Come funzionano i sensori UV: struttura e errori di misura

Un sensore UV converte la radiazione ottica in un segnale elettrico. La lettura risulta da rilevatore, filtro, ottica, elettronica, taratura e geometria di misura; non è quindi mai una proprietà del solo rilevatore. Per la comparabilità delle misurazioni UV conta soprattutto la responsività spettrale, la risposta cosinusoidale, il campo dinamico, la luce diffusa e la corrispondenza con la sorgente effettiva.

Questa pagina segue il percorso del segnale e mostra dove nascono gli errori di misura lungo tale percorso. I radiometri a banda larga e gli spettroradiometri fungono da due strutture in cui le diverse fonti di errore si manifestano più chiaramente. Entrambi i termini sono comuni per la risposta angolare: la correzione del coseno si riferisce alla misura adottata a livello del sensore, la risposta cosinusoidale al risultato.

Ogni misurazione UV inizia con la domanda su quale grandezza debba essere determinata. Nella pratica industriale si tratta quasi sempre dell'irradianza E in W/m², la potenza radiante che arriva su una superficie. Integrata nel tempo, l'irradianza diventa l'esposizione radiante H in J/m², comunemente chiamata la "dose" – la grandezza determinante sia nella disinfezione UV sicura quanto nella polimerizzazione UV. La conversione tra le due è gestita dal nostro calcolatore di radiometria per UV e luce.

Per una sorgente puntiforme che irradia in tutte le direzioni, si applica la legge dell'inverso del quadrato: raddoppiando la distanza di misura, lo stesso flusso radiante si distribuisce su una superficie quattro volte maggiore, per cui l'irradianza si riduce a un quarto.

Questa legge vale a una condizione che nella pratica viene regolarmente ignorata: la sorgente deve essere puntiforme dal punto di vista del sensore. La regola empirica consolidata è una distanza di misura r ≥ 10 · d, dove d è la dimensione maggiore della superficie emittente.

Altre due condizioni sono altrettanto importanti: l'orientamento del sensore rispetto alla sorgente e la questione di quale intervallo spettrale venga pesato. Entrambe influiscono direttamente sulla progettazione degli strumenti.

Un radiometro a banda larga pesa la radiazione incidente con una funzione di responsività spettrale fissa s(λ) integrata nella sua ottica e restituisce un unico valore numerico. La testa di misura è una pila di componenti ottici, e il loro ordine non è casuale.

Finestra ottica. Solitamente in silice fusa, poiché il normale vetro sodico-calcico è praticamente opaco sotto i 300 nm circa. La finestra protegge i componenti posti dietro di essa e sigilla la testa contro i mezzi di processo.

Diffusore. Diffonde la radiazione incidente e crea così la risposta angolare a forma di coseno. Il diffusore non è un accessorio, ma il componente che rende la lettura una grandezza correlata all'area.

Stack di filtri. È qui che viene generata l'effettiva ponderazione spettrale – tipicamente tramite una combinazione di filtri interferenziali e vetri colorati. Lo stack determina se lo strumento misura UV-A, UV-B, UV-C o uno spettro d'azione specifico per l'applicazione.

Rilevatore. I fotodiodi al silicio sono lo standard; per le applicazioni UV-C si utilizzano sempre più spesso diodi SiC, poiché sono intrinsecamente ciechi nel visibile e alleviano così il carico sullo stack di filtri.

Un amplificatore a trans-impedenza converte poi la fotocorrente in tensione, e un convertitore A/D la digitalizza. Il grande vantaggio di questo design: una fotocorrente può essere misurata linearmente su molti ordini di grandezza. I radiometri raggiungono quindi un intervallo dinamico che uno spettrometro ad array non può eguagliare – e sono robusti, compatti e relativamente economici.

La norma ASTM G130-12(2020) classifica questi strumenti in base alla larghezza a metà altezza Δλ della loro funzione di responsività in radiometri a banda stretta (Δλ ≤ 20 nm), strumenti a banda larga (20 nm ≤ Δλ ≤ 70 nm) e strumenti a banda molto larga (Δλ ≥ 70 nm). Questa classificazione è più di una semplice terminologia: quanto più ampio è l'intervallo spettrale, tanto più fortemente la lettura dipende dallo spettro della sorgente misurata.

Uno spettroradiometro disperde la radiazione nelle sue componenti spettrali e misura l'irradianza spettrale E(λ) in W/(m²·nm). Da questo spettro è quindi possibile derivare mediante calcolo qualsiasi intervallo spettrale e qualsiasi spettro d'azione – ed è precisamente in questo che risiede la versatilità di questa classe di strumenti.

