ספקטרורדיומטרים ל-UV וספקטרומטרים אופטיים

ספקטרורדיומטרים ל-UV וספקטרומטרים אופטיים מודדים את הקרינה בפילוח לפי אורך גל. הדבר מאפשר להעריך את ההתפלגות הספקטרלית, מקום השיא, רוחב הפס והשינויים הספקטרליים של מקור UV. לקבלת עצמת קרינה נופלת מוחלטת נדרש בנוסף כיול רדיומטרי של כל שרשרת המדידה. הבחירה נקבעת בראש ובראשונה לפי תחום אורכי הגל, ההפרדה הספקטרלית, התחום הדינמי, התנהגות האור הפזור וגיאומטריית המדידה.

סל המוצרים כולל את הספקטרורדיומטרים הניידים ל-UV UVpad ו-UVpad E וכן את ספקטרומטר המערך SR900 למחקר, לפיתוח ולהבטחת איכות. נפוצים גם הכתיב ספקטרורדיומטר והמונח הכללי מכשיר מדידה ספקטרלי – הכוונה לאותו מכשיר עצמו.

שלושתם מכוילים באופן מוחלט; הכיול מתבצע במעבדה שלנו המוסמכת לפי ISO 17025 ובעל עקיבות מטרולוגית ל-PTB. הגדלים והיחידות הרלוונטיים מוצגים תחת גדלים רדיומטריים, וגבולות התחומים תחת תחומים ספקטרליים ותקנים.

שני המונחים מתארים אותו מבנה אופטי אך שתי משימות מדידה שונות. ההבדל אינו באופטיקה אלא בכיול ובגיאומטריית הכניסה: ספקטרומטר מפזר את האור ומספק עקומה יחסית. ספקטרורדיומטר הוא ספקטרומטר מכויל באופן מוחלט – הוא מספק עצמת קרינה ספקטרלית ביחידות W/(m²·nm) וממנה mW/cm², לוקס או PPFD.

מי שנדרש לעצמת קרינה נופלת או למנת קרינה זקוק לספקטרורדיומטר; כל השאר מודדים באופן יחסי. כל מכשיר בקטגוריה זו הוא ספקטרורדיומטר. למדידת העברה ו-UVT בתהליך – משימה פוטומטרית ולא רדיומטרית – Opsytec מציעה את פוטומטר התהליך ZPM.

ספקטרומטר מספק ספירות – מספרים התלויים בגלאי, בזמן האינטגרציה, בחריץ הכניסה ובמוליך האור. הם אומרים היכן המקור פולט, ולא כמה. רק כיול מוחלט מול תקן מייחס ערך פיזיקלי לכל אורך גל והופך את העקומה למדידה.

לשם כך דרושים שלושה דברים, ולספקטרומטר פשוט אין אף אחד מהם:

• כיול עם עקיבות מטרולוגית מול תקן שמתחקה בעצמו עד למכון לאומי – ב-Opsytec עד ל-PTB. בלעדיו הערך אינו בר-השוואה, אפילו לא מול המכשיר שלכם עצמו משנה שעברה.
• אופטיקת כניסה מוגדרת. עצמת קרינה נופלת (W/m²) היא הספק ליחידת שטח, ולכן על המכשיר לאסוף שטח ידוע עם שקלול נכון לפי חוק הקוסינוס. מוליך אור ללא מפזר אינו עושה זאת.
• תיקון אור פזור. בתחום ה-UVC האות חלש לעתים קרובות בסדרי גודל מאשר בתחום הנראה. ללא תיקון, מה שנמדד שם הוא ברובו אור פזור מתוך המכשיר עצמו.

רדיומטר רחב-פס מודד מהר יותר, עלותו נמוכה יותר והוא עמיד יותר בשימוש יומיומי; אך הוא משקלל את הקרינה לפי תגובתו הספקטרלית שלו, ולכן הוא מדויק רק כאשר המקור דומה למקור הכיול. לניטור רצוף של מתקן מוכר הוא נשאר הבחירה הנכונה – לכך נועדו רדיומטרים רחבי-פס לבדיקות תהליך ומנת קרינה.

