254 nm पर UVC विकिरण का मापन और निगरानी

निम्न-दाब पारद लैंपों की 253.7 nm रेखा यूवी जल और वायु विसंक्रमण में एक केंद्रीय विकिरण स्रोत है। संदर्भ मापन, संयंत्र निगरानी और विकिरण मात्रा आकलन के लिए अलग-अलग सेंसर संकल्पनाओं की आवश्यकता होती है। यहाँ महत्वपूर्ण हैं वर्णक्रमीय सुमेलन, मापन ज्यामिति, दीर्घकालिक स्थायित्व और वास्तविक स्रोत से मेल खाता अंशांकन।

यह पृष्ठ तीनों मापन कार्यों को अलग-अलग दर्शाता है और यह बताता है कि सेंसर और स्रोत के मेल न खाने पर कौन-सी त्रुटियाँ उत्पन्न होती हैं।

यूवी विकिरण का जर्मीसाइडल प्रभाव तरंगदैर्घ्य पर निर्भर करता है। यह मूलतः न्यूक्लिक अम्लों के अवशोषण के अनुरूप चलता है और लगभग 265 nm के क्षेत्र में अपने अधिकतम मान तक पहुँचता है। लो-प्रेशर मर्करी लैंप की मुख्य उत्सर्जन रेखा 253.7 nm पर स्थित है और इसलिए इसके निकट है: यह अधिकतम पर ठीक न होते हुए भी प्रभाव के बड़े भाग को समाहित कर लेती है।

हालाँकि केवल तरंगदैर्घ्य ही निर्णायक नहीं है। प्रभाव तरंगदैर्घ्य, विकिरण उद्भासन – विकिरण तीव्रता गुणा समय – और संबंधित सूक्ष्मजीव की संवेदनशीलता से मिलकर बनता है। 254 nm का तकनीकी मानक बन जाना इसलिए उतना ही व्यावहारिक मामला भी है: यह स्रोत उच्च दक्षता से कार्य करता है, इसका स्पेक्ट्रम संकीर्ण है और इसलिए मापीय रूप से स्पष्ट रूप से मूल्यांकन योग्य है, व्यावहारिक रूप से प्रासंगिक पथों पर वायु और जल में पारगमन पर्याप्त है, और मानक आधार दशकों में विकसित हुआ है।

नीचे दिया गया चित्र Opsytec वर्णक्रमीय डेटाबेस से लो-प्रेशर मर्करी लैंप के मापे गए स्पेक्ट्रम को Bacillus subtilis के बीजाणुओं (spores) के लिए सूक्ष्मजीवनाशी क्रिया स्पेक्ट्रम (Cabaj et al. 2002, 253.7 nm पर सामान्यीकृत) के साथ दर्शाता है। 185 nm अनुनाद रेखा को योजनाबद्ध रूप से दर्शाया गया है क्योंकि यह मापे गए परास से बाहर स्थित है।

निम्न-दाब मरकरी लैंप एक क्वार्ट्ज़ ट्यूब में गैस विसर्जन है, जिसमें मरकरी की एक बूंद और एक प्रारंभक गैस, सामान्यतः आर्गन, होती है। मरकरी वाष्प दाब कुछ पास्कल होता है, जबकि आंतरिक कुल दाब लगभग 10 mbar तक होता है। यह विसर्जन अत्यधिक अ-तापीय होता है: इलेक्ट्रॉन कुछ इलेक्ट्रॉनवोल्ट ऊर्जा तक पहुँच जाते हैं जबकि गैस लगभग शीतल बनी रहती है। यही असंतुलन है जिसके कारण दी गई शक्ति मुख्यतः उत्तेजन में जाती है, ऊष्मा में नहीं।