Il percorso ottico inizia, come nel radiometro, con un'ottica d'ingresso, generalmente un diffusore che funge da ricevitore a coseno. Una fibra ottica trasporta la radiazione fino alla fenditura d'ingresso. Uno specchio collimatore forma un fascio parallelo che colpisce un reticolo ottico. Il reticolo disperde la radiazione in base alla lunghezza d'onda, e uno specchio focalizzatore proietta lo spettro risultante su una matrice di rilevatori – CCD o CMOS.

Per quanto elegante sia il principio, la sua debolezza fisica non perdona errori. Un reticolo produce non solo il primo ordine di diffrazione desiderato, ma anche ordini superiori che devono essere deviati fuori dal percorso del fascio. A ciò si aggiunge la diffusione su specchi, montature e superfici dell'alloggiamento. Entrambi i meccanismi depositano componenti di segnale a onda lunga nella posizione di una lunghezza d'onda corta.

Un radiometro a banda larga non misura mai "la radiazione UV-A". Esso forma un integrale ponderato del prodotto tra lo spettro della sorgente e la funzione di responsività. Finché lo spettro della sorgente misurata corrisponde a quello della lampada di taratura, ciò non è problematico. Quando differisce, compare l'errore di mismatch spettrale.

Diventa particolarmente critico quando l'emissione dell'oggetto in esame cade su un fianco della curva di responsività. Le tolleranze di produzione del filtro si traducono allora direttamente nel valore letto. Non si tratta di una preoccupazione teorica: per un filtro passa-alto UV-B di tipo WG320, il bordo al 50 % può situarsi ovunque tra circa 314 nm e 326 nm entro le specifiche del produttore. A seconda dell'esemplare montato, la stessa sorgente produce deviazioni che vanno da pochi decimi percentuali fino all'intervallo percentuale a una cifra – senza che lo strumento sia "difettoso".

La CIE 220:2016 "Characterization and Calibration Methods of UV Radiometers" (elaborata dal comitato CIE TC 2-47) descrive un approccio sistematico. Il rapporto riporta ai radiometri UV gli indici di qualità noti dalla fotometria secondo ISO/CIE 19476:2014 – tra questi f1′ per il mismatch spettrale, f2 per la risposta angolare, f3 per la linearità, oltre a indici per gli effetti di affaticamento, temperatura e umidità. Poiché i radiometri UV, a differenza dei luxmetri, non sono progettati per un unico illuminante di riferimento, la CIE 220:2016 definisce tre spettri di riferimento e aggiunge nel suo allegato dieci spettri di sorgenti reali – da lampade a mercurio a bassa e media pressione, passando per sorgenti allo xeno e HMI, fino allo spettro solare.

Conseguenza pratica: chi conosce la responsività spettrale relativa del proprio radiometro e lo spettro della propria sorgente può calcolare il fattore di mismatch e applicarlo come fattore di correzione. Ciò richiede tuttavia che il produttore indichi nel certificato di taratura la responsività spettrale relativa misurata individualmente e lo spettro della lampada di taratura.

La misurazione nell'UV-C presenta una difficoltà che a prima vista sembra paradossale: il problema non è l'UV, è tutto il resto. Una lampada a vapori di mercurio a media pressione emette una potenza di ordini di grandezza superiore nel visibile e nel vicino infrarosso rispetto all'intervallo spettrale UV-C. Se anche solo una frazione di questa potenza si disperde sul canale a 254 nm all'interno dello strumento, vi si genera un segnale apparente che può superare la lettura reale. Quanto sia marcato questo squilibrio per una data lampada è mostrato dall'esploratore del database spettrale.

Gli ordini di grandezza differiscono in modo drastico: un doppio monocromatore raggiunge una luce parassita relativa di circa 10⁻⁷ - 10⁻⁹, uno spettrometro ad array si situa a 10⁻³ - 10⁻⁵, e uno spettrometro micro-array solo a 10⁻¹ - 10⁻².

Un doppio monocromatore fa passare la radiazione due volte su un reticolo, sopprimendo così la luce parassita di diversi decadi in più rispetto a un sistema a singolo stadio. Il prezzo da pagare è dimensione, tempo di misurazione e costo – motivo per cui viene impiegato come strumento di riferimento da laboratorio piuttosto che sul campo.

La situazione è aggravata dalla sensibilità all'infrarosso dei rivelatori array a base di silicio: essi sono più sensibili esattamente dove la radiazione interferente è più forte. Senza adeguati filtri di ordinamento degli ordini e una correzione documentata della luce parassita, le misurazioni UV-C con spettrometri ad array compatti comportano incertezze sostanziali e spesso ignote.

