מדידה וניטור של קרינת UVC ב-254 nm

הקו ב-253.7 nm של מנורות אדי כספית בלחץ נמוך הוא מקור קרינה מרכזי בחיטוי UV של מים ואוויר. מדידת התייחסות, ניטור מתקן והערכת מנת קרינה מחייבים כל אחד גישות חיישן שונות. החשוב הוא התאמה ספקטרלית, גיאומטריית המדידה, יציבות לאורך זמן וכיול המתאים למקור הקרינה האמיתי.

עמוד זה מפריד בין שלוש משימות המדידה ומראה אילו שגיאות נוצרות כאשר החיישן והמקור אינם מתאימים זה לזה.

האפקט הקוטל חיידקים של קרינת UV תלוי באורך הגל. הוא עוקב במידה רבה אחר בליעת חומצות הגרעין ומגיע לשיאו בטווח שסביב 265 nm. קו הפליטה העיקרי של מנורת חשמל בלחץ נמוך המכילה חשמלית נמצא ב-253.7 nm, ולכן קרוב לאותו טווח: הוא לוכד חלק גדול מהאפקט מבלי להיות ממוקם בדיוק בנקודת השיא.

עם זאת, אורך הגל בלבד אינו הגורם המכריע. האפקט נובע מאורך הגל, מהחשיפה הקרינתית (J/m²) – עצמת קרינה נופלת כפול זמן – ומהרגישות של מיקרואורגניזם מסוים. העובדה ש-254 nm הפך לתקן הטכני נובעת אפוא גם משיקולים פרקטיים: המקור פועל בנצילות גבוהה, הספקטרום שלו צר ולכן ניתן להערכה חד-משמעית מבחינה מטרולוגית, ההעברה באוויר ובמים מספקת על פני מסלולים רלוונטיים מעשית, והבסיס הנורמטיבי התפתח על פני עשרות שנים.

התרשים למטה מציג את הספקטרום הנמדד של מנורת חשמל בלחץ נמוך המכילה חשמלית, מתוך מסד הנתונים הספקטרלי של Opsytec, לצד ספקטרום פעולה מיקרוביוצידי לנבגי Bacillus subtilis (Cabaj et al. 2002, מנורמל ל-253.7 nm). קו התהודה 185 nm מצויר באופן סכמטי מכיוון שהוא נמצא מחוץ לטווח הנמדד.

מנורת אדי כספית בלחץ נמוך היא פריקה גזית בתוך שפופרת קוורץ המכילה טיפת כספית וגז התחלה, בדרך כלל ארגון. לחץ אדי הכספית עומד על מספר פסקל בודדים, ולחץ הפנים הכולל מגיע עד כ-10 mbar. הפריקה אינה תרמית באופייה: האלקטרונים מגיעים לאנרגיה של מספר אלקטרון-וולט בעוד הגז נשאר כמעט קר. חוסר איזון זה הוא בדיוק מה שגורם לרוב ההספק המוזן להתמיר לעירור ולא לחום.

התנגשויות אלקטרונים מעלות אטומי כספית לרמות התהודה; דעיכתם למצב היסוד מפיקה את שני קווי התהודה. באורך גל 253.7 nm נמצא קו הפליטה העיקרי, וזהו החלק המשמש להשמדת חיידקים. הקו השני, ב-185 nm, יוצא מהמנורה רק אם חומר המעטפת מעביר אותו; באוויר הוא מייצר אוזון, ובהתאם ליישום הוא משמש בכוונה לתהליכי חמצון או מודחק באמצעות זכוכית קוורץ מסוממת (סקירה על מנורת אדי הכספית, בגרמנית).

מכיוון ששני הקווים הם קווי תהודה, הפוטונים נספגים ונפלטים מחדש שוב ושוב בתוך הפלזמה. תופעת לכידת הקרינה הזו קושרת את הנצילות ישירות ללחץ אדי הכספית, ומכאן לטמפרטורת הדופן: הנקודה האופטימלית של האזור הקר ביותר בדופן נמצאת סביב 40 °C, ומעליה ומתחתיה פוחתת עוצמת הפליטה ב-254 nm. במתקן, טמפרטורת המדיום וקצב הזרימה משפיעים אפוא ישירות על עוצמת הקרינה הנפלטת. מנורות אמלגם מזיזות נקודה אופטימלית זו לטמפרטורות גבוהות יותר ומאפשרות צפיפויות הספק גבוהות בהרבה.

