Spettroradiometri UV e spettrometri ottici

Gli spettroradiometri UV e gli spettrometri ottici rilevano la radiazione risolta in lunghezza d'onda. Ciò consente di valutare la distribuzione spettrale, la posizione del picco, la larghezza di banda e le variazioni spettrali di una sorgente UV. L'irradianza assoluta richiede inoltre una taratura radiometrica dell'intera catena di misura. La scelta è determinata soprattutto dall'intervallo di lunghezze d'onda, dalla risoluzione spettrale, dall'intervallo dinamico, dal comportamento rispetto alla luce diffusa e dalla geometria di misura.

La gamma comprende gli spettroradiometri UV portatili UVpad e UVpad E nonché lo spettrometro ad array SR900 per ricerca, sviluppo e assicurazione della qualità. Sono diffuse anche le denominazioni spettroradiometro e il termine generico strumento di misura spettrale – si intende lo stesso strumento.

Tutti e tre sono tarati in assoluto; la taratura avviene nel nostro laboratorio accreditato secondo ISO 17025 ed è riferibile al PTB. Le grandezze e le unità corrispondenti sono illustrate alla voce grandezze radiometriche, i limiti degli intervalli alla voce intervalli spettrali e norme.

I due termini descrivono lo stesso progetto ottico ma due compiti di misura differenti. La differenza non risiede nell'ottica, bensì nella taratura e nella geometria d'ingresso: uno spettrometro disperde la luce e restituisce una curva relativa. Uno spettroradiometro è uno spettrometro tarato in valore assoluto: fornisce l'irradianza spettrale in W/(m²·nm) e da essa mW/cm², lux o PPFD.

Chi necessita di un'irradianza o di una dose ha bisogno di uno spettroradiometro; tutto il resto misura in modo relativo. Ogni strumento di questa categoria è uno spettroradiometro. Per la misura della trasmissione e dell'UVT nel processo – un compito fotometrico anziché radiometrico – Opsytec offre il fotometro di processo ZPM.

Uno spettrometro fornisce conteggi – numeri che dipendono dal rivelatore, dal tempo di integrazione, dalla fenditura d'ingresso e dalla fibra ottica. Indicano dove emette la sorgente, non quanto. Solo la taratura assoluta rispetto a un campione di riferimento assegna un valore fisico a ciascuna lunghezza d'onda e trasforma la curva in una misura.

Per questo servono tre cose, e un semplice spettrometro non ne possiede nessuna:

• Una taratura riferibile a un campione di riferimento che a sua volta risale a un istituto metrologico nazionale – presso Opsytec al PTB. Senza di essa il valore non è confrontabile, nemmeno con quello del vostro stesso strumento dell'anno precedente.
• Un'ottica d'ingresso definita. L'irradianza è potenza per unità di area, quindi lo strumento deve raccogliere la radiazione su un'area nota con una ponderazione conforme alla legge del cosseno. Una fibra ottica senza diffusore non lo consente.
• La correzione della luce diffusa. Nell'UV-C il segnale è spesso di ordini di grandezza più debole che nel visibile. Senza correzione, ciò che si misura in quella regione è in gran parte luce diffusa proveniente dall'interno dello strumento.

Un radiometro a banda larga misura più rapidamente, costa meno ed è più robusto nell'uso quotidiano; tuttavia pondera la radiazione con la propria sensibilità spettrale ed è corretto solo quando la sorgente è simile a quella di taratura. Per il monitoraggio continuo di un impianto noto resta la scelta giusta: è a questo che servono i radiometri a banda larga per i controlli di processo e di dose.

Appena la sorgente cambia, devono essere valutate separatamente più lunghezze d'onda oppure deve essere applicato uno spettro d'azione, non si può fare a meno dello spettro. Il confronto completo tra i due tipi di strumento, comprese le rispettive fonti di errore, è riportato in quando è necessario uno spettroradiometro.

Prima domanda: vi serve un valore assoluto? Se si tratta solo della posizione del picco, della FWHM o del confronto tra due lotti, è sufficiente una misura relativa: basta uno spettrometro. Appena occorre ottenere un valore in mW/cm², lux o J/cm², non si può prescindere da una taratura assoluta.

Seconda domanda: quale intervallo di lunghezze d'onda? Solo UV fino a 440 nm, UV più l'inizio del visibile fino a 480 nm, oppure l'intero spettro ottico fino a 1.100 nm: questo determina lo strumento.

Terza domanda: dove viene eseguita la misura? Nessun cavo esce da una camera chiusa; lì lo strumento deve misurare e memorizzare in modo autonomo. Sul posto di lavoro o su una linea in funzione è corretta una testa di misura con cavo. Sul banco ottico contano l'intervallo e la risoluzione, non le dimensioni.

L'ultima riga non è una contraddizione, ma la risposta più diffusa nella pratica: misurare una volta in modo spettrale, poi monitorare a banda larga. La misura spettrale stabilisce di quanto il sensore a banda larga si discosta su questa sorgente; successivamente, per i controlli ricorrenti è sufficiente lo strumento rapido – purché la sorgente rimanga la stessa. Se si cambia la lampada, la catena riparte da capo.