L'irradianza è definita come potenza radiante per unità di superficie – misurata su una superficie piana. Quando la radiazione arriva obliquamente, lo stesso flusso si distribuisce su un'area maggiore, quindi il segnale deve diminuire secondo cos θ. Un ricettore reale approssima solo questo comportamento: a grandi angoli di incidenza si verificano riflessioni alle interfacce.

L'indice di qualità f2 descrive la deviazione media dalla curva del coseno ideale. È determinante ovunque la radiazione non arrivi perpendicolarmente: nei reattori di disinfezione UV, nelle camere di irraggiamento con pareti riflettenti, nella polimerizzazione in continuo su nastro. In una camera con pareti altamente riflettenti, la componente diffusa può superare quella diretta – un sensore con una scarsa risposta angolare sottostima quindi sistematicamente.

In pratica, la qualità della correzione del coseno è spesso già evidente dal design: dalla dimensione e dalla diffusività dell'ottica di ingresso, e da quanto essa sporge oltre il bordo dell'alloggiamento.

Le sorgenti utilizzate nella tecnologia UV differiscono per irradianza spettrale di oltre sette decadi – dalla lampada al deuterio utilizzata come standard di taratura alla lampada al mercurio da 6 kW in una linea di polimerizzazione.

Un radiometro completamente digitale coprire questo range attraverso la misurazione della fotocorrente e la commutazione di range. Uno spettrometro ad array è limitato dalla capacità di pieno pozzo dei suoi pixel e dal rumore di lettura di fondo; funziona tramite la regolazione del tempo di integrazione, il che comporta un costo in termini di tempo di misurazione e trova dei limiti a entrambe le estremità del range.

La stessa distinzione si applica al convertitore analogico-digitale. La sua risoluzione – 12, 16 o 24 bit – determina con quale precisione viene visualizzata la lettura e quanto è ampio il range dinamico utilizzabile. Non dice nulla sull'accuratezza della misura: questa deriva dalla taratura e dalla corrispondenza spettrale con la sorgente misurata.

Un valore misurato senza riferibilità metrologica è un numero senza un sistema di riferimento. La catena metrologica scende dall'istituto nazionale di metrologia fino allo strumento presente sulla linea di produzione – e l'incertezza cresce a ogni passaggio.

Al vertice si trova l'istituto nazionale di metrologia – il PTB in Germania, il NIST negli Stati Uniti – che realizza l'unità di misura. Segue il laboratorio di taratura accreditato secondo ISO/IEC 17025, che opera con propri campioni e la cui competenza viene valutata regolarmente da un ente di accreditamento. I laboratori di prova misurano secondo una procedura scritta. Una taratura di fabbrica può ben essere riferibile, ma non è garantita da una valutazione indipendente. All'ultimo posto si trova la taratura non riferibile: fornisce numeri riproducibili, ma nessuna incertezza di misura difendibile.

Il percorso abituale inizia da uno standard spettrale – una lampada FEL da 1000 W per l'intervallo UV-A e visibile, una lampada al deuterio per l'intervallo a onde corte. Uno spettroradiometro viene tarato rispetto a questo standard (ASTM G138-12(2020)e1). Lo spettroradiometro tarato misura quindi una lampada UV simile a quella di produzione – cioè una sorgente spettralmente quanto più simile possibile all'oggetto di misura finale. Il radiometro di riferimento viene tarato rispetto a quella lampada (ASTM G130-12(2020)) e da lì la taratura viene infine trasferita agli strumenti da campo (ASTM E824-26).

Il trucco sta nel terzo passaggio: utilizzando una lampada simile a quella di produzione come sorgente di trasferimento, il radiometro viene tarato nelle stesse condizioni spettrali in cui misurerà successivamente. La disparità spettrale – la principale fonte di errore del radiometro a banda larga – viene così in gran parte eliminata. Proprio per questo motivo un radiometro a banda larga correttamente tarato può superare in precisione uno spettroradiometro per un tipo di lampada noto.

Due famiglie di lampade servono la taratura stessa: sorgenti a righe, come le lampade a mercurio a bassa pressione, per la taratura della lunghezza d'onda, e sorgenti a spettro continuo – lampade al deuterio e alogene al tungsteno – per la taratura della responsività spettrale. Le lampade alogene richiedono particolare attenzione, poiché la loro forte emissione a onde lunghe viene diffusa all'interno dello strumento e, se non corretta, produce esattamente l'errore di luce diffusa che si sta cercando di misurare.

