7 « Rayonnement optique » et membre du groupe de projet DVGW sur la désinfection UV.