גדלים רדיומטריים עם סימולים ויחידות

גדלים רדיומטריים מתארים קרינה אלקטרומגנטית במונחים אנרגטיים, באופן בלתי תלוי ברגישות העין – בשימוש טכני בעיקר קרינת UV וקרינת IR. ארבעת הגדלים הבסיסיים הם שטף קרינה Φ ביחידות ואט, עצמת קרינה נופלת E ביחידות W/m² או mW/cm², בהירות קרינה L ועוצמת קרינה I. התחום נקרא רדיומטריה; המקבילות המשוקללות לפי העין הן גדלים פוטומטריים.

גדלים רדיומטריים הם גדלים נמדדים המתייחסים לקרינה האלקטרומגנטית הכוללת. בשימושים טכניים, זה משמש כקרינת UV או קרינת IR. התחום נקרא רדיומטריה. הקרינה מסווגת בהתאם לאורך הגל של הקרינה.

התרשים הבא מציג את ארבעת הגדלים הרדיומטריים. הטבלה מכילה ייצוג חזותי, הגדרה מתמטית, יחידה והסבר קצר לכל גודל.

1. שטף קרינה Φ
2. עצמת קרינה נופלת E
3. בהירות קרינה L
4. עוצמת קרינה I

טבלה להורדה: גדלים ויחידות רדיומטריים (XLSX) – עם מקדמי המרה ותחומי הספקטרום בהתאם לתקן DIN/ISO 20473. המקבילות המשוקללות לעין מפורטות תחת גדלים פוטומטריים, אלו הקשורות לצבע תחת גדלים קולורימטריים, וגבולות הפסים תחת תחומי ספקטרום ותקנים. כל הגדלים יחד – עם סימון, יחידה ומחשבון מתאים – נמצאים במילון מונחים לגדלים אופטיים.

שטף קרינה

שטף קרינה, המכונה גם הספק קרינה, הוא כמות האנרגיה הכוללת הנפלטת ממקור קרינה לכל הכיוונים ביחידת זמן. יחידת שטף הקרינה היא הוואט (W).

• סימן הנוסחה: Φ
• יחידה: W
• הגדרה: הספק הקרינה הכולל הנפלט.

לדוגמה:

מנורת ליבון סטנדרטית בעלת הספק נצרך של 60 וואט פולטת כ-57 וואט כשטף קרינה, ושארית ההספק אובדת כחום. 57 וואט אלה מתפזרים על פני הספקטרום הנראה והאינפרא-אדום.

שטף הקרינה נמדד בכדור אינטגרציה.

עצמת קרינה נופלת

עצמת קרינה נופלת היא גודל פיזיקלי המתאר את צפיפות ההספק של הקרינה הפוגעת בשטח מסוים. היא מוגדרת כהספק הקרינה ליחידת שטח הפוגע באלמנט שטח מסוים. יחידת עצמת הקרינה הנופלת היא וואט למטר רבוע (W/m²) או מיליוואט לסנטימטר רבוע (mW/cm²). מד UV מתאים למדידת עצמת הקרינה הנופלת.

• סימן הנוסחה: E
• יחידה: W/m², mW/cm²
• הגדרה: הספק קרינה הפוגע באלמנט שטח, מיוחס לשטחו.

עצמת הקרינה הנופלת מציינת כמה אנרגיה בצורת קרינה פוגעת בשטח מסוים ביחידת זמן. קרינה הפוגעת באלכסון נחשבת לפי הקוסינוס של זווית הפגיעה; לכן ראשי מדידה מתוקנים לקוסינוס.
טיפ: המרת W/m² ל-mW/cm²

לדוגמה:

עצמת הקרינה הנופלת הממוצעת של השמש על פני כדור הארץ ביום נקי היא כ-1000 W/m². כלומר, כל מטר רבוע על פני כדור הארץ מקבל 1000 וואט של קרינה.

עצמת הקרינה הנופלת נמדדת באמצעות רדיומטר.

בהירות קרינה

בהירות קרינה היא גודל פיזיקלי המתאר את הספק הקרינה הנפלט ממקור קרינה ליחידת שטח וליחידת זווית מרחבית. היא נמדדת בוואט למטר רבוע לסטרדיאן (W/(m²·sr)).

• סימן הנוסחה: L
• יחידה: W/(sr m²)
• הגדרה: מנה של שטף הקרינה הנפלט ומכפלת אלמנט השטח וזווית המרחב.

בהירות הקרינה מביאה בחשבון גם את שטח מקור הקרינה וגם את זווית המרחב שבה נפלטת הקרינה.

לדוגמה:

לשמש בהירות קרינה גבוהה, מכיוון שהיא פולטת כמות גדולה של אנרגיית קרינה לחלל על פני שטח קטן יחסית.