לאורך חיי השירות מיקום הקו נשאר יציב בעוד עוצמת הקרינה יורדת. עבור מדידה זהו המקרה הנוח: המשקל הספקטרלי של החיישן נשאר תקף, ורק העוצמה יורדת. במנורות בלחץ בינוני ובנוריות LED מסוג UVC משתנה גם ההתפלגות הספקטרלית - ומכאן נובע חוסר ההתאמה המתואר בהמשך.

ההשפעה קדמה לטכנולוגיה. בשנת 1877 הראו Downes ו-Blunt שאור השמש מעכב גדילת חיידקים; בשנת 1903 קיבל Niels Ryberg Finsen את פרס נובל על טיפול באור. המקור המתאים התפתח במקביל: Leo Arons נחשב לממציא מנורת אדי הכספית על בסיס עבודות משנת 1892, מנורת השמש מזכוכית קוורץ הופיעה החל משנת 1905, ובין השנים 1923 ל-1934 מנורות פריקה של כספית הפכו למוצרים מסחריים בגרסאות לחץ נמוך, לחץ בינוני ולחץ גבוה (סקירה על מנורת אדי הכספית, בגרמנית). מתקן ה-UV הראשון לחיטוי מי שתייה החל לפעול במרסיי כבר בשנת 1910.

רק מאוחר יותר הפכה ההשפעה לניתנת למדידה ולהשוואה. בשנת 1930 פרסם R. L. Gates את המחקר השיטתי הראשון על ההשפעה הקוטלת חיידקים ובכך הציג את ספקטרום הפעולה הגרמיצידי. משנות ה-1980 ואילך הגיע העיגון התקינתי בטיפול במי שתייה; בגרמניה כללי העבודה DVGW W 294 ותקן DIN 19294 מעצבים כיום את הבדיקות, את חיישני המתקן ואת מדידת הייחוס.

ההתפתחות התרחשה אפוא בשלושה שלבים: תצפית ביולוגית במאה ה-19, מקור בר-שליטה במחצית הראשונה של המאה ה-20, והבטחה מטרולוגית ותקינתית במחציתה השנייה. רק השלב השלישי הופך השפעה לנוהל בר-ניטור.

תחום השימוש הגדול ביותר הוא חיטוי מי שתייה, מי תהליך ומי שפכים בכורים בזרימה רציפה, בגרמניה בעזרת חיישני מתקן ומדידת ייחוס בהתאם לתקנים DVGW W 294 ו-DIN 19294-3. לכך מתלווים חיטוי אוויר ומשטחים במרפאות ובייצור מזון ותרופות, בצנרות אוורור ובחדרים נקיים, וכן טיפול באריזות, במסועים ובקווי מילוי בתעשיית המשקאות והמזון.

אם קו 185 nm אינו מסונן, מתלווה אליו האפקט הפוטוכימי: חמצון UV והפחתת TOC פועלים בעזרת האוזון הנוצר במסלול הקרן ובעזרת הרדיקלים הנוצרים ממנו. חלופה פוטוכימית טהורה, בעלת אורך גל קצר אף יותר, מתוארת בעמוד מדידת קרינת VUV באורך גל 172 nm ממנורות אקסימר קסנון. במעבדה, קרינת 254 nm משמשת בסופו של דבר כייחוס מוגדר, למשל למחקרי תגובה למנת קרינה במערך קרן מקובצת (collimated beam). האפקט, השיטות והתקנים מוצגים בהקשרם בעמוד היישום חיטוי UV.

בכל מקרה חל אותו יחס: הקובע הוא החשיפה הקרינתית שבפועל אפקטיבית במדיום, ולא ההספק הנומינלי של המנורה. עצמת הקרינה, זמן השהייה, קצב הזרימה והשידור קובעים יחד את התוצאה – ומשום כך המדידה היא חלק מההליך ולא אביזר נלווה לו.