इलेक्ट्रॉन संघट्टन मरकरी परमाणुओं को अनुनाद स्तरों तक उत्तेजित करते हैं; भूमि अवस्था में उनके क्षय से दो अनुनाद रेखाएँ प्राप्त होती हैं। 253.7 nm पर मुख्य उत्सर्जन रेखा स्थित है और इसी प्रकार जर्मीसाइडल रूप से उपयोग किया जाने वाला भाग भी। 185 nm पर दूसरी रेखा लैंप से बाहर तभी निकलती है जब आवरण सामग्री इसे पारगमित करती है; वायु में यह ओज़ोन उत्पन्न करती है और, अनुप्रयोग के अनुसार, या तो ऑक्सीकरण प्रक्रियाओं के लिए जानबूझकर उपयोग की जाती है या डोप्ड क्वार्ट्ज़ ग्लास द्वारा दबा दी जाती है (मरकरी वाष्प लैंप का विवरण, जर्मन में)।

क्योंकि दोनों रेखाएँ अनुनादी हैं, फोटॉन प्लाज़्मा के भीतर बार-बार अवशोषित और पुनः उत्सर्जित होते हैं। यह विकिरण-प्रग्रहण (radiation trapping) दक्षता को सीधे मरकरी वाष्प दाब से और इसलिए दीवार के तापमान से जोड़ देता है: सबसे शीतल दीवार बिंदु का इष्टतम मान लगभग 40 °C पर होता है, और इससे ऊपर या नीचे 254 nm आउटपुट घट जाता है। संयंत्र में, माध्यम का तापमान और प्रवाह इसलिए उत्सर्जित विकिरण शक्ति पर सीधा प्रभाव डालते हैं। अमलगम लैंप इस इष्टतम को उच्च तापमानों की ओर स्थानांतरित करते हैं और काफी अधिक शक्ति घनत्व की अनुमति देते हैं।

सेवा जीवन के दौरान रेखा की स्थिति स्थिर रहती है जबकि विकिरण शक्ति घटती जाती है। मापन के लिए यह अनुकूल स्थिति है: सेंसर का वर्णक्रमीय भारांक वैध बना रहता है और केवल आयाम घटता है। मध्यम-दाब लैंप और UVC LED के साथ वर्णक्रमीय वितरण भी बदल जाता है - यही वह स्थान है जहाँ से आगे वर्णित मिसमैच (असंगति) उत्पन्न होती है।

प्रभाव तकनीक से पहले आया। 1877 में डाउन्स और ब्लंट ने दिखाया कि सूर्य का प्रकाश बैक्टीरिया की वृद्धि को रोकता है; 1903 में नील्स रायबर्ग फ़िनसेन को प्रकाश चिकित्सा के लिए नोबेल पुरस्कार मिला। इसके साथ ही उपयुक्त स्रोत भी विकसित हुआ: लियो एरोन्स को 1892 के कार्य के आधार पर मरकरी वेपर लैंप का आविष्कारक माना जाता है, 1905 से क्वार्ट्ज़ ग्लास सन लैंप आया, और 1923 से 1934 के बीच मरकरी डिस्चार्ज लैंप को लो-, मीडियम- और हाई-प्रेशर संस्करणों के रूप में व्यावसायिक रूप दिया गया (मरकरी वेपर लैंप का विवरण, जर्मन में)। पेयजल विसंक्रमण के लिए पहला यूवी संयंत्र मार्सिले में 1910 में ही चालू हुआ।

यह प्रभाव बहुत बाद में मापने योग्य और तुलनीय बना। 1930 में आर. एल. गेट्स ने जीवाणुनाशक प्रभाव का पहला व्यवस्थित अध्ययन प्रकाशित किया और इस प्रकार जर्मीसाइडल एक्शन स्पेक्ट्रम की शुरुआत की। 1980 के दशक से पेयजल उपचार में मानकीकृत आधार बना; जर्मनी में DVGW कोड ऑफ प्रैक्टिस W 294 और DIN 19294 आज परीक्षण, संयंत्र सेंसर और संदर्भ मापन को आकार देते हैं।

इस प्रकार यह विकास तीन चरणों में हुआ: 19वीं सदी में जैविक अवलोकन, 20वीं सदी के पहले हिस्से में एक नियंत्रणीय स्रोत, और इसके दूसरे हिस्से में मापीय एवं मानक-संबंधी सुनिश्चितता। केवल तीसरा चरण ही किसी प्रभाव को एक अनुवेक्षणीय प्रक्रिया में बदलता है।