ברגע שהמקור משתנה, שיש להעריך כמה אורכי גל בנפרד או שיש להחיל ספקטרום פעולה – אין דרך לעקוף את מדידת הספקטרום. ההשוואה המלאה בין שני העיצובים, כולל מקורות השגיאה שלהם, מוצגת תחת מתי נדרש ספקטרורדיומטר.

שאלה ראשונה: האם נדרש ערך מוחלט? אם מדובר רק במיקום השיא, ב-FWHM או בהשוואה בין שתי אצוות, די במדידה יחסית – ספקטרומטר יספיק. ברגע שנדרש ערך ב-mW/cm², בלוקס או ב-J/cm², אין דרך לעקוף כיול מוחלט.

שאלה שנייה: איזה תחום אורכי גל? UV בלבד עד 440 nm, UV בתוספת תחילת התחום הנראה עד 480 nm, או הספקטרום האופטי המלא עד 1,100 nm – זה מה שקובע את המכשיר.

שאלה שלישית: היכן מתבצעת המדידה? שום כבל אינו יוצא מתא סגור; שם על המכשיר למדוד ולאחסן באופן עצמאי. בעמדת העבודה או על קו ייצור פועל, ראש חיישן על כבל הוא הפתרון הנכון. על שולחן אופטי מה שקובע הוא התחום והרזולוציה, ולא הגודל.

השורה האחרונה אינה סתירה אלא התשובה הנפוצה ביותר בפועל: למדוד ספקטרלית פעם אחת, ולאחר מכן לנטר במדידה רחבת-פס. המדידה הספקטרלית קובעת את מידת הסטייה של החיישן רחב-הפס במקור זה; לאחר מכן המכשיר המהיר מספיק לבדיקות חוזרות – כל עוד המקור נשאר זהה. החליפו את המנורה, והשרשרת מתחילה מחדש.

ספקטרומטר מפצל את האור לאורכי הגל המרכיבים אותו ומודד את העצמה של כל אחד מהם. תחילה מוקרנת אופטיקת הכניסה. רכיב מפזר – מנסרה או סריג – מפריד את אורכי הגל במרחב; לאחר מכן פוטודיודות או מערכי CCD מגלים אותם. הספקטרום המתקבל מאפשר להסיק מסקנות על מנורה, על LED או על דגימה.

המבנה הנפוץ ביותר הוא ספקטרומטר Czerny-Turner: שתי מראות וסריג, המסודרים כך שהסטיות האופטיות נשארות קטנות וההפרדה הספקטרלית נשארת גבוהה. המבנה קומפקטי דיו עבור מכשירים ניידים ושולחנות מעבדה קטנים.

יש להבחין בין שלושה מבנים.

ספקטרומטרי מערך משתמשים בשורת גלאים, בדרך כלל CCD או CMOS, הקולטת את כל הספקטרום בבת אחת. כך המדידה מהירה ואין צורך בחלקים נעים. כל הספקטרורדיומטרים של Opsytec פועלים בדרך זו.

מונוכרומטורים כוללים סדק וסריג מסתובב ומעבירים אורך גל אחד בכל פעם. הם מודדים בדיוק רב ובטוהר ספקטרלי גבוה, אך נדרש להם זמן – אורך גל אחד אחרי השני. אופייני למחקר ולבקרת איכות שבהם בחירת אורך הגל היא העיקר.

מונוכרומטורים כפולים מציבים שני מונוכרומטורים בטור. הדבר מפחית עוד יותר את האור הפזור ונדרש בכל מקום שבו אותות חלשים מאוד נמצאים לצד אותות חזקים – בתחום ה-UV ובמטרולוגיית מעבדה בדיוק גבוה.

ספקטרום יחיד מספק כמה גדלים:

• עצמת הארה – עצמת האור המשוקללת פוטומטרית
• טמפרטורת צבע מתואמת (CCT) – מתארת עד כמה האור נראה חם או קר
• מדדי מסירת צבע – עד כמה מקור מוסר צבעים בנאמנות
• קואורדינטות צבע CIE – מיקום הצבע במרחב הצבע התקני
• התפלגות ההספק הספקטרלית – כיצד האנרגיה מתפלגת על פני הספקטרום
• אורך גל שיא ואורך גל דומיננטי – היכן נמצאת האנרגיה הגבוהה ביותר והיכן נמצאת האנרגיה הדומיננטית ויזואלית

רדיומטר רחב-סרט מספק לעומת זאת ערך מספרי יחיד בלבד.

