אי-התאמה ספקטרלית בחיישני UV

אי-התאמה ספקטרלית היא ההפרש בין הרגישות הספקטרלית האמיתית של חיישן UV לבין פונקציית המשקל האידאלית והמלבנית. תופעה זו מתרחשת בכל חיישן מסונן, מכיוון שלמסננים אופטיים אין תחומי חסימה ותחומי מעבר אידאליים. כתוצאה מכך, חיישן שכויל למנורה מסוימת יציג באופן שיטתי ערכים חורגים כשמדובר במקור בעל ספקטרום שונה.

בשונה ממדי תאורה, חיישני UV מיועדים לספקטרומים שונים ולתחומי ספקטרום שונים. כדי להבטיח שלחיישן UV תהיה הרגישות הספקטרלית הרצויה, נעשה שימוש במסננים אופטיים ספציפיים לכל יצרן כדי להתאים את הרגישות הספקטרלית.

התמונה הבאה מציגה את המבנה של חיישן UV או רדיומטר, המשמש בדרך כלל למדידת קרינת על-סגול. החיישן מורכב ממספר מסננים אופטיים ופוטודיודה. שאר הרכיבים החשמליים, ההגברה וההמרה מאנלוגי לדיגיטלי אינם מוצגים כאן.

באופן אידיאלי, עקומת הרגישות מתאימה לפונקציית משקל מלבנית וקבועה. עם זאת, בפועל מתרחשות סטיות - מה שמכונה אי-התאמה ספקטרלית. תיאור זה מתייחס להבדל בין הרגישות בפועל של החיישן לבין פונקציית המשקל האידיאלית. 

הסיבות לכך אופייניות לכל חיישני UV המסוננים, מכיוון שהמסננים האופטיים הנמצאים בשימוש אינם בעלי טווחי חתך ומעבר אידיאליים או קצוות מסנן "תלולים לאינסוף". גם לפוטודיודות יש רגישות ספקטרלית אופיינית. 

השפעת הרגישות הספקטרלית

הרגישות הספקטרלית היא מאפיין התקן אופייני לכל חיישן UV. בעוד שחיישנים מאותו סוג מציגים מאפיינים דומים, חיישנים שונים - בהתאם ליצרן, לסוג ולתחום הספקטרלי - נבדלים באופן משמעותי.
ערך המדידה של חיישן UV תלוי במידה רבה בספקטרום הפליטה של מקור האור. חיישן שכויל למקור מסוים (למשל מנורת אדי כספית או UV LED) יכול להציג סטיות משמעותיות עם מקור אחר.
 

התוצאה של אי-ההתאמה הספקטרלית היא חוסר ודאות מדידה התלוי במקור. לדוגמה, אם חיישן מכויל עם מנורה רחבת-סרט אך משמש עם UV LED צר-סרט, הערך המוצג יכול לסטות מהערך האפקטיבי האמיתי בכמה עשרות אחוזים. סטיות אלה הן ניתנות לשחזור ולכן בעלות אופי שיטתי.

דוגמה לאי-התאמה ספקטרלית

לחיישן UV יש פונקציית משקל אמיתית (אפור), בעוד שהעקומה האידיאלית (שחור) מתארת תגובה אחידה.

עבור LED באורך גל 400 nm, הרגישות היחסית היא 1.0.
עבור LED באורך גל 425 nm, הרגישות היחסית יורדת ל-0.9.

הערך המוצג הוא אפוא קטן בכ-10 %. מכשירי מדידה מודרניים כגון רדיומטר RMD מקזזים את האפקט הזה באופן פנימי, בתנאי שסוג המנורה המתאים (למשל 400 nm או 425 nm) נבחר כנדרש.

שיטות להפחתת אי-התאמה ספקטרלית (spectral mismatch)

1. כיול תלוי-מקור
ב-Opsytec, חיישני UV מכוילים למנורה או ל-LED הממשי הנמצא בשימוש עבור היישום הספציפי. מקורות UV תעשייתיים רבים זמינים במעבדה לצורך זה, כדי להתאים את הכיול בדיוק לתחום הספקטרלי הרצוי.

2. תיקון מתמטי
ברדיומטרים מודרניים, ניתן לשמור את מקדם הכיול ישירות בחיישן. תחום הכיול המתאים - למשל 365 nm עבור LED מסוג UVA או 450 nm עבור LED כחול - נבחר בפשטות במכשיר המדידה. עבור מערכות ישנות יותר או חיצוניות, Opsytec יכולה לקבוע מקדם תיקון, המפורט בתעודת הכיול.

3. שימוש בספקטרורדיומטרים
ספקטרורדיומטרים לוכדים את הספקטרום המלא; אי-התאמה הנובעת מעקומות מסנן מתבטלת, בעוד שאור פזור וכיול אורך גל נותרים כמקורות אי-ודאות. הכיול הספציפי לאורך גל פירושו שכל סטייה מתוקנת באמצעות חישוב. הדגמים UVpad ו-UVpad E מתאימים במיוחד לשימוש נייד.

חשיבות למדידות UV מדויקות

הכרת אי-ההתאמה ותיקונה הן, אם כן, תנאי מוקדם למדידות UV אמינות, בפרט ביישומים עם מקורות צר-פס או משתני ספקטרום כגון מערכות LED מסוג UV. לפי דרישה, Opsytec מבצעת כיול לעומת המקור בו נעשה שימוש בפועל.

אם יש למדוד מנורת UV אחת בלבד, ניתן לתקן את אי-ההתאמה הספקטרלית בצורה טובה מאוד; ציון המנורה או היישום מספיק.

