מדידה נכונה של מנת קרינת UV ועצמת קרינה
עצמת קרינה ומנת קרינת UV מתארות תכונות שונות של תהליך UV. עצמת הקרינה היא ההספק הקרינתי הרגעי ליחידת שטח; המנה - במינוח התקנים חשיפה קרינתית - היא האינטגרל שלה על פני זמן. תוצאות אמינות מחייבות התאמה בין הטווח הספקטרלי, טווח המדידה, מקור הכיול, מרחק המדידה וגיאומטריית המדידה לבין האפליקציה. בתהליכים נעים מתווסף גם פרופיל הזמן של ההקרנה.
עמוד זה מבהיר את הגדלים, מפרט את הגורמים המשפיעים על תוצאת המדידה ומראה איזו קטגוריית מכשירים פותרת איזו משימה. בחירת מכשירים ספציפיים מפורטת בקטגוריה מדי UV ורדיומטרים.
עצמת קרינה, חשיפה קרינתית ומנת קרינה
עצמת קרינה E היא ההספק הקרינתי המגיע אל משטח, ומבוטאת ב-W/m² או – כמקובל בהנדסת UV – ב-mW/cm². חשיפה קרינתית H היא האינטגרל שלה בזמן, ומבוטאת ב-J/m² או mJ/cm². כאשר עצמת הקרינה קבועה בזמן, H = E · t; כאשר היא משתנה, יש לבצע אינטגרציה של הפרופיל בפועל.
בפועל, חשיפה קרינתית נקראת בדרך כלל "מנת קרינה". המונח מקובל אך אינו מדויק: בחיטוי מים, פלואנס מתאר את הקרינה המגיעה לאלמנט נפח מכל הכיוונים, ואילו בפוטוביולוגיה מנת הקרינה משוקללת בנוסף בספקטרום פעולה. מי שמשווה ערכים בין מתקנים, ספקים או דוחות בדיקה צריך אפוא לציין תמיד לאיזה גודל, לאיזה תחום ספקטרלי ולאיזו גאומטריית מדידה הכוונה.
גדלים, יחידות ומשמעות
| גודל | יחידה | משמעות |
|---|---|---|
| עצמת קרינה E | W/m², mW/cm² | הספק קרינה רגעי ליחידת שטח בנקודת המדידה |
| חשיפה קרינתית H ("מנת קרינה") | J/m², mJ/cm² | אינטגרל של עצמת הקרינה על פני זמן |
| עצמת קרינה ספקטרלית E(λ) | W/(m²·nm) | התפלגות עצמת הקרינה על פני אורך הגל |
| פלוּאֶנס | J/m² | קרינה המגיעה לאלמנט נפח מכל הכיוונים |
| עצמת קרינה אפקטיבית | W/m² | משוקללת ספקטרלית עם ספקטרום פעולה, לדוגמה אפקטיבית אריתמלית |
| צפיפות שטף פוטונים (PPFD) | µmol/(m²·s) | מספר הפוטונים ליחידת שטח וזמן, נפוץ בפוטוביולוגיה |
מה קובע את תוצאת המדידה
קריאה אמינה רק כמו התנאים שבהם היא נמדדה. חמישה גורמים קובעים:
- רגישות ספקטרלית. רדיומטר רחב-סרט מעריך את המקור לפי עקומת הרגישות של החיישן שלו. אם הספקטרום של המקור שונה מספקטרום מקור הכיול, נוצר חוסר-התאמה ספקטרלי – בדרך כלל השגיאה הגדולה ביותר כשמקורות משתנים.
- גאומטריית המדידה. עצמת קרינה ממקור מרחבי או ממקור שטח מחייבת אופטיקת קליטה מתוקנת-קוסינוס. בלי תיקון קוסינוס, קרינה הפוגעת בזווית תת-מוערכת.
- מרחק ומישור המדידה. יש למדוד במקום שבו מתבצע התהליך – במישור הרכיב או הדגימה, ולא בקרן חופשית. במקורות נקודתיים ומקורות ספוט, עצמת הקרינה משתנה בחדות עם המרחק.
- כיול. הכיול צריך להתאים לתחום הספקטרלי, לתחום המדידה ובמידת האפשר לסוג המקור המשמש, ולהיות מתועד באופן עקיב מטרולוגית.
- תחום מדידה, לינאריות וטמפרטורה. עצמת קרינה גבוהה מאוד, מקורות פועמים וטמפרטורות מוגברות בנקודת המדידה מגבילים את סוגי החיישנים שניתן להשתמש בהם.
כיולים לרדיומטרים ולחיישני UV מתבצעים על ידי מעבדת הכיול המוכרת; ההליך מתואר בעמוד כיול UV.
