כיצד פועלים חיישני UV: מבנה וטעויות מדידה

חיישן UV ממיר קרינה אופטית לאות חשמלי. הקריאה נובעת מהגלאי, המסנן, האופטיקה, האלקטרוניקה, הכיול וגאומטריית המדידה; לכן היא לעולם אינה תכונה של הגלאי בלבד. מה שחשוב להשוואתיות של מדידות UV הוא בעיקר הרגישות הספקטרלית, תגובת הקוסינוס, הטווח הדינמי, אור פזור והתאמה למקור הקרינה בפועל.

עמוד זה עוקב אחר מסלול האות ומראה היכן נוצרות טעויות מדידה לאורכו. רדיומטרים רחבי-פס וספקטרורדיומטרים משמשים כשני המבנים שבהם מקורות שגיאה שונים באים לידי ביטוי בצורה הברורה ביותר. שני המונחים נפוצים לתיאור התגובה הזוויתית: תיקון קוסינוס מתייחס לאמצעי שננקט בחיישן, ואילו תגובת הקוסינוס מתייחסת לתוצאה.

כל מדידת UV מתחילה בשאלה איזה גודל יש לקבוע. בפרקטיקה התעשייתית זהו כמעט תמיד עצמת קרינה נופלת E ב-W/m², עוצמת הקרינה המגיעה למשטח. כאשר משלבים אותה בזמן, עצמת הקרינה הנופלת הופכת לחשיפה קרינתית H ב-J/m², המכונה בפי כול "מנת קרינה" - הגודל הקובע גם בחיטוי UV בטוח וגם בהקשיה בקרינת UV. ההמרה בין שני הגדלים מתבצעת באמצעות מחשבון הרדיומטריה שלנו ל-UV ואור.

עבור מקור קרינה דמוי-נקודה הפולט לכל הכיוונים, חל חוק ריבוע המרחק ההופכי: כאשר מכפילים את מרחק המדידה, אותו שטף קרינה מתפזר על שטח הגדול פי ארבעה, ולכן עצמת הקרינה הנופלת יורדת לרבע.

חוק זה תקף בתנאי אחד שנוטים להתעלם ממנו בפועל: המקור חייב להיראות דמוי-נקודה מנקודת מבטו של החיישן. כלל האגודל המקובל הוא מרחק מדידה של r ≥ 10 · d, כאשר d הוא הממד הגדול ביותר של משטח הפליטה.

שני תנאים נוספים חשובים באותה מידה: כיוון החיישן כלפי המקור, ושאלת התחום הספקטרלי שאותו שוקלים בכלל. שני התנאים הללו מובילים ישירות לתכנון המכשירים.

רדיומטר רחב-פס משקלל את הקרינה הנכנסת בעזרת פונקציית רגישות ספקטרלית קבועה s(λ) המובנית באופטיקה שלו ומחזיר מספר בודד. ראש המדידה הוא מערך של רכיבים אופטיים, וסדרם אינו מקרי.

חלון אופטי. בדרך כלל קוורץ מותך, כי זכוכית סודה-ליים רגילה למעשה אטומה מתחת לכ-300 nm. החלון מגן על הרכיבים שמאחוריו וחותם את הראש מפני מדיה תהליכית.

מפזר (דיפיוזר). הוא מפזר את הקרינה הנכנסת וכך יוצר את תגובת הזווית בצורת קוסינוס. המפזר אינו אביזר נלווה אלא הרכיב שהופך את הקריאה, בראש ובראשונה, לגודל הקשור לשטח.

מערך מסננים. כאן נוצר השקלול הספקטרלי בפועל – בדרך כלל משילוב של מסננים אינטרפרנציאליים וזכוכית צבועה. מערך המסננים הוא זה שקובע אם המכשיר מודד UV-A, UV-B, UV-C או ספקטרום פעולה ספציפי לאפליקציה.

גלאי. פוטודיודות סיליקון הן התקן המקובל; לאפליקציות UV-C נעשה שימוש גובר בדיודות SiC, מכיוון שהן עיוורות באופן מובנה בתחום הנראה ובכך מקלות על מערך המסננים.

מגבר טרנס-אימפדנס ממיר אז את זרם הפוטו למתח, וממיר A/D מבצע דיגיטציה שלו. היתרון הגדול של תכנון זה: ניתן למדוד זרם פוטו באופן לינארי על פני עשרות רבות. לפיכך, רדיומטרים משיגים טווח דינמי שספקטרומטר מערך (array spectrometer) לא יכול להתחרות בו – והם עמידים, קומפקטיים וזולים באופן יחסי.