לדוגמה, מנורת מרקורי בעל לחץ נמוך משמשת לעיתים קרובות כמקור כיול לגלאים המשמשים בחיטוי. הכיול מתבצע, למשל, בתחום הספקטרלי 200–280 nm או 240–290 nm.

אף שספקטרום אפקטיבי זה מכסה תחום נרחב של אורכי גל, בפועל בדרך כלל רק הקו של 253.7 nm של מנורת המרקורי משמש לקביעת הרגישות של רדיומטר ה-UV עבור קו ספקטרלי בודד זה.

התוצאה של כיול זה מספקת אפוא ערך כיול עבור תנאי הפעלה ספציפי, אך מבלי לספק מידע לגבי הרגישות הספקטרלית של הגלאי.

אם אתם מעוניינים למדוד מנורות UV ו-LED מסוג UV רבים ומגוונים, אנו מומלצים על ספקטרורדיומטר.
 

לקורא המעוניין בפרטים נוספים:

תקנים וסטנדרטים לכיול

אי-ההתאמה הספקטרלית מתוארת בתקנים בין-לאומיים, ובפרט ב-CIE 220:2016 - Characterization and Calibration Methods of UV Radiometers.
ההמלצה היא להתאים את מקור הכיול ככל האפשר למקור האור הממשי של היישום.

עבור יישומים עם מנורות UV או LED מסוג UV מרובים, Opsytec מומלצת על שימוש בספקטרורדיומטר כדי ללכוד ולהעריך את ספקטרום הפליטה במלואו.
 

מה המשמעות של כך למעקב רציף בקו ייצור – תדר דגימה, פס החיישן והממשק – מתואר בעמוד היישום טכנולוגיית UV לאוטומציה ואינטגרציה של תהליכים.

כיצד מחושבת החריגה הספקטרלית?
באמצעות מקדם החריגה F. הוא מתאר את היחס בין מה שפונקציית הרגישות האידיאלית הייתה נותנת עבור המקור הנמדד לבין מה שהחיישן האמיתי מציין בפועל – כל אחד מנורמל למקור הכיול:
F = [∫E_meas(λ)·s_ideal(λ)dλ / ∫E_meas(λ)·s_real(λ)dλ] · [∫E_cal(λ)·s_real(λ)dλ / ∫E_cal(λ)·s_ideal(λ)dλ]
נדרשים ארבעה גדלים: עצמת הקרינה הספקטרלית של מקור הכיול ושל המקור הנמדד, וכן הרגישות הספקטרלית האמיתית והאידיאלית של החיישן. הקריאה מוכפלת ב-F. מכיוון שהסטייה היא סיסטמטית וניתנת לשחזור, ניתן לציין אותה כמקדם תיקון קבוע בתעודת הכיול או לשמור אותה ברדיומטר כטווח כיול.

מה גודל השגיאה בפועל?
זה תלוי במרחק הספקטרלי בין מקור הכיול לבין המקור הנמדד. בתוך עקומת תגובה בודדת של חיישן מדובר לרוב באחוזים בודדים: עבור חיישן שהרגישות היחסית שלו היא 1.0 ב-400 nm ו-0.9 ב-425 nm, ה-LED ב-425 nm יקרא כ-10 % נמוך מהערך האמיתי. עם זאת, כאשר משתמשים בחיישן שכויל עם מנורה רחבת-פס על גבי LED צר-פס בתחום ה-UV, הקריאה יכולה לחרוג מהערך המשוקלל האמיתי בעשרות אחוזים. הסטייה ניתנת לשחזור ולכן היא סיסטמטית – ניתן לתקנה, אך לא לבטלה על ידי חזרה על המדידה.

כיצד ניתן לתקן חריגה ספקטרלית?
בשלוש דרכים. ראשית, על ידי כיול ספציפי למקור: החיישן מכויל כנגד המנורה או ה-LED שבו נעשה שימוש בפועל. שנית, בדרך חישובית – רדיומטרים מודרניים שומרים את מקדם הכיול בחיישן, והטווח המתאים נבחר במכשיר; במערכות ישנות יותר או של יצרנים אחרים ניתן לקבוע מקדם תיקון ולציינו בתעודת הכיול. שלישית, באמצעות ספקטרורדיומטר, אשר קולט את הספקטרום המלא ולכן, מעיקרו, אינו סובל מחריגה ספקטרלית. כאשר יש מקור בודד למדידה, התיקון עובד היטב מאוד; כאשר יש מספר רב של מקורות שונים, הספקטרורדיומטר הוא הדרך הבטוחה.

מדוע כיול ב-253.7 nm אינו אומר דבר על הרגישות הספקטרלית?
מכיוון שהוא קובע נקודת עבודה בודדת בלבד. בתחום החיטוי, מנורת כספית בלחץ נמוך משמשת לעיתים קרובות כמקור הכיול, והכיול מתייחס לטווח ספקטרלי של כ-200 עד 280 nm או 240 עד 290 nm. בפועל נעשה שימוש בקו ה-253.7 nm ממנה בלבד, בעיקר. התוצאה היא ערך כיול המתאים בדיוק לתנאי הזה – הוא אינו אומר דבר על צורת הרגישות הספקטרלית של הגלאי, והוא אינו ניתן להעברה למקורות אחרים באותו טווח ספקטרלי. לפיכך, תקן CIE 220:2016 ממליץ להתאים את מקור הכיול כמה שיותר קרוב למקור היישום.