מדידה סטטית או בתהליך
עם מקור נייח וחלק נייח, מספיקה מדידה סטטית של עצמת קרינה נופלת (W/m²) במפלס הרכיב; מנת הקרינה נגזרת מעצמת הקרינה הנופלת ומשך החשיפה. ברגע שהחלק או המקור נעים, עצמת הקרינה הנופלת בנקודת הרכיב הופכת לתלויה בזמן. יש צורך לתעד את עצמת הקרינה השיאית, את הפרופיל בזמן ואת מנת הקרינה המתקבלת מאינטגרציה שלו - קריאה סטטית בודדת מתחת למנורה אינה מתארת את התהליך.
כיצד מגדירים מדידה כזו בקווי מסוע, הדפסה ומעבר רציף מתואר בעמוד מדידת UV למערכות מסוע.
איזה מכשיר מתאים לאיזו משימה
- מקור קרינה יציב עם ספקטרום ידוע, מדידה נקודתית: רדיומטר רחב-פס מכויל כגון RMD Pro או RM-12 עם חיישן המתאים לתחום הספקטרלי.
- מקורות משתנים, אורכי גל של LED, מחקרי הזדקנות: מכשיר מדידה ספקטרלי כגון UVpad, UVpad E או SR900 במעבדה.
- מנת קרינה בתהליך פעיל: לוגרים שטוחים כגון curelog או tinyTracker הנעים בקו הייצור עם המוצר המעובד.
- ניטור מתמשך של המתקן: חיישני UV מותקנים באופן קבוע עם אלקטרוניקת הערכה מתאימה.
הדבר נכון לכל אחת משרשראות המדידה הללו: על החיישן, ההערכה והכיול להתאים לערך התהליך שיש להוכיח. עזר לבחירה לפי משימת המדידה מופיע בקטגוריה מדי UV, וההבחנה בין סוגי המכשירים מופיעה בעמוד ספקטרורדיומטר או רדיומטר רחב-פס.
שאלות נפוצות בנוגע לעצמת קרינה ולמנת קרינה
איזה גודל יש לנטר במערכת UV?
בעיקר את עצמת הקרינה הנופלת ב-W/m² בנקודה הנגישה הקרובה ביותר לתהליך, וממנה את מנת הקרינה כאינטגרל בזמן ב-J/m². להמרה: 10 W/m² שווה ל-1 mW/cm². לצד אלה יש לעקוב גם אחר טמפרטורת החיישן וטמפרטורת המקור. יש להגדיר חלון תהליך בשני ממדים, עם גבול תחתון וגבול עליון לשני הגדלים. הספק המנורה החשמלי אינו גודל נמדד של התהליך.
היכן בתהליך מתבצעת המדידה?
בגובה החלק או הדגימה, במקום שבו מתרחש בפועל התהליך – לא בקרן חופשית ולא בבית המנורה. מקורות מוארכים ומקורות שטח דורשים אופטיקת קלט מתוקנת קוסינוס, אחרת קרינה הפוגעת באלכסון מקבלת משקל חסר. במקורות נקודתיים ובמקורות ספוט עצמת הקרינה משתנה בחדות עם המרחק; ככלל אצבע, מרחק המדידה צריך להיות לפחות פי 10 מהממד הגדול ביותר של שטח הפליטה.
מהי עצמת הקרינה של מערכת UV בהשוואה לשמש?
הייחוס הוא לשמש בגובה פני הקרקע: בתנאים אופטימליים כ-1,000 W/m² של קרינה גלובלית, שמתוכה כ-62 W/m² הם UVA וכ-5.6 W/m² הם UVB. תא בדיקה עם UVA בעצמת 80 W/m² נמצא אפוא ביחס של פי 1.3, ותא UVB עם 50 W/m² ביחס של פי תשע מערך זה. מערכות UV-LED מגיעות ל-8,000 W/m² ואף יותר, כלומר בערך פי 130 מה-UVA השמשי. בתחום ה-UVC לא ניתן לבצע השוואה, מכיוון שקרינה מתחת ל-280 nm אינה מגיעה לפני כדור הארץ. לכל מקדם כזה נלוות שתי אמירות נוספות: טווח האורכי הגל שאליו הוא מתייחס ומישור המדידה שבו נמדד – בלי שני הפרטים הללו לא ניתן לאמת את המספר.
מחבר: ד"ר מארק פאראוויה
ד"ר-אינג' מארק פאראוויה הוא המנהל המנהל של חברת Opsytec Dr. Gröbel GmbH באטלינגן ועומד בראש מעבדת הכיול המוכרת. בעקבות מחקרו על פריקות אקסימר קסנון פועמות במכון לטכנולוגיית תאורה ב-KIT, תחום התמקדותו כיום הוא מדידת קרינה אופטית. הוא ממלא תפקיד סגן יו"ר בוועדת התקינה הגרמנית DIN FNL 7 "קרינה אופטית" וחבר בקבוצת הפרויקט של DVGW לחיטוי באמצעות UV.