תקן ASTM G130-12(2020) מסווג מכשירים אלו לפי רוחב-חצי Δλ של פונקציית הרגישות שלהם לרדיומטרים צרי-פס (Δλ ≤ 20 nm), מכשירים רחבי-פס (20 nm ≤ Δλ ≤ 70 nm) ומכשירים רחבי-טווח (Δλ ≥ 70 nm). סיווג זה הוא יותר מטרמינולוגיה: ככל שהטווח הספקטרלי רחב יותר, כך הקריאה תלויה יותר בספקטרום של המקור הנמדד.

‏ספקטרורדיומטר מפזר את הקרינה למרכיביה הספקטרליים ומודד עצמת קרינה ספקטרלית E(λ) ב-W/(m²·nm). מכל ספקטרום כזה אפשר לאחר מכן לחשב כל תחום ספקטרלי וכל ספקטרום פעולה שרוצים – ובדיוק כאן טמונה הגמישות הרבה של סוג מכשיר זה.

המסלול האופטי מתחיל, כמו ברדיומטר, באופטיקת כניסה, בדרך כלל מפזר הפועל כקולט קוסינוסי. סיב אופטי מוביל את הקרינה לחריץ הכניסה. מראה מקבילה יוצרת קרן מקבילה הפוגעת בסבכת עקיפה אופטית. הסבכת מפזרת את הקרינה לפי אורך גל, ומראת מיקוד מדמה את הספקטרום המתקבל על מערך גלאים – CCD או CMOS.

ככל שהעיקרון אלגנטי, כך חלשה נקודת התורפה הפיזית שלו, ואינה סולחת. סבכת העקיפה מייצרת לא רק את סדר העקיפה הראשון הרצוי, אלא גם סדרים גבוהים יותר שיש להרחיק ממסלול הקרן. בנוסף לכך יש פיזור על מראות, על מעמדים ועל משטחי הבית. שני המכניזמים הללו מוסיפים מרכיבי אות באורך גל ארוך במיקום של אורך גל קצר.

רדיומטר בעל פס רחב לעולם לא מודד את "קרינת ה-UV-A". הוא יוצר אינטגרל משוקלל של מכפלת ספקטרום המקור ופונקציית הרגישות. כל עוד הספקטרום של המקור הנמדד תואם את זה של מנורת הכיול, אין בכך בעיה. כאשר הוא שונה, מופיעה שגיאת אי-ההתאמה הספקטרלית.

הבעיה מחריפה במיוחד כאשר הפליטה של פריט הבדיקה נופלת על משיק (flank) של עקומת הרגישות. אז סבילויות היצור של המסנן מתורגמות ישירות לקריאה. אין זה חשש תיאורטי בלבד: עבור מסנן מעביר-עליון (long-pass) מסוג WG320 עבור UV-B, קצה ה-50% עלול לנוע בין כ-314 nm לכ-326 nm בתוך המפרט של היצרן. בהתאם לדגם המותקן, אותו מקור עלול להניב סטיות הנעות מכמה עשיריות האחוז ועד לתחום של אחוזים בודדים – בלי שהמכשיר יהיה "פגום".

התקן CIE 220:2016 "Characterization and Calibration Methods of UV Radiometers" (שהוכן על ידי ועדת CIE TC 2-47) מתאר גישה שיטתית. הדוח מעביר את מדדי האיכות המוכרים מתחום הפוטומטריה בתקן ISO/CIE 19476:2014 לרדיומטרי UV – בהם f1′ עבור אי-התאמה ספקטרלית, f2 עבור תגובה זוויתית, f3 עבור לינאריות, וכן מדדים עבור אפקטי עייפות, טמפרטורה ולחות. מכיוון שרדיומטרי UV, בשונה ממדי תאורה, אינם מיועדים לתאורה ייחוסית בודדת, תקן CIE 220:2016 מגדיר שלושה ספקטרומי ייחוס ומוסיף בנספח שלו עשרה ספקטרומי מקור אמיתיים – ממנורות מרקורי בלחץ נמוך ובינוני ועד למקורות קסנון ו-HMI ולספקטרום השמש.