משמעותם של הגדלים השונים מוסברת תחת גדלים קולורימטריים; הסימון, היחידה וההגדרה של כל גודל אופטי מופיעים במילון הגדלים האופטיים.

המילה ספקטרומטר חורגת בהרבה ממדידת אור. שלושה סוגי מכשירים מופיעים באופן קבוע באותה חיפוש ומודדים דברים שונים לחלוטין:

ספקטרומטרי מסות מפרידים יונים לפי יחס המסה למטען שלהם. הם מזהים כמויות זעירות של חומר ומשמשים בניתוח כימי, בביוכימיה, במדעי הסביבה ובתעשיית התרופות.

ספקטרומטרי בליעה אטומית מודדים כיצד אטומי מתכת מאודים בולעים אור, ומכך קובעים את ריכוזי המתכות בתמיסה – ניתוח סביבתי, טוקסיקולוגיה ומדע החומרים, בעיקר עבור מתכות כבדות.

ספקטרופוטומטרים, המכונים לעתים קרובות ספקטרומטרי UV-Vis, מודדים את הבליעה או ההעברה של הדגימה ומחשבים מכך ריכוזים. נפוצים באבחון קליני, בניתוח מים ובפיקוח על מזון. עבור העברה ו-UVT בתהליך, Opsytec מציעה את פוטומטר התהליך ZPM.

ספקטרורדיומטר, לעומת זאת, מודד עצמת קרינה ספקטרלית מול כיול מוחלט. אופטיקת הכניסה שלו היא מפזר, המחובר בדרך כלל דרך סיב אור – כמו בספקטרורדיומטר SR900.

מה מבדיל בין ספקטרומטר לספקטרורדיומטר?
ספקטרומטר מספק ערכים יחסיים; ספקטרורדיומטר מכויל באופן מוחלט ומספק עצמת קרינה ספקטרלית. כל מכשיר בקטגוריה זו הוא ספקטרורדיומטר.

איזה טווח אורכי גל ואיזו רזולוציה נדרשים לי?
הטווח חייב לכסות במלואו את הפליטה וכל פס משני – UV בלבד עד 440 nm, UV בתוספת תחילת התחום הנראה עד 480 nm, או הספקטרום האופטי המלא עד 1,100 nm. הרזולוציה קובעת אם שיאים הסמוכים זה לזה או קווים צרים עדיין מופרדים.

אילו שגיאות מדידה מתרחשות בספקטרומטרים מסוג מערך (array)?
בעיקר אור פזור: חלקים מאורכי גל חזקים מופיעים במקום שאינם שייכים אליו. בתחום ה-UV-C האות חלש לעתים קרובות בסדרי גודל מאשר בתחום הנראה – ללא תיקון אור פזור, מה שנמדד שם הוא בעיקר האור הפזור של המכשיר עצמו. לכך מתווספים זרם אפל, אי-לינאריות וסחיפה תרמית.

אילו גדלים ניתן לחשב מתוך ספקטרום?
עצמת קרינה ספקטרלית מניבה כמעט כל מדד באמצעות אינטגרציה ושקלול: עצמת קרינה נופלת (W/m²) לכל תחום ספקטרלי, מנת קרינה של UV, עצמת תאורה באמצעות V(λ), PPFD וערכים משוקללים לפי פונקציית פעולה כגון אלה שלפי IEC 62471. זהו בדיוק היתרון על פני רדיומטרים רחבי-פס לבדיקות תהליך ומנת קרינה.

מצאו את החיישן המתאים: מאתר חיישני UV מציע את שלושת חיישני ומדי ה-UV (על-סגול) המתאימים ביותר לפי יישום, אורך גל וצורת התקן – כולל ערכים עיקריים, רכיב המערכת המשלים ונימוקים.