Uno spettrometro scompone la luce nelle sue lunghezze d'onda e misura l'intensità di ciascuna di esse. L'ottica di ingresso viene irradiata per prima. Un elemento dispersivo – un prisma o un reticolo – separa spazialmente le lunghezze d'onda; fotodiodi o array CCD le rilevano successivamente. Lo spettro così ottenuto permette di trarre conclusioni su una lampada, un LED o un campione.

La configurazione più diffusa è lo spettrometro Czerny-Turner: due specchi e un reticolo, disposti in modo che le aberrazioni ottiche rimangano contenute e la risoluzione spettrale resti elevata. Il design è sufficientemente compatto per strumenti portatili e piccoli banchi di laboratorio.

Occorre distinguere tre configurazioni.

Gli spettrometri ad array utilizzano una serie di rivelatori, generalmente CCD o CMOS, che acquisiscono l'intero spettro in una sola volta. Questo rende la misura rapida e non richiede parti in movimento. Tutti gli spettroradiometri Opsytec funzionano in questo modo.

I monocromatori dispongono di una fenditura e di un reticolo rotante e trasmettono una lunghezza d'onda alla volta. Misurano con grande precisione ed elevata purezza spettrale, ma richiedono tempo – una lunghezza d'onda dopo l'altra. Tipici per la ricerca e il controllo qualità, dove ciò che conta è la selezione della lunghezza d'onda.

I doppi monocromatori dispongono due monocromatori in serie. Questo riduce ulteriormente la luce diffusa ed è necessario laddove segnali molto debordanti...

Un singolo spettro fornisce diverse grandezze:

• Illuminamento – l'intensità luminosa ponderata fotometricamente
• Temperatura di colore correlata (CCT) – descrive quanto la luce appare calda o fredda
• Indici di resa cromatica – con quale fedeltà una sorgente rende i colori
• Coordinate colorimetriche CIE – il punto di colore nello spazio colore normalizzato
• Distribuzione spettrale di potenza – come l'energia si distribuisce nello spettro
• Lunghezza d'onda di picco e dominante – dove si collocano l'energia massima e quella visivamente dominante

Un radiometro a banda larga restituisce invece un unico valore.

Il significato delle singole grandezze è illustrato in grandezze colorimetriche; simbolo, unità e definizione di ogni grandezza ottica si trovano nel glossario delle grandezze ottiche.

La parola spettrometro va ben oltre la misura della luce. Tre tipologie di strumenti compaiono regolarmente nella stessa ricerca e misurano cose completamente diverse:

Gli spettrometri di massa separano gli ioni in base al loro rapporto massa/carica. Identificano le più piccole quantità di una sostanza e sono impiegati nell'analisi chimica, nella biochimica, nelle scienze ambientali e nell'industria farmaceutica.

Gli spettrometri ad assorbimento atomico misurano come gli atomi metallici vaporizzati assorbono la luce e da ciò determinano le concentrazioni di metalli in soluzione – analisi ambientale, tossicologia e scienza dei materiali, soprattutto per i metalli pesanti.

Gli spettrofotometri, spesso chiamati spettrometri UV-Vis, misurano l'assorbimento o la trasmissione di un campione e ne ricavano le concentrazioni. Sono diffusi nella diagnostica clinica, nell'analisi delle acque e nel controllo degli alimenti. Per la trasmissione e l'UVT in processo, Opsytec offre il fotometro di processo ZPM.

Uno spettroradiometro, al contrario, misura l'irradianza spettrale rispetto a una taratura assoluta. La sua ottica d'ingresso è un diffusore, solitamente collegato tramite una guida di luce – come nello spettroradiometro SR900.

Che cosa distingue uno spettrometro da uno spettroradiometro?
Uno spettrometro fornisce valori relativi; uno spettroradiometro è tarato in assoluto e fornisce l'irradianza spettrale. Ogni strumento di questa categoria è uno spettroradiometro.

Quale intervallo di lunghezze d'onda e quale risoluzione mi servono?
L'intervallo deve coprire integralmente l'emissione ed eventuali bande secondarie – solo UV fino a 440 nm, UV più l'inizio del visibile fino a 480 nm, oppure l'intero spettro ottico fino a 1.100 nm. La risoluzione determina se picchi ravvicinati o righe strette risultano ancora separati.

Quali errori di misura si presentano con gli spettrometri ad array?
Soprattutto la luce diffusa: parti di lunghezze d'onda intense compaiono dove non dovrebbero. Nell'UV-C il segnale è spesso di ordini di grandezza più debole che nel campo visibile – senza correzione della luce diffusa, ciò che vi si misura è principalmente la luce diffusa propria dello strumento. A questo si aggiungono corrente di buio, non linearità e deriva termica.

Quali grandezze si possono calcolare da uno spettro?
L'irradianza spettrale consente di ottenere quasi qualsiasi grandezza caratteristica mediante integrazione e ponderazione: irradianza per intervallo spettrale, dose UV, illuminamento tramite V(λ), PPFD e valori ponderati per azione come quelli secondo IEC 62471. È proprio questo il vantaggio rispetto ai radiometri a banda larga per i controlli di processo e di dose.

Trovate il sensore adatto: il UV Sensor Finder propone i tre sensori e misuratori UV più adatti in base ad applicazione, lunghezza d'onda e forma costruttiva – con valori principali, componente di sistema abbinato e motivazioni.