המשמעות המעשית: מי שמכיר את הרגישות הספקטרלית של הרדיומטר שלו ואת הספקטרום של המקור שלו, יכול לחשב את מקדם אי-ההתאמה וליישמו כמקדם תיקון. עם זאת, הדבר מחייב את היצרן לציין בתעודת הכיול את הרגישות הספקטרלית היחסית שנמדדה באופן פרטני ואת הספקטרום של מנורת הכיול.

מדידה בתחום ה-UV-C מציבה קושי שנשמע פרדוקסלי במבט ראשון: הבעיה אינה קרינת ה-UV, אלא כל השאר. מנורת חשמל בלחץ בינוני פולטת הספק הגבוה בסדרי גודל בתחום הנראה ובאינפרה-אדום הקרוב לעומת התחום הספקטרלי של UV-C. אם רק חלק מהספק זה מתפזר לתוך ערוץ ה-254 nm בתוך המכשיר, נוצר שם אות לכאורה שיכול לעלות על הקריאה האמיתית. עד כמה בולט חוסר האיזון הזה במנורה נתונה, ניתן לראות באמצעות סייר מסד הנתונים הספקטרלי.

סדרי הגודל נבדלים באופן דרמטי: מונוכרומטור כפול משיג אור פזור יחסי של כ-10⁻⁷ עד 10⁻⁹, ספקטרומטר מערך נמצא בטווח של 10⁻³ עד 10⁻⁵, וספקטרומטר מערך זעיר (מיקרו) מגיע רק ל-10⁻¹ עד 10⁻².

מונוכרומטור כפול מעביר את הקרינה פעמיים מעל סריג, ובכך מדכא אור פזור בכמה סדרי גודל נוספים בהשוואה למערכת חד-שלבית. המחיר הוא גודל, זמן מדידה ועלות – ומשום כך הוא משמש כמכשיר ייחוס מעבדתי ולא בשטח.

המצב מחמיר בשל הרגישות לאינפרה-אדום של מערכי גלאים מבוססי סיליקון: הם רגישים ביותר בדיוק במקום שבו הקרינה המפריעה חזקה ביותר. בהיעדר מסננים מתאימים למיון סדרים ותיקון מתועד לאור פזור, מדידות UV-C באמצעות ספקטרומטרי מערך קומפקטיים נושאות חוסר בהירות משמעותי ולעיתים קרובות בלתי ידוע.

עצמת הקרינה מוגדרת כהספק קרינתי ליחידת שטח – הנמדד על משטח מאוזן. כאשר הקרינה מגיעה באלכסון, אותו שטף מתפזר על פני שטח גדול יותר, ולכן האות חייב לרדת ביחס ל-cos θ. חיישן אמיתי רק מקרב את ההתנהגות הזו: בזוויות פגיעה גדולות מתרחשות השתקפויות בממשקים.

מדד האיכות f2 מתאר את הסטייה הממוצעת מעקומת הקוסינוס האידיאלית. הוא מכריע בכל מקום שבו הקרינה אינה מגיעה במאונך: בכורי חיטוי UV, בתאי הקרנה עם קירות מחזירי אור, בהקשיה של יריעות. בתא עם קירות מחזירי אור בעצימות גבוהה, המרכיב המפוזר עלול לעלות על המרכיב הישיר – חיישן עם מענה זוויתי לקוי יראה אז ערכים נמוכים באופן שיטתי.

בפועל, ניתן לעמוד על איכות תיקון הקוסינוס כבר מהעיצוב עצמו: מגודל ופיזור האופטיקה הקדמית, ומהמידה שבה היא בולטת מעבר לשפת הבית.

המקורות המשמשים בטכנולוגיית UV נבדלים בעצמת קרינה ספקטרלית ביותר משבעה סדרי גודל – החל ממנורת הדויטריום המשמשת כתקן כיול ועד למנורת כספית של 6 kW בקו הקשיה.

רדיומטר דיגיטלי לחלוטין מכסה טווח זה באמצעות מדידת זרם פוטוני ומעבר בין טווחים. ספקטרומטר מערך מוגבל על ידי קיבולת המילוי המלאה (full-well) של הפיקסלים שלו ועל ידי רצפת רעש הקריאה; הוא פועל באמצעות התאמת זמן האינטגרציה, מה שעולה בזמן מדידה ומגיע למגבלות בשני קצות הטווח.

אותה הבחנה חלה גם על ממיר האנלוגי-לדיגיטלי. הרזולוציה שלו – 12, 16 או 24 סיביות – קובעת עד כמה עדינה תצוגת המדידה ועד כמה רחב טווח הדינמיקה השמיש. היא אינה אומרת דבר על דיוק המדידה: זה נובע מהכיול ומההתאמה הספקטרלית למקור הנמדד.