Per l'incertezza di misura questo significa: il certificato di taratura non fornisce semplicemente un fattore, ma definisce anche la sorgente e la geometria per cui quel fattore è valido. Quanto più la misura si allontana da queste condizioni, tanto maggiore è il contributo della taratura all'incertezza complessiva. Il funzionamento dettagliato della taratura è descritto in la procedura di taratura UV.

La norma CIE 250:2022 "Spectroradiometric Measurement of Optical Radiation Sources" (CIE TC 2-80) è l'attuale testo di riferimento per le misure spettroradiometriche nell'intervallo da 200 nm a 2500 nm. Essa sostituisce la CIE 063-1984, vecchia di quasi quarant'anni, e fornisce una descrizione dettagliata degli effetti fisici da considerare nella stima dell'incertezza di misura.

Nella pratica emerge uno schema caratteristico: la più piccola incertezza di misura raggiungibile è massima nell'UV a onde corte e diminuisce verso lunghezze d'onda maggiori. Valori tipici per tarature accreditate sono circa il 6 % nell'intervallo vicino a 200–230 nm, circa il 3,5 % nell'UV-B e UV-A, e poco meno del 3 % nel campo visibile (incertezza di misura estesa, k = 2). Le ragioni di questo andamento sono di natura fisica: minore radianza degli standard, effetti di luce diffusa più marcati e maggiore sensibilità dei materiali ottici all'invecchiamento e alla contaminazione.

Ciascuna delle due tipologie costruttive presenta esattamente una fonte di errore dominante e le due sono complementari: la discrepanza spettrale per il radiometro a banda larga, la luce spuria per lo spettroradiometro. La scelta ne consegue:

• Se il tipo di lampada è noto e rimane costante, un radiometro a banda larga adeguatamente tarato fornisce l'incertezza di misura minore – con un intervallo dinamico più ampio, un tempo di risposta più breve e una maggiore robustezza.
• Se la sorgente cambia, è ignota, o deve essere valutato uno spettro d'azione, non si può prescindere dalla misura spettrale.
• In molti impianti la combinazione è la soluzione migliore: verifica spettrale a intervalli più lunghi, monitoraggio continuo del processo tramite misura a banda larga.

Il confronto completo, criterio per criterio, è riportato in come scegliere tra un radiometro a banda larga e uno spettroradiometro.

Perché una misurazione UV-C richiede particolare attenzione?
Perché la maggior parte delle sorgenti UV emette una potenza di ordini di grandezza superiore nel visibile e nell'infrarosso rispetto all'UV-C – e i rivelatori a base di silicio sono più sensibili esattamente in quell'intervallo. La luce parassita all'interno dello strumento può quindi produrre un segnale UV-C apparente maggiore di quello reale.

Cos'è il mismatch spettrale?
L'errore che si presenta quando lo spettro della sorgente misurata differisce dallo spettro della lampada utilizzata per la taratura dello strumento. La norma CIE 220:2016 descrive come quantificarlo e come applicarlo come fattore di correzione.

A quale distanza dalla lampada devono essere effettuate le misurazioni?
A una distanza sufficiente affinché la sorgente si comporti come una sorgente puntiforme vista dal sensore – come regola generale, almeno dieci volte la sua dimensione maggiore. Le misurazioni a distanze più brevi restano valide come letture, ma non devono essere riportate ad altre distanze utilizzando la legge dell'inverso del quadrato.

Perché il certificato di taratura è così importante?
Perché indica la sorgente di taratura, la responsività spettrale e l'incertezza di misura. Senza questi tre elementi, una lettura non può essere confrontata con un valore limite, con un altro strumento o con una misurazione precedente.

In che modo la temperatura modifica l'irradianza?
La temperatura agisce su entrambi i lati della misurazione: il fotodiodo e i filtri di un sensore sono dipendenti dalla temperatura, più fortemente nell'UVC che nell'UVA, e sia le lampade a mercurio che i LED UV modificano sia la potenza radiante sia la lunghezza d'onda di picco con la temperatura di esercizio. Valori riproducibili richiedono quindi una temperatura di esercizio definita e una distanza fissa e documentata.

Sei domande decidono se una misura UV è attendibile:

• La responsività spettrale corrisponde all'emissione della sorgente e alla funzione di pesatura prevista?
• Viene misurata radiazione diretta o distribuita spazialmente, e la risposta angolare è adeguata?
• La lettura si trova in modo sicuro all'interno del campo di misura e dell'intervallo dinamico?
• Lunghezze d'onda secondarie o luce diffusa possono falsare il risultato?
• La taratura si riferisce a una sorgente e a una geometria sufficientemente simili?
• L'incertezza di misura è sufficientemente piccola per il limite di processo?

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