सबसे बड़ा अनुप्रयोग क्षेत्र प्रवाह-रिएक्टरों में पेयजल, प्रक्रिया जल और अपशिष्ट जल का विसंक्रमण है, जर्मनी में DVGW W 294 और DIN 19294-3 के अनुसार प्लांट सेंसर और संदर्भ मापन के साथ। इसके साथ ही क्लिनिकों में और खाद्य एवं फार्मास्युटिकल उत्पादन में, वेंटिलेशन नलिकाओं और क्लीनरूम में वायु और सतहों का विसंक्रमण, साथ ही पेय पदार्थ एवं खाद्य उद्योग में पैकेजिंग, कन्वेयर और फिलिंग लाइनों का उपचार शामिल है।

यदि 185 nm रेखा उत्सर्जित होती है, तो प्रकाश-रासायनिक प्रभाव भी जुड़ जाता है: यूवी ऑक्सीकरण और TOC न्यूनीकरण किरण पथ में बनने वाले ओज़ोन और उससे उत्पन्न रैडिकल्स के साथ कार्य करते हैं। एक और भी अधिक लघु-तरंगदैर्घ्य वाला, विशुद्ध रूप से प्रकाश-रासायनिक विकल्प पृष्ठ जेनॉन एक्साइमर लैंपों से 172 nm VUV विकिरण के मापन पर वर्णित है। प्रयोगशाला में, 254 nm विकिरण अंततः एक निर्धारित संदर्भ के रूप में कार्य करता है, उदाहरण के लिए कोलिमेटेड बीम सेटअप में मात्रा-प्रतिक्रिया अध्ययनों के लिए। प्रभाव, प्रक्रियाओं और मानकों को अनुप्रयोग पृष्ठ यूवी विसंक्रमण पर संदर्भ में रखा गया है।

प्रत्येक मामले में एक ही संबंध लागू होता है: महत्वपूर्ण यह है कि माध्यम में वास्तव में प्रभावी विकिरण उद्भासन कितना है, न कि लैंप की नाममात्र शक्ति। विकिरण तीव्रता, निवास समय, प्रवाह और संचरण मिलकर परिणाम निर्धारित करते हैं – इसीलिए मापन प्रक्रिया का एक हिस्सा है, न कि उसका सहायक उपकरण।

• संदर्भ मापन। एक मापीय रूप से अनुरेखणीय अंशांकित संदर्भ विकिरणमापी एक निर्धारित स्थिति पर विकिरण तीव्रता निर्धारित करता है, उदाहरण के लिए किसी संयंत्र सेंसर की जाँच करने हेतु। यहाँ कम मापन अनिश्चितता और एक निर्धारित ज्यामिति ही महत्वपूर्ण होते हैं।
• संयंत्र निगरानी। एक स्थायी रूप से स्थापित सेंसर स्रोत की निरंतर निगरानी करता है और नियंत्रण तंत्र को एक संकेत प्रदान करता है। यहाँ दीर्घकालिक स्थायित्व, माध्यम और सफाई के प्रति प्रतिरोध, तथा एक उपयुक्त इंटरफ़ेस ही महत्वपूर्ण होते हैं।
• विकिरण मात्रा या फ्लुएंस आकलन। माध्यम से संबंधित विकिरण उद्भासन को प्रत्यक्ष रूप से नहीं मापा जाता, बल्कि इसे विकिरण तीव्रता, ठहराव समय, प्रवाह और माध्यम की पारगम्यता से व्युत्पन्न किया जाता है, या जैवमात्रामिति द्वारा निर्धारित किया जाता है।

ये तीनों कार्य अलग-अलग रूप से परिभाषित हैं। एक संयंत्र सेंसर संदर्भ मापन का स्थान नहीं लेता, और एक संदर्भ मापन विकिरण मात्रा आकलन का स्थान नहीं लेता।