עצמת קרינה כיוונית

עצמת קרינה כיוונית היא גודל פיזיקלי המתאר את זרימת הקרינה בכיוון מסוים ליחידת זווית מרחבית. היא משמשת לציון עוצמת הקרינה בכיוון ספציפי. יחידת עצמת הקרינה הכיוונית היא וואט לסטרדיאן (W/sr).

• סימן הנוסחה: I
• יחידה: W/sr
• הגדרה: מנה של שטף הקרינה הנפלט בכיוון מוגדר ואלמנט הזווית המרחבית.

עצמת הקרינה הכיוונית מתארת את כמות האנרגיה הנפלטת ממקור קרינה בכיוון מסוים בתוך זווית מרחבית. זהו מדד לתלות הכיוונית של ההספק הנפלט.

לדוגמה:

נורית LED בעלת שטף קרינה של 1 W תהיה בעלת עצמת קרינה כיוונית של 10 W/sr אם היא פולטת את האור בזווית מרחבית של 0.1 sr. כלומר, האנרגיה הנפלטת מרוכזת בצורה חזקה על זווית מרחבית קטנה.

מה ההבדל בין עצמת קרינה נופלת למנת קרינה?
עצמת הקרינה הנופלת E (W/m² או mW/cm²) היא ההספק הרגעי ליחידת שטח; החשיפה הקרינתית – הנקראת בפי העם מנת הקרינה – היא האינטגרל שלה לאורך זמן, H (J/m² או mJ/cm²). בעצמת קרינה קבועה, H = E · t. עצמת הקרינה קובעת כמה מהר מגיעים למנת הקרינה הרצויה; האם האפקט הרצוי מתרחש נקבע בדרך כלל על ידי מנת הקרינה. לכן שני הגדלים צריכים להופיע בתיעוד בנפרד – זמן בלבד אינו הוכחה.

מה ההבדל בין פלואנס (Fluence) למנת קרינה?
החשיפה הקרינתית מתייחסת למשטח קליטה שטוח וקבוע, ומשקללת קרינה הפוגעת באלכסון לפי קוסינוס זווית הפגיעה. לעומת זאת, הפלואנס מתייחס לגוף שיכול לקלוט קרינה מכל הכיוונים – למשל מיקרואורגניזם בתוך כור או בתעלת אוויר. בשדה קרינה מכוון שני הגדלים זהים; בשדה קרינה מפוזר הפלואנס יכול להיות גדול משמעותית מהחשיפה הנמדדת על מישור. היכן שההבדל הזה קובע את התהליך מוצג בחיטוי בקרינת UV.

מדוע הספק המנורה החשמלי אינו גודל מדיד?
בין ההספק החשמלי הנצרך לבין האפקט במקום התהליך נמצאים הנצילות האלקטרו-אופטית, ההתפלגות הספקטרלית של המקור, המרחק וזווית הפגיעה, השקיפות של חלונות ושרוולי הגנה, וכן זיהום והזדקנות. אף אחד מגורמים אלה אינו קבוע לאורך חיי המערכת. לכן דירוג ההספק מתאר את מצב ההפעלה של המקור, ולא את התוצאה על גבי החלק המעובד, האורגניזם או הדגימה. כיצד הופכים זאת לשחרור תהליך אמין במפעל מוסבר באוטומציה ואינטגרציית תהליכים.

מה ההבדל בין עצמת קרינה נופלת לבין בהירות קרינתית (Radiance)?
עצמת הקרינה הנופלת היא גודל של הקולט: היא מתארת מה מגיע אל משטח, ללא תלות בכיוון. הבהירות הקרינתית היא גודל של המקור: היא מתארת מה המקור פולט ליחידת שטח וזווית מרחבית. שחרור תהליך תלוי בעצמת הקרינה הנופלת בנקודת הפעולה; לעומת זאת, הערכת מקורות מוארכים לפי IEC 62471 תלויה בבהירות הקרינתית – ראו בטיחות תעסוקתית ובטיחות פוטוביולוגית.

מתי מדידה רחבת-פס מספיקה ומתי נדרשת מדידה ספקטרלית?
מדידה רחבת-פס מספיקה אם המקור ידוע ויציב מבחינה ספקטרלית והחיישן כויל מול אותו מקור עצמו. מדידה ספקטרלית נדרשת ברגע שמשווים בין טכנולוגיות מקור שונות, כאשר הספקטרום משתנה עקב הזדקנות או עמעום, כאשר יש להחיל ספקטרום פעולה, או כאשר יש להעריך מספר תחומים ספקטרליים בנפרד. השגיאה העומדת בבסיס הדבר היא אי-התאמה ספקטרלית.