• מדידת ייחוס. רדיומטר ייחוס מכויל בעקיבות מטרולוגית קובע את עצמת הקרינה הנופלת במיקום מוגדר, לדוגמה לצורך בדיקת חיישן מותקן במתקן. כאן מה שקובע הוא אי-ודאות מדידה נמוכה וגאומטריה מוגדרת.
• ניטור מתקן. חיישן מותקן דרך קבע מנטר את מקור הקרינה ברציפות ומספק אות למערכת הבקרה. כאן מה שקובע הוא יציבות לטווח ארוך, עמידות למדיום ולתהליכי ניקוי, וממשק מתאים.
• הערכת מנת קרינה או פלואנס. החשיפה הקרינתית ביחס למדיום אינה נמדדת ישירות אלא נגזרת מעצמת הקרינה, זמן השהייה, הזרימה והשקיפות של המדיום, או נקבעת בשיטה ביו-דוזימטרית.

שלוש המשימות הללו מוגדרות בנפרד זו מזו. חיישן מותקן במתקן אינו מחליף מדידת ייחוס, ומדידת ייחוס אינה מחליפה הערכת מנת קרינה.

חיישן שתוכנן לאורך גל 254 nm מותאם לספקטרום הקווי הצר של מנורת לחץ נמוך. אם אותו חיישן משמש עם מנורת לחץ בינוני או LED מסוג UVC, הוא מעריך ספקטרום אחר בעזרת עקומת רגישות שלא נועדה לכך. התוצאה היא סטייה שיטתית שניתן לתקן רק באמצעות מקדם תיקון ספציפי למקור הקרינה.

הספקטרום גם משתנה במהלך אורך החיים בתוך אותו סוג מקור. במנורות לחץ נמוך מיקום הקווים נשאר יציב בעוד העצמה פוחתת; במנורות לחץ בינוני וב-LED משתנה גם התפלגות הספקטרום. לכן, מי שמשווה או מחליף בין סוגי מקורות קרינה נדרש להתייחסות ספקטרלית מדודה.

בכורים בעלי זרימה רציפה, חיישן מודד במיקום התקנה מוגדר מבעד לחלון החיישן. מה שנמדד אינו החשיפה הקרינתית הפועלת על המדיום, אלא אות המקושר לה בהתאם לתכנון המתקן. לכלוך על החלון, הזדקנות המקור והעבירות של המדיום משפיעים על אות זה באופן שונה - ולכן יש להגדיר במשולב את מיקום החיישן, הכיול וכלל ההערכה.

במעבדה, מערכי קרן מקבילה (collimated beam) מאפשרים הקרנה מוגדרת וכמעט מקבילה של דגימה, ולכן קשר מנה-תגובה אמין. ההעברה לכור נעשית באמצעות אימות (validation), ולא באמצעות קריאה בודדת. ההליך מתואר בעמוד אימות כורי UV.

• מד UVC – השוואה בין כל מדי UVC והחיישנים.
• רדיומטר ייחוס DVGW – מדידת ייחוס במתקני מי שתייה בהתאם ל-DIN 19294-3.
• UVC-SE ו-UVx-SE – חיישנים אטומים ללחץ לניטור קבוע של המתקן.
• RMD Pro עם חיישן UVC – מדידה ידנית על מנורות, תאים ומשטחים.
• SR900 – ייחוס ברזולוציה ספקטרלית לצורך השוואת סוגי מקורות קרינה או כאשר הספקטרום אינו ידוע.

כל שרשראות המדידה מכוילות באופן עקיב מטרולוגית במעבדת הכיול המוסמכת. עמוד היישום חיטוי UV ממקם את המדידה בהקשר של אפקט, תהליך ותקנים.

ד"ר-מהנדס מארק פרוויה הוא מנכ"ל חברת Opsytec Dr. Gröbel GmbH באטלינגן ועומד בראש מעבדת הכיול המוכרת. בעקבות מחקרו על פריקות אקסיימר קסנון פועמות במכון לטכנולוגיית תאורה ב-KIT, תחום העיסוק המרכזי שלו 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 בקרינת UV.