254 nm के लिए डिज़ाइन किया गया सेंसर लो-प्रेशर लैंप के संकीर्ण रेखा स्पेक्ट्रम से मिलान करता है। यदि उसी सेंसर का उपयोग मीडियम-प्रेशर लैंप या UVC LED पर किया जाता है, तो वह एक भिन्न स्पेक्ट्रम का मूल्यांकन करता है, जबकि उसकी रेस्पॉन्सिविटी कर्व इसके लिए नहीं बनाई गई है। परिणामस्वरूप एक व्यवस्थित विचलन होता है, जिसे केवल स्रोत-विशिष्ट संशोधन कारक से ही ठीक किया जा सकता है।

एक ही प्रकार के स्रोत में भी जीवनकाल के दौरान स्पेक्ट्रम बदलता है। लो-प्रेशर लैंप में रेखा की स्थिति स्थिर रहती है जबकि आउटपुट घटता है; मीडियम-प्रेशर लैंप और LED में वर्णक्रमीय वितरण भी बदल जाता है। इसलिए जो कोई भी विभिन्न प्रकार के स्रोतों की तुलना करता है या उनके बीच स्विच करता है, उसे एक वर्णक्रमीय रूप से विभेदित संदर्भ की आवश्यकता होती है।

प्रवाह-रिएक्टरों में एक सेंसर सेंसर विंडो के माध्यम से एक निर्धारित माउंटिंग स्थिति पर मापन करता है। जो मापा जाता है वह माध्यम पर कार्य करने वाला विकिरण उद्भासन नहीं है, बल्कि प्लांट डिज़ाइन के माध्यम से उससे जुड़ा एक संकेत है। विंडो का मैला होना, स्रोत का जीर्णन और माध्यम का पारगम्यत्व इस संकेत को अलग-अलग तरीके से प्रभावित करते हैं – इसीलिए सेंसर स्थिति, अंशांकन और मूल्यांकन नियम को एक साथ निर्धारित करना आवश्यक है।

प्रयोगशाला में, कोलिमेटेड बीम सेटअप एक नमूने का निर्धारित, लगभग समांतर विकिरणन संभव बनाते हैं और इस प्रकार एक विश्वसनीय मात्रा-प्रतिक्रिया संबंध प्रदान करते हैं। रिएक्टर में स्थानांतरण सत्यापन के माध्यम से किया जाता है, न कि किसी एकल पाठ्यांक के माध्यम से। यह प्रक्रिया यूवी रिएक्टर सत्यापन पृष्ठ पर वर्णित है।

• UVC मीटर – सभी UVC मीटर और सेंसर की तुलना।
• DVGW संदर्भ विकिरणमापी – DIN 19294-3 के अनुसार पेयजल संयंत्रों पर संदर्भ मापन।
• UVC-SE और UVx-SE – स्थायी संयंत्र निगरानी के लिए दाब-रोधी सेंसर।
• RMD Pro यूवीसी सेंसर के साथ – लैंप, कक्षों और सतहों पर हस्तचालित मापन।
• SR900 – वर्णक्रमीय रूप से विश्लेषित संदर्भ, जहाँ स्रोत प्रकारों की तुलना की जाती है या स्पेक्ट्रम अज्ञात है।

सभी मापन शृंखलाएँ मान्यता प्राप्त अंशांकन प्रयोगशाला में अनुरेखणीय रूप से अंशांकित की जाती हैं। आवेदन पृष्ठ यूवी विसंक्रमण मापन को प्रभाव, प्रक्रिया और मानकों के संदर्भ में प्रस्तुत करता है।

डॉ.-इंग. मार्क परावीआ Ettlingen में Opsytec Dr. Gröbel GmbH के प्रबंध निदेशक हैं और प्रत्यायित अंशांकन प्रयोगशाला के प्रमुख हैं। KIT के Institute of Lighting Technology में स्पंदित ज़ेनॉन एक्साइमर विसर्जन पर अपने शोध के बाद, आज उनका मुख्य कार्यक्षेत्र प्रकाशिक विकिरण मापन है। वे DIN मानक समिति FNL 7 "Optical radiation" के उपाध्यक्ष हैं और DVGW की यूवी विसंक्रमण परियोजना समूह के सदस्य हैं।