ערך נמדד ללא עקיבות מטרולוגית הוא מספר בלי מסגרת התייחסות. השרשרת המטרולוגית משתרעת מהמכון הלאומי למטרולוגיה ועד למכשיר בקו הייצור – ואי-הוודאות גדלה בכל שלב.

בראש השרשרת עומד המכון הלאומי למטרולוגיה – PTB בגרמניה, NIST בארצות הברית – שמגדיר את היחידה. מתחתיו נמצאת מעבדת הכיול המוכרת לפי ISO/IEC 17025, העובדת עם תקנים משלה וכשירותה נבדקת באופן שוטף על ידי גוף הסמכה. מעבדות בדיקה מודדות לפי נוהל כתוב. כיול יצרן יכול אמנם להיות עקיב מטרולוגית, אך אינו מאובטח באמצעות הערכה עצמאית. בתחתית הסולם נמצא הכיול הלא-עקיב: הוא מספק מספרים חזירים, אך לא אי-ודאות מדידה שניתן להצדיק.

הדרך המקובלת מתחילה בתקן ספקטרלי – מנורת FEL בהספק 1,000 W עבור תחום ה-UV-A והאור הנראה, ומנורת דויטריום עבור התחום קצר-הגל. ספקטרורדיומטר מכויל מול תקן זה (ASTM G138-12(2020)e1). לאחר מכן מודד הספקטרורדיומטר המכויל מנורת UV דמוית-ייצור – כלומר מקור הדומה מבחינה ספקטרלית ככל האפשר לאובייקט המדידה הסופי. רדיומטר הייחוס מכויל מול אותה מנורה (ASTM G130-12(2020)), ומשם מועבר הכיול בסופו של דבר למכשירי השדה (ASTM E824-26).

הפטנט טמון בשלב השלישי: על ידי שימוש במנורה דמוית-ייצור כמקור ההעברה, מכויל הרדיומטר תחת אותם תנאים ספקטרליים שבהם הוא ימדוד בהמשך. כך מתבטלת ברובה אי-ההתאמה הספקטרלית – מקור השגיאה העיקרי של הרדיומטר רחב-הפס. זו בדיוק הסיבה לכך שרדיומטר רחב-פס המכויל כראוי יכול לעלות בדיוקו על ספקטרורדיומטר עבור סוג מנורה ידוע.

שתי משפחות מנורות משמשות לכיול עצמו: מקורות קו, כגון מנורות כספית בלחץ נמוך, לכיול אורך הגל, ומקורות רצף – מנורות דויטריום והלוגן-טונגסטן – לכיול הרגישות הספקטרלית. מנורות הלוגן דורשות זהירות מיוחדת, משום שפליטתן החזקה בתחום אורכי הגל הארוכים מתפזרת בתוך המכשיר וללא תיקון מייצרת בדיוק את שגיאת האור הפזור שמנסים למדוד.

מבחינת אי-הוודאות במדידה משמעות הדבר היא: תעודת הכיול אינה מספקת רק מקדם, אלא גם מגדירה את המקור ואת הגאומטריה שעבורם תקף מקדם זה. ככל שהמדידה מתרחקת מתנאים אלה, כך גדלה תרומת הכיול לאי-הוודאות הכוללת. הסבר מפורט על אופן פעולת הכיול מופיע תחת תהליך כיול ה-UV.

CIE 250:2022 "Spectroradiometric Measurement of Optical Radiation Sources" (CIE TC 2-80) הוא הטקסט הייחוסי הנוכחי למדידות ספקטרורדיומטריות בטווח שבין 200 nm ל-2500 nm. הוא מחליף את התקן CIE 063-1984 בן כארבעים השנה, ומספק תיאור מפורט של האפקטים הפיזיקליים שיש לקחת בחשבון בעת הערכת אי-הודאות במדידה.

בפועל מתגלה דפוס אופייני: אי-הודאות המדידה המינימלית האפשרית היא הגדולה ביותר בתחום ה-UV קצר-הגל, והיא פוחתת ככל שאורך הגל גדל. ערכים אופייניים לכיולים מוסמכים הם כ-6 % בטווח שסביב 200–230 nm, כ-3.5 % בתחומי UV-B ו-UV-A, ומעט פחות מ-3 % בתחום הנראה (אי-ודאות מדידה מורחבת, k = 2). הסיבות לדפוס זה הן פיזיקליות: עוצמת קרינה נמוכה יותר של תקני הייחוס, אפקטי אור תועה חזקים יותר, ורגישות גבוהה יותר של חומרים אופטיים להזדקנות ולזיהום.

לכל אחת משתי הצורות יש מקור שגיאה דומיננטי אחד בדיוק, ושני המקורות משלימים זה את זה: חוסר התאמה ספקטרלית ברדיומטר רחב-סרט, ואור תועה בספקטרורדיומטר. הבחירה נגזרת מכך:

• אם סוג המנורה ידוע ונשאר קבוע, רדיומטר רחב-סרט מכויל בהתאם מספק אי-ודאות מדידה קטנה יותר – עם טווח דינמי רחב יותר, זמן תגובה קצר יותר ועמידות גבוהה יותר.
• אם המקור משתנה, אינו ידוע, או שיש להעריך ספקטרום פעולה, אין דרך להתחמק מהמדידה הספקטרלית.
• בהתקנות רבות השילוב הוא הפתרון הטוב ביותר: אימות ספקטרלי במרווחי זמן ארוכים יותר, ומעקב שוטף אחר התהליך באמצעות מדידה רחבת-סרט.

ההשוואה המלאה, קריטריון אחר קריטריון, מובאת תחת בחירת רדיומטר רחב-סרט או ספקטרורדיומטר.

מדוע מדידת UV-C דורשת זהירות מיוחדת?
משום שרוב מקורות ה-UV פולטים הספק גדול בסדרי גודל באור הנראה ובאינפרה-אדום לעומת ה-UV-C – וגלאים מבוססי סיליקון רגישים ביותר בדיוק בטווח זה. אור תועה בתוך המכשיר עלול לכן לייצר אות UV-C נראה לעין הגדול מהאות האמיתי.

מהו אי-התאמה ספקטרלית (spectral mismatch)?
השגיאה הנוצרת כאשר הספקטרום של המקור הנמדד שונה מהספקטרום של המנורה ששימשה לכיול המכשיר. תקן CIE 220:2016 מתאר כיצד לכמת אותה וכיצד להחיל אותה כגורם תיקון.

מהו המרחק המומלץ מהמנורה לביצוע מדידות?
מרחק גדול מספיק כדי שהמקור יתנהג כמקור נקודתי מנקודת מבטו של החיישן – ככלל אצבע, לפחות פי עשרה מהממד הגדול ביותר שלו. מדידות במרחקים קצרים יותר נשארות תקפות כקריאות, אך אין להמיר אותן למרחקים אחרים באמצעות חוק הריבוע ההפוך.

מדוע תעודת הכיול כה חשובה?
משום שהיא מציינת את מקור הכיול, את הרגישות הספקטרלית ואת אי-הוודאות של המדידה. ללא שלושת אלה, לא ניתן להשוות קריאה לערך סף, למכשיר אחר, או למדידה קודמת.

כיצד משפיעה הטמפרטורה על עצמת הקרינה הנופלת?
הטמפרטורה פועלת משני צדי המדידה: הפוטודיודה והמסננים של החיישן תלויים בטמפרטורה, ביתר שאת בתחום ה-UVC לעומת ה-UVA, ומנורות כספית וכן נורות LED מסוג UV משנות הן את הספק הקרינה והן את אורך גל השיא בהתאם לטמפרטורת ההפעלה. ערכים ניתנים לשחזור מחייבים לכן טמפרטורת הפעלה מוגדרת ומרחק קבוע ומתועד.

שש שאלות קובעות אם קריאת UV אמינה:

• האם הרגישות הספקטרלית תואמת את פליטת המקור ואת פונקציית המישקול המיועדת?
• האם נמדדת קרינה מכוונת או קרינה מפוזרת במרחב, והאם התגובה הזוויתית מתאימה לכך?
• האם הקריאה נמצאת בבטחה בתוך טווח המדידה וטווח הדינמי?
• האם אורכי גל משניים או אור פזור עלולים לעוות את התוצאה?
• האם הכיול מתייחס למקור וגאומטריה דומים דיים?
• האם אי-הוודאות במדידה קטנה דיה עבור גבול התהליך?

מציאת החיישן המתאים: מאתר חיישני UV מציע את שלושת חיישני ומדי ה-UV המתאימים ביותר על פי יישום, אורך גל וגורם צורה – בצירוף ערכים מרכזיים, שותף מערכת